（机械设计及理论专业论文）可调双输出函数发生机构及其自调结构设计研究.pdf

中文摘要 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6 0 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。其最关键组成部分一脉冲发生机 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，迸一步开拓连秆机构 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： 构建了脉动无级变速器的新型主传动机构( 脉冲发生机构卜一全铰链同轴 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s t e p h e n s o n 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。 根据s t e p h e n s o n 型同轴式六杆机构双输出函数发生器的结构与应用的特 重庆大学博士学位论文 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a d a m s 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( 1 i p 变连杆长四杆 机构1 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。 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。 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。 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s f e p h e n s o n 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”迸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。 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 n 中文摘要 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。 关键词：双输出，脉冲发生机构，机构，自调结构，带辅助环的楔铁式超越离合 器，过约束 n i 英文摘要 a b s t r a c t i n n o v a t i v ed e s i g ni st h eb a s i cw a yo fi m p r o v i n gt h ec a p a b i l i t yo fp r o d u c t s s e l f - e x p l o i t a t i o n d u r i n gt h ep r o c e s so fm e c h a n i c a lp r o d u c t i o nd e s i g n i n g , i n n o v a t i o ni n t r a n s m i s s i o na n de x e c u t i o ns y s t e mi sc o r eo fm e c h a n i c a lm o t i o ns y s t e m d e s i g n t h e r e f o r e ，m e c h a n i s mi n n o v a t i v ed e s i g ni st h ee t e r n a ls u b j e c to fm e c h a n i s mr e s e a r c h a c t u a l l y , t h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp u t sf o r w a r dam o r ea d v a n c e d d e m a n do nt h es t r u c t u r a l ，k i n e m a t i c sa n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h em e c h a n i e a l p r o d u c t s w h i c hu r g e sp e o p l ed om o r et h o r o u g ha n ds y s t e m a t i c a lr e s e a r c hi no r d e rt o r e c o g n i z ea n dd i s c o v e ri t sp o t e n t i a lf o rt h ei n n o v a t i v ed e s i g na n da p p l i c a t i o n t h e p l a n a rl i n k a g em e c h a n i s mi so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dm e c h a n i s m s ，w h i c hi sn o t o n l yt h em o s ts i m p l eb u tt h em o s tc o m p l i c a t e d ，a n dt h e r ea r em u c ht h e o r i e sa n d m e t h o d st oa n a l y s ea n dd e s i g nt h i sk i n do f m e c h a n i s m p l a n a rl i n k a g em e c h a n i s mi st h e k i n do f t r a d i t i o n a lm e c h a n i s mt h a tp e o p l eh a v ed o n ed e e pr e s e a r c ho ni ta n dm a t u r ei n i t sa p p l i c a t i o n p r a c t i c a l l y , d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n dm a n u f a c t u r em a k e si tb e a d e q u a t e l yr e c o g n i z e dw i t hi t ss h o r t a g eo v e r c o m ea n db e n e f i tu t i l i z e d ，s oi tc a l lm e e t t h eh i g h e rr e q u i r e m e n t t h u s ，t h ef u r t h e rc o g n i t i o n , r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nt ot h e l i n k a g e m e c h a n i s ms t i l lh a sab r i g h tf u t u r ea n di ti sa l s oa ni m p o r t a n tr e s e a r c ha s p e c t t h em e c h a n i c a lc o n t i n o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ，w i t hi t su n i q u ea d v a n t a g e , f r o m l a s t19 6 0 s 。h a sa l w a y sb e e np a i dc l o s ea t t e n t i o na n dw a sc o n s i d e r e d 鹤ap o t e n t i a l v a r i a b l et r a n s m i s s i o nw i t hg r e a tf u t u r e t h em o s ti m p o r t a n tm e t h o do ft h ei n n o v a t i v e a p p l i c a t i o nt ot h es t r u c t u r ea n dk i n e m a t i c a lp r o p e r t yo f t h el i n k a g em e c h a n i s mi st h e t r a n s m i s s i o nf o r mi m p u l s em e c h a n i s mt ol i n k a g em e c h a n i s m n o to n l yf u l l yu t i l i z e dt h e a d v a n t a g eo ft h el i n k a g em e c h a n i s m ，b u tu n c o v e r e dt h ed i s a d v a n t a g eo ft h el i n k a g e m e c h a n i s ma tt h es a l n et i m ea l o n g 谢t ht h eh i g i l e rr e q u e s to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h e v a r i a b l et r a n s m i s s i o n t h em a i nd e s i g nr e q u i r e m e n t ：( 1 ) h i g l lt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y ( 2 ) a d j u s t a b l e i n f i n i t er o t a t i o n a a s p e e do u t l m t , o u t s t a n d i n gs p e e dr e g u l a t i o n p e r f o r m a n c ea n dm i n i m u mo u t p u tf u n c t i o n a l c h a r a c t e r i s t i cv a r i a t i o n ( 3 ) e x c e l l e n t d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n ds t a b i l i t y ；( 4 ) m u l t i p l eo u t p u tb u ts i m p l es t r u c t u r e r t r a n s c e n d st h el i m i to fn o r m a ll i n k a g em e c h a n i s ma n dn e e d sf l l l l h e re x p l o r a t i o n 、 r e s e a r c ha n de x p l o i t a t i o n0 1 1an b * q w a y t h i sp a p e ri se x a c t l yb a s e do nt h e s en e e d sa n da i m e da tt h es p e c i f i cr e q u i r e m e n to f h i g h - l m f o r m a n c ea n dh i 曲- p o w e rv a r i a b l ep u l s et r a n s m i s s i o na n dp u l s eg e n e r a t o r v 重庆大学博士学位论文 p l a n a rl i n k a g em e c h a n i s mw a st h o r o u g h l ys t u d i e da n dd o u b l eo u t - p u tf u n c t i o n g e n e r a t o rw a se x p l o i t e df u r t h e rt oa p p l i e df i e l do ft h el i n k a g em e c h a n i s m a l s o ，t h i s t h e s i ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e di t s s y n t h e s i z i n gt h e o r ya n dm e t h o do ft h es t r u c t u r e , k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s t h em a i nt a s k ： an o v e lm a i nt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m ( i m p u l s eg e n e r a t i o nm e c h a n i s m ) o f c o n t i n o n s l yv a r i a b l e t r a n s m i s s i o nw a sc o n s t r u c t e d - - t h ef u l lh i n g ec o a x i a lo u t - p u t b i n a r yl i n kf u n c t i o ng e n e r a t o r t h e nt h ep o s s i b l es c h e m e so fs i x - b a rm e c h a n i s m w o r k i n ga si m p u l s eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mw a sd i s c u s s e db a s e d o nt h es t r u c t u r a l s y n t h e s i z i n gt h e o r ya c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cw o r k i n gr e q u i r e m e n tt ot h ec o n t i n o u s l y v a i l a b l et r a n s m i s s i o n a n dab a s i cm a c r o s c o p i c a l l yj u d g m e n tm e t h o df o rt h e c h a r a c t e r i s t i co f t h el i n k a g em e c h a n i s mw a sp r o p o s e d f u r t h e r m o r e ，af u l lh i n g ec o a x i a l s i x - b a rf u n c t i o ng e n e r a t i o nm e c h a n i s m ( m o d e ls t e p h e n s o n ) a st h en e wi m p u l s e g e n e r a t i o nm e c h a n i s mw a ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h eo b j e c t i v eo fh i 曲e f f i c i e n c y , e x t r e m e l ys t a b l i t ya n ds i m p l es t r u c t u r e t h em o s ti m p o r t a n t , t h en o v e lm e c h a n i s mc a n c o m p l e t e l yr e m e d et h o s es h o r t a g e s ，w h i c hm a k e st h ec u r r e n tp u l s ei n f i m t et r a n s m i t t i n g r e q u i r eac o m p l e x s l l a l c t u r eo f m a n y p a r a l l e l f o rt h ec o n v e n i e n c ei na n a l y s i sa n dd e s i g n i n g ，t h ec o n c e p to fr e g a r d i n gt h e f i v e - b a rc i r c u i to f t h em e c h a n i s ma st h ee q u i v a l e n tf o u r - b a rm e c h a n i s mo f v a r i a b l el e n t h i nc o u p l e rw a sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a la n dc h a r a c t e r i s t i co fc o a x i a lo u t - p u t b i n a r yl i n kf u n c t i o ng e n e r a t o r ( m o d e ls t c p h c n s o n ) t h e r e f o r e ，t h es i x - b a rd o u b l e o u t - p u tf u n c t i o ng e n e r a t i o nm e c h a n i s mc a nb ea n a l y z e da n ds t u d i e da st w os e t so f f o u r - b a rm e c h a n i s mw h i c hh a v et h es a i n ec r a n kr b a s i ca n d e q u i v a l e n tf o u r - b a r m e c h a n i s m ) t h a nt h ep a r a m e t r i cm o d e lo ft h ec o a x i a ld o u b l eo u t - p u tf u n c t i o n g e n e r a t o rw a sc o n s t r u c t e db yu s i n gt h ea d m a s s i m u l a t i o ns o f t w a r e t h es p e c i f i cs t r u c t u r eo ft h ed o u b l eo u t - p u tf u n c t i o ng e n e r a t o rw a sd i s c u s s e di n d e t a i l ，w h i c hm o t i o nc h a r a c t e r , f o r c et r a n s m i t t i n gc h a r a c t e ra n dl a w sa r ee q u a lt ot h o s e o fs i x b a rm e c h a n i s m st w oo u t - p u tr o c k e r sw i t ht h ep o s i t i v ea n dr e v e r s ei n s t a l l a t i o n m o d e so fc r a n kr o c k e rm e c h a n i s m f u r t h e r m o r e ，t h eb a s i cm o t i o nc h a r a c t e r , l a w sa n d m a i ni n f l u e n c ef a c t o ro ft h ef i v e - 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a d j u s t i n gd e s i g nm e t h o dw a sp r o p o s c d f u r t h e r m o r e , t h em e t h o d s a n dp r i n e i p l e so f m u l t i p l y - t o o ps y s t e mw e r es u m m a r i z e dt h o r o u g h l ya n d s y s t e m a t i c a l l y , e s p e c i a l l yi n c l u d i n gt h ed e s i g no fs e l f 删u s t i n gs t r u c t u r e 晰t hn o n - b i n a r yl i n k 勰i t s m i d d ec o m p o n e n t ( 1 i n k ) a n dm t i o n a b l ed i s p l a c e m e n to f w o r k i n gp a i r 慷n o v e lo v e m m n i n gc l u t c hw i t hw e d g el e v e l e da s s i s t a n t - r i n gw a sd e v e l o p e d w h i c hc o m p o n e n t sa r eu s u a l l yd i s c o i d , e a s yt 0r e m a i nb a l a n c ea n dr e l a t i v e l ys e n s i t i v e w i t hs m a l ld y n a m i cl o a da n df a c ec o n t a c t t h e r e f o r e , i th a sas t r o n g e rc a r r y i n g c a p a b i l i t ya n dl i f e s p a n b a s e do nt h ea n a l y s i s o ft h em e c h a n i s m sp r i n c i p l e s ，t h e c o n d i t i o na b o u tw e d g e - i na n dw e d g e - o u tw a sd i s c u s s e dt h o r o u g h l y , a n dt h es t r u c t u r e d e s i g nw a sc a r r i e do u ti nd e t a i l t h e nt h em a c h i n ew a sm a n u f a c t u r e da n dt e s t e dw i t h g o o dp r o p e r t i e s 里壅奎堂竖主兰垡堡壅 t h i sr e s e a r c ha c h i e v e m e n tn o to n l yp r o v i d e da r ti n n o v a t i v ew a yo fe x p l o i t i n gt h e p u l s ev a r i a b l et r a n s m i s s i o n ，a r i dp o i n t e do u tan e wd i r e c t i o nf o rt h en e wr e q u i r e m e n t s t ot h ep l a n a rl i n k a g em e c h a n i s mw h i c hm a d ei tt or e a c hi t sl i m i t i ti so fg r e a t a c a d e m i cs i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a b l ev a l u e k e yw o r d s ：d o u b l eo u t p u t ，i m p u l s eg e n e r a t o r , e q u i v l a n tm e c h a n i s m ，s e l f - a d j u s t i n g 8 1 f t l c t u r e , o v e r r u n n i n gc l u t c hw i n lw e d g el e v e l e da s s i s t a n t - r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：载彦 签字日期：。撕7 r v - 3 月，笋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位沦文作者签名：舡力 签字e l 期：汨7 m 弓月，日 翩签名：氆舭 签字日期：年月日 1 引言 1 1 课题来源 本论文所研究的内容得到以下基金项目资助： 国家自然科学基金项目：基于平面约束不确定的机械自调结构设计研究与 实践( 项目编号：5 0 0 7 5 0 8 7 ) 重庆市科委自然科学基金项目：可调的双输出函数发生机构及其自调 结构设计的研究 1 2 机构学的发展现状与动向 高等机构学是研究和探讨机构设计理论与设计方法的专门科学，富有创造性和 设计性，因而是机械设计及理论学科中的重要基础【i 】。机械设计及理论是研究机械 科学中具有共性的基础理论和设计方法的学科。高等机构学与机械设计及理论的 形成与发展密切相关。 1 2 1 机构学的发展阶段 机构学的发展，基本上经历了三个飞跃阶段【l j 。 第一阶段：1 7 世纪的欧洲文艺复兴和1 8 世纪初期的工业革命，导致了机械工 业的空前发展。这时迫切需要用有关机器的理论来指导生产的发展，在这种形势 下，德国人勒洛( r e u l e a u x ) 于1 8 7 5 年出版了机械运动学，奠定了机构学的基础。 限于当时的条件，分析和设计的方法采用了作图的方法。在同期，俄国人契比切 夫( c h e b y c h e v ) 应用代数法解决了机构的近似设计问题，机构学逐渐形成了一门独立 的技术基础学科。为指导机械产品的设计提供了理论与方法，促进了机械工业的 发展。 第二阶段：第二次世界大战结束后，工业生产的恢复和电子计算机的研制成功， 发展和完善了机构学中的分析方法和综合方法，在机构结构理论、空间机构的分 析与综合，凸轮机构动力学及弹性机构动力学等许多领域的研究都有了飞跃的发 展，机构的结构与分析理论、平面连杆机构的设计方法、凸轮机构的设计与分析 方法、齿轮枧构的啮合理论、闯歇运动机构的设计与分析方法、机械平衡、机械 的动力学响应等传统机构学内容基本成熟。 第三阶段：2 0 世纪中后期以后，随着计算机技术，自动控制技术和传感技术 的发展，促进了工业自动化和机器人技术的快速发展与普及。日新月异的高科技 的发展又促使机构学内容的飞速发展。空间闭链机构、空间开链机构的理论研究 基本成熟，考虑到动力学因素的机构综合取得了长足的进步 6 2 】。传统机构学与仿 重庆大学博士学位论文 生学、生物力学、电磁学与控制理论相结合，形成相互交叉渗透的边缘学科，机 构学的内涵不断扩大，同时也给机构学注入了新的内容。微小机械、微型机械、 生物机械、机械与电子学相结合，对高等机构学的传统理论提出了严峻的挑战。 这时，也迫切需要相关的机构设计理论来指导这类产品的设计。当前，机构学的 发展正处于第三阶段的发展过程中。 进入2 l 世纪以来，高等机构学的课程体系也在不断发生变化，以适应科学技 术的不断发展。传统的图解方法及相关几何理论正在被新的解析方法代替，仿生 机构、广义机构、高副机构、机构创新的基本理论不断充实到机构学中。 1 9 6 9 年，国际机器与机构理论联合会成立( 刀l pi n t e r n a t i o n a lf e d e r a 缸o nf o r t h e o r yo f m a c h i n ea n dm e c h a n i s m s ，简称：i f t o m m ) 每四年举行一次国际会议，定 期出版刊物 m e c h a n i s ma n d m a c h i n et h e o r y 。我国的机械传动会于1 9 8 3 年正式参 加了腰2 栅国际学术组织后，扩大了与世界各国在机构学领域的交流，加速了 与国际同类学科的课程内容的接轨，同时也保留了自己的特色。 1 2 2 机构学的发展现状 机构学的许多理论与方法，如机构结构理论、低副机构综合理论、高副机构 理论等机构学的经典内容均己日趋成熟。机构学的发展促进了相关领域的科学技 术的发展，科学技术的飞速发展也促进了机构学的发展。 机构数学的研究 机构学的发展与数学的发展有着紧密的联系，可以毫不夸张的说，是数学方 法的进步推动了机构学的深入发展，使机构的分析与综合方法逐渐由几何图解法 向解析法转换。现代数学方法，已广泛应用于机构系统的研究。如利用图论研究 机构的数综合，利用矢量法研究机构的分析与综合，利用矩阵变换进行求解，利 用数值积分数值微分进行机械系统动力学的真实运动规律及动态响应等。模糊理 论、混沌理论的方法与手段等大量数学手段进入机构学，推动了机构数学计算