考虑关节间隙和润滑的单个旋转铰机构动力学特性分析

摘要

随着现代高新技术的发展，对航空航天精密机构的位置精度、可靠性、控制度、长寿命及运行环境适应性的要求不断提高。作为衡量和预测上述性能的理论工具，系统动力学研究在航空航天精密机构的设计及控制过程中拥有至关重要的地位。关节内间隙和润滑将会严重地影响到机械系统动力学特性。因此，国内外学者越来越重视关节间隙及润滑对航空航天精密机构的动力学特性的影响。然而，据公开资料显示，目前该领域的研究主要局限于关节间隙对机构动力学特性影响，而在关节润滑产生的影响方面考虑较少。因此，本文在同时考虑关节间隙和润滑的前提下，对多体机构的动力学特性进行研究分析，主要包括以下内容：
　　为了使多体机构的动力学模型与其实际工作时的情况相接近，本文选择了“接触-分离”的二状态模型作为旋转铰机构的接触模型。基于此模型，分别建立了多体机构在工作过程中的碰撞力模型、摩擦力模型和铰润滑模型，并利用拉格朗日乘子法求得了该机构的动力学方程。
　　针对多体机构的单个旋转铰，本文采用非线性弹簧阻尼模型来描述间隙铰处的接触碰撞过程，润滑剂充满在销轴和轴套之间的关节间隙内，销轴与轴套之间没有接触时，两者之间的作用力通过润滑剂传递，流体动力相当于阻力在反对销轴过河轴套之间的相互运动，主要分为两者之间的相对径向运动和相对旋转运动两个方面。因此本文采用Pinkus-Sternlicht模型来描述关节润滑对机构运动过程的影响。基于上述模型，在同时考虑关节间隙与润滑的条件下，利用Gear法求解了该机构的动力学方程，并确定了包括销轴与轴套的碰撞力、维持恒定转速所需要的驱动力矩和销轴中心的运动轨迹在内的动力学特性为主要研究动态参数。在关节间隙一定的情况下，通过分析是否考虑关节润滑着两种情况，研究了关节润滑对机构动力学特性的影响；并且在此基础上，进一步研究了间隙大小、输入转速、润滑粘度和摩擦系数对上述动力学特性的影响。
　　在考虑关节间隙和润滑的条件下，运用ADAMS软件对单个旋转铰进行了动力学仿真，并将理论计算获得的动力学特性和仿真获得的动力学特性进行了对比分析，结果表明二者基本吻合，从而验证了理论润滑模型的有效性和准确性。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 考虑关节间隙的铰机构碰撞动力学描述及建模方法

2.1 引言

2.2 间隙铰机构描述

2.3 间隙铰运动描述

2.4 间隙铰数学描述

2.5 碰撞力模型

2.6 间隙铰运动模式识别

2.7 拉格朗日方程建模方法

2.8 本章小结

第3章 考虑关节润滑的单个铰链接结构动力学建模及求解方法

3.1 引言

3.2 理想铰机构动力学建模

3.3 含间隙与润滑铰机构动力学建模

3.4 动力学求解方法

3.5 本章小结

第4章 考虑关节润滑的单个铰机构动力学特性分析

4.1 引言

4.2 含单间隙与润滑铰机构系统简述

4.3 考虑润滑的单个铰链接机构动力学特性分析

4.4 本章小结

第5章 考虑关节间隙和润滑的单个铰机构动力学仿真

5.1 引言

5.2 考虑关节间隙与润滑的单个铰链接机构模型建立

5.3 考虑润滑的单个铰链接结构仿真结果分析

5.4 理论分析结果和软件仿真结果对比分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录

致谢