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喷油泵限位凸轮成型系统的研究与开发 摘要 f 忱着国家对汽车尾气排放法规的要求越来越严，高喷射压力的燃油 系统在车用柴油机上得到越来越普遍的运用。直列式高压喷油泵使用阻 尼阀或等压阀已成为一种趋势，通过它可以改善高喷射压力带来的在喷 油规律方面的负面效应，但同时使得喷油泵的供油速度特性不尽合理， 高低速油量差太小，不能满足柴油机外特性的要求。因此，运用通过限 位凸轮来自由调节供油量的机械式调速器被广泛应用。威孚公司的r l d 和r 8 0 1 调速器就是这样的调速器。 喷油泵通过调速器的限位凸轮来调节供油齿杆的行程，以调节供油 量。目前，在喷油泵和柴油机的性能匹配阶段，限位凸轮型线的成型， 还是凭配试人员的经验，用金刚锉进行手工修整，往往需要反复十多次 才能确定型线，而且凸轮型线表面非常不规则，不便于定型和批量复制。 那么，我们能否研制出一种设备，它仅仅通过柴油机模拟外特性试 验，就能确定喷油泵限位凸轮的型线，进而使喷油泵供油速度特性能满 足柴油机外特性的要求呢? 这样就免去了繁琐而不精确的手工操作。答 案是肯定的，但目前国内同行业中还未见类似的装置。为此，提出了一 种限位凸轮成型系统，它可在机泵匹配的现场( 主机厂) 直接得到符合 要求的限位凸轮，因为它的设计是便携式的。该系统主要由以下部分组 成：计算机采样部分、机构仿真部分、数控加工部分。该系统的工作过 程如下：用传感器测出柴油机模拟外特性所需的各转速( 测试点) 下喷 油泵齿杆的位置，综合调速器飞锤、弹簧及杠杆机构之间的匹配关系， 计算出调速器浮动臂在各测试点的对应位置，便可得到满足柴油机实际 外特性所需的限位凸轮的型线，然后通过数控加工装置制造出限位凸轮。 有了该系统，可大大提高喷油泵与柴油机的配试效率和精度，具有实用 钕邋。 _j 厂厂 基于以上考虑j 本文征喷油泵限位凸轮成型系统的研究与开发方回主 要做了以下的工作： 、 7 1 介绍了r 8 0 1 新一代全程机械式调速器的主要结构特点和工作原 理。运用三维实体造型的手段精确计算了飞锤体积、惯性矩等参数，并 在此基础上建立了飞锤升程模型。 2 运用平面连杆机构的运动模拟基础理论，对r 8 0 1 调速器进行了机 构运动理论建模，并对调速器浮动臂运动轨迹进行了仿真计算，由此来 确定限位凸轮的型线。 3 研制了微机数据采集系统，编制相应的采样程序，用以对柴油机 转速及喷油泵齿杆行程的采样。 4 在限位凸轮c a d c a m 一体化研究方面，运用m a s t e rc a m 这种 计算机辅助设计及制造软件，对限位凸轮型线的数控加工做了一定的工 作。 5 以一个苤迪圭与喷油泵性能匹配的例子来验证了喷油泵限位凸轮 成型系统的实用程度。 ( 同样，该研究成果可以推广到其它机械式喷油泵的调速器上，为国 内喷油泵与柴油机的性能匹配工作作出一定的贡献。广7 一 关键词喷油泵，r 8 0 1 调速器，限位凸轮，机构仿真，计算机辅助设计， 计算机辅助制造 d e v e l o p m e n to ft h ef o r ms y s t e m f o rt h el i m i t c a mo ft h ef u e li n j e c t l o np u m p a b s t r a c t t h ef u e ls y s t e mw i t hh i g hi n j e c t i o np r e s s u r ew i l lb ew i d e l yu s e di nt h ed i e s e le n g i n e f o rv e h i c l eb e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n g l ys t r i n g e n te x h a u s te m i s s i o nl e g i s l a t i o n s i ti sat r e n d f o ri n - l i n eh i g h - - p r e s s u r ei n j e c t i o np u m p st oi m p r o v et h en e g t i v ee f f e c to nt h ef u e li n j e c t i o n c a u s e db yt h eh i g hp r e s s u r et h r o u g ha d a m p i n gv a l v e o ra ni s o b a r i cv a l v e h o w e v e ri tw i l l m a k et h ef u e ls u p p l yn o tr e a s o n a b l ee n o u g ha n dt h ed i f f e r e n c ef u e lq u a n t i t yb e t w e e nh i g h s p e e da n dl o ws p e e d t o ol o w t h e r e b yi tw i l ln o tm e e t t h ef o i l l o a dc h a r a c t e r i s t i c so fd i e s e l e n g i n e s t h u sm e c h a n i c a lg o v e r n o r sa r ew i d e l yu s e dw h i c hf r e e l yr e g u l a t et h ef u e ls u p p l y q u a n t i t yt h r o u g h l i m i tc a m s s oa r eg o v e r n o r sm o d e lr l da n dr 8 0 1o f w e i f u c o m p a n y t h ef u e li n j e c t i o np u m pw i l lr e g u l a t et h er a c ks t r o k ef o rf u e ls u p p l yq u a n t i t yt h r o u g h t h el i m i tc a l t lo ft h eg o v e r n o r n o w a d a y st h ed r e s s i n go ft h el i m i tc a n lf o r ml i n ei sd o n e m a n u a l l y w i t had i a m o n d f i l e ，w h i c hu s u a l l yn e e dm o r et h a nt e nt i m e st od e f i n et h ef o r m l i n e b e s i d e s ，t h es u r f a c eo ft h ed e f i n e df o r mi st o oi r r e g u l a rf o rm o d e ld e c i s i o na n dl o t r e p r o d u c t i o n w e l l h o wc a nw e d e v e l o pad e v i c ew h i c h c a l ld e f i n et h ef o r r nl i n eo ft h el i m i tc a i nt o m e e tt h ef u l l 1 0 a dc h a r a c t e r i s t i c so n l yb yt h es i m u l a t i o nt e s to ft h ed i e s e le n g i n e ? t h e a n s w e ri sd e f i n i t eb u tt h e r ea r e n ta n ys i m i l a rd e v i c e si nd o m e s t i cs a n l et r a d e t h e r e f o r e a h a n d y f o r ms y s t e mi sp u tf o 九a r dt og e tt h el i m i tc a m m e e t i n g t h er e q u i r e m e n t so fad i e s e l e n g i n ed i r e c t l yi nt h ef i e l d ( d i e s e le n g i n em a n u f a c t u r e r s ) o fm a t c h i n ga d i e s e le n g i n ea n da p u m p t h es y s t e mm a i n l yc o n s i s t so ff o l l o w i n gp a r t s ：c o m p u t e rs a m p l i n g m e c h a n i s m s i m u l a t i o na n dn c p r o c e s s i n g i t sp r o c e s si sa sf o l l o w s ：f i r s tm e a s u r et h er a c kp o s i t i o na t v a r i o u ss p e e d sn e e d e df o rt h es i m u l a t i o no ft h ed i e s e le n g i n ef u l l 一l o a dc h a r a c t e r i s t i t sw i t h as e n s o r , s e c o n dc a l c u l a t et h ec o r r e s p o n d i n gp o s i t i o n so ft h ef l o a t1 e v e ro ft h eg o v e r n o r b a s e do nt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ef l y w e i g h t ，s p r i n ga n dl e v e rm e c h a n i s ma n df i n a l l yt h e 1 i m i tc a l t if o i t i ij sd e f i n e dw h i c hw i l lm e e tt h ea c t u a lf u l l l o a dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i e s e l e n g i n e i tm u s tb en o t e dt h a t t h ef o r r n1 i n e m a yb ed e f i n e db yi n t e r p o l a t i o na n dn c p r o c e s s i n g t h es y s t e m w i l lb eo fp r a c t i c a lu s eb e c a u s ei t m a yg r e a t l yi m p r o v et h e e f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo f m a t c h i n go f f u e li n j e c t i o np u m p sa n d d i e s e le n g i n e s w o r k b a s e do na b o v em e n t i o n e dc o n s i d e r a t i o n s ，t h i sp a p e rh a sd o n ef o l l o w i n gr e s e a r c h 1 i n t r o d u c et h em a i ns t r u c t u r ef e a t u r e sa n dp r i n c i p l e so ft h en e wm e c h a n i c a lv a r i a b l e s p e e dg o v e r n o rm o d e lr 8 0 1 ，g i v eap r e c i s e c a l c u l a t i o no ft h e f l y w e i g h tv o l u m e ，t h e m o m e n t o f i n e r t i a ，e t c b ym e a n s o f t h r e ed i m e n s i o n a ls o l i dm o d e l l i n ga n dt h e r e b yb u i l du p t h ef l y w e i g h tl i f tm o d e la n dt h em o t i o nm o d e lo f t h es p e e d r e g u l a t i n gm e c h a n i s m 2 b u i l d u pat h e o r e t i c a lm o d e lf o rt h em o t i o nm e c h a n i s mo ft h eg o v e r n o rm o d e l r 8 0 1 w i t ht h eb a s i cm o t i o ns i m u l a t i o nt h e o r yo ft h e p l a n el i n k a g e ，g i v eas i m u l a t i o n c a l c u l a t i o nf o rt h em o t i o n p a t h w a yo f t h ef l o a tl e v e ro f t h eg o v e m o r a n dt h e r e b yd e t e r m i n e t h ef o r ml i n eo f t h el i m i tc a m 3 s a m p l es p e e d so ft h ed i e s e le n g i n ea n dt h er a c ks t r o c ko f t h ef u e li n j e c t i o np u m p t h r o u g h p cd a t as a m p l i n gs y s t e ma n d p r o g r a m m 4 i nr e s p e c to ft h es t u d yo nt h ei n t e g r a t i o no fc a d c a m e x e c u t es o m e w o r ko nn c p r o c e s s i n go f t h el i m i tc a m w i t hm a s t e rc a m 5 d e m o n s t r a t et h ep r a c t i c a l i t yo ft h ef o r ms y s t e mf o rt h el i m i tc a mo ft h eg o v e r n o r w i t ha p r a t i c a le x a m p l e s i m i l a r l y , i tc a nb ep o p u l a r i z e dt oo t h e rm e c h a n i c a lg o v e r n o r sa n dg i v ec o n t r i b u t i o n t ot h em a t c h i n go f p u m p sa n de n g i n e s k e y w o r d ：f u e li n j e c t i o np u m p ，g o v e r n o rm o d e lr 8 0 1 ，l i m i tc a m ，m e c h a n i s ms i m u l a t i o n ， c a d c a m 第一章绪论 上海交通大学t 程硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 柴油机是内燃机的一种，它是以柴油为燃料，通过燃烧把热能转变为机械能 的一种动力机械。柴油机与汽油机相比，由于压缩比较高、采用稀混合气燃烧、 无进气节流损失等原因，因而热效率较高、油耗较低，同时二氧化碳排放量也较 低，再加上耐久性较好和燃料的储存、运输方便，柴油机在商用车尤其是大吨位 载货汽车和长途客车上得到广泛应用。i t 1 喷油泵是柴油机燃油系统中最重要的组成部分，它的作用是把燃油由低压变 成高压，然后按各缸发火次序定时、定量、均匀地通过喷油器，把雾状的燃油喷 入燃烧室内燃烧作功。如果供油时间不恰当，柴油机的经济性和动力性及其它排 放指标会受到影响。若供油量过多或过少，将影响柴油机的功率输出或经济性。 而各缸供油量的不均匀度超差，既影响柴油机工作的稳定性，亦影响其它性能。 可见只有在喷油泵正常的供油条件下，柴油机才能正常地工作，为此人们常把喷 油泵称作柴油机的心脏。1 3 j 合成式直列泵是目前国内应用最广泛的喷油泵，按其组成结构可分为：油泵、 调速器、附件( 提前器、输油泵等) 。为了使柴油机输出功率与外界负荷相适应， 随着负荷的变化，喷油泵供油亦相应进行调节。调速器的主要作用就是根据柴油 机负荷及转速的变化，对喷油泵的供油量进行自动调节，以保证柴油机能稳定运 行。除此以外，调速器还可以按照柴油机的特殊要求，加装各种附件，如起动加 浓、扭矩校正、增压补偿、大气压力补偿等装置，以满足不同要求。1 4 1 随着国家对汽车尾气排放法规的要求越来越严，高喷射压力的燃油系统在车 用柴油机上得到越来越普遍的运用。直列式高压喷油泵使用阻尼阀或等压阀已成 为一种趋势，通过它可以改善高喷射压力带来的在喷油规律方面的负面效应，但 同时使得喷油泵的供油速度特性不尽合理，高低速油量差太小，满足柴油机外特 性的要求比较困难。因此，运用通过限位凸轮来自由调节供油量的机械式调速器 被广泛应用。 5 1 6 1 1 7 1 为解决在喷油泵和柴油机的性能匹配阶段，限位凸轮型线的成型问题，作者 提出了一种限位凸轮成型系统，它可在机泵匹配的现场直接得到符合要求的限位 凸轮。本文从理论建模的角度对r 8 0 1 调速器进行了机构仿真，探讨了限位凸轮 型线的形成，介绍柴油机现场匹配中数据的采样，进行了限位凸轮的c a d c a m 一 体化研究，为提高机泵匹配的效率、精度提出种可行的方法。 在进行研究之前，我们有必要了解一些国内外主要喷油泵所配调速器的结构 及工作原理，从这里我们也可以看出机械式调速器的改进过程和发展方向。 1 2 国内外喷油泵调速器简介 第一章绪论 上海交通大学下程硕1 ：学位论文 1 2 1r s v 调速器 r s v 调速器是德国b o s c h 公司s 系列中的一种机械式全程调速器，可用于m 型泵、a 型泵、a d 型泵、p 型泵，能与汽车、拖拉机、发电、船用、工程机械等 主机配套，用途十分广泛。 1 一e 镇2 一埘瑶群碍3 拉轩4 一 j 程训节味订5 一锉e 弹锚16 1 1 字蚨 7 一直船抽8 一愈逑匏建抻赞o 训述弹簧i o 一盘絮1 1 一支 1 枰 1 2 一怠谜限像螺钉1 3 一直撑丰f 悄 4 一i 嘲建器后先1 5 一撵纵干捌1 6 一起动弹辘 1 7 一调遣嚣帕壳1 8 一靳样1 9 一精特连接扳2 0 弹靛挑耳2 1 弹储摇恃 2 2 一飞慷雕架2 3 一飞增箭 图1 - 1r s v 调速器 f i g 1 - 1 r s v t y p eg o v e r n o r r s v 调速器结构如图卜1 所示，r s v 调速器的结构特点：有一套紧凑的杠杆 系统，并具有独特的可变调速率装置，调速弹簧9 采用拉簧结构。飞锤座架部件 固定在凸轮轴上，飞锤销2 3 穿过飞锤l ，压配在飞锤座架2 2 中，飞锤与飞锤销 为动配合。当凸轮轴旋转时，在飞锤离心力的作用下，飞锤能以飞锤销中心为支 点向外飞张或在弹簧力的作用下向里合拢，并通过飞锤爪上的滚轮( 或滑块) 推 动调速套筒2 及丁字块6 沿轴向运动。丁字块一端压配在调速套简上，另一端与 支架1 0 下端相连，支架轴7 上装有拉杆3 ，拉杆下端通过滑块与停车拨叉相连， 上部通过齿杆连接板1 9 与齿杆1 8 连接。因此，飞锤张开可通过一套杠杆机构使 第章绪论 l 海交通大学t 程硕士学位论文 齿杆向减油方向移动。拉杆顶端挂有起动弹簧1 6 ，始终把齿杆拉向加油方向。 支撑杆1 l 与支架1 0 一起悬挂在支撑杆销1 3 上，调速弹簧一端挂在支撑杆上， 另一端挂在弹簧摇臂部件2 l 上，弹簧拉力使支撑杆压丁字块，通过丁字块、调 速套筒使滚轮压飞锤合拢。在丁字块运动的同时，通过支架、拉杆等部件使齿杆 向增油方向移动。操纵手柄1 5 转动时可改变弹簧摇臂倾角( 与水平线的夹角) 和调速弹簧作用在支撑杆上的力的大小，使柴油机在各种转速及负荷下都受调速 器的控制。这种调速器的操纵力比较大，操纵手柄直接克服调速弹簧的弹力。 r s v 调速器的传动杠杆比约为2 ：1 ，即齿杆移动2 m m ，滑套位移为l m m 。 1 2 2r a d 调速器” r a d 调速器是日本z e x e l 公司在德国b o s c h 公司s 系列调速器的基础上开发 的一种机械式两极调速器。这种调速器保留了s 系列调速器的结构原理和飞锤等 主要零部件，改进了杠杆系统。把低速杠杆比减小到约为1 ：l ，而在高于标定 转速时，齿杆会产生附加位移，使杠杆l p , ) j 1 1 大。 两极调速器与全程调速器的主要差别：全程调速器的特点是柴油机从怠速到 最高空转范围内调速器都起控制作用，而两极调速器则只对怠速及高速起控制作 用。在高于怠速、低于标定转速的宽阔范围内，调速器不起控制作用。 l 一 1 5 1 1 z - 曩t 謇膏1 - - 丁字块一行曩期节订5 - 1 1 , 1 1 t l t l l 一攘鼻 7 一囊攮8 - - 藿9 - - 熏纂j o - l u l l l l l t 1 1 一调遣盯1 2 一立蜱扦 1 3 一精轷1 4 一弹簧甘1 5 一调璃弹簧t s - 拉i 咩- 1 7 一凸糖 1 8 一门羹飘手情1 9 一曲树心2 0 一措辘2 l t x 图卜2r a d 调速器 f i g1 - 2p a dt y p eg o v e r n o r 第一章绪论上海交通大学工程硕士学位论文 r a d 调速器结构如图1 2 所示，r a d 飞锤部件与r s v 相似，装在凸轮轴 1 7 上，凸轮轴旋转时，在飞锤l 离心力和弹簧力的作用下，调速套筒2 、丁字块 3 产生轴向位移，丁字块的移动使支架9 绕上支点( 即支撑杆销为支点) 转动。 支架中部是空心轴套8 ，联接轴7 滑配在轴套内，两端分别固定着上下拉杆。上 拉杆通过连接杆与齿杆1 3 相连，下拉杆的一端装滑块2 0 ，滑块可在拨叉2 1 的 下槽内滑动。当油门操纵手柄1 8 固定某一位置时，支架的转动将通过上下拉杆 等部件的运动使齿杆移动。压在支撑杆1 2 内的拨叉销6 装在拨叉2 1 上槽内， 拨叉除上下槽外中间还有一孔，曲柄偏心轴1 9 穿入孔内。当支撑杆移动时，拨 叉销将带动拨叉绕曲柄偏心轴旋转。支撑杆上部挂有调速弹簧5 ，下部装有怠速 及校正装置。调速弹簧的另一端挂在弹簧臂1 4 上，调速螺钉1 1 顶弹簧臂1 4 ， 调整其位置，可改变调速弹簧预紧力。怠速稳定装置1 0 装在调速器后壳上与齿 杆同一轴线，它有防止突然减速而引起熄火的作用。r a d 调速器由于操纵力小 而特别适用于车用柴油机。 1 2 3r q v 调速器1 r q v 调速器是德国b o s c h 公司一个著名的产品，可装在a 型泵和p 型泵上 浮勒杠杆 打柱 方夏 耳内撮 图卜3 r q v 调速器 f i g 1 3r q vt y p eg o v e r n o r - 4 - 第一章绪论 上海交通大学工程硕i 学位论文 具有性能优良、可靠性好、操纵力小等优点。 r q v 调速器结构如图1 3 所示，r q v 调速器的感应元件飞锤部件固定安装 在凸轮轴上，通过减振器( 驱动套部件) 驱动飞锤支架，带有角形杆的一对飞锤 装在飞锤支架上，飞锤中各装一组弹簧，经过角形杆使飞锤的径向运动变为轴向 运动，并通过弹性连接杆传到导向支承板，导向支承板在导向螺钉上水平移动； 浮动杠杆下端和导向支承板相连接，且浮动杠杆中有槽，滑柱在其中上下滑动， 滑柱部件用圆锥销固定在调速轴上，由调速手柄控制驱动，调速手柄操纵滑柱， 在浮动杠杆滑槽中上下移动，浮动杠杆总是以滑柱为中心转动。浮动杠杆的上端 和叉形连接板相连，叉形连接板通过齿杆连接板与调节齿杆相连，从而操纵齿杆， 以达到控制油量的目的。 通过滑柱在浮动杠杆中的上下滑动，可改变浮动杠杆的传动比。因此，即使 在离心力较小的范围内，齿杆也有足够的调整力，故而该调速器低速工作能力较 强，杠杆比在1 ：1 7 1 ：5 9 范围内变化。 装在飞锤中的弹簧通常由三件同心的压簧组成，用于怠速调速的外弹簧支承 在飞锤与弹簧外座之间，另外两根弹簧在内外座之间。开始飞锤只接触外弹簧， 克服一段较短的怠速行程之后，飞锤靠在弹簧内座上，这时所有的弹簧都参加调 节转速的作用。 1 2 4r 8 0 1 调速器 r 8 0 1 调速器是在综合了以上几种调速器的优点而发展起来的新一代机械式 调速器，主要用在能满足国家汽车尾气排放的法规的强化型高压喷油泵上。“” 它最大的特点是通过限位凸轮来控制供油量。它是本文研究的重点对象，它的结 构及工作原理将在后面的章节里介绍。 1 3 喷油泵限位凸轮成型系统的研究与开发课题的意义 由1 2 可见，在车用柴油机上，配直列式喷油泵的机械式调速器正朝着操纵 力小，高低速工作能力兼顾，可靠性好，燃油供给柔性化等方向发展。【l3 】而由于 喷油泵高喷射压力带来的供油速度特性不理想，高低速油量差太小，难以满足柴 油机外特性的要求，使得喷油泵与柴油机的性能匹配工作越来越困难。 1 4 1 在这种 背景下，作者提出了喷油泵限位凸轮成型系统的研究与开发。在解决机泵匹配工 作的效率、精度、智能化，减轻配试人员的工作负荷等方面，意义重大，具有较 高的实用价值。 本课题主要进行如下几方面的工作： 1 介绍r 8 0 1 调速器的结构和工作原理。对调速器飞锤用p r o e 进行三维实 体造型，建立飞锤升程模型，进行飞锤的运动仿真。提出一种方法，能连续计算 飞锤离心力在弹簧座上的力，并由此计算出与调速弹簧匹配时，飞锤在各转速下 的升程。 2 绘制r 8 0 1 调速器的机构运动简图，运用平面连杆机构的运动模拟基础理 第一章绪论卜海交通大学工程硕士学位论文 论，对r 8 0 l 调速器进行机构运动理论建模，并对调速器浮动臂运动轨迹进行仿 真计算，用来确定限位凸轮的型线。 3 设计数据采集系统，编制相应的采样程序，选择合适的转速传感器和位移 传感器，用以对柴油机转速及喷油泵齿杆行程的采样。 4 在限位凸轮c a d c a m 一体化研究方面，运用m a s t e rc a m 这种计算机辅 助设计及制造软件，对限位凸轮型线的数控加工做了一定的工作。 5 最终为了考核能否满足使用要求，进行了柴油机与喷油泵性能匹配的实 例，验证喷油泵限位凸轮成型系统的实用程度。 6 第一章平面连杆机构的运动模拟 上海交通大学_ t 程硕上学位论文 第二章平面连杆机构的运动模拟 高压油泵用机械式调速器属于空间机构，但它的杆件基本都属于空间平行机构， 因此可以简化为平面连杆机构。平面连杆机构的运动模拟是机械调速器机构运动建模 所采用的基础理论及研究方法。 2 1 连杆机构运动模拟系统的模块设计【1 6 】 机械式调速器属于精密机械，它们实现的动作既要具有很好的配合，又要具有很 高的精确性，这就必须了解它们的运动情况，所以运动分析是了解、剖析调速器、进 行调速器优化设计的基本手段。 把机构，尤其是复杂机构( 机器) ，看作为一个运动的小系统，把它分解：即自 顶而下划分成一个个具有单一功能的、相对独立的模块。当把这些模块有机地综合起 来就可构成一个复杂机构的运动分析系统。由机构的组成原理可知，机构可以分解成 固定构件、起始构件和杆组三部分。反之由杆组、起始构件和固定构件又可组成机构。 表4 - 1 杆及i i 级组 巩 焉 川 n 奠 n ，r 叶 八j 嘏 娶j 一 髟 ， 4 m t 囊一 置叠鼻 且叠p鼙 曩p 肿璺p p 启 秤t = 扦 t 扦膏 孵嚣蕞t曩蕾攮1取蠢击l 平一毫旧宵帕n l l y 0 g u 髓 0 0 c d 乱 d 鼢 表4 - 2i i i 级组 弋， 六。 礤 a 1 廷 产1 8 八。 ； 诤 t 一 从一从一雌“一h 一鲰l 蠛竹i 蠛一p氮r p i t 一羹p冀，一p 叠一r p 予廖 t m t r m啉附 第二章甲面连杆机构的运动模拟 上海交通大学工程硕上学位论文 现把机构系统分解成表2 1 和表2 2 中的杆、杆组型式( 这里只列出了i i 、i i l 级杆组) 。 把这些杆、杆组的运动，作为一个独立的运动模块，设计者只要输入已知的结构参数、 起始构件的运动参数，按需要把上述模块有机地拼接起来，即调用这些模块，最后可 获得所模拟机构上的任意点和任意杆的运动参数。图2 - 1 描述了平面连杆机构运动模 拟系统的模块结构图。图中，长线箭头表示调用模块程序，短线表示数据流向。下面 让我们了解一下进行调速器机构运动分析常用的模块程序。 2 2常用i i 级杆组运动分析的模块程序 由模块结构图2 - 1 可以看出，杆、曲柄、杆组是独立的、不可再分割的运动模 图2 - i 运动模拟系统模块结构图 f i g 2 1m o d u l ec o n f i g u r a t i o nf i g o f m o v e m e n ts i m u l a t i o n 块。分别对这些运动模块建立数学模型，并编成运动分析子程序，以备调用。这里， 运动分析子程序采用f o r t r a n 语言编写，然后构成一个子程序库。 当设计者需要对包含i i 级杆组的平面多杆机构进行运动分析时，不必另列数学 模型，只需分清杆组，选择调用子程序库中的有关模块程序，把它们组装起来即可。 ， 2 2 1 构件的运动模块 已知：构件的几何参数s 、r 、妒；n l 点 的位置、速度、加速度以及构件的角位移臼、 角速度口、角加速度，如图2 - 2 所示。求： n 3 点的位置、速度、加速度。 ( 1 ) 位移分析 n 。、点在动坐标系x ，y 中的值为 图2 - 2 构件的运动模块 f i g 2 2m o v e m e n t m o d u l e o f c o m p o n e n t 全垒 第二章平面连杆机构的运动模拟 上海交通大学工程硕 学位论文 5 r嘶2 0 ( 2 1 ) p 3 x 1 5 s c o s 妒p 3 ，1 2 s s i n 妒 n ，点在定坐标系x ，y 中的值 p 3 严p l x + p a x t c o s 目一p n t s i n 臼 ( 2 2 ) p 3 ，。p l y + p 3 x l s it 1 0 一p 3 y i c o s 0 ( 2 ) 速度分析 声h = p l ，一o s s i n ( o + 妒) p ”= p l ，一o s s i n ( o + 妒) ( 3 ) 加速度分析 声3 ，= 声l ，一s s i n ( o + 妒) 每一s c o s ( o + 妒) 百2 声3 y = p l y + s c o s ( 目+ 妒) 分一j s i n ( 口+ 伊) 舀2 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 这里，n i 为构件上的节点号；p 。；、p ：，分别为n i 点在x 、y 坐标系中的分量：p 。、 p 。分别为n i 点在x l 、y l 坐标系中的分量；妒。以砧为准，逆时针转为正，反之为负； 0 。以x 轴为准，逆时针转为正，反之为负，以后不再重复说明。 上述数学模型，编成构件运动分析子程序( m o t l 0 n ) s u b r o u t i n em o t i o n ( n 1 ，n 2 ，n 3 ，r ，s ，p h i ，t h e t a ，w ，a ，p i ，p ，v p ，a p ) 。 本程序内调用了( g e o m ) 方程4 1 ；调用了( d i s p ) 方程2 2 ；调用了 ( v e l ) 方程2 3 ；调用了( a c c ) 方程2 4 。所以调用程序( m o t i o n ) 即可 求得点在x 、y 坐标系中的位置、速度、加速度值。 2 2 2 曲柄的运动模块 曲柄运动模块是构件运动模块的特例，即只要把图2 2 中的n l 点固定( n 1 点的 位置赋值，而速度和加速度为零) ，其余均相同。 曲柄运动模块的程序为( c r a n k 2 ) 。 s u b r o u t i n ec r a n k 2 ( n 1 ，n 2 ，n 3 ，r ，s ，p h i ，t h e t a ，w ，a ，p ，v p ，a p ) 。 输入曲柄的结构参数r 、s 、p ；n l 点位置赋值；以及曲柄的转角占、角速度毋和 角加速度口。调用程序c r a n k 2 ，就可获得n 2 ，n 3 点的位置、速度、加速度值。 2 2 3 二杆链运动模块 已知：r i ，r 2 及外铰接点n l ，n 2 点的位置、速度、加速度值。 求：内铰接点n 3 的位置、速度、加速度及口- ，0 2 ；毋l ，舀2 ；j ，2 。 9 第一二章平面连杆机构的运动模拟j ：海交通大学工程硕十学位论文 ( 1 ) 位移分析 计算点m 与n 。之间的距离s s 2 = ( p 。一p l , ) 2 + ( p 。，一p 。，) 2 检查可动性，若 s ( r + r ：) ，或s r ：时， 规定m ：+ 1 时 规定m 一一1 时 驴l 孚i 有两种装配形式，如图2 4 所示。 ，为实线所示形式，取 炉i 塑字l 铲i 譬l 检查可动性：如果4 f e 2 ，则连杆滑块链不能动。 欲求的n 。点的坐标及0 l p h = p 2 ，十r 2c o s f l p ”= p 2 ，+ r 2s i n f l ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 0 1 = a r c t g ! ! ! ：! ! ：1 2 2 7 l p ，x 。p l x 以上数学模型可编成连杆滑块链位置分析子程序( p g u i d e ) ： s u b r o u t i n ep g u i d e ( m ，n 1 ，n 2 ，n 3 ，r 1 ，r 2 ，t h l ，b e t a ，p ) 其中m 表示连杆滑块链的装配形式，由设计者给定，当该运动链不能存在时， 计算机会给出不能装配的信息。 ( 2 ) 连杆滑块链的速度分析 计算扫i 和尺z 列出矢量方程，将该方程对时间求导得 p 3 = p ，+ ( p 3 - - p , ) = p 2 + ( p 。- - p 2 ) ( 2 2 8 ) 声3 = 声l + 0 l ( p 3 一p i ) = p 2 + 卢( p 3 一p 2 ) + r 2 式 ( 2 2 9 ) 其中只是r ：的单位矢量。把式( 2 2 9 ) 化成x ，y 分量的标量方程，可解得 吐= 画_ 而- e 面lsin万fl+石f1_cos丽fl ( 2 3 。) 1 ( p 3 ，一p l 。) s i n 卢+ ( p 3 ；一p l ，) c o s 声 、”7 笙三皇! 墅垄堑垫塑堕圣垫堡垫 ! 塑奎婆叁堂三堡堡主兰垡笙兰一 ：e 1 ( p 3 ，一p l ，) + 鼻( p 3 ，一p 1 y ) r2一(p3y-p,y)sinfl+-(p3-plx)cosfl ( 2 - 3 1 ) 式中， e l = ( p 2 。一声。，) 一r 2 f l s i n 卢 e = ( p 2 ，一p l ，) + r 2 p c o s p 计算n 。点速度 p 3 ，= p l ：一o l ( p ”一p i y ) p 3 y = p l y + 只( p 3 ，一p l ，) ( 2 _ 3 2 ) 以上数学模型可编成连杆滑块链的速度分析子程序( v g u d e ) s u b r o u t i n ev g u i d e ( m ，n 1 ，n 2 ，n 3 ，r 1 ，r 2 ，t h l ，b e t a ，p ，w l ，v b e t a ， v r 2 ，v p ) 其中已调用了连杆滑块链位移分析子程序( p g u i d e ) 。 ( 3 ) 连杆滑块链加速度分析 计算l 和盖2 将式( 2 2 9 ) 对时间求导，然后化成两个标量方程，可得 式中 百： 二垦墅生墨! ! ! 生 ( 2 3 3 ) 。 ( p 3 ，一p i ，) s i n f l + ( p h p h ) e o s p 莳：一墨亟二型墨坠二竺! 生 ( 2 3 4 ) 1 = 一- 2 ( p 3 。一p l y ) s i n 卢+ ( p 3 ，一p 1 ，) c o s f l e ：= ( i ；：，一i ；。，) + 卯( p ，一p l x ) 一夕2 ( r ：c o s p ) - 2 p r ：s i n f l 声( p 一p 2r ) 最= ( i 5 ：，一i s , y ) + 卯( p 如- p l ，) 一夕2 ( 月2s i n f l ) + 2 女r 2c o s p + 矽( p h p 2 x ) 计算n 。点加速度 p ，= p 。，一4 ( p ，- p 。，) - 02 ( p ，一p 。，) ( 2 3 5 ) | i ，= p 。，+ 存。( p ，- p ，) 一卯( p 卸一p 。，) 以上数学模型可编成连杆滑块链加速度分析子程序( a g u i d e ) s u b r o u t i n ea g u i d e ( m ，n 1 ，n 2 ，n 3 ，r l ，r 2 ，t h l ，b e t a ，p ，w 1 ，v b e t a ，v r 2 ， 1 4 第一章甲面连杆机构的运动模拟 j ：海交通人学工程硕i ：学位论文 v p ，a 1 ，a b e t a ，a r 2 ，a p ) 。 其中已调用了速度分析子程序( v g u i d e ) 。 22 5 导杆滑块链运动模块 已知：n l ，n 2 点的位置、速度、加速度以及导杆长r 3 、导路的偏距e 。如图2 5 所示。 求：n 3 点的位置、速度、加速度；口、舀、痧；r2 、矗2 、矗2 。 ( 1 ) 导杆滑块链的位移分析 检查可动性 图2 - 5 导杆滑块链运动模块 f i g 2 - 5l e a d e r - g u i d ec h a i n m o v e m e n tm o d u l e 因为，d 2 = e 2 + r ；= ( p 2 ，一p l x ) 2 + ( p 2 ，一p l y ) 2 ( 2 3 6 ) 如果d 2 一口2 0 ，则不能动。 计算r ： r ：= 肛i 瓦汀瓦i 一 2 3 7 判别装配模式 计算向量d 的位置角伊及导路与d 之间的夹角d 口= 洲留( 刳 3 8 ) 导杆滑块链有两种可能的安装形式 规定m = + l 时，为实线所示形式，0 ：妒+ 口 ( 2 3 9 ) m = 一1 时，为虚线所示形式，0 = 妒一口 ( 2 4 0 ) 为了较方便地给予判别，当d 逆时针转过口角后与r 3 平行时，取m = + 1 ；反之， 则取m 一1 。 计算n 。点的坐标值： p 3 = p l x + r 3 c o s o + e s i n o( 2 4 1 ) 蒜 第一二章甲面连杆机构的运动模拟 上海交通大学工程硕卜学位论义 p = p 1 y + r 3 s i n 0 一e c o s o 以上数学模型可编成导杆滑块链位移分析子程序( p o s c ) ： s u b r o u t i n ep o s c ( m ，n 1 ，n 2 ，n 3 ，e ，r 2 ，r 3 ，t h e t a ，p ) ( 2 ) 导杆滑块链的速度分析 计算矽和应2 列出矢量方程，将该方程对时间求导得 p 2 = p ，+ ( p ：- - p 、) 声2 = p l + 0 x ( p 2 一p 1 ) + r 2 丘 将式( 2 4 3 ) 化成两个标量方程，可解得分和五2 ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) 耻堕等焘p ) c 装o s o 等p 掣p l y ) s i n o 汜。s ， ( p 2 ，一1 ，+ ( 2 。一 计算n 。点的速度值 p 3 。= 多3 。一o ( r 3s i n 0 一e c o s 0 ) 声3 y = p u + 9 ( r 3 c o s o + e s i n o ) ( 2 4 6 ) 以上数学模型可编成导杆滑块链的速度分析子程序( v o s c ) s u b r o u t i n ev o s c ( m ，n 1 ，n 2 ，n 3 ，e ，r 2 ，r 3 ，t h e t a ，p ，w 2