全電調節無級變速器結構優化設計

沈宏生，張蘭春，貝紹軼，施衛，劉森

（江蘇理工學院機械工程學院，江蘇 常州 213000）

全電調節無級變速器結構優化設計

沈宏生，張蘭春，貝紹軼，施衛，劉森

（江蘇理工學院機械工程學院，江蘇 常州 213000）

本文提出了一種采用單電機實現速比調節的全電調節無級變速器，并介紹了其工作原理和結構組成。通過運動學分析，得到了其速比范圍與結構尺寸的關系，并據此基于遺傳算法對速比執行機構進行了優化設計，根據優化設計結果完成了虛擬樣機的建模，為其動力學建模分析和樣機研制提供了依據。

CVT；遺傳算法；優化設計；虛擬樣機

帶式CVT具有減震性好、噪聲小、價格低、檢修容易等優點，通常裝備在摩托車、微型轎車等一些不需要高負載的場所。近年來，具有功率分流特征的復合傳動得到了迅速發展，使該類CVT開始應用于經濟型轎車與微型汽車的復合傳動裝置中，實現汽車的無級變速。

當前國內市場上的CVT大多是采用機械調節和電控液壓調節這兩種調節方式。離心滾柱式機械調節的CVT缺點是速比的變化會改變發動機的工作狀況，所以不能只調節速比以適應負載的變動而保持發動機工作在最佳狀況。電控液壓調節的CVT缺點是在其運行時液壓泵處于不停的工作狀態，液壓系統的耗能比較高。在能量損耗中，該系統的能量損失是能耗占30%的帶傳動的一倍。

全電調節CVT是一種通過電機控制齒輪副分別帶動主、從動帶輪兩端的螺旋絲杠機構，螺旋絲杠上的螺母相對于絲杠左右移動，螺母與主從動帶輪動盤相連接，進而推動主、從動帶輪動盤軸向移動，改變變速V帶與錐形帶輪的接觸半徑，從而改變傳動速比，使得無級變速系統能夠速比持續改變。該新型無級變速系統克服了機械及電控液壓調節方式的缺陷和弊端。

本文根據全電調節CVT的工作原理簡圖在運動學分析的基礎上，基于遺傳算法對該型CVT的結構進行了優化設計，并借助CATIA軟件完成了虛擬樣機的創建。

1 全電調節CVT工作原理

全電調節CVT工作原理簡圖如圖1所示，調節速比的速比電機通過齒輪副分別帶動與主、從動帶輪動盤相連接的螺旋絲杠機構，帶動螺旋絲杠上的螺母軸向旋轉運動，進而推動主、從動帶輪動盤的軸向移動，改變傳送V帶與錐形帶輪的工作半徑，實現速比的持續改變。當帶輪動盤移動到設定的特定速比時帶盤所需的位置后，具有自鎖功能的螺旋絲杠機構實現動盤的定位，并給予帶輪動盤相應的夾緊力。

圖1 CVT工作原理簡圖

2 全電調節CVT基本參數設計

本無級變速器適用于速比變化范圍在0.5～2.5的小功率經濟型轎車。同時采用橡膠帶傳遞動力，主動部分與從動部分采用對稱布置。初步選定錐角為24°的梯形傳送帶。同時為了方便主從、動輪定盤的安裝與拆卸，采用螺栓固定連接代替主從動輪定盤與輸入、輸出軸的鍵連接。下面對該全電調節無級變速器部分關鍵部件的設計進行具體說明。

2.1 確定V帶輪基準直徑D

CVT變速單元幾何位置分析。主、從動帶輪與V帶接觸的工作半徑約束關系如圖2所示。假設帶傳送帶無彈性形變，并且假定帶長與主從動輪中心距均為定值。

圖2 帶與帶輪約束關系

同時可得帶長L的簡化計算公式為：

2.2 速比調節執行機構設計

無級變速器速比調節傳動機構的主要功能是將旋轉運動轉變為軸線方向的移動。能夠實現該功能的有齒輪齒條機構和螺旋傳動機構。在短距離直線運動中，螺旋傳動的精度要遠遠高于齒輪齒條機構，而且螺旋絲杠機構構造簡單，加工容易，制造成本低，同時梯形螺紋又擁有自鎖能力。

該變速器的螺旋機構，螺母空套在螺栓上，同時螺母外側與速比電機傳動齒輪進行齒輪嚙合。由于該螺旋機構不僅要傳遞速比電機的轉矩，還要在速比不變時為主、動帶輪動盤提供軸向力，故該螺旋機構的螺紋設計為梯形螺紋。

（1）螺旋絲杠機構選型。本無級變速器的螺旋絲杠機構可以擁有兩種工作方式。

第一種：螺桿固定，螺母旋轉且直線運動。該工作方式中，螺桿固定比較方便，螺母外側做成齒輪并與連接速比電機的齒輪嚙合。將電機的旋轉轉動轉變為螺母的旋轉轉動和軸線上的移動。此結構的優點是結構比較簡單，缺點是連接速比電機的主動齒輪齒寬大幅增加，螺母與該齒輪嚙合時的軸向摩擦力將無可避免。

第二種：螺桿旋轉，螺母直線運動。該方案中，由于螺旋絲桿的旋轉運動必然多增加兩個軸承，同時要保證螺母只做直線運動還需增加額外的止轉機構，從而使得整個結構較為復雜。

從設計及安裝角度考慮，結構越簡單、尺寸越小越好，綜合考慮后該機構采用了螺桿固定，螺母旋轉且做直線運動的螺旋絲杠傳動方式。

（2）速比調節執行機構的嚙合齒輪優化設計。為了提高空間的利用率，并且增大速比電機的驅動轉矩，螺母外側做成齒輪并于連接速比電機的齒輪嚙合形成一級減速機構。在不考慮材料對齒輪強度及剛度影響以及確定兩齒輪安裝方式的基礎上，以體積最小為設計目標對速比調節機構進行了優化設計。

①選取設計變量。

②確定目標函數。

采用相互嚙合的兩個齒輪的總體積作為所需優化的目標函數：

③建立約束條件。

由安裝要求確定的尺寸約束為：

由齒面接觸過程中的疲勞強度設計要求(齒輪材料選擇40Cr)可得：

④優化設計數學模型求解。

分析上述的優化模型易知，所需解決的問題為非線性約束優化問題。非線性約束優化問題的求解方法有許多，如復合形法、隨機方向法、序列二次規劃法、懲罰函數法等，但所列的算法只能解決部分非線性規劃的特別問題。

遺傳算法作為一種不直接依靠確切信息，模擬自然進化過程來搜索最優解，借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機制的隨機搜索算法。該算法從隨機的一初始種群出發，隨機進行選擇、再進行交叉以及變異的運算，產生一群具有更強的環境適應能力，使得這部分群體在搜索空間中找到越來越好的區域，經過若干代繁殖和進化，最后進化到一群對環境具有最強適應力的個體，求得問題的最優解。因而其在解決非線性以及多個多峰值等問題時，有著特別的優勢，應用十分廣泛。

針對全電調節無級變速器齒輪參數的優化模型，選擇遺傳算法作為該調速齒輪傳動機構優化設計的設計方法。根據遺傳算法工作原理，設計如圖3所示的運算流程圖，并運用強大的Matlab軟件對其進行了分析計算。仿真結果中返回的參數EXITFLAG值設置成1，這表明在參數控制向量預設的范圍內，設定的目標函數得到了最佳解；由OUTPUT的返回參數可看出，該非線性約束優化問題，計算代數為32代，適應度函數的估算次數為3200次。

圖3 遺傳算法的算法流程圖

在Matlab軟件中基于遺傳算法編寫程序對該模型計算得到的計算結果如圖4所示。

圖4 Matlab仿真結果圖

仿真的參數結果如下所示：

綜上所述，通過對全電調節無級變速器的變速單元幾何約束分析，得到了速比與主從動輪工作半徑的關系；速比為1時的安裝半徑與主從動輪工作半徑關系，再結合速比調節機構的分析與優化設計，完成了該無級變速器的結構設計。

3 虛擬樣機設計

在汽車設計、制造行業，CATIA軟件是一款市場占有率遠超過UG、SOLIDWORKS的虛擬樣機設計軟件。其擁有全面的3D繪圖功能。

本文借助該軟件，在其零件模塊中分別對齒輪、傳送帶和帶盤等零件進行了繪制，然后在裝配模塊中分別導入繪制好的各個零件，通過固定、距離約束、面接觸等約束功能完成各個部件的位置約束。對于螺釘等標準件，則是直接調用軟件中的模型庫。最后完成虛擬樣機的裝配，裝配圖如圖5所示。

圖5 無級變速器裝配圖

4 結語

本文根據全電調節無級變速器工作原理簡圖對變速器主要部件工作原理進行分析，確定關鍵部件幾何約束關系；基于遺傳算法優化設計出該無級變速器的關鍵部件，并完成了變速器的結構尺寸設計。通過三維繪圖軟件CATIA進行各零件的繪制，完成無級變速器虛擬樣機的建模，為今后的動力學建模分析及樣機制造提供了參考。

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TH132

A

1671-0711（2017）06（下）-0045-03

車輛緩速器運行性能遠程實時檢測與控制系統，項目編號：BY2014038-07；

國家自然科學基金（51305175，51475402）；

江蘇省六大人才高峰資助項目（ZBZZ-039）。