平面連桿機(jī)構(gòu)的過約束及自調(diào)結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)研究.pdf

1、平面連桿機(jī)構(gòu)是工程實(shí)際中應(yīng)用非常廣泛的機(jī)構(gòu)類型；同時(shí)，平面連桿機(jī)構(gòu)又可視為其它基本機(jī)構(gòu)的理論結(jié)構(gòu)原形，是機(jī)構(gòu)學(xué)理論與方法的研究中最基本、最主要的研究對象。因而，平面連桿機(jī)構(gòu)始終受到學(xué)術(shù)界和工程界的高度重視。但是，平面連桿機(jī)構(gòu)中廣泛存在的過約束，造成機(jī)構(gòu)對制造、安裝誤差特別是運(yùn)動(dòng)副元素的形位誤差十分敏感；同時(shí)，由于不可避免的內(nèi)部和外部不確定因素的影響，常常會(huì)造成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的“障礙”及系統(tǒng)中某些構(gòu)件的變形和運(yùn)動(dòng)副中的附加動(dòng)載荷，引起機(jī)械的振動(dòng)

2、、沖擊、噪聲等而導(dǎo)致機(jī)械的效率和工作性能的降低。因此，尋求新的、性能良好的、具有自調(diào)與自適應(yīng)性的新型連桿機(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)定的可靠工作并具有較低的生產(chǎn)成本，以滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展和市場競爭的需要，乃是當(dāng)前所共同關(guān)注的問題。這些問題的解決有著重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 因此，本文以平面連桿機(jī)構(gòu)為研究對象，以高效、高穩(wěn)定性及低成本為主要目標(biāo)，對機(jī)械中的約束與過約束、自調(diào)機(jī)理與自調(diào)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)副

3、誤差對平面連桿機(jī)構(gòu)約束不確定性的影響程度以及無過約束機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論與方法進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究。論文的主要研究成果及創(chuàng)新點(diǎn)有以下幾部分： (1)基于廣義約束的概念，從有利于設(shè)計(jì)和控制約束的原則，對機(jī)構(gòu)及機(jī)械系統(tǒng)中的常見約束進(jìn)行了分類，首次提出了“基本約束”、“靜定約束”及“超靜定約束”的概念和分類定義；并首次將虛約束、重復(fù)約束、消極約束、多余約束、過約束等概念，從本質(zhì)上統(tǒng)一起來進(jìn)行定義，將其都統(tǒng)一稱為“過約束”。明確指出：過約束

4、是人們?yōu)闈M足除基本自由度需要以外的其它特殊功能和結(jié)構(gòu)上的需要，而人為加在機(jī)構(gòu)中的、理論上不影響機(jī)構(gòu)基本自由度的過多的約束。從而，為采取消除過約束對不同誤差敏感的措施指明了方向，更具有工程設(shè)計(jì)的實(shí)用性。 (2)根據(jù)過約束產(chǎn)生的依據(jù)不同，將封閉運(yùn)動(dòng)鏈中過約束分為“理論平面過約束”和“空間-平面過約束”兩大類。首次提出了存在理論平面過約束的機(jī)構(gòu)的過約束分析方法，得到了這類機(jī)構(gòu)中存在的過約束的類型和數(shù)量；同時(shí)，提出其過約束消除措施和方法

5、，得到了這類機(jī)構(gòu)的無過約束自調(diào)結(jié)構(gòu)。 (3)詳細(xì)分析了無過約束機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自調(diào)的機(jī)理及機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自調(diào)的條件，首次提出了無過約束機(jī)構(gòu)自調(diào)性分析的一種精確方法，得到機(jī)構(gòu)自調(diào)時(shí)圓柱副中的自調(diào)位移規(guī)律和機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自調(diào)的運(yùn)動(dòng)副允許誤差角以及三種常用平面四桿機(jī)構(gòu)的自調(diào)結(jié)構(gòu)的最適宜的運(yùn)動(dòng)副配置方式。本文對機(jī)構(gòu)自調(diào)特性分析的結(jié)果表明，在不同的運(yùn)動(dòng)副配置位置及運(yùn)動(dòng)副存在不同的誤差情況下，誤差對機(jī)構(gòu)自調(diào)性能的影響程度(也即機(jī)構(gòu)對誤差的敏感度)是

6、不同的。其中，曲柄銷軸線的誤差對機(jī)構(gòu)自調(diào)性能影響較大。 (4)首次提出了運(yùn)動(dòng)副誤差對平面連桿機(jī)構(gòu)約束不確定性影響度的評(píng)判指標(biāo)和單因素定量分析方法，得到了機(jī)構(gòu)中不同運(yùn)動(dòng)副的不同平面內(nèi)的誤差對機(jī)構(gòu)性能的影響程度。本文的分析計(jì)算結(jié)果表明，平面連桿機(jī)構(gòu)中的非平面約束所造成的連桿強(qiáng)制變形中既有扭轉(zhuǎn)變形又有彎曲變形。在機(jī)構(gòu)的某幾個(gè)位置上有的主要是扭轉(zhuǎn)變形，有的主要是彎曲變形，而一般情況下是兩種變形的復(fù)合，且這種強(qiáng)制變形是周期性的，因而必然會(huì)

7、引起系統(tǒng)的彈性振動(dòng)及運(yùn)動(dòng)副反力的周期性變化；同時(shí)，通過算例進(jìn)一步得出：機(jī)構(gòu)中軸和銷的軸線誤差尤其是曲柄銷(軸)軸線的誤差對機(jī)構(gòu)性能的影響是較大的，是引起機(jī)構(gòu)及機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)、噪聲等有害影響的主要根源。此外，從整轉(zhuǎn)副與擺轉(zhuǎn)副的誤差影響度分析結(jié)果可見，整轉(zhuǎn)副誤差所引起的封閉障礙及變形顯然要大些。 (5)創(chuàng)造性的應(yīng)用和發(fā)展了Assur機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成原理，提出了按零過約束自調(diào)基本組進(jìn)行無過約束機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)學(xué)原理與方法。并在總結(jié)自調(diào)機(jī)構(gòu)中運(yùn)

8、動(dòng)副配置方式的合理選用原則的基礎(chǔ)上，對平面Ⅱ級(jí)基本桿組和部分常用的平面Ⅲ級(jí)基本桿組的零過約束自調(diào)基本組進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，首次得到了其對應(yīng)的零過約束自調(diào)基本組。從而，為方便、快捷地設(shè)計(jì)無過約束自調(diào)機(jī)構(gòu)提供了理論依據(jù)。 (6)對新型脈動(dòng)無級(jí)變速器主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行過約束分析的基礎(chǔ)上，對該系統(tǒng)進(jìn)行了消除或減小過約束及其影響的自調(diào)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。對樣機(jī)的傳動(dòng)效率及速度波動(dòng)的測試結(jié)果表明本文的設(shè)計(jì)方法是正確的、有效的。 本文所做的