可调双输出函数发生机构及其自调结构设计研究

摘要

创新设计是提高产品自主开发能力的根本途径。在机械产品的设计过程中，机械系统运动方案设计的核心就是传动及执行系统的创新。因此，机构创新设计是机构学研究永恒的主题。科学技术的发展，对机械产品的结构，运动学及动力学性能提出了更高、更新的要求，促使人们对机械产品的核心组成——机构，进行更加深入、系统的研究，进一步认识与发掘其潜能，进行创造性的设计与应用。平面连杆机构是应用最为广泛的一类机构，是既简单而又是最复杂的一类机构，对其分析、设计的理论与方法研究也最多。一般均认为平面连杆机构是很传统、研究很深入、应用很成熟的一类机构，实际上，由于科学技术及生产的发展，促使人们去更深刻的认识与发挥其优点，克服其不足，以满足对机械产品的更高要求。所以，对连杆机构的进一步认识、研究与应用，还大有可为，仍是机构学的一个重要研究方向。 机械式脉动无级变速器，由于其一系列的独特优点，从上世纪60年代出现以来，一直受到人们的关注，是一种极有前途和潜力的无级变速器。其核心就是对连杆机构的结构及运动学特性的创造性应用。其最关键组成部分——脉冲发生机构即为连杆机构，它既充分应用了连杆机构的优点，同时随着对无级变速器的性能要求的提高，又暴露出了已有的脉冲发生机构的一些不足。而脉冲发生机构的主要的设计要求为：1) 传动效率高；2) 输出转速无级可调，且有良好的调速特性，输出函数特性变化小；3) 动力特性好，稳定性高；4) 要求多套输出而又希望结构简单。这些都是一般连杆机构难于达到的，需要进一步的探索、研究与开发，寻找新的途径。 本论文正是基于这一需要，针对高性能、大功率脉动无极变速器脉冲发生机构的特殊要求，更深入、全面的认识与了解平面连杆机构，进一步开拓连杆机构的应用领域，开发新的双输出函数发生机构，系统研究其结构学、运动学、动力学的综合理论与方法。本论文的主要工作如下： ①构建了脉动无级变速器的新型主传动机构(脉冲发生机构)——全铰链同轴式双输出六杆函数发生机构。根据脉动无级变速器的工作特性要求，应用结构综合理论，讨论了以六杆机构作为脉冲发生机构的可能方案。提出了连杆机构基本特性宏观评判方法，以高效、高稳定性、简化结构为主要目标，优选出了全铰链同轴式 Stephenson 型六杆函数发生机构，作为新的脉冲发生机构。这样，从根本上改变了现有脉动无级变速需多套机构并联，结构复杂所带来的一系列不足。 ②根据 Stephenson 型同轴式六杆机构双输出函数发生器的结构与应用的特征，为便于分析与设计，提出了将该机构的五杆回路视为变连杆长的“等价四杆机构”的概念，从而将该六杆双输出函数发生机构视为具有同一曲柄的两套四杆机构(基础机构与等价四杆机构)进行分析和研究，应用 ADAMS 仿真软件，构建了同轴式双输出函数发生机构的参数化模型。详细讨论了可作为该双输出函数发生器的特殊结构，即相当于曲柄摇杆机构正反两种安装模式的六杆机构两个输出摇杆的运动特征，传力特征及规律；分析了同轴式双摇杆机构五杆回路(即变连杆长四杆机构)的基本运动特征、规律及其主要影响因素，并进行了两种安装模式的特征分析比较。更深入、系统的认识和了解了最基本的 4～6 杆机构的结构与运动学、动力学特征；为该双输出函数发生机构的应用与运动学动力学设计提供了理论依据，奠定了重要的基础。 ③基于改善动力学性能，提高输出运动平稳性，针对六杆双输出函数发生器作为脉动无级变速器的脉冲发生机构的特殊运动要求，充分应用各种综合方法的优势，提出了“分段综合”的思路。首先采用运动几何学法按“分组综合”的策略，即采用运动几何学图解法与解析法相结合的方法，建立了基础四杆机构按两个位置，且瞬时传动比相等的特殊要求的综合模型，并对其进行求解。并以该四杆机构为基础，按变杆长等价四杆机构的等价原则，建立整体综合模型，求解与基础四杆机构具有相似运动规律的五杆回路(即等价四杆机构)尺寸参数。从而较好的解决了这一按特殊的高阶运动参数综合的难题，为全参数的优化综合，提供了可靠的初始解和理论依据。 ④为进一步优化双输出函数发生机构的运动、动力学性能，得到其最优解(特别是具有较多可变设计参数的五边回路)，在运动几何学综合的基础上，采用位移矩阵法建立了该机构的全参数综合方程，提出了等价四杆机构的修正传递函数要求，应用同伦一连续算法得到了机构的全部解，并通过分析得到最优解。达到了预期的综合控制目标。 ⑤为进一步提高这一多回路、多输出、闭链结构系统的工作平稳性和机械效率与寿命，降低制造成本，对 Stephenson 型同轴式双输出六杆函数发生机构进行了创造性的自调结构设计。在对其进行了详细过约束分析和已有自调结构设计方法分析比较的基础上，提出了“零过结束自调基本组”进行平面连杆机构自调结构设计的方法。深入系统的总结了多回路系统，特别是具有非二元素杆中间构件(连杆)的自调结构设计和运动副合理配置的方法与原则。 ⑥为满足大功率、高效率脉动无级变速器开发的需要，开发并研制了新型的带辅助环的楔铁式超越离合器。其构件大多是盘状的，易于平衡，动载荷较小，响应灵敏，且具有面接触，从而更具高的承载能力与使用寿命。在分析了该机构的工作原理的基础上，详细研究了其楔紧和退楔条件，并对其进行了较详细的结构设计，加工出该产品，完成了其性能的测试。本论文的研究成果，不仅为开发脉动式无级变速器提供了新的途径，而且为平面连杆机构满足新的要求，充分挖掘其潜能，利用其优点，克服其缺点，进行创新设计与应用提出了新的途径与方向，具有重要的理论及应用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

1引言

1.1课题来源

1.2机构学的发展现状与动向

1.2.1机构学的发展阶段

1.2.2机构学的发展现状

1.3选题背景与研究意义

1.3.1新型连杆机构的开发策略及双输出函数发生机构的应用前景

1.3.2连杆机构的尺度综合的现状

1.3.3脉动式无级变速器的发展和研究现状

1.4本论文的主要研究内容

2可调双输出函数发生器的构型及其在脉动式无级变速器中的应用研究

2.1函数发生机构的结构类型

2.1.1函数发生机构的结构类型综合

2.1.2传动机构为四杆机构的结构类型

2.1.3传动机构为六杆机构的结构类型

2.2双输出函数发生机构的选型

2.2.1双输出函数发生机构的选型依据

2.2.2 Watt型及Stephenson型六杆运动链的宏观运动特性比较

2.3本章小结

3双输出函数发生机构运动特性的分析与仿真分析

3.1虚拟样机技术与机械系统动力学分析与仿真概述

3.2刚体动力学仿真软件ADAMS运动及动力学分析的理论基础

3.2.1多体动力学的研究状况及多刚体系统动力学建模

3.2.2 ADAMS软件的运动及动力学分析的理论基础

3.3双输出函数发生机构参数化模型的建立

3.3.1确定参数化点

3.3.2创建参数化点

3.3.3创建参数化模型部件

3.3.4创建约束并创建驱动

3.4双输出函数发生机构的运动特征参数及其运动函数规律的仿真分析

3.4.1曲柄摇杆机构的运动特性分析

3.4.2曲柄摇杆机构正反两种安装模式下的运动特征参数及运动规律对比分析

3.4.3等价四杆机构运动特征及规律的分析与仿真

3.5本章小结

4满足脉动无级变速器基本性能要求的双输出函数发生机构初始尺度综合及基本性能分析

4.1脉动无级变速器的基本性能参数分析

4.1.1脉动值及其设计参数

4.1.2调速范围及传动比的设计参数分析

4.1.3效率对设计参数影响的分析

4.1.4承载能力与调速特性

4.2满足脉动式无级变速器基本性能指标的基础四杆函数发生机构的综合

4.2.1铰链四杆函数发生机构按对应位置及其传动比进行综合的运动几何学 基本理论与方法介绍

4.2.2铰链四杆机构按两个位置及瞬时传动比综合的运动几何学图解法

4.2.3铰链四杆机构按两个位置及其传动比综合的运动几何学解析法

4.2.4综合实例

4.2.5工作行程起始位置上角速度相等的一种综合方法及其顺序工作的分析及算例

4.3同轴式双输出脉冲发生机构的等价综合及其初始参数的确定

4.3.1双输出脉冲发生机构等价综合的数学模型

4.3.2双输出脉冲发生机构初始结构参数确定的实例分析

4.3.3两套并联六杆双输出函数发生机构曲柄相位角β值的确定

4.4双输出的脉冲发生机构性能分析及改进提高的途径

4.4.1运动特性分析

4.4.2传力特性分析

4.4.3最高及额定输出转速下双输出函数发生机构的基本运动、传力特性分析

4.4.4两套双输出函数发生机构并联的脉动值大小分析

4.4.5调速特性分析

4.4.6动力学性能分析

4.4.7双输出函数发生机构在运动规律及动力学特性等方面存在的不足

4.5本章小结

5双输出函数发生机构全参数综合模型及其运动性能的优化

5.1运动参数综合的内容与综合方法的选择

5.1.1运动参数综合的内容

5.1.2运动参数尺度综合的方法选择

5.1.3连续算法的基本理论

5.2平面六杆函数发生机构运动参数综合方程的建立

5.2.1全参数综合方程的建立

5.2.2同伦-连续算法初始方程组的建立

5.2.3同伦-连续算法的求解步骤及流程

5.3双输出函数发生机构运动参数综合方程的建立

5.3.1双输出函数发生机构运动参数综合方程的建立

5.3.2已知点的选取及初始方程的建立

5.3.3设计要求的给定

5.3.4构建目标方程组

5.3.5优化结果及其仿真分析

5.3.6优化前后双输出函数发生机构运动特性比较

5.4本章小结

6平面连杆机构无过约束设计理论及双输出函数发生机构的自调结构创新设计

6.1平面连杆机构过约束分析的基本方法

6.1.1公式计算法

6.1.2回路自由度法

6.1.3详细公式列表法

6.1.4同轴式双输出六杆机构的过约束分析

6.2平面连杆机构自调结构设计的基本理论与方法

6.2.1机构零自由度结构组

6.2.2机构的平面自调结构组

6.2.3零过约束自调基本组

6.3双输出六杆脉冲发生机构的自调结构设计与仿真

6.3.1同轴式双输出杆脉冲发生机构的自调结构设计

6.3.2双输出脉冲发生机构的无过约束结构的仿真分析

6.4本章小结

7带辅助环的楔铁式滚针超越离合器的开发

7.1离合器的主要特性与影响因素

7.2几种超越离合器的对比分析

7.3新型的带辅助环的楔铁式超越离合器的工作机理

7.3.1带辅助环的楔铁式超越离合器的构建

7.3.2带辅助环的楔铁式超越离合器的工作机理

7.4新型的带辅助环的楔铁式超越离合器的楔紧和退楔条件

7.5新型的带辅助环的楔铁式超越离合器结构参数软件的开发

7.6本章小结

8结论与展望

8.1全文总结

8.2后续研究工作展望

致 谢

参考文献

附 录