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1、精选优质文档-倾情为你奉上目录摘要：在播种机的众多工作部件中，排种器是播种机的核心部件，直接影响着播种作业质量（粒距合格指数、重播指数和漏播指数等指标）的好坏。而无极变速器又是排种器的重要部件，因此研究无极变速器的特性显得尤为重要。研究无极变速器的方法有许多种，其中计算机仿真是一种比较好的方法。通过仿真能模拟无极变速器的运动，可以在不实验的条件下直观方便的观测机构运动情况，大大简化实验的繁琐内容。论文以主动轴和从动轴之间的运动关系建立仿真模型，并画出输出轴的运动速度图，加速度图。试验无级变速器在高，中，低转速和曲柄不同长度下的机构运动情况，以了解该机器在高，中，低转速下的机构传动比时变规律与稳
2、定性，机构输出转速的时变规律与稳定性，机构输出角加速度的时变规律与稳定性。确定机器在不同条件下的运动特性。并从中选出一组机构最优参数。关键词：曲柄摇杆式脉动无级变速器，闭环矢量方程，Simulink仿真。1 绪论1.1脉动无极变速器仿真的性质、目的及意义无极变速器具有恒功率，高效率，可靠性高，体积小，操作简便，变速范围大等优点。随着现代工业的发展，对汽车、拖拉机等机械的经济性、动力型提出了更高的要求，变速器又是其中的的关键部件，它输出的转速的稳定性直接影响的机器的稳定性。论文仿真机构为四连杆式无极变速机构。课题研究目的是通过仿真无级变速器在高，中，低转速下的运动情况从而确定它在高，中，低转速下
3、的速度，加速度特性，并找出一组最佳机构运动参数，以了解该机器的特性。1.2脉动无极变速器国内外研究现状国际上，在机械式脉动无级变速器领域，目前以德国、美国和日本的技术水平较高。其成熟技术以德国的GUSA型及美国的ZEROMAX型系列产品为代表。GUSA型，国内称为三相并列连杆脉动无级变速器，分为GUSA I型(三相偏置摇块)和改进的GUSA II型(三相对心摇块)两种。GUSA I型最早由德国Heinrich Gensheimer和Sohne机器制造公司在50年代推出之后，该公司在80年代又对其加以改进推出了GUSA II型变速器，GUSA II型是目前性能最为优良的脉动式无级变速器，其变速范
4、围宽，转速可以为零，调速方便，工作时输出转速的脉动度较小，此外，其结构紧凑，加工方便，传动可靠，因而应用广泛。ZEROMAX型，最早由美国ZEROMAX公司于1962年推出，国内称为四相并列连杆式脉动无级变速器。该类无级变速器具有较大的变速范围，转速可以为零，且调速响应快；其结构紧凑、轻巧，常用于小功率场合。另外，日本生产的ZEROMAX型无级变速器不仅性能优良且独具特色。有些规格的变速器带有变向手柄，可实现双向传动(变换输出轴的转向应在停机后进行)，有些变速器内部还装有防止过载的转矩限制器。就国内而言，目前的产品大多是在以上两种机型的基础上加以仿制和改进而来的。如在GUSA I型基础上加以仿
5、制生产出的三相并列曲柄摇块脉动式无级变速器系列，这种变速器传递功率较低，工作性能也不太好，国内厂家目前正在加紧消化国外技术，积极研制性能更好的GUSA II型变速器；此外还有引进消化ZEROMAX型生产出的MT四相并列连杆式脉动无级变速器。该型无级变速器由于采用了内置螺旋机构调速，因而具有更好的调速性能。市面上除以上几种主要机型外。尚有多种组合型及改进型脉动式无级变速器。组合式通常采用连杆机构和其他机构的组合，例如采用定轴齿轮机构与连杆机构组合的德国Philamat脉动无级变速器，该变速器具有脉动度小。调速范围宽，传递功率较大的特点。另外还有采用行星齿轮机构与铰链六杆机构组合的JBLW型脉动无
6、级变速器，以及采用凸轮连杆机构与齿轮机构组合的脉动无级变速器(以美国的MORSE链传动公司推出的三相星型布置的MORSE变速器为代表)等。就目前来说，鉴于结构性能上的局限性，现有脉动式无级变速器主要用于中小功率(18kw以下)、中低速(输入n1=1440r/min，输出n2=0l000r/min)、降速型以及对输出轴旋转均匀性要求不严格的场合，例如热处理设备、清洗设备以及化工、医药、塑料、食品和电器装配运输线等领域的应用。1.3系统仿真国内外研究现状系统仿真，就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型
7、，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。系统仿真技术作为分析和研究系统运动行为，揭示系统动态过程和运动规律的一种重要的手段和方法，随着40年代第一台计算机的诞生而迅速发展。特别是近些年来，随着系统科学研究的深入，控制理论，计算技术，信息处理技术的发展，计算机软件，硬件技术的突破，以及各个领域对仿真技术的迫切需求，使得系统仿真技术有了许多突破性的进展，在理论研究，工程应用，仿真工程和工具开发环境等许多方面都取得令人瞩目的成就，形成一门独立发展的综合性学科。计算机仿真技术作为一个独立的研究领域已有多年的历史，计算机仿真技术随着计算机科学与技术的飞速发展，本身日趋成熟，获得广泛应用。
8、系统仿真的实质：(1)它是一种对系统问题求数值解的计算技术。尤其当系统无法通过建立数学模型求解时，仿真技术能有效地来处理。 (2)仿真是一种人为的试验手段。它和现实系统实验的差别在于，仿真实验不是依据实际环境，而是作为实际系统映象的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。这是仿真的主要功能。 (3)仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。机械系统仿真就是建立系统的模型并在模型上进行试验。试验的方法基本上可分为两大类，一种是直接在真实系统上进行，另一种是先构造模型，通过对模型的试验来代替或部分代替对真实系统的试验。机械系统动态仿真技术又称虚拟样机技术，是国际上20 世纪80 年代随着
9、计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程(CAE)技术。借助于这项技术，工人们可以计算机上建立机械系统的模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进或优化样机设计方案。虚拟样机技术的其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件的在任意时刻的位置、速度和加速度。计算机仿真目前已经成为解决工程问题的重要手段，MATLAB/Simulink软件已经成为其中功能最强大的仿真软件之一。而仿真领域的重点是建立模型，即在模型建立以后再设计合理的算法对模型进行计算。Simulink建模与一般程序建模相比更为直观，操作也更为简单，不必记忆各种参数，命令的用法，只要
10、用鼠标就能够完成非常复杂的工作。Simulink不但支持线性系统仿真，还支持非线性系统仿真；不但支持连续系统仿真，还支持离散系统甚至混合系统仿真；不但本身功能非常强大，而且还是一个开放性系统，可以自己开发模块来增强simulink自身的功能。对于同一个系统模型，利用simulink可以采用多个不同的采样速率，不但能够实时地显示计算结果，还能够显示模型所表示的实际运动形式。Matlab功能强大，可方便地进行科学与工程计算，大大地减少了计算工作量。而且，Matlab所采用的算法都是最新最成熟的算法，并能够与各种程序语言进行融合编程，大大地加快了实际开发的速度。Simulink是一个针对动力学系统建
11、模，仿真和分析的软件包，可以与Matlab实现无缝结合，能够调用Matlab强大的函数库。利用Simulink工具包可以不受线性系统模型的限制，能够建立更加真实的非线性系统，如在系统中考虑摩擦力，空气阻力，齿轮滑动等。它会将计算机变成一个建模与分析系统的实验室，特别是对于那些无法做实验的系统。几乎所有试图用运动学分析程序化的技术其核心就是闭环矢量方程，该方程是机构各个构件之间连接约束的一个非常简洁而又明了的表达式。闭环矢量方程易于求解，并且是进行机构计算机分析所需采取的第一步。Simulink具有非常高的开放性，提倡将模型通过框图形式表示出来，或者将已有的模型添加组合到一块，或者将自己创建的模
12、块添加到模型当中。Simulink具有较高的交互性，允许随意修改模块参数，并且可以直接无缝地使用Matlab的所有分析工具。对最后得到的结果可进行分析，并能够将结果可视化显示。Simulink提供了大量的模块，方便用户快速地建立动态的系统模型，只需要用鼠标进行简单地拖放和模块间的连接，就能够建立非常复杂的仿真模型，对模型中的连接数量和规模没有限制。1.4 主要研究内容和拟解决的关键问题 主要研究内容： （1）建立机构的矢量表达式。 （2）仿真无极变速器的机构运动。 （3）讨论无极变速器在不同状态下的运动特性。 关键问题： （1）闭环矢量方程的建立。 （2）m文件的编写。 （3）仿真模型的建立。
13、（4）初始位置的求解。 1.5 预期研究目标和主要进展 通过矢量方程的建立，仿真模型的建立，画出机构运动角速度图，角加速度图，得出机器在不同状态下的运动特性。以确定机器的最佳工作范围。2 仿真实验设计 仿真的无极变速器可以抽象为如下的四杆机构：其中r1长度可变，分别为150，100，200。分别仿真r1在不同角速度=4.2735，=5.9829，=7.6923条件下机构的运动情况。2.1 确定仿真输入求解角速度中仿真输入为，。机构运动学参数参数值4.2735 5.9829 7.6923150 100 2001083.4236541.71181.570.2442 0.2966 0.17440.8
14、373 0.8897 0.8024求解角加速度中仿真输入为1，。机构运动学参数参数值04.2735 5.9829 7.69230.7080 0.9912 1.27440.4439 0.6215 0.79900.9323 1.3053 1.67822.0533 2.8746 3.69591.3491 1.8888 2.42842.6435 3.7009 4.75831.570.2442 0.2966 0.17440.8373 0.8897 0.80242.2确定仿真输出 角速度仿真的输出为，用MATLAB中的函数画出图像并求出平均值，方差，变异系数。 角加速度仿真的输出为，用MATLAB中的函数
15、画出图像并求出平均值，方差，变异系数。2.3 试验方案设计 察机器的构造，抽象出机器的机构运动简图。根据系统具体情况建立数学模型，通过数学运算导出机构运动的角速度，角加速度表达式。在simulink模型编辑窗口中拖放模块建立模型，连线，设置仿真参数，运行仿真，得出仿真结果并讨论。3 机构运动仿真模型3.1 机构组成原理与工作过程脉动无级变速器是由连杆和单向超越离合器组成的组合机构。变速器主动轴的匀速旋转运动，首先被连杆机构转换成摇杆的往复摆动；然后再经单向超越离合器将摇杆的摆动转化为输出的单向脉动性旋转运动。 通过数个具有一定的相位差的连杆-单向超越离合器组合机构，就可以使输出轴获得脉动幅度很
16、小的旋转运动。改变曲柄的长度，以形成构件间新的尺寸比例关系，使摇杆获得不同的摆角，从而达到无极变速的目的。3.2机构坐标系与构件的矢量表达图1显示出了四连杆机构和它的闭环矢量，其中曲柄为机构的原动件。工作时，曲柄AB旋转通过曲柄销B驱动连杆BC运动，连杆通过连杆销C驱动CD作摆动。以曲柄中心A为原点建立坐标系xoy，从曲柄中心A到曲柄销B建立矢量,从曲柄销B到连杆销C建立矢量，从连杆销C到输出轴D建立矢量，从曲柄中心A到输出轴D建立矢量。3.3 机构闭环矢量方程,他们形成闭环矢量。机构各个矢量间的关系满足下面的闭环矢量方程：（3.1） 3.4 机构位移状态方程将各个矢量沿x和y轴方向分解成两个
17、分量，则式（3.1）可表示为下面的矩阵形式： （3.2）3.2 矢量的各个分量表为矢量投影，它们是矢量模与矢量角（矢量与x坐标轴的夹角）的函数，机构运动的位移状态方程如下：（3.3） 式中，,分别为矢量,的模，,分别为矢量,的矢量角。3.5 机构速度状态方程对式（3.3）两端对时间求一阶导数，得到角速度状态方程：（3.4）式中，,分别为连杆和输出轴的角速度，值为正时表示沿x轴逆时针方向转动，值为负时表示沿x轴顺时针转动。3.6 机构加速度状态方程式（3.4）两端对时间求一阶导数，得到加速度状态方程：（3.5）式中，为角位移，的二阶时间导数，其意义是矢量，旋转的角加速度，逆时针为正，顺时针为负。
18、3.7 机构传动比方程3.8 机构运动仿真模型3.8.1 建立Simulink模型 打开建模仿真窗口，为仿真时间序列选择时钟模块；为,选择常数模块；为与,与,与三对有积分关系的参数选择三个积分模块；为速度状态方程选择MATLAB Function模块；再选取Mux和DeMux模块，实现多个闭环矢量参数的合成（合成一个向量）和分解（分流成多个标量）；再选择simout模块，实现以变量名simout将仿真结果存储于Work Space中，编写绘图程序调用该变量呈现仿真结果的时序变化；修改每个模块的标签，以便于识别和正确连线。建立的simulink仿真模型如图3.1所示。为仿真时间序列选择时钟模块；
19、为选择常数模块；为与,与,与三组有积分关系的参数选择六个积分模块；为加速度状态方程选择MATLAB Function模块；为数据流的合成与分解选取Mux和DeMux模块；为仿真结果的记录和输出选取simout模块。建立的加速度仿真模型如图3.2所示。 3.8.2 MATLAB函数模块编程编写与Matlab Function模块配套的自定义函数并存盘为compvel.m，再仿真模型哩双击MATLAB Function模块打开Block Parameters窗口，在该窗口的Matlab function框中键入自定义函数的名称compvel，在该窗口的Output dimensions框中键入-1
20、，这样就建立了MATLAB Function模块与自定义函数compvel的联系。Compvel.m的内容如下：function w=compvel(u)%u(1)=omega1;u(2)=r1;u(3)=theta1;u(4)=r2;u(5)=theta2;u(6)=r3;u(7)=theta3;a=u(4)*sin(u(5) -u(6)*sin(u(7);-u(4)*cos(u(5) u(6)*cos(u(7);b=-u(2)*sin(u(3)*u(1);u(2)*cos(u(3)*u(1);w=inv(a)*b;自定义函数程序的第一个语句“function w=compvel(u)”中，
21、u是MATLAB Function模块的输入向量，该向量中各个分量的顺序依次为，；w是MATLAB Function模块的输出向量，该向量中各个分量的顺序依次为，。3.8.3 Simulink模型初始条件 在仿真系统运行之前，必须为积分模块建立正确的初始条件，这些初始条件必须是机构在某个真实位置上的正确参数，这一点是积分器正确求解微分方程的关键。 在机构分析过程中，首先要进行位置分析。就单自由度机构而言，需要回答以下问题：若已知机构中某一根连杆的位置，那么在机构中其他杆的位置应如何确定？如上式（3.3）方程可用来解决这类问题。例如：若给定和所有的杆长，则，可完全求解出来。然而这组方程是关于，的
22、非线性超越方程，非常难以求解。因此，需要用牛顿法来求解。简要的说，牛顿法法是求解非线性方程的一种迭代法，它从某一给定的初始向量开始不断地给以增量直到所得结果“足够接近”精确解。迭代增量是通过非线性方程的级数展开式计算求得，“足够接近”是根据数值精度和工程实际的要求来确定的。根据牛顿法做以下计算：首先，以名义解的形式重新定义变量，认为名义解接近精确解，其间差值由以下修正因子描述：=+=+其中：，代表问题的解；，为接近解的名义解；，为修正因子。运用泰勒级数，将结果表达为方程形式，可得到如下矩阵方程： MATLAB运用平台非常适用于求解上述位置问题。以下函数为运用MATLAB求解含非线性超越方程。f
23、unctionth2,th3=posso(th,r)%th(1)=theta-1%th(2)=theta-2-bar%th(3)=theta-3-bar%r(1)=r-1%r(2)=r-2%r(3)=r-3%r(4)=r-4th1=th(1);th2bar=th(2);th3bar=th(3);epsilon=1.0E-4f=r(2)*cos(th2bar)-r(3)*cos(th3bar)+r(1)*cos(th1)-r(4);r(2)*sin(th2bar)-r(3)*sin(th3bar)+r(1)*sin(th1);while norm(f)epsilon J=-r(2)*sin(th
24、2bar) r(3)*sin(th3bar);r(2)*cos(th2bar) -r(3)*cos(th3bar); dth=inv(J)*(-1.0*f); th2bar=th2bar+dth(1); th3bar=th3bar+dth(2);f=r(2)*cos(th2bar)-r(3)*cos(th3bar)+r(1)*cos(th1)-r(4);r(2)*sin(th2bar)-r(3)*sin(th3bar)+r(1)*sin(th1); norm(f)end;th2=th2bar;th3=th3bar;下面是MATLAB的一段命令对话，其中函数用来求解未知位置：r(1)=150;r
25、(2)=1083.4236;r(3)=541.7118;r(4)=691.7118;th(1)=90*pi/180;th(2)=15*pi/180;th(3)=45*pi/180;posso(th,r) ans = 0.2442 0.8373答案为：=，=。分别改变r(1)的长度150，200，求得在不同状态下的，值。下表给出了速度仿真所需的初始值。长度机构运动学参数参数值1501.570.24420.83731001.570.29660.88972001.570.17440.8024在角加速度仿真中需要设置六个积分模块，的初始值，其中，已知，需求出，的值。根据式（3.4）可以MATLAB编程
26、求解，。下面是MATLAB的一段命令对话，用于求解，。r1=150;r2=1083.4236;r3=541.7118;th1=90*pi/180;th2=14*pi/180;th3=48*pi/180;j=r2*sin(th2) -r3*sin(th3);-r2*cos(th2) r3*cos(th3);b=-r1*sin(th1)*7.6923;r1*cos(th1)*7.6923;omega23=inv(j)*b=150，th1=90*pi/180，th2=14*pi/180，th3=48*pi/180的情况下，转速分别取，得到三组，的值，如下表：0.7080（）2.0533（）0.991
27、2（）2.8746（）1.2744（）3.6959（）在=100，th1=90*pi/180，th2=17*pi/180，th3=51*pi/180的情况下，转速分别取，得到三组，的值，如下表：0.4439（）1.3491（）0.6215（）1.8888（）0.7990（）2.4284（）在=200，th1=90*pi/180，th2=10*pi/180，th3=46*pi/180的情况下，转速分别取，得到三组，的值，如下表：0.9323（）2.6435（）1.3053（）3.7009（）1.6782（）4.7583（）3.8.4 Simulink模型输入输出变换式（3.4），未知的，移到方程的左端，已知的，移到方程的右端，它们分别作为MATLAB Function（compvel.m）模块的输出和输入，则有：变换式（3.5），未知的，移到方程的左端，已知的，移到方程的右端，它们分别作为MATLAB Function（compacc.m）模块的输出和输入，则有：4 仿真试验结果与讨论4.1机构传动比的时变规律与稳定性在=150，分别为，三种不同角速度下输出轴的角度图在=100，分别为，三种不同角速度下输出轴的角度图：此处省去NNNNN需要更多更完整的图纸和说明书请联系 秋 专心-专注-专业