机构性能（共6篇）
机构性能 篇1
摘要：无线遥控式自动升降储物柜是湖南省第五届大学生机械设计创新大赛的作品, 主要有两大功能, 一是自动升降功能, 二是自动开关门功能。自动开关门功能是采用反平行四边形机构实现的, 针对这一机构的运动特性及力学性能进行了分析并得出最佳的运动方案。
关键词：反平行四边形机构,运动特性,力学性能
1 引言
反平行四边形机构是一种典型的四杆机构, 在公共汽车的开门机构中应用广泛, 在湖南省第五届大学生机械设计创新大赛中, 也应用其特性来实现自动升降储物柜门的开闭功能。
2 反平行四边形机构的运动特性
根据反平行四边形的特征, 可知道AB=CD, 如图1所示。
2.1 平面自由度的确定
根据平面自由度的计算公式[1]:
图中, n=3, PL=4, PH=0。
由式 (1) 可得:F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0=1 (2)
那么, 机构的自由度为1, 便可知道机构具有确定的相对运动。
2.2 反平行四边形机构的特性
(1) 机构各杆长满足的条件根据曲柄存在的条件[1]: (a) 最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和; (b) 曲柄为最短杆或其相邻杆。
那么, 图1中BD的长度应该大于或等于AC的长度。
(2) 反平行四边形的急回特性[1]
当连杆BD的长度与AC的长度相差不大时, 机构的极位夹角很小, 所以可以近似地认为机构无急回特性。具体可由画图法进行证明, 如图2所示。
(3) 死点位置[1]
由于反平行四边形机构有双曲柄的作用, 当一侧的曲柄和连杆共线时, 另一侧的曲柄和连杆不共线, 这样就不可能两曲柄与连杆同时共线, 就很好地克服了机构的死点[2], 所以机构也常用于解决死点问题。
3 性能分析
3.1 数学模型的建立
根据自动升降储物柜门的结构, 可建立以下的模型, 具体实物示意图如图3所示。
根据反平行四边形安装示意图及其速度关系可建立其数学模型, 输入量为牵引电磁铁发生的位移s (t) 、夹角θ (t) ;输出量为φ (t) , 则式中, R-曲柄长度, 根据设计要求R=30mm;φ (t) -输出转角, 初始值为0, 应满足设计的要求, 具体可参照图3、图4;γ (t) -连杆与曲柄速度方向夹角, 由于它是变量, 可以通过实验得出其与时间t的关系, 初始值为25°;s (t) -输入的位移, 这是由牵引电磁铁而引起的位移, 根据牵引电磁铁的性能而定, 具体的关系可如图4所示, 初始值为0。具体可参看图3、图4所示的安装示意图;θ (t) -连杆与动滑轮的牵引线之间的夹角, 初始值为10°。
θ (t) 的初值根据各部件的安装及E点位置的不同而变化, 由于E点的运动轨迹近似的可看成直线, 所以可认为E点的速度方向在连杆上, 则式 (3) 右边实际上是省略了E点速度方向与连杆之间的夹角余弦值。具体如图5。
根据图6可知道曲柄的转角与门的开度相同, 若曲柄的输出转角为φ (t) , 那么门的开度, 即两门之间的夹角为2φ (t) , 便可实现设计要求。
3.2 频率响应函数的求解
将式 (3) 进行拉普拉斯变换[3]可得:
通过计算便可得出其频率响应函数, 于是就可得出系统的稳定性、响应特性及其他特性。
4 结语
通过对反平行四边形机构的分析, 基本了解了其运动的特性及相关简单应用, 但是有些问题需进一步进行研究。在这个学习及研究过程, 可发现反平行四边形的现实意义, 可根据各杆的长度进行不同的设计, 由于其避免了死点等问题, 具有广泛的应用前景。
参考文献
[1]朱理.机械原理 (第二版) [M].北京:高等教育出版社, 2010.
[2]郁增才.反平行四边形机构瞬心轨迹的探讨[J].机械设计与制造, 1992 (3) :32-33.
[3]黄长艺, 等.机械工程测量与实验技术[M].北京:机械工业出版社, 2000.
[4]濮良贵, 纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社, 2006.
机构性能 篇2
在过去的20年里, 并联机构的研究受到了越来越广的关注[1,2]。近年来, 许多学者对少自由度并联机构中的三自由度机构开展了大量的研究[3,4,5]。对于少自由度并联机构而言, 微小的制造误差都可能使机构产生冗余自运动[6]。在少自由度并联机构的性能研究方面, 学者们定义了不同的性能指标[7]。在众多的性能指标中, 对驱动杆冲程讨论的较少, Liu等[8]对一种五自由度的混联机器人进行了大工作空间与驱动杆冲程比的运动学设计, 通过分解转动和移动得到了相对较大的工作空间与驱动杆冲程比。在运动副布置对机构性能影响的研究中, 李贯成[9]对4种3-RRR平面机构和4种3-CRR空间机构进行了比较研究, 发现运动副的配置对并联机器人的工作空间有不容忽略的影响。
文献[10]提出了一种新型的具有被动约束分支的三自由度非对称并联机构, 该机构具有相对较大的工作空间, 其中间约束分支有助于消除上平台的冗余自运动。对文献[10]中的样机进行的试验研究发现, 动平台的输出速度、驱动杆受到的力 (包括驱动力和内力) 以及驱动杆冲程对机构性能的影响是比较大的。本文在简要回顾运动副布置对这种新型机构工作空间的影响以后, 进一步分析了运动副布置对于机构的其他性能, 如速度、力以及驱动杆冲程的影响。
1 机构描述及结构综合
所研究的新型机构为2SPS+1SPR+SP机构, 该机构由3个驱动分支和1个中间约束分支组成。3个驱动分支包括2个SPS分支和1个SPR分支, SPR分支中R副的轴线始终与动平台m重合, 方向任意;机构的中间约束分支为SP分支, 始终与动平台m垂直。图1中, 各个符号表示的含义如下:m表示动平台;B表示定平台;oxyz为固连于动平台上的坐标系;OXYZ为固连于定平台上的坐标系;Rm为SPR分支中R副的轴线在动平台上坐标系中的单位矢量;θ为Rm与x轴所成的角, 0°≤θ≤180°。RB为SPR分支中R副的轴线在定平台上坐标系中的矢量;ro为由定平台的原点O到动平台的原点o的矢量, ro为矢量ro的长度。利用修正的Kutzbach-Grübler公式[11]计算机构的自由度, 可得机构的自由度为3。当θ在0°～180°范围内连续变化时, SPR分支中R副的姿态也连续变化, 因此可得到无数组特性不同的机构。
2R副姿态变化时机构可达工作空间的比较
由图1可知, θ的大小反映了R副的姿态。文献[10]给出了可达工作空间的描述方法, 并在定平台边长L=100cm, 动平台边长l=50cm, 驱动杆长极小值rmin=90cm, 驱动杆长极大值rmax=140cm的情况下, 讨论了θ为0°、30°、45°、60°、90°时工作空间参数的变化规律, 所得结果表明, 当θ由0°～90°逐渐增大时, 相应机构位置空间的表面积和体积单调增加, θ=90°时达到最大, 分别为30 034cm2和232 096cm3;边界姿态角的平均值虽然不是单调变化的, 但在θ=90°时边界姿态角达到最大值, 为61.7°。由于机构的对称性, 当θ在90°～180°范围内变化时, 相应机构的位姿与180°-θ时相同。因此可得出以下结论:对于所研究的2SPS+1SPR+SP机构, 当θ=90°即转动副的轴线与y轴平行时机构的工作空间最优。
3 给定的工作区域内R副姿态的变化对机构性能的影响
3.1给定工作区域的描述
定义实际工作区域W为一个30cm×30cm×30cm的立方体, 位于机构的可达工作空间内。对于实际工作区域做如下描述:-15cm≤Xo, Yo≤15cm, 90cm≤Zo≤120cm, 如图2所示。W的下表面与定平台平行, OW为W下表面的中心点, HW为OW和定平台之间的距离, HW=90cm。
3.2R副姿态变化时动平台输出速度的变化规律
根据机构的特点, 动定平台顶点坐标在相应的坐标系中可以表示为[10]
式中, B1、B2、B3分别为定平台顶点在定平台坐标系中的坐标;b1, m、b2, m、b3, m分别为动平台顶点在动平台坐标系中的坐标;b1, B、b2, B、b3, B分别为动平台顶点在定平台坐标系中的坐标;R和r分别表示定平台和动平台三角形外接圆半径; (xl, yl, zl) 、 (xm, ym, zm) 、 (xn, yn, zn) 分别表示x轴、y轴和z轴的方向余弦; (Xo, Yo, Zo) 为动平台中心点o在定平台中的坐标; (α, β, γ) 表示动平台转动的YXZ欧拉角, 即动平台首先绕Y轴转α, 然后绕所得坐标系的x1轴转β, 最后绕z轴转γ。
在工作空间内的每一点, (Xo, Yo, Zo) 在定坐标系中的位置已知, 由机构的运动学分析[10]可知, 机构的独立输出变量 (ro, α , β) 与 (Xo, Yo, Zo) 之间存在如下关系:
驱动杆长可由下式求得:
将式 (2) 代入式 (3) , 可得θ角确定的某一机构在给定工作空间内任何一点的驱动杆长。
由机构速度分析过程[10]可知
式中, 下标e表示独立输出;r表示输入;v表示速度;w表示角速度。
由式 (4) 得
式中, v为动平台的原点o的线速度, v=[vxvyvz]T;WTHX]ω为动平台转动的角速度, ω=[ωxωyωz]T。
将式 (1) 、式 (2) 和式 (3) 代入式 (6) 可得各个转换矩阵关于 (Xo, Yo, Zo) 的表达式, 当vr已知, 即可由式 (5) 求得动平台原点o的线速度v和动平台转动的角速度ω。
为比较驱动杆输入速度相同时, θ的变化对动平台广义输出速度大小的影响, 将v和ω的几何平均值
3.3R副姿态变化时, 相同广义外力作用下机构驱动力及内力的变化规律
由机构的静力学分析过程[10]可知
式中, Fai为第i根杆上的驱动力;Fp2为作用在b2B2杆上的内力;Fpcj (j=1, 2) 为作用在中间约束杆上的内力; (Fx, Fy, Fz) 、 (Tx, Ty, Tz) 分别为作用在动平台中心点o的外力分量和外力矩分量;G为各杆上的广义力与动平台参考点的广义外力之间的转换矩阵[10]。
用f2、fc1、fc2分别表示沿驱动力和内力作用方向的单位矢量;d2、dc1、dc2分别表示动平台中心点o到Fp2、Fpc1和Fpc2作用点的矢量。由内力作功为零的性质可得出如下判断:f2作用于B2点, 与R平行;fc1、fc2均作用于O点, 平行于动平台且相互垂直, 可令fc1平行于x轴, fc2平行于y轴, 则有
将式 (1) 、式 (2) 代入式 (8) 可得各个相关矢量关于 (Xo, Yo, Zo) 的表达式, 当已知动平台参考点的广义外力各个元素的值, 即可由式 (7) 求得各个杆上的驱动力和内力。选择驱动力Fa和约束力Fp的几何平均值
3.4R副姿态变化时, 机构驱动杆冲程的变化规律
在图2所示的给定工作区域内, 讨论θ的变化对驱动杆冲程的影响, 以便确定使得驱动杆长变化范围最小的θ, 达到在满足给定工作区域的前提下使得机构最为紧凑及避免驱动杆与机架发生干涉的目的。
3.4.1 运用遗传算法搜索驱动杆长的极值
近年来, 遗传算法 (GA) 已被越来越广泛地应用在各个工程技术领域[12]。本文使用MATLAB中的遗传算法工具箱来搜索驱动杆长的极值。基于无约束优化的理论, 在给定的工作区域内搜索驱动杆长的变化范围可以转换为如下问题:在-15cm≤Xo≤15cm, -15cm≤Yo≤15cm, 90cm≤Zo≤120cm空间内, 求解min fi (Xo, Yo, Zo) 和max fi (Xo, Yo, Zo) , 其中fi (Xo, Yo, Zo) =ri为适值函数。
以l=50cm、L=100cm、θ=0°时, 求解驱动杆r2的极大值和极小值为例, 说明具体的求解方法。首先编写M文件, 并以myfun2保存, 文件代码如下:
采用MATLAB中的遗传算法工具箱进行搜索, 经过51代得到r2的极小值r2, min=86.4388cm, 相应各独立变量值为X*o=0.0377cm, Y*o=14.9997cm, Z*o=90.0000cm。需要注意的是, 由于遗传算法使用的是随机数发生器, 因此每次运行时返回的数值会有细微的差别。对搜索得到的r2的极小值取整, 为86cm。求r2极大值的步骤同上, 只是在M文件中的r2表达式前加负号, 经过51代得到r2的极大值r2, max=132.0326cm, 相应各独立变量值为X*o=-14.9672cm, Y*o=-14.9785cm, Z*o=119.9836cm。将搜索得到的r2的极大值取整, 为132cm。搜索r2的极小值时遗传算法的寻优性能跟踪如图5所示。从图5中可以看出, 适应度函数的最优值在最初几代变化程度较大, 随着代数的增加, 变化越来越慢, 说明种群距离最优点越来越近;图5b表示最后一代适应度函数最优值对应的点的坐标, 即使得驱动杆长r2最小的 (Xo, Yo, Zo) 的值。
3.4.2 不同θ对应的杆长变化范围
利用3.4.1节所述的遗传算法搜索不同θ对应的杆长变化范围, 讨论驱动杆冲程随θ改变的变化规律。θ在0°～90°范围内变化时驱动杆冲程的值如表1所示。
由表1可以看出, 在0°和90°之间随着θ的增大, 驱动杆的冲程Δri逐渐减小。由于机构的对称性, 当θ在90°～180°范围内变化时, 相应机构的驱动杆冲程与180°-θ时相同。因此可得出以下结论:当θ=90°即转动副的轴线与y轴平行时, 驱动杆冲程最小;当θ=0°或θ=180°即转动副的轴线与x轴平行时, 驱动杆冲程最大。
4 结论
当2SPS+1SPR+SP机构转动副的轴线与y轴平行时, 在给定的工作区域内相同的驱动杆输入速度对应的平台输出速度最大, 驱动杆冲程最小;当2SPS+1SPR+SP机构转动副的轴线与x轴平行时, 克服相同的外力所需的驱动力最小, 运动副上受力最小。
因此, 在该机构的实际应用中, 在以下三种情况下可选择转动副轴线与y轴平行的布置:①需要较大的工作空间;②需要得到较大的输出速度;③要求机构比较紧凑且保证驱动杆不与机架发生干涉。在以下两种情况下可选择转动副轴线与x轴平行的布置:①电动机功率较小, 只能提供较小的驱动力;②运动副可承受的力较小。
参考文献
[1]Niku S B.Introduction to Robotics Analysis, Sys-tems, Applications[M].Beijing:Prince Hall, 2004.
[2]黄真, 孔令富, 方跃法.并联机器人机构学理论及控制[M].北京:机械工业出版社, 1997.
[3]Liu C H, Cheng S.Direct Singular Positions of3RPS Parallel Manipulator[J].Journal of Mechani-cal Design, 2004, 126 (6) :1006-1016.
[4]Rao N M, Rao K M.Multi-Position DimensionalSynthesis of a Spatial 3-RPS Parallel Manipulator[J].Journal of Mechanical Design, 2006, 128 (4) :815-819.
[5]Liu Xinjun, Wang Jinsong, Pritschow G.A NewFamily of Spatial 3-DoF Fully-Parallel Manipula-tors with High Rotational Capability[J].Mecha-nism and Machine Theory, 2005, 40 (4) :475-494.
[6]Han C, Kim J, Kim J, et al.Kinematic SensitivityAnalysis of the 3-UPU Parallel Mechanism[J].Mechanism and Machine Theory, 2002, 37 (8) :787-798.
[7]邹慧君, 高峰.现代机构学进展[M].北京:高等教育出版社, 2007.
[8]Liu Haitao, Huang Tian, Mei Jianping, et al.Kine-matic Design of a 5-DOF Hybrid Robot with LargeWorkspace/Limb-stroke Ratio[J].Journal of Me-chanical Design, 2007, 129 (5) :530-537.
[9]李贯成.运动副配置对并联机器人工作空间影响的研究[D].南昌:南昌大学, 2006.
[10]Lu Yi, Shi Yan, Li Shihua, et al.Synthesis and A-nalysis of Kinematics/Statics of a Novel 2SPS+SPR+SP Parallel Manipulator[J].Journal of Me-chanical Design, 2008, 130 (9) :092302-1-8.
[11]黄真, 赵永生, 赵铁石.高等空间机构学[M].北京:高等教育出版社, 2006.
机构性能 篇3
汽车产品的竞争日趋激烈, 专门生产汽车的零部件企业从目前市场竞争实际考虑, 着手研制开发了一台能适用于多种变速操纵机构进行检测试验的设备。试验系统的主要目标是——由机械手模拟驾驶员操纵选、换挡操纵手柄来实现驾车的选换挡和倒车操纵动作;通过变速器操纵系统控制变速器完成符合实车运行工况的变速动作, 实现对实车变速操纵系统和变速器在实际运行状态下的各项特征参数 (输入、输出端力和位移、最大换挡力等) 检测, 来分析系统传递效率损失的部位及原因, 从而科学的改进对机构设计、制造工艺和选用材料等环节。如此一来就可以起到多方面的目的: (1) 改进自身产品性能, 提高市场竞争能力; (2) 以试验检测数据为准, 在用户使用中反映的有关挂挡不到位等失效问题上, 分清责任, 赢得信誉; (3) 制定汽车变速操纵机构的检测方法及检测标准。
1 试验台主要功能
该试验台主要是针对硬杆传动的变速操纵机构而研制开发的, 由于目前还没有相应的变速操纵机构的试验标准, 故依据汽车行业标准QC/T568-1999《汽车机械式变速器台架试验方法》, 与厂家设计人员和用户议定初步的试验方法和检测项目, 即:以电控机械手驱动变速手柄来实现操纵动作, 由伺服系统折算机械手沿X、Y向的位移量, 和连接处设置两个拉、压力传感器作为输入端的测力设备, 再以两个拉、压力传感器设置于选、换挡机构的末端测出输出端的力, 同时在末端设置位移传感器来测出输出端的位移, 以及针对不同的操纵机构在其他相应的杠杆连接处也设置若干 (角) 位移传感器和拉、压力传感器来测定各杆件的受力和位移。确定以测出的输入端的推 (拉) 力、位移和输出端的推 (拉) 力、位移做为评价变速操纵机构传动效率的主要参数, 并参照中间杆件测出的数据确定改进方案。
2 试验台的设计
依据生产厂家和用户的要求, 结合目前国际国内变速器台架试验的现状, 经过细致的分析、探讨和论证, 确定最终方案为试验台由机械手、驱动电机、传动系统、模拟负载、传感器及控制系统等组成。
2.1 机械手
采用直角坐标机械手、运动控制卡, 上位机为工控机, 负责人机交互操作和数据的采集记录。机械手Z轴末端与汽车变速手柄相连, 按照给定程序代替人工操纵汽车变速器, 完成对汽车变速操纵系统的性能检测。机械手可以根据需要改变在支架上的位置高度, 满足不同变速器的要求。
2.2 传动系统
参照QC/T568-1999《汽车机械式变速器台架试验方法》, 设计了能模拟在实车运行过程中的环境, 并利用汽车变速箱选挡器的机构原理研制出模拟变速箱, 使机械手始终在一定的负载作用下进行操作, 保证测试数据客观、符合实际。
2.3 控制系统
该系统主要由工控机、A/D卡、D/A卡、计数卡、各种传感器及专用控制卡等组成。是与试验台主体分离的独立系统, 实行对话式操纵, 可进行运行控制条件设定、试验测量和异常状态监视等。
2.4 其他功能
试验系统能对试验数据做为历史记录进行存储和调用, 可对需要的曲线及数据进行打印。试验系统也具有较强的安全性, 绝对保障试验人员的安全, 并在出现设备运转异常时, 能报警停机。
3 测试及分析
图1为用所研制的试验台的操纵界面及对试件进行测试后得到的曲线。
图1中左侧区域为测试过程中的操纵区域, 右侧为测试曲线, 上部分显示测的力, 下部分显示测得的位移。其中, 黄色曲线为输入端 (机械牛末端传感器) 测得曲线, 此为变速手柄作用力;蓝色曲线为输出端 (选、换档端传感器) 测得曲线, 为操纵机构对拨叉轴的作用力。
从1-2挡试验曲线中可以分析得出, 从1挡至空挡, 手柄力从0逐渐增大直到5.5N, 又迅速降为0, 对应的X位移从0到95mm也迅速降为0, 再经过Y向的选挡位移后, 从空挡至2挡, 手柄力从0逐渐增大直到5.0N, 对应的X位移从95mm到190mm, 再经过Y向的选挡位移。再分析输出曲线, 得出选、换挡过程测得数据。用鼠标拖动竖直蓝线即可在界面右端得出某点的测得值, 经计算此机构传动效率最高值为7 3.2%。
4 结语
该汽车变速操纵机构性能试验台是依据生产企业现状, 应用V C++程序开发, 适用多种型式变速操纵机构进行测试的设备, 经生产企业现场测试, 完全满足企业要求, 为变速操纵机构产品的改进研发提供了有力的技术支持和保障。
参考文献
[1]汽车机械式变速器台架试验方法Q C/T568-1999.
[2]关文达.汽车构造 (第2版) [M].北京:机械工业出版社, 2005.
[3]龚宗洋, 张为公, 等.机械式汽车变速箱同步器试验系统研制[M].工业仪表与自动化装置, 2005.
机构性能 篇4
飞剪是钢铁企业对金属坯料进行剪切加工,以便对其进行后续处理的设备。曲柄摆式飞剪由IHI式飞剪演化而来,用一个曲柄滑块代替原来的曲柄摆杆,使其在结构上更简化,而且运动更容易控制。曲柄摆式飞剪结构示意图见图1。其中,r、θ、ω分别为各杆件的极径、极角和角速度,并以杆件序号作为参数下标。
曲柄BC以O点为轴心旋转,杆OB带动上刀架AN上下运动;杆OC带动下刀架连杆CD,CD再带动下刀架DM上下运动;同时,下刀架DM也带动上刀架AN做左右摆动完成剪切过程。此飞剪机构是由曲柄滑块机构和导杆机构组成的六杆机构,其自由度F=3×5-2×7=1,杆BC为主动件。
2飞剪机构的运动学模型
飞剪的剪切机构在运动中横向把钢板剪切成不同长度的定尺,所以剪切机构必须满足下列条件[1,2]:
(1)刀片运动轨迹呈圆形和椭圆形之间的复杂轨迹,要防止刀片划伤钢板表面。
(2)在匀速机构的控制下,应使剪切区内刀片的水平分速度vx与钢板运行速度v0同步,一般取vx=(1.0～1.03)v0,这样在剪切过程中不会产生拉钢和堆钢现象。但在剪切较薄的钢带时,由于剪切时间比较短(不超过0.03 s),因此允许有少量的堆钢和拉钢,但必须满足S2>λS1。其中,S1为堆钢量,S2为拉钢量,λ为给定的系数,一般取2。
2.1 机构的位置分析
为了便于分析,把飞剪本体分解成OBAO和BCDB两个封闭的环形,对每个封闭环形建立矢量方程式[3],则可以解出各杆件结点的位置、速度和角速度。
在闭环OBAO中有:
undefined。 (1)
由式(1)得:
undefined。
在闭环BCDB中有:
(r2+r20)ejθ2+r3ejθ3=r10ejθ1 。 (2)
将式(2)分别投影到x、y轴上,则:
(r2+r20)cosθ2+r3cosθ3=r10cosθ1 。 (3)
(r2+r20)sinθ2+r3sinθ3=r10sinθ1 。 (4)
为了计算方便,令m=(r2+r20)cosθ2,n=(r2+r20)sinθ2,则式(3)、式(4)简化为:
m+r3cosθ3=r10cosθ1 。 (5)
n+r3sinθ3=r10sinθ1 。 (6)
由式(5)、式(6)可解得:
undefined。
r10=(m+r3cosθ3)/cosθ1 。
2.2 各杆件的角速度分析
分别对式(1)、式(3)、式(4)求导,再联合这3个求导后所得的式子可以解得:
undefined。
undefined。
其中的ω2为已知量。
2.3 上、下剪切刃的位置和速度分析
依据飞剪剪切刃运动轨迹的计算方法[4],由图1可以得出上、下剪切刃位置和速度表达式。
(1)上剪切刃的坐标位置表达式为:
xN=r12cosθ1-r20cosθ2 。 (7)
yN=r12sinθ1-r20sinθ2 。 (8)
式(7)、式(8)两边分别对时间求导,可得上剪切刃的速度表达式:
vNx=-r12ω1sinθ1+r20ω2sinθ2 。 (9)
vNy=r12ω1cosθ1-r20ω2cosθ2 。 (10)
(2)下剪切刃的坐标位置表达式为:
xM=r2cosθ2+r3cosθ3+r11cosθ1 。 (11)
yM=r2sinθ2+r3sinθ3+r11sinθ1 。 (12)
式(11)、式(12)两边分别对时间求导,可得下剪切刃的速度表达式为:
vMx=-r2ω2sinθ2-r3ω3sinθ3-r11ω1sinθ1 。 (13)
vMy=r2ω2cosθ2+r3ω3cosθ3+r11ω1cosθ1 。 (14)
3飞剪机构的运动轨迹及性能分析
以剪切厚度为2.3 mm的轧件为例,设计曲柄摆式飞剪机构。设r2=35 mm,r20=25 mm,r1=340 mm,r3=290 mm,r11=475 mm,r12=815 mm,轧件的水平速度v0=700 mm/s。取定尺长度为300 mm,则曲柄ω2=ω20=2.8π rad/s。
对上述求得的剪切机构运动学模型用MATLAB语言编写M文件[5],代入相关数据可得到曲柄摆式飞剪上、下剪切刃的运动性能曲线,分别见图2～图4。
上、下剪切刃的位置轨迹是两条封闭且相交的曲线,剪切刃的运动轨迹呈圆形和椭圆形之间的复杂轨迹,满足曲柄摆式飞剪位置的设计要求。上、下剪切刃水平分速度呈曲线变化,剪切区域角为67°～109°。在剪切区,上、下剪切刃的水平分速度的最大值分别为750.15 mm/s和752.10 mm/s,最小值分别为690.30 mm/s和680.42 mm/s。由于轧件的水平速度v0=700 mm/s,则vx=(1.0～1.03)v0=700 mm/s～721 mm/s。在剪切区域内可以看出,剪切刃水平速度达到最大时,会出现少量拉钢现象;达到最小时,会出现少量堆钢现象。通过计算,其拉钢量和堆钢量在允许范围之内,满足曲柄摆式飞剪剪切同步性的设计要求。
4结论
本文对曲柄摆式飞剪剪切机构的运动学性能进行了分析,证明所建立的运动模型满足剪切过程的要求。这一模型的建立,为新曲柄摆式飞剪机构的设计和现有曲柄摆式飞剪的分析与计算提供了正确的理论依据和有效的方法。
参考文献
[1]王海文.轧钢机械设计[M].北京:机械工业出版社,1983.
[2]郭延明.宝钢2050mm热带钢连轧机组精整线上的D1型曲柄摆式飞剪[J].一重技术,1996(4):1-25.
[3]夏建芳.IHI摆式飞剪剪切机构运动学性能分析[J].中南工业大学学报(自然科学报),2003,34(2):173-176.
[4]万飞,景群平,金敏,等.曲柄摆式飞剪液压空切原理及剪刃轨迹分析[J].重型机械,2010(1):31-42.
机构性能 篇5
由于该项目中设计的单轨车是采用汽油发动机驱动的, 因此单轨车整体会受到发动机运行中的振动激励, 并且单轨车是在类似于两端简支的简支梁上运动, 因此考虑轨道的振动特性是很有必要的, 这样可以避免由于设计的不当而使单轨车在运动中产生共振现象, 从而避免不必要的事故发生。
为了模拟真实的轨道振动情况, 本文采用商业有限元分析软件建立轨道的真实有限元分析模型, 分析其固有特性, 得到的有限元模型如图所示。美国ANSYS公司开发的ANSYS软件是一个功能强大而灵活的大型通用有限元分析软件。它融结构、热、流体、电磁、声学于一体, 广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械工程、土木工程、汽车交通、能源、电子、国防、地矿、水利、日用家电等工业及科学研究。作为广泛应用的有限元软件, ANSYS软件把有限元数值分析技术和CAD、CAE及CAM等图像处理技术有机地结合在一起, 发展多种与CAD软件的接口, 用户可以用专门的CAD软件建立分析模型, 然后利用这些接口将模型导入ANSYS中进行分析;ANSYS自带的参数化设计语言 (APDL) 能够实现参数化有限元分析和用户界面设计语言 (UIDL) 可以实现用户界面的二次开发。在进行产品设计时, 使用ANSYS软件对产品性能进行仿真分析, 可以发现产品问题, 降低设计成本, 缩短设计周期, 提供设计的成功率。
ANSYS模态分析主要用于确定设计结构或机器部件的振动特性, 即固有频率与振型 (某个固有频率对应的振动型式) , 给出模态参与系数。它们是承受动态载荷结构设计的重要参数也是其他各类动力学分析的基础。例如瞬态动力分析、谐波响应分析和谱分析, 其中模态分析也是进行谱分析、模态叠加法谐波响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。
动力学的典型应用包括:设计避免谐振或以指定频率振动 (如扬声器) ;设计如何对不同类型动力载荷的响应;有助于对其他动力学分析计算求解控制 (时间步长等) 。ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行预应力模态分析。对循环对称结构可以充分利用循环对称特性, 只选取它的一个特征扇形区来进行循环对称模态分析, 并且还可以考虑预应力的效果。前者如文中单轨车轨道受力状态下的模态分析、涡轮叶片的模态分析, 后者如旋转的带有叶片的叶轮结构的模态分析。ANSYS中模态分析是线性的。任何非线性特性, 如塑性和接触 (间隙) 单元, 即使定义了也将被忽略, 但支持绑定接触。同时, 必须指定杨氏模量EX (或某种形式的刚度) 和密度DENS (或某种形式的质量) 。材料性质可以是线性的或非线性的, 各向同性或正交各向异性的, 恒定的或与温度有关的。
机构性能 篇6
配气机构是内燃机的重要组成部分。四冲程的内燃机都采用气门式配气构机构。配气机构的设计又在很大程度上影响内燃机的动力性与可靠性, 因此, 配气机构设计的好坏对内燃机工作性能影响很大。高速内燃机配气机构的设计常有一些难关需要攻克, 并且影响着配气机构动力学性能, 如高速运转时气门运动规律失真、飞脱和反跳, 气门弹簧颤振和凸轮—挺柱擦伤等, 研究这些因素对于提高配气机构动力学性能有重要意义。
1 不同的转速对多刚体动力学模型仿真分析的影响
当凸轮轴转速过高时, 会造成配气机构零部件的损坏和振动加剧。且随着凸轮轴转速的增大, 零部件之间的接触力也会产生比较大的变化, 因此研究不同的转速下配气机构动力学性能有很重要的意义。
1.1 气门的运动规律分析。
通过ADAMS对多刚体模型进行动力学仿真分析, 我们可以看出, 在凸轮轴转速为800r/min、1600r/min、1800r/min时, 气门在开启时相对平稳, 加速度比较大, 这样有利于气门可以快速的开启;气门在落座时的加速度很小, 有利于减小对气门座圈的冲击和损害。而转速达到2000r/min时, 气门产生了反跳现象。
1.2 凸轮与挺柱之间的接触力及应力。
随着凸轮轴转速的不断增大, 排气凸轮与挺柱之间的接触力以及应力曲线波动变得越来越显著。当凸轮轴转速达到1800r/min时, 凸轮与挺柱之间的接触力以及应力在某一角度变成了零值, 说明此刻排气凸轮与挺柱之间产生了轻微飞脱的现象。而当凸轮轴转速在2000r/min时, 排气凸轮与挺柱之间产生了严重飞脱现象, 配气机构已经不能进行正常工作了。
1.3 摇臂与气门之间接触力。
随着凸轮轴转速的不断增大, 排气凸轮与挺柱之间的接触力以及应力曲线波动变得越来越显著。与凸轮与挺柱之间接触的情况不同, 当凸轮轴转速达到1800r/min时, 摇臂与气门之间并没有产生飞脱现象。而当凸轮轴转速在2000r/min时, 摇臂与气门之间接触情况发生了严重破坏。
1.4 气门与气门座之间的落座力。
凸轮轴在各种转速的情况下, 气门与气门座圈的碰撞力都产生了振动现象。在凸轮轴转速为n=800r/min时, 因为气门弹簧预紧力和气门落座力相互抵消了, 所以落座力振幅变化不是很明显;随着凸轮轴转速的增大, 此时的碰撞力增加比较显著, 振幅变化也更加剧烈, 而当凸轮轴转速在2000r/min时气门落座时产生了比较大的峰值, 表明当气门与气门座圈的碰撞力达到某一定值后, 气门会产生反跳现象。
从上述分析结果我们可以看到, 对于排气配气机构多刚体模型而言, 本章所选取的4个凸轮轴转速中, 只是在前3个凸轮轴转速下配气机构可以正常的工作。为了我们可以方便看到不同的凸轮轴转速下排气配气机构动力学性能变化的规律, 其中具体的最大数值见表1, 不同转速下变化的规律见图1。
2 不同的转速对多柔体动力学模型仿真分析的影响
为了与多刚体模型进行比较, 仍然选取排气机构在凸轮轴转速分别为800r/min、1600r/min、1800r/min和2000r/min时配气机构的动力学性能曲线。
2.1 气门的运动规律分析
与配气机构多刚体模型相比较, 配气机构在前三个凸轮轴转速下多柔体模型气门的位移、速度、加速度曲线并没有很大的改变。而当凸轮轴转速在2000r/min时, 在多柔体动力学模型中气门没有产生较为明显的气门反跳现象。
2.2 凸轮与挺柱之间的接触力及应力
多柔体模型通过动力学仿真分析, 与多刚体模型在不同凸轮轴转速下凸轮与挺柱之间的接触力及应力的变化进行了比较。在配气机构多刚体模型中, 当凸轮轴转速在2000r/min时, 排气凸轮与挺柱之间产生了严重飞脱现象, 配气机构已经不能进行正常工作了。与配气机构多刚体模型相比较, 多柔体模型的凸轮与挺柱之间的接触力以及应力在某一角度变成了零值, 说明此刻排气凸轮与挺柱之间产生了轻微飞脱的现象。但配气机构仍能可以继续工作。
2.3 摇臂与气门之间接触力
多柔体模型通过动力学仿真分析, 得到了不同凸轮轴转速下摇臂与气门之间接触力曲线。由曲线可知, 随着凸轮轴转速的不断增大, 排气摇臂与气门之间的最大接触力变得越来越大。与配气机构多刚体模型相比较, 在多柔体动力学模型中当凸轮轴转速在2000r/min时, 排气摇臂与气门杆并没有产生飞脱现象。
2.4 气门与气门座之间的落座力
多柔体模型通过动力学仿真分析, 得到了不同凸轮轴转速下气门与气门座之间的落座力曲线。由曲线可知, 随着配气机构凸轮轴转速的增大, 在多柔体动力学模型中气门落座力也越来越大。与配气机构多刚体模型相比较, 而当凸轮轴转速在2000r/min时, 气门落座时并没有产生较大的峰值, 表明气门并没有产生反跳现象。
为了我们可以方便看到不同的凸轮轴转速下排气配气机构动力学性能变化的规律, 和多刚体模型一样选取前3个凸轮轴转速下动力学仿真结果。其中具体的最大数值见表2。
由表2可知, 通过改变凸轮轴的转速对气门的最大位移基本不变。随着凸轮轴转速的增大, 气门的速度、加速度、落座时的速度、各构件之间接触力都呈现变大趋势。
3 气门弹簧刚度对配气机构动力学仿真分析的影响
气门弹簧在配气机构中的作用是消除各个零部件产生的惯性力, 可以保证凸轮与从动件在整个运动的过程中一直处于接触的状态。另一个作用是在进、排气门闭合期间, 可以有效的使气门与气门座一直接触, 保证在此过程中气门起到密封的作用。气门弹簧刚度分别选取20N/mm、30N/mm、40N/mm、50N/mm、60N/mm。对排气配气机构多刚体动力学模型在凸轮轴额定转速下进行动力学仿真分析, 研究不同的气门弹簧刚度对配气机构动力学性能的影响, 图2是不同弹簧刚度下动力学性能的对比图。
由图2可知, 随着气门弹簧刚度的增大, 配气机构中各构件接触力和气门落座力也在增大;但是随着气门弹簧刚度的增大。气门落座速度几乎没有变化, 说明改变气门弹簧刚度的大小对气门落座的速度几乎没有显著影响。
4 气体的爆发压力对配气机构动力学仿真分析的影响
在ADAMS/Engine模块中对配气机构施加气体的爆发压力, 分别对单进、排气机构的多刚体动力学模型进行仿真分析, 凸轮轴在额定转速下, 得到了配气机构在施加气体爆发压力前后的动力学特性数值, 以相对精确的研究配气机构在施加气体的爆发压力情况下对其动力学性能的影响。如表3。
从表3看出, 在施加气体爆发压力前后, 配气机构中气门的位移和速度最大值几乎没有变化;凸轮与挺柱之间最大接触应力, 摇臂与气门之间最大接触力, 气门落座速度等也没有太大的变化;气门与气门座圈之间接触力, 尤其是排气门的气门与气门座圈之间接触力变化相对较大。因此, 施加燃烧气体爆发压力的前后, 对配气机构动力学性能影响不大。施加气体爆发压力对气门落座情况影响很大。
5 结束语
论文在ADAMS建立的配气机构多刚体和多柔体动力学模型的基础上, 首先研究了不同凸轮轴转速动力学特性, 得到了在某些情况下产生气门飞脱和构件反跳等现象;其次分析了改变气门弹簧刚度对配气机构各个构件之间接触力影响比较大, 但是对气门落座速度几乎没有影响。最后考虑配气机构施加气体爆发压力的情况下, 各构件动力学性能变化不是太大。但是影响气门的受力情况, 为了配气机构与实际的工作环境更加接近, 在对配气机构进行动力学仿真需要考虑气体爆发压力。本文针对柴油机配气机构动力学性能影响因素上进行了系统的研究工作, 如果能通过对配气机构进行实验去验证仿真结果, 将具有更重大的意义, 对以后优化设计内燃机有着非常大的意义。
摘要：配气机构是柴油机重要的运动机构, 其性能直接影响柴油机的动力性、经济性和耐久性, 因此对配气机构动力学性能的分析具有重要的研究价值。论文建立了配气机构多刚体动力学模型和多柔体动力学模型, 研究了不同工作转速、不同气门弹簧刚度和气体爆发压力对配气机构多刚体模型和多柔体模型动力学性能的影响, 研究发现在某些工况下产生气门飞脱和构件反跳等现象, 气门弹簧刚度对配气机构各个构件之间接触力影响比较大, 但是对气门落座速度几乎没有影响。研究结果为配气机构的优化和自主开发提供了可靠的依据。
关键词：配气机构,动力学性能,影响因素,气门弹簧刚度,爆发压力
参考文献
[1]田运峰, 郑明军, 吴文江.内燃机配气机构多体动力学仿真及分析[J].国防交通工程与技术, 2012, 5:011.
[2]谭巍, 武占华.配气机构动力学模型的特点及研究进展[J].大连海事大学学报, 2008, 34 (13) :46-48.
[3]肖凯.汽油机配气机构与凸轮型线特性研究及仿真优化设计[D].华南理工大学, 2013.
[4]王琪赟.配气机构动力学性能试验系统开发与试验研究[D].浙江大学, 2012.
[5]成晓北, 倪宏俊, 王宇业, 等.柴油机配气机构动力学特性的仿真与试验[J].车用发动机, 2011, 1:019.