基于高效的雙輸出函數(shù)脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)的運動——動力學(xué)綜合研究.pdf

1、當(dāng)今機(jī)構(gòu)及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)展趨勢是：高效節(jié)能、滿足可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保要求；柔性及可控與易調(diào)；對各種內(nèi)部和外部不確定因素的自適應(yīng)性以及智能化的主動控制。為此，高品質(zhì)低成本的自調(diào)與可控機(jī)械、智能機(jī)械、仿生機(jī)械、微型機(jī)械或大型機(jī)械等即成為當(dāng)前機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計的主要方向。在機(jī)械學(xué)領(lǐng)域，連桿機(jī)構(gòu)可視為其它基本機(jī)構(gòu)的理論結(jié)構(gòu)原型，其優(yōu)勢在于：a)低副結(jié)構(gòu)的運動副元素易于精確制造，且承載能力較強(qiáng)；b)運動形式及其規(guī)律多樣化。連桿機(jī)構(gòu)從理論上講不僅可以實現(xiàn)剛

2、體運動的所有形式，而且可以滿足任意要求的運動規(guī)律；c)在平面閉鏈機(jī)構(gòu)中，對于同一原動件，可以產(chǎn)生多種不同形式、不同規(guī)律的運動輸出。即可實現(xiàn)運動分解與合成的多種方案，以滿足多用途的功能要求；d)運動規(guī)律易于調(diào)整和可控。即通過調(diào)整幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、或控制運動參數(shù)，使機(jī)構(gòu)具有高的柔性與適應(yīng)性；e)自由度的設(shè)置靈活?？蔀樽哉{(diào)機(jī)械、智能機(jī)械等提供理想的原型。連桿機(jī)構(gòu)的這些特點，有的已被大家所熟悉，并得到了廣泛應(yīng)用。而有的如多輸出、易調(diào)與可控、自適應(yīng)及

3、多自由度設(shè)置等還未被充分認(rèn)識。另一方面，連桿機(jī)構(gòu)還存在許多不足：a)構(gòu)件大多作變速運動，通常存在運動突變現(xiàn)象，且變化較為劇烈，使系統(tǒng)產(chǎn)生附加動載荷，引起振動、沖擊、噪聲等，以至機(jī)械效率降低；b)平面閉鏈機(jī)構(gòu)中存在較多的過約束和約束的不確定性。對高效、高穩(wěn)定可靠工作可能造成不良的影響和“障礙”；c)機(jī)構(gòu)尺度綜合方程的求解一直是一個難點；d)慣性力與慣性力偶矩不易平衡。其它問題還包括運動副的累積誤差、摩擦分析，等等。但核心是動力學(xué)性能的優(yōu)化

4、問題。所以，尋求新的、性能良好、以及能夠充分發(fā)揮上述優(yōu)勢特征的新型連桿機(jī)構(gòu)，并在新的應(yīng)用中不斷完善與創(chuàng)新，使其能夠高效率、高穩(wěn)定的可靠工作，以滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的迫切要求，乃是當(dāng)務(wù)之急。并有著重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。 脈動無級變速器是一種有前途和潛力的機(jī)械式無級變速器，它的關(guān)鍵部分——脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)即為連桿機(jī)構(gòu)。其基本要求是：a)效率高且功率適用范圍廣；b)輸出轉(zhuǎn)速無級適時可調(diào)；c)高的穩(wěn)定性(脈動度低、振動小等)；d)既

5、能滿足多脈沖輸出，又結(jié)構(gòu)簡單；e)可實現(xiàn)高速傳動(曲柄轉(zhuǎn)速一般為1500rpm)。為滿足這些要求，不僅要充分應(yīng)用和發(fā)揮連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點，還要克服其不足，這正是連桿機(jī)構(gòu)值得深入研究的內(nèi)容。 因此，本文以連桿機(jī)構(gòu)為對象，以脈動無級變速器為結(jié)合點，以高效率、高穩(wěn)定性為主要目標(biāo)，從理論和方法上對其進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。論文的主要工作與成果體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)構(gòu)建了脈動無級變速器新型傳動機(jī)構(gòu)——全鉸鏈?zhǔn)降碾p輸出脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)。既充分應(yīng)用

6、了連桿機(jī)構(gòu)的固有特點，又簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)的低效率、動力作用不連續(xù)及沖擊較大的缺陷。依據(jù)脈動無級變速器的工作特性要求，應(yīng)用機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合理論討論了以六桿運動鏈作為傳動機(jī)構(gòu)的可能方案；在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了雙輸出脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式特點及其類型的選擇；進(jìn)一步分析了雙輸出脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)的幾個基本運動學(xué)及動力學(xué)特性。 (2)基于改善動力學(xué)性能、提高輸出運動的平穩(wěn)性，實現(xiàn)了六桿雙輸出函數(shù)脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)按傳動比要求

7、的等價四桿機(jī)構(gòu)的綜合原理與方法。有效地解決了使雙輸出搖桿均具有相同脈動度及相似運動規(guī)律的機(jī)構(gòu)尺度綜合這一難題；并完成了該六桿機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)與運動特性的分析研究。 (3)建立了具有雙運動輸出的Ⅲ級函數(shù)發(fā)生機(jī)構(gòu)的高階運動參數(shù)綜合模型，并結(jié)合應(yīng)用同倫—連續(xù)優(yōu)化方法，實現(xiàn)了該機(jī)構(gòu)的運動—動力學(xué)優(yōu)化綜合。達(dá)到了通過按高階運動參數(shù)綜合，控制與改善機(jī)構(gòu)動力學(xué)性能的目的。 (4)開發(fā)并研制了不同于傳統(tǒng)自由行程機(jī)構(gòu)工作原理的具有自調(diào)自適應(yīng)性

8、的新型差動雙制動塊式自由行程機(jī)構(gòu)。在分析了該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與力學(xué)特征的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了其工作機(jī)理；并對其結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定原則進(jìn)行了深入探討；最后進(jìn)行了該機(jī)構(gòu)的原理及性能實驗驗證與分析。 (5)完成了基于高效及高穩(wěn)定性的雙輸出脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)的自調(diào)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計。在提出了“零過約束基本桿組”概念的基礎(chǔ)上，首次實現(xiàn)了無過約束機(jī)構(gòu)設(shè)計運動副所有配置方式的確定方法，并建立了運動副最佳配置方案的選用原則。該方法可以推廣應(yīng)用于非零過約束設(shè)計。最后，通