可變動力傳動機構型綜合分析方法研究

邸立明　趙永生　杜丹陽

燕山大學，秦皇島， 066004

可變動力傳動機構型綜合分析方法研究

邸立明趙永生杜丹陽

燕山大學，秦皇島， 066004

摘要：基于可變循環發動機模式切換的功能需求，提出一種針對相位和速比的可變動力傳動機構的型綜合設計分析方法。首先利用雙排行星輪系架構設計出一種具備相位和速比同時可變特征的通用傳動機構方案；然后通過構型設計、拓撲分析，得出功能結構相似的系列化機構方案，并利用粗糙集理論結合聚類分析法開展其型綜合與分類研究；最后分析得到一類前排為單行星輪系、后排為雙行星輪系的串聯傳動機構方案。此類方案可滿足變循環發動機切換工作模式的需求，且具有緊急情況下中斷動力傳遞的功能。研究表明，該設計分析方法能有效提高機構設計過程中的型綜合與分類研究效率。

關鍵詞：動力傳動; 模式切換; 聚類分析; 型綜合

0引言

機構方案的創新設計具有挑戰性，而機構的型綜合是發明新機構或對現存機構進行類型改進的基礎，對確定機構結構形式具有重要工程意義。

在機器人及并聯機構領域，機構型綜合研究已得到充分重視和深入研究。文獻[1-3]對欠秩少自由度并聯機器人機構型綜合理論和方法進行了系統研究，而文獻[4-7]則基于運動解耦方法開展了并聯機構型綜合研究。在工程應用領域，文獻[8]構造了一系列串并聯形式的混聯結構鍛造操作機構型，文獻[9]提出一種構造新型一維并聯型遠程運動中心機構的型綜合方法，文獻[10]面向生物工程微操作機器人開展了三自由度平動并聯機構型綜合研究。但傳統機構型綜合研究方法在其他領域應用較少，尤其在以齒輪和桿件為主要特征的動力傳動機構的設計中更為少見。機構型綜合屬于機構優化設計范疇，采用現代優化方法開展機構型綜合研究顯得很有必要，同時也是擴展型綜合研究領域的一條嶄新途徑。

目前，越來越多機器產品具有不止一種工作模式，配合模式切換的相關動力傳動機構對相位和速比等參數需求不同[11-12]。文獻[13-15]中可變循環發動機(variable-cycle engine，VCE)在模式切換前后，其兩種工作模式對凸輪軸配氣相位和曲軸與凸輪軸之間的速比需求不同，需專有機構完成相應的調節和切換工作。然而，此類動力傳動機構由于功能耦合且部件眾多，方案設計分析工作繁冗，成本耗費巨大。本文以VCE凸輪軸驅動切換機構(driving and switching mechanism, DSM)方案的設計與分析為例，基于方案部件屬性約簡和機構型綜合技術，開展可變動力傳動機構的設計分析方法研究。

1DSM功能需求與構型分析

根據文獻[13-14]分析可知，VCE的DSM應具備2∶1和1∶1兩種速比的相互切換功能，應實現兩種模式下配氣相位的連續可變和緊急情況下中斷發動機動力的功能。此外，因用于發動機凸輪軸驅動，機構應兼具結構緊湊、工作平穩和高效率傳動等特點。

行星齒輪傳動具有的諸多優點使其被廣泛應用于機械傳動領域。 戴-克公司和馬氏創新2T4公司分別利用單排行星齒輪機構實現了發動機凸輪軸的兩級可變速比驅動。Philippe等[16]發明了一種用于發動機凸輪相位動態調節的單排行星齒輪機構，它利用耦合器控制行星輪系的鎖死與解鎖以實現相位調節。GM、戴-克、TOYOTA和MAZDA等汽車公司也有類似的利用單排行星齒輪實現動態調節配氣相位的機構。上海SICAR公司采用兩組行星輪系架構，開發出可在任意轉速下獲得最佳凸輪軸相位的機構，非VVT雙頂置凸輪軸機型可直接進行改裝[17]。所以，采用行星輪系架構實現VCE的DSM設計，具有較高的可行性。

1.1雙排行星輪系架構確定

單排行星輪系(single row planetary gear train， SRPGT)的運動學特性方程為

ω1+α ω2-(1+α)ω3=0

(1)

α=Z2/Z1

式中，ω1、ω2和ω3分別為SRPGT太陽輪、齒圈和行星架的轉速；α為齒圈與太陽輪的齒數比；Z1、Z2分別為SRPGT太陽輪和齒圈的齒數。

根據速比的當量齒數計算法，將行星齒輪機構太陽輪、齒圈和行星架的當量齒數分別記為1、α和1+α，則根據行星齒輪機構的具體工況，能很快推算出其速比。

當SRPGT輸出部件與凸輪軸固定連接且曲軸與輸入部件之間速比為1∶1時，可通過鎖死SRPGT實現曲軸與凸輪軸1∶1速比傳動，此時，輸入與輸出部件的轉速和轉動方向均相同。但若要實現總速比為2∶1的減速傳動，則根據當量齒數法分析得出，無論如何分配太陽輪、齒圈和行星架，都無法在Z2>Z1情況下滿足輸出部件的旋轉方向與輪系鎖死時1∶1速比情況下的旋轉方向一致。同樣，分析曲軸與SRPGT輸入部件之間速比為2∶1的情況，得到同樣的結論。因此，利用SRPGT無法設計出滿足VCE模式切換工作要求的凸輪軸驅動機構，且在SRPGT鎖死情況下，無法實現相位調節，所以本文提出了圖1所示的相位與速比可變的雙排行星輪系(double row planetary gear train with variable phase and transmission ratio，DRPGT-VPTR)機構設計方案。雙排行星輪系(double row planetary gear train，DRPGT)中除用于前后傳遞動力的共用一體部件外，剩余部件完全滿足輸入、輸出和相位調節等功能的分配使用，并且部件分配具有一定互換性，利于從機構總體布置和部件結構等方面開展進一步優化設計。

圖1　DRPGT-VPTR的動力傳動機構

1.2DRPGT-VPTR構型設計

圖1所示為一種DRPGT-VPTR架構的傳動機構方案，主要包括動力輸入輪1(凸輪軸鏈輪或皮帶輪)、行星輪系P1和P2、齒圈2和8、太陽輪4和6、行星輪3和7、一體動力傳遞架5、離合器C1和C2、動力輸出軸9(接凸輪軸)、角速度相位傳感器S1和S2、電控單元10、電機驅動蝸桿11、渦輪12、相位控制軸13等。

圖1所示機構具有輸入與輸出軸始終同向旋轉、速比可變、動力傳遞可中斷和雙向可連續調節相位的特點。當電控單元10控制驅動蝸桿11保持靜止、離合器C1接合且離合器C2分離時，渦輪12、相位控制軸13、太陽輪4和太陽輪6同時保持靜止，動力輸入輪1輸入的動力通過齒圈2帶動行星輪3驅動一體動力傳遞架5同方向旋轉，一體動力傳遞架5帶動行星輪7驅動齒圈8同方向旋轉，齒圈8帶動動力輸出軸9同向旋轉實現某一固定速比的動力傳遞；當電控單元10控制驅動蝸桿11保持靜止、離合器 C1分離且離合器C2接合時，渦輪12、相位控制軸13、太陽輪4同時保持靜止，行星輪系P2通過離合器C2接合鎖死，動力輸入輪1輸入的動力通過齒圈2帶動行星輪3驅動一體動力傳遞架5同向旋轉，一體動力傳遞架5帶動鎖死的行星輪系P2和動力輸出軸9也同向旋轉，實現另一固定速比的動力傳遞；當電控單元10控制驅動蝸桿11保持靜止、離合器C1和離合器C2都保持分離時，渦輪12、相位控制軸13和太陽輪4同時保持靜止，動力輸入輪1輸入的動力通過齒圈2帶動行星輪3驅動一體動力傳遞架5同向旋轉，動力輸出軸9的驅動阻力使齒圈8保持靜止，一體動力傳遞架5帶動行星輪7驅動太陽輪6同向空轉，動力輸出中斷。速比一定情況下，電控單元10接收來自傳感器S1和S2的信號，運算并輸出控制信號使驅動蝸桿11正向或反向旋轉，從而帶動渦輪12旋轉，太陽輪4因與渦輪12固接而同步旋轉，使齒圈2與齒圈8之間產生相位變化，從而實現動力輸入輪1與動力輸出軸9之間的相位連續調節。

為全面分析和優選滿足VCE模式切換需求的DRPGT架構特征機構方案，在不考慮輸入、輸出部件轉向改變與否的前提下，得到12種基于DRPGT架構具有同名部件一體傳力、速比二級可變、相位連續可調和動力可中斷等特征的機構方案，如表1所示。

表1　DRPGT-VPTR動力傳動機構方案

注：“N擋”表示動力傳遞中斷的空擋；“╳”表示離合器接合；“-”表示離合器分離；“同/升/降速”即同速/升速/降速，表示由DRPGT中兩排行星輪系部件參數決定的可能變速效果。

表1中方案1的結構簡圖即為圖1。表1中，“P1_2”表示前排行星輪系P1中的齒圈2部件，其他相關符號依此類推。“中斷部件”表示后排行星輪系未鎖死時的固定部件，因其通過離合器C1固定，因此只有當離合器C1分離時，機構才能實現動力傳遞的中斷。

(a)

(b)圖2　表1中方案1的衍生方案

根據離合器C1和C2連接部件的不同，表1中各方案又可得到諸多衍生方案，圖2所示為方案1衍生出的子方案中的兩種。型綜合是開展結構設計和類型優選的基礎[18]，本文僅對表1中12種方案進行型綜合研究。

2基于粗糙集的DRPGT-VPTR方案分類

要準確描述表1中12種方案的結構及功能，信息量較大，直接對其進行功能分類十分困難。粗糙集(rough set, RS)理論研究的是不同類對象組成集合之間的關系，能對分類條件屬性信息進行有效約簡，而又不影響對象的功能分類歸屬。故本文采用粗糙集理論對12種方案的不同部件進行特征描述，通過對特征描述參量組成集合的屬性約簡，實現高效分類。

定義信息系統T=(U,A,C,D)，其中U={x1,x2,…,xn}為對象集(論域)，A為屬性集合，屬性集A由條件屬性集C={s1,s2,…,sn}和決策屬性集D={d1,d2,…,dn}組成，C中的si={fi1,fi2,…fij,…fin}，條件屬性fij表示對象xi的條件屬性sj的值，D中決策屬性di表示對象xi的決策屬性值，且有C∪D=A，C∩D=?，則T被稱為決策系統或決策表。粗糙集應用二維決策表描述論域對象，每個對象用一行來描述，每種對象屬性用一列來描述。

每種機構方案均為：行星輪系P1三部件中，一個負責動力輸入，一個負責相位調節，第三個與行星輪系P2三部件中的同名部件固接，負責將動力從行星輪系P1傳遞到行星輪系P2。行星輪系P2中剩余的兩個部件，一個負責動力輸出，另一個通過離合器與固定部件接合或分離，以實現動力的傳遞或中斷功能。根據粗糙集理論，定義機構各部件條件屬性C取值描述規則如表2所示。當條件屬性s1～s5分別對應太陽輪、齒圈、行星架起作用時，分別用0、1、2表示，s6對應行星輪系P2中不與離合器C2相連接的部件，此部件若是太陽輪則為0，若是齒圈則為1，若是行星架則為2。

表2　條件屬性C定義表

本文D選取兩個決策屬性值di1和di2。di1表示機構輸入與輸出軸轉向是否相同，如果兩種速比下轉向均相同則用1表示，若一種速比下轉向相同，一種速比下轉向相反則用2表示，若兩種速比下轉向均相反則用3表示。di2表示兩種速比下的變速效果，本文僅研究DRPGT的行星輪系P1和P2中同名齒輪部件采用相同設計參數的情況，決策屬性D的具體定義規則如表3所示。di2的十位數取值與相應di1相同，描述輸入、輸出轉向特征，其個位數描述變速效果的不同組合情況，組合次序不分前后。

表3　決策屬性D定義表

各機構方案特征信息對應的系統決策表如表4所示。每個方案對應3種動力傳動變速效果，即1個對象可分為3個子對象，且每個子對象具有不同條件屬性。為了準確合理地反映分類決策信息，本文采用了非常規的2個決策屬性。本文令C={s1,s2,s3,s4,s5,s6}，D={di1,di2}，通過計算機算法編程[19]，得到條件屬性約簡后的結果為C={s1,s2,s4}。

表4　機構方案特征信息系統決策表

粗糙集分析表明，通過相位調節、動力輸入和動力輸出部件的不同組合描述信息，就可以得到與決策屬性分類信息一致的各機構方案，這樣能大大提高機構部件功能分配、總體布局設計和方案優選的效率。此外，其機構特征的數值化描述為下文聚類分析打下了基礎。

3DRPGT-VPTR方案聚類分析

基于決策表的量化分類過程依然需要人為介入且不夠高效和直觀。本文基于粗糙集分析，采用聚類分析法對機構方案開展自動化分類辨識研究，以提高優選設計過程分類的高效性、可靠性和直觀性。鑒于針對本文眾多機構方案的分類屬于樣品分類的本質，又因聚類分析結果應被視為試探性的且原始數據繼承了粗糙集數據構建特征，變量屬性構成復雜，所以本文分別采用系統聚類、快速聚類和二階聚類3種方法分別對各機構方案開展Q型聚類分析。

3.1數據構建及合理性判據確定

在表4左側插入樣品(機構方案)序號列n={1, 2, …,36}，即可得到用于聚類分析的機構方案數值化原始數據，在此，U表示機構方案屬性兼方案標簽列。顯然，U值相同的樣品應被歸到相同的類組，且決策屬性di1和di2相同的樣品應被分到同一類組，所以，可通過對比3種聚類方法分析結果與U、di1和di2的自身屬性分類是否相符，作為評價聚類結果合理與否的判據。

3.2機構方案系統聚類分析

將U、s1～s6、di1和di2根據方案標號n和方案標簽U進行系統聚類分析，輸出得到圖3所示類間平均連接法聚類樹狀圖。當分組超過5類組時，U分別為8和9但di2均為24的機構方案被分配到不同的類組，這不滿足合理性判據要求。

圖3　類間平均連接法聚類樹狀圖

3.3機構方案快速聚類分析

經快速聚類分析后，得到了與系統聚類相似的結論，僅當分組小于3類組時滿足判據，所以快速聚類分析法也無法準確表達所有機構方案的科學分類。

3.4機構方案二階聚類分析

本文采用對數相似值(log-likelihood) 作為二階聚類分析的距離度量，聚類準則選取施瓦茲貝葉斯準則，得到的3類組聚類結果分別如圖4和圖5所示。

圖4　3類組方案屬性U二階聚類圖

圖5　3類組變速效果di2二階聚類圖

由圖4中類間及類內百分比組成可以看出，當分成3類組時，方案屬性U為01～06的樣品為第1類組，這6種樣品方案平均各占第1類組的1/6(約17%)組內構成。方案屬性U為07～10的樣品為第2組，這4種樣品方案平均各占第2類組的1/4(25%)組內構成。方案屬性U為11和12的樣品構成第3組，這2種樣品方案平均各占第3類組的1/2(50%)組內構成。在方案屬性這一總類組中，12種樣品方案平均各占總類組(Overall類組)的1/12(約8%)，上述分析結果符合聚類結果合理性判據。

同理分析圖5可知，基于變速效果di2的聚類結果也滿足合理性判據。采用相同方法分析其他類分組，結果都滿足合理性判據要求。從凝聚性和分離性的Silhouette測量效果評價來看，聚類質量都在良好以上。

上述分析表明，采用二階聚類法可以對各機構方案進行準確高效分類，當已知機構方案的構成屬性特征時，可以迅速找到其所屬分類和對應的決策屬性，或在已知使用要求(決策屬性)條件下，可以迅速通過其所屬分類找到滿足該決策屬性的不同機構方案，從而提高方案優選設計效率。

4VCE的DSM方案設計

VCE模式切換前后，機構輸入、輸出部件的旋轉方向應保持不變。當DRPGT選用同名一體化部件在兩行星輪系之間傳力時，后排SRPGT是通過自身鎖死與否實現兩種速比切換的，前排SRPGT具有固定不變的輸入部件、輸出部件和相位調節部件。

在后排鎖死情況下，整體傳動效果等同于前排SRPGT的傳動效果，由1.1節分析可知，只有前排太陽輪作為輸入部件、齒圈作為輸出部件、行星架作為相位調節部件一類方案可行，且速比為2∶1。當后排SRPGT未鎖死情況下，因齒圈為輸入部件，故需要行星架作為輸出部件才能保證兩種速比下的輸出部件轉向不變。又因要與前排SRPGT形成1∶1的總速比，所以后排SRPGT應實現1∶2的速比，而當后排齒圈作為輸入時，僅當太陽輪為輸出部件才能實現，但會使輸出部件在速比切換前后出現反轉現象。

行星架上具有單組兩個相互外嚙合行星齒輪的單排行星齒輪機構SRPGT-D，因從齒圈到太陽輪的動力傳遞方向改變兩次，從而使齒圈與太陽輪的轉向一致。因此，采用SRPGT-D代替后排SRPGT，從而滿足VCE的DSM功能需求。SRPGT-D的運動學特性方程為

ωS-kωR+(k-1)ωC=0

(2)

式中，k為行星齒輪特性參數，當α=ZR/ZS時，有k=ZS/ZR=1/α；ZR、ZS分別為SRPGT-D齒圈、太陽輪齒數；ωS、ωR、ωC分別為SRPGT-D太陽輪、齒圈和行星架的轉速。

當SRPGT-D齒圈作為輸入、太陽輪作為輸出部件、行星架固定時，則由式(2)得出其速比為ωR/ωS=1/α，即SRPGT-D要實現1∶2的速比時，應使α=2。因此，VCE的DSM應采用前排SRPGT與后排SRPGT-D的串聯結構設計，且前排太陽輪輸入，齒圈輸出，行星架進行相位調節，而后排齒圈輸入，行星架利用離合器起到固定或中斷動力的作用，太陽輪輸出。滿足上述條件的機構方案特征信息決策表如表5所示，各方案僅在后排負責鎖死功能的部件上有所不同。其中一種可行方案如圖6所示，圖中70為雙行星輪架，71和72為雙行星輪架70上相互外嚙合的兩個行星齒輪。

表5中VCE的各DSM方案，在保證速比和相位調節滿足使用要求的基礎上，還可實現緊急中斷發動機動力的功能。針對行駛中的車輛，可綜合考慮中斷動力開關、手剎位置、制動踏板踩踏頻率、車輛高速行駛工況轉向盤轉動頻率等信號，迅速判斷是否需要中斷DSM的動力傳遞，且能在下次啟動時自動恢復。

表5　機構方案特征信息決策表

圖6　VCE的DSM方案

5結論

(1)提出利用雙排行星輪系架構實現可變循環發動機的驅動切換機構方案，并采用粗糙集理論對各拓撲機構方案分類條件屬性進行了有效約簡，得出僅利用相位調節、動力輸入和動力輸出3個部件的屬性描述信息就可得到與決策屬性分類一致的方案分類結果。

(2)基于粗糙集的機構特征數值化描述信息表，利用三種方法對各拓撲機構方案開展聚類分析結果表明，二階聚類法的分類效果最佳。最終設計出一類前排為單排行星輪系、后排為行星架上具有單組兩個相互外嚙合行星齒輪的單排行星齒輪機構SRPGT-D的串聯動力傳動機構方案，該方案能滿足可變循環發動機模式切換的工作需求。

(3)粗糙集結合聚類分析法，可以有效簡化繁冗的機構類方案的設計分析過程，能高效準確地完成其型綜合與方案優選工作。

參考文獻：

[1]黃真, 李秦川. 少自由度并聯機器人機構的型綜合原理[J]. 中國科學E輯:技術科學, 2003, 33(9): 813-819.

HuangZhen,LiQinchuan.TypeSynthesisTheoryofLower-mobiliyParallelRobotMechanism[J].ScienceChina:TechnologicalSciences, 2003, 33(9): 813-819.

[2]陳紅亮, 羅玉峰, 楊廷力. 對稱三自由度并聯機器人拓撲結構型綜合與分類[J]. 農業機械學報, 2008, 39(1): 138-141.

ChenHongliang,LuoYufeng,YangTingli.StructureDesignSortofParallelRobotMechanismwithSymmetric3-DOF[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery, 2008, 39(1): 138-141.

[3]金瓊, 楊廷力, 劉安心, 等. 基于單開鏈單元的三平移一轉動并聯機器人機構型綜合及分類[J]. 中國機械工程, 2001, 12(9): 1038-1043.

JinQiong,YangTingli,LiuAnxin,etal.StructuralSynthesisandClassificationofthe4DOF(3T-1R)ParallelRobotMechanismsBasedontheUnitsofSingle-Opened-Chain[J].ChinaMechanicalEngineering, 2001, 12(9): 1038-1043.

[4]曾達幸, 黃真. 基于螺旋理論的轉動解耦并聯機構型綜合[J]. 中國科學E輯: 技術科學, 2011,41 (5): 585-591.

ZengDaxing,HuangZhen.TypeSynthesisoftheRotationalDecoupledParallelMechanismBasedonScrewTheory[J].ScienceChina:TechnologicalSciences, 2011, 41(5): 585-591.

[5]曾達幸, 胡志濤, 侯雨雷, 等. 基于螺旋理論的兩轉一移解耦并聯機構型綜合[J]. 燕山大學學報, 2014, 38(1): 22-28.

ZengDaxing,HuZhitao,HouYulei,etal.TypeSynthesisof2R1TDecoupledParallelMechanismbasedonScrewTheory[J].JournalofYanshanUniversity, 2014, 38(1): 22-28.

[6]BriotS,BonevIA.ANew3T1RDecoupledParallelManipulatorforPick-and-placeApplications[J].MechanismandMachineTheory, 2010,45(4): 707- 721.

[7]蔡偉林, 熊濤, 尹周平. 基于螺旋理論的轉動解耦調平機構型綜合[J]. 中國機械工程, 2012, 23(18): 2213-2217, 2242.

CaiWeilin,XiongTao,YinZhouping.TypeSynthesisofaRotationalDecoupledLevelingMechanismBasedonScrewTheory[J].ChinaMechanicalEngineering, 2012, 23(18): 2213-2217, 2242.

[8]許允斗, 姚建濤, 趙永生. 基于螺旋理論的鍛造操作機構型綜合[J]. 中國機械工程, 2011, 22(13): 1540-1545.

XuYundou,YaoJiantao,ZhaoYongsheng.TypeSynthesisofForgingManipulatorsBasedonScrewTheory[J].ChinaMechanicalEngineering, 2011, 22(13): 1540-1545.

[9]裴旭, 于靖軍, 畢樹生, 等. 一維遠程運動中心機構的型綜合[J]. 機械工程學報, 2009, 45(2): 144-148.

PeiXu,YuJingjun,BiShusheng,etal.TypeSynthesisforOne-dimensionalRemote-center-of-motionMechanisms[J].JournalofMechanicalEngineering, 2009, 45(2): 144-148.

[10]于靖軍, 畢樹生, 宗光華, 等. 面向生物工程的微操作機器人機構型綜合研究[J]. 北京航空航天大學學報, 2001,27(3): 356-360.

YuJingjun,BiShusheng,ZongGuanghua,etal.ResearchonTypeSynthesisofMicromanipulationMechanismsforBioengineering[J].JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics, 2001,27(3): 356-360.

[11]BaccileA,CeccariniD,ChengL,etal.AnInnovativeControlSystemfora2/4StrokeSwitchableEngine[J].SAETechnicalPaper,2007011199, 2007.

[12]RICARDO.EngineUsesTwoandFourStroke[J].ProfessionalEngineering, 2008(5): 55.

[13]DiLiming,SunWanli,ShiYing,etal.CamProfileOptimizationDesignofVariableCycleReciprocatingPistonEngine[J].HydromechatronicsEngineering, 2014, 42(6): 11-18, 45.

[14]邸立明, 李文躍, 趙永生, 等. 基于全轉速綜合性能評價的可變循環發動機配氣優化[J]. 機械工程學報, 2012, 48(18): 117-123.

DiLiming,LiWenyue,ZhaoYongsheng,etal.DistributionDeviceOptimizationofVariable-cycleEngineBasedonComprehensivePerformanceEvaluationinAllSpeed[J].JournalofMechanicalEngineering, 2012, 48(18): 117-123.

[15]DiLiming,YangChunjing,ZhaoYongsheng.MathematicalModelforClosed-formSolutionofParametersofCylinderExhaustPortinVariable-strokeEngine[J].AdvancedMaterialsResearch, 2010, 97-101: 2724-2727.

[16]PhilippeSF,LaffiitteM,PeterB,etal.VariableCamPhaseApparatus:US, 20070169731[P]. 2007-7-26.

[17]邱顯東, 駱軍, 王燕文. 一種汽車發動機氣門可變相位機構:CN101338689-A[P]. 2009-01-07.

[18]周玉林, 李波, 高峰, 等. 二自由度球面并聯機構UP+R靜力學分析[J]. 中國機械工程, 2013, 24(15): 2081-2087.

ZhouYulin,LiBo,GaoFeng,etal.StaticsAnalysisofaSphericalParallelMechanismUP+Rwith2-DOF[J].ChinaMechanicalEngineering, 2013, 24(15): 2081-2087.

[19]張雪峰, 張慶靈. 線性時變周期系統的能控性與能穩定性問題[J]. 系統工程與電子技術, 2010,32(4):812-815.

ZhangXuefeng,ZhangQingling.ProblemonControllabilityandStabilizabilityofLinearTime-varyingPeriodicSystem[J].SystemsEngineeringandElectronics, 2010, 32(4):812-815.

(編輯蘇衛國)

Study on Type Synthesis Analytical Method of Variable Power Transmission Mechanism

Di LimingZhao YongshengDu Danyang

Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004

Abstract：Based on the function requirements of variable-cycle engine (VCE) mode switching, a type synthesis design analysis method of power transmission mechanism with variable phase and transmission ratio was proposed. A universal driving mechanism with double row planetary gear train (DRPGT) was firstly designed, and the phase and transmission ratio could be adjusted at the same time. Secondly, a series of the mechanism schemes with similar structures and functions were obtained by configuration design and topology analysis, the rough set theory was combined with cluster analysis to carry on the research of classification and type synthesis. Finally, a kind of series driving mechanism scheme with DRPGT was obtained, where the front row had one planet gear each group between the gear ring and sun gear, and the rear row had two outer gearing planet gears each group. This kind of scheme can meet the mode switching demands of VCE, and can interrupt the power transmission in case of emergency. Research results indicate that the design analysis method which is applied to classification and type synthesis of mechanism schemes is efficient.

Key words：power transmission; mode switching; cluster analysis; type synthesis

收稿日期：2015-04-20

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51406174)；河北省自然科學基金資助項目(E2014203066)；燕山大學博士基金資助項目(B786)

中圖分類號：TH112; U464.134

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.03.006

作者簡介：邸立明，男，1981年生。燕山大學車輛與能源學院副教授、博士。研究方向為發動機優化設計、機械傳動。獲中國發明專利7項。發表論文10余篇。趙永生，男，1962年生。燕山大學機械工程學院教授、博士研究生導師。杜丹陽，女，1991年生。燕山大學車輛與能源學院碩士研究生。