曲柄群驱动装置虚拟样机研究.doc

曲柄 群 驱 动装 置虚 拟 样 机 研 究一级 学 科 ： 机 械 工程培养 单位 ： 机 电 工程 学 院硕 士 生 ： 焦 楠导 师： 曹 巨 江 教 授 为 同 时 实 现驱 动多 个 平行轴 的 同 步 等 速 转 动，并且需要 传 递的 扭 矩 不大，本 文研 究了一种新 型的 传 动机 构 曲柄 群 驱 动装 置机 构。 本 课 题 源 于 导 师的 国家 自 然科 学 基金 项 目 “曲柄 群 驱 动 机 构及 其 单元 化 动 平衡研 究”，是 该 项 目的 子课 题 之 一。 其 最 大的 优点 是 可 以 同 时 驱 动 多 个 平行 轴等 速 转 动 ，并且极 大的 缩 短 了传 动 链 距 离 ，不但 制 造 成 本 低 廉 ，而 且易安 装和 维 护 ，在 平衡 问 题 上也容易实 现 。 癈 甌 ， 甌 础 琣 ， 髀邸 璴 庀肿 础 谙肿 础 本 章 小 结 研 究总结 创新 点 前景 展望 致谢 ： 参 考 文献攻 读 学 位 期间 发 表 的 学 术论文目录 原创性声 明及 关于 学 位 论文使 用 授权的 声 明 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计连杆 机 构又 称 低 副 机 构，是 由 低 副 联 接 许 多 杆 件 构成 的 。 平面 连杆 结 构是 在 连杆 机构中 每 个 构件 做 相 对 运 动 并且是 平面 运 动 ，其 广 泛 应 用 于 各种操 作控制 设 备中 。 平面 连杆 机 构中 多 为 低 副 的 运 动 副 ，故 接 触 面 积较大，有 很 大的 承 载 能 力，制 造 和 安 装 都 比较简 单。 虽 然平面 连杆 机 构很 容易实 现 复 杂 的 运 动 规 律 ，但 其 组成 构件 越 多 ，求 解 时 未 知参 数越 多 ，且运 动 副 磨 损后 容易出 现 间 隙 过 大问 题 ，在 做 复 合运 动 中 ，惯性力和 惯性力矩 不容易完 全平衡 ，因 此 平面 连杆 机 构适 用 于 的 场 合不太高 ，这 成 为 学 者 们 的 一个 重点研 究方 向 。 陕 西科 技 大学 硕 士 学 位 论文 国内 外 相 关问 题 研 究现 状 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计国内 近 些年 对 曲柄 问 题 的 研 究主要 有 以 下 几 个 方 面 ：第 一，对 曲柄 问 题 的 机 构学 理 论研 究。 周 双 林 ，方 新 国等 根 据 混合输入 的 要 求 ，将所有 五 杆 机 构构型分 为 了 掷 嘈 蚚 。 郭 晓 宁等 分 析 型六 杆 机 构曲 柄 存 在 条 件 ，并最终 得出 了其 判 断别 方 法 【 俊 叫 鹿 韧 芯 炕旌 锨 矫 自 由 度 的 七 杆 机 构可 动 性问 题 ，得出 了连架 杆 可 动 性的 充 分 条 件 和 必 要 条 件 【。 】 。 张 全明，梁 文贤等 对 平面 五 杆 机构的 双 曲柄 进 行研 究，提 出 了其 存 在 不但 与 杆 长有 关，还与 选 取 机 架 和 原动 件 的 理 论相关【 罨 裕 挪 叩仍 擞 酶俗 榉 乃枷 耄 芯 苛 平面 五 杆机 构的 双 曲柄 存 在 条 件 ，其 铰 链 是 固定的 ，这 种方 法 具有 很 大的 通 用 性 钊 鹎伲 藁劬 壬 钊 胩 致哿 的 平面 并联 机 构的 构型和 装 配 条 件 ，得出 了杆 长和 曲柄 的 具体的 关系 ，该 研 究使 在 并联机 构中 ，给 出 了不同 驱 动的 支持 【 】 。第 三 ，曲 柄 滑块 、 曲柄 摇 杆 等 各种曲 柄 机 构的 应 用 研 究。 徐 凤 英 等 人对 某种曲 柄 摇的 一款新 型六 足 爬行 器机 器人中 使 用 了曲 柄 摇 杆 机 构，讨 论了速 度 变 化 系 数、 传 动 角等 陕 西科 技 大学 硕 士 学 位 论文了一种新 型曲柄 压力机 械 的 工作原理 ，并对 其 进 行优化 设 计 【他】 。 王洪 等 人讨 论了冷墩机中 曲柄 连杆 机 构的 运 动 形 式 和 原理 ，对 其 产 生 的 运 动 误 差进 行了可 靠 性设 计 【，】 。 王勇 研究讨 论双 曲柄 滑块 的 转 向 机 构的 建 模 ，并将 此 转 向 机 构用 于 叉 车转 向 ，并进 行优化 设 计 。 此 处 需要 详细阐 述 的 是 ，杨 文研 究设 计 了一种多 曲柄 的 轴 式 钻孔 机 ，将 曲柄 群 这 一新 型机 构应 用 于 规 则排 列 的 孔 型加工，这 样 的 钻孔 机 不仅 结 构简 单，加工精度 高，机 构运 动 也很 可 靠 ，此 钻孔 机 的 成 功 设 计 使 得曲 柄 群 驱 动 装 置的 合理 应 用 得到验 证，是 理 论研 究到实 际应 用 的 一大跨越 【 】 。曲柄 群 驱 动 机 构在 企 业 中 己 做 出 了初步 的 应 用 ，这 样 也进 一步 证明了理 论研 究的 正 研 究内 容、 目标、 方 法 和 技 术路 线 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计研 究目标有 ：本 文通 过 理 论的 研 究，对 曲柄 群 驱 动 装 置的 系 列 化 设 计 采 用 了传 统 的 机 械 设 计 方 法 ；在 对 曲柄 转 动 惯量计 算 时 ，分 别 用 了实 验 法 和 计 算 法 ； 通 过 理 论计 算 和 软 件 分 析 法 ，对梯形 曲柄 弹性环 节做 出 分 析 ； 运 用 运 动 仿 真 法 ，证明五 曲柄 群 虚 拟 样 机 设 计 的 正确 性。对 于 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 的 研 究，本 文给 了如下 的 技 术路 线 。 先 了解 曲柄 群 驱动 装 置和 系 列 化 设 计 的 主要 特 点 ，在 结 合两 者 的 特 点 ，对 曲柄 群 驱 动 装 置的 每 个 零 部 件进 行系 列 化 设 计 ，使 其 最 终 走向 实 际的 生 产 制 造 。 完 成 系 列 化 设 计 后 ，对 三 种曲 柄 和 弹簧 板 进 行计 算 和 分 析 ，得出 了转 动 惯量的 计 算 方 法 和 弹簧 板 的 变 形 范 围 。 最 后 结 合系 列化 设 计 ，设 计 并且装 配 一个 五 曲柄 群 驱 动 装 置的 虚 拟 样 机 ，并进 行运 动 仿 真 分 析 ，验 证机 构设 计 的 可 行性和 合理 性。 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计 曲柄 群 驱 动 装 置的 特 点产 品 的 系 列 化 ，是 指同 一类产 品 通 过 对 其 主要 特 点 、 使 用 要 求 以 及 产 品 的 生 产 发 展 陕 西科 技 大学 硕 士 学 位 论文状 况进 行研 究分 析 ，按照一定规 律 对 这 一类产 品 的 基本 结 构、 尺寸 参 数、 性能 指标等 合 系 列 化 设 计 的 方 法 甇 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计本 文研 究的 曲柄 群 驱 动 装 置要 进 行系 列 化 设 计 ，存 在 两 种变 化 ： 第 一种是 连接 曲柄的 轴 的 尺寸 即 曲柄 轴 颈 的 尺寸 变 化 ； 第 二种是 曲柄 与 连杆 之 间 的 连接 部 分 即 连接 部 分 尺寸 的 变化 。 曲柄 群 驱 动装 置系 列 化 设 计 思路 曲柄 群 驱 动 装 置的 结 构设 计 陕 西科 技 大学 硕 士 学 位 论文对 于 表 而 言 ，只 是 列 出 了轴 孔 直径的 部 分 取 值 ，而 轴 孔 的 设 计 ，优先 选 取 表 而 轴 承 内 径 砹 忧 南 嶂 本 洞 笮。 岢 锌 鞡 则代 表 连接 部 分 的 宽度 ，除 了连 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计 鱨 广鱅 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计 陕 西科 技 大学 硕 士 学 位 论文 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计 含 有 配 重块 的 方 形 曲柄 主要 由 两 部 分 组成 的 ，曲 柄 本 身 和 配 重块 。 和 前面 两 个 曲柄 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计图 配 重块 设 计 图 装 配 中 存 在 的 间 隙 问 题 。下 面 根 据 每 个 构件 的 作用 ，分 别 对 其 基本 结 构和 尺寸 参 数进 行设 计 。 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计 表 连接 部 分 尺寸 来 选 取 。 是 限制 了其 左 右的 环 绕 ，而 紧 固端 盖 是 限制 了其 上下 的 移动 ，紧 固端 盖 中 间 有 螺 栓 孔 ，选 取 的 。茎茎多 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计 进 而 也达 到了连杆 的 轻质量要 求 。、弓 烈 、 、 、氓 、 、 、烈 科、 到此 ，对 曲柄 群 驱 动 装 置的 主要 零 部 件 系 列 化 设 计 已完 成 ，包 括 构件 每 个 参 数的 选取 。 下 一步 对 设 计 的 结 果 进 行一系 列 的 校核 ，来 检验 其 设 计 的 合理 性。 本 章 通 过 曲柄 孔径和 连接 部 分 尺寸 的 确 定，对 曲柄 群 驱 动 装 置进 行系 列 化 和 模 块 化 设 计 ，根 据 曲柄 孔 径和 轴 承 尺寸 的 不同 ，能 够设 计 出 很 多 具体型号 不同 的 曲柄 群 驱 动 装 置，方 便 其 用 于 不同的 工况。此 章 节主要 研 究了曲 柄 群 驱 动 装 置系 列 化 设 计 的 基本 构思 ，分 析 了要 解 决 的 技 术问题 ，通 过 讨 论曲 柄 驱 动 装 置和 系 列 化 设 计 的 特 点 ，并给 出 了具体方 案 的 实 施 。 根 据 模 块化 设 计 的 理 论思 想 ，首 先 确 定装 置的 基本 参 数，选 择 确 定曲 柄 结 构的 轴 孔 直径与 连接 盖内 径作为 基本 参 数。 根 据 己 确 定的 结 构参 数，对 装 置中 的 曲柄 、 连接 部 分 、 连杆 等 主要构件 的 结 构、 尺寸 参 数做 出 了具体设 计 。 包 括 每 类曲柄 、 连接 部 分 和 连杆 的 设 计 ，其 中详细介 绍 了连接 部 分 设 计 的 优点 。 并给 出 了每 个 零 件 尺寸 的 选 取 依 据 和 零 件 型号 的 设 计依 据 ，这 样 曲柄 群 驱 动 装 置的 系 列 化 设 计 基本 完 成 了。 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计 三 种曲 柄 的 转 动 惯量计 算以 屏 模 膨 由 材 料力学 的 理 论知识可 知，可 以 使 用 转 动 惯量的 平行 轴 定理 来 求 得刚 体的 转 动 惯量。五 以 御从 形 状 上看 扇 形 曲柄 为 复 杂 形 状 ，因 此 选 择 试 验 方 法 进 行测 定。 在 测 定之 前可 以 通 庐 砌 循 因 而 ，由 公 式 可 得曲 柄 的 转 动 惯量为从 形 状 上看 此 曲柄 为 梯形 的 结 构，但 是 考 虑 到平衡 因 素 ，顶部 设 计 了一个 圆 弧 槽 。 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计根 据 公 式 可 知 難 强 蛙 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计 獭 根 据 平行 轴 定理 可 得 梯形 曲柄 弹性环 节的 挠 度 计 算在 设 计 曲 柄 时 ，长度 ，和 宽度 怯 汕 旧 淼 纳 杓贫 模 穸 萮 的 选 择 是 要 根据 弹簧 板 具体所承 受变形 而 定的 ，也就 是 工程 上所说的 挠 度 的 大小 。 形 的 程 度 影 响 ，也就 是 说求 出 其 最 大挠 度 跆 。因 为 弹簧 板 的 受 力部 分 是 正中 间 ，所以 通 过 梁 的 挠 度 公 式 可 知 而 鴏 时 ，梁 的 最 大挠 度 都 超 出 了许 用 挠 度 范 围 。 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计表 梁 的 厚 度 与 挠 度 梯形 曲柄 弹性环 节的 变 形 分 析 图 ， ， 所示 。图 穸 任 弹簧 板 的 分 析 图图 穸 任 弹簧 板 的 分 析 图 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计表 梁 的 最 大挠 度 和 总变 形考 。 本 章 还对 含 弹性环 节的 曲柄 进 行了分 析 ，通 过 简 化 为 简 支梁 的 方 法 计 算 其 最 大挠 度 上文对 曲柄 群 驱 动 装 置进 行了系 列 化 设 计 ，本 章 通 过 一个 虚 拟 样 机 的 设 计 ，对 曲柄群 驱 动 装 置设 计 的 合理 性给 予 验 证和 分 析 。 在 目前的 机 械 设 计 领 域，虚 拟 样 机 技 术是 比较先 进 的 技 术，其 可 以 利 用 软 件 对 机 构进 行三 维 建 模 ，通 过 运 动 学 和 动 力学 分 析 ，对 比机 构的 性能 ，为 机 械 设 计 研 究提 供 了有 力的 参 考 。 在 对 机 械 产 品 进 行设 计 时 ，虚 拟 样 机可 以 代替物 理 样 机 ，通 过 对 新 产 品 的 创新 设 计 、 测 试 和 分 析 对 比，可 以 极 大的 缩 短 产 品开 发 的 正常周 期，并且降 低 了生 产 成 本 ，有 效 的 改进 了产 品 设 计 的 质量，提 高了市 场 需求 的 能力 。 因 此 ，根 据 虚 拟 样 机 技 术，设 计 一个 五 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 ，通 过 仿首 先 是 对 于 软 件 进 行选 择 ，由 于 目前市 场 上有 很 多 三 维 软 件 ，每 个 软 件 在 设 计 功 能 样 机 设 计 软 件 的 选 择在 对 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 进 行参 数选 取 时 ，为 了使 此 样 机 具有 代表 性意 义，最好 选 取 和 实 际尺 寸 相 仿 的 参 数，例 如对 曲柄 参 数的 选 取 ，根 据 实 际工作要 求 选 取 合适 的尺寸 参 数，过 大或 过 小 都 不行 。 通 过 进 一步 的 考 察 调 研 和 工况分 析 ，根 据 本 课 题 的 设 计要 求 ，对 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 进 行基本 参 数选 择 ，具体如下 。 曲柄 的 轴 孔 直径最 终确 定为 ，连接 部 分 和 曲柄 之 间 选 取 型号 的 滚针 轴 承 ，相 应 的 连接 部 分 主要 尺寸 也得到了选 取 ，具体尺 寸 由 表 可 得。 连杆 两 端 对 称 结 构和 直径尺 寸 由 曲柄 轴孔 直径参 考 选 取 ，其 长度 由 具体曲 柄 之 间 的 位 置来 确 定。 构件 之 间 有 用 螺 栓 固定的 具体 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计 图 平衡 质量块 三 维 设 计 图 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计 方 形 曲柄 的 三 维 设 计 和 前两 个 曲柄 一样 ，都 是 参 考 了之 前对 曲柄 群 驱 动 装 置的 系 列化 设 计 方 法 。 方 形 曲柄 由 配 重块 和 曲柄 本 身 组成 的 ，由 于 此 曲柄 适 宜 于 曲柄 距 离 比较大，或 连杆 连接 较多 的 情 况，所以 曲柄 底 部 设 计 为 方 形 ，为 了很 好 的 平衡 项 部 质量，如果 底部 平衡 质量不够，可 以 在 曲柄 的 最 低 部 安 装 配 重块 ，所以 底 面 两 个 螺 纹 孔 是 为 了连接 配重块 的 。 。 在 曲柄 的 结 构设 计 中 ，首 先 要 确 定曲 柄 轴 孔 直径，和 之 前两 种曲 柄 的 型号 要 一 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计 陕 西科 技 大学 硕 士 学 位 论文由 于 设 计 的 是 一个 五 曲柄 群 驱 动 装 置，每 个 曲柄 的 位 置又 不同 ，所以 需要 不同 的 连杆 与 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计 曲柄 群 虚 拟 样 机 的 装 配 与 仿 真图中 ，对 箱 体的 主要 结 构尺 寸 进 行了标注 。 从 箱 体的 机 结 构设 计 中 可 看 出 ，两 侧 的 设 计是 为 了加其 强 度 和 刚 度 。 箱 体壁上设 计 了五 个 不同 位 置的 通 孔 ，这 些通 孔 位 置是 根 据 工作需求 而 选 定的 ，是 为 了通 过 传 动 轴 连接 曲柄 驱 动 装 置而 用 。 箱 体壁上安 装 的 轴 承 端 盖 ，可 以 用 来 限制 传 动 轴 的 轴 向 运 动 。 由 于 整个 装 置在 实 际工作中 会产 生 不平衡 因 素 ，加上整个 样 机 的 自 重问 题 ，因 此 最 终 采 用 地 脚 螺 栓 加强 其 牢固性。 箱 体的 设 计 参 数，可 以 参考 上文对 曲柄 设 计 中 取 得的 参 数，确 保 在 运 动 中 不会和 箱 体发 生 干 涉，并可 以 互 相 协 调二者 的 尺寸 。 其 尺寸 参 数由 图可 得，如其 宽为 呶 。 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计 狝帮 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计最 重要 的 是 运 行安 全可 靠 ，所以 本 文也选 择 此 系 列 电 机 。 痬 ，通 过 荆 畄 卷 蹬 猜骸 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计示 ，上图为 曲柄 群 驱 动 装 置与 箱 体的 装 配 图，下 图为 梯形 曲柄 上通 过 连接 部 分 连接 了四 陕 西科 技 大学 硕 士 学 位 论文 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计题 【 】 ，最 后 可 以 通 过 图解 对 曲柄 群 驱 动 机 构的 运 动 过 程 进 行结 果 运 算 。在 进 行仿 真 之 前，先 通 过 疎软 件 对 曲柄 群 驱 动 机 构进 行干 涉检查 ，检查 各构件 个 周期。 如图 ， 为 机 构的 仿 真 过 程 。 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计甘一甘一 在 进 行机 构分 析 后 ，在 “插入 ”里 面 进 入 “轨 迹 曲线 ”界 面 ，分 别 选 择 每 一个 曲柄 曲柄 群 驱 动 装 置虚 拟 样 机 研 究与 系 列 化 设 计和 相 应 连接 部 分 上的 点 ，必 须注 意 的 是 ，每 个 连接 部 分 点 的 位 置都 必 须相 同 ，最 后 进 行 毫 鲁 执 图 系 愕 腪 轴 分 量速 度 图 进 行了机 构设 计 和 参 数选 择 ，随后 对 虚 拟 样 机 的