一种提高含间隙连杆机构运动稳定性的方法技术

本发明专利技术涉及一种提高含间隙连杆机构运动稳定性的方法，以多体系统动力学理论为基础，基于多体系统动力学、运动副间隙接触碰撞模型，建立考虑运动副间隙的连杆机构动力学模型，数值仿真分析间隙对连杆机构动力学行为的影响，进而以连杆机构运动加速度抖动最大峰值最小为优化目标，通过优化设计调整机构杆长来降低间隙的影响，进而提高机构的运动稳定性。本发明专利技术通过优化设计调整机构杆长，降低了间隙对机构性能的影响，提高了含间隙机构的运动稳定性，该方法简单可行，并考虑了间隙碰撞特性，符合实际，进而可以广泛地应用于各种类型的连杆机构中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机械
，具体地，涉及一种提高含间隙连杆机构运动稳定性的方法。
技术介绍
随着精密机械工程的不断发展，机械系统向着高精度、高效率、高可靠性和长寿命的目标迈进，工程实际中，机械系统通过机构等来实现系统的动力学传递、运动要求等，因此机构是机械系统的重要组成部分。通常机构越复杂、构件越多、功能越强大，需要采用的运动副也越多。然而实际机构中，由于动配合的需要，制造误差、摩擦磨损等原因，机构中运动副间隙是不可避免的。间隙的存在会增大运动副间隙碰撞力，使得机构加速度剧烈抖动，抖动幅值和频率都很高，产生严重的噪音与振动，进而降低了机构的运动稳定性，尤其是对于高速机构的影响更大。因此有必要降低运动副间隙对机构运动稳定性的影响，这对于提高精密机械、航空航天等重要领域的机构工作性能具有重要意义。为了降低间隙对机构动力学性能的影响，提高机构运动精度和稳定性，以往的研究多采用运动副间隙润滑、重新分配杆件质量、外加恒定的弹簧力等方法，避免含间隙运动副副元素的分离，进而提高机构性能。或者将运动副间隙简化为无质量的刚性杆，进而将原含间隙的机构转化为无间隙的多杆多自由度系统进行运动分析与设计，这种方法的缺点是忽略了运动副副元素接触表面的弹性变形，不能真实的反映含间隙机构运动副的接触碰撞特性，与实际不符。此外，以往的研究，多以含间隙机构运动学分析为基础进行运动精度优化设计，但是没有考虑运动副间隙接触碰撞的动力学特征，不符合含间隙机构的动力学本质特征。
技术实现思路
本专利技术以多体系统动力学理论为基础，结合运动副间隙接触碰撞模型，建立考虑运动副间隙的连杆机构动力学模型，数值仿真分析间隙对连杆机构动力学行为的影响，进而以连杆机构运动加速度抖动最大峰值最小为优化目标，以连杆机构杆长为设计变量，通过优化设计调整机构杆长来降低间隙的影响，进而提高机构的运动稳定性。本专利技术的优点是：通过优化设计调整机构杆长，降低了间隙对机构性能的影响，提高了含间隙机构的运动稳定性，该方法简单可行，考虑了含间隙运动副的接触碰撞特性，符合实际，并可以广泛地应用于各种类型的连杆机构中。本专利技术所采用的技术方案是：一种提高含间隙连杆机构运动稳定性的方法，包含以下步骤：步骤一：建立含间隙运动副数学模型；步骤二：建立运动副间隙法向碰撞力模型和切向摩擦力模型；步骤三：基于多体系统动力学理论建立理想机构动力学模型，在建立模型过程中，对连杆机构的杆长进行参数化；步骤四：建立考虑运动副间隙的机构动力学模型；步骤五：建立含间隙机构运动稳定性的优化设计模型；步骤六：进行优化设计，获得最优的连杆机构杆长。其中：所述步骤一中，间隙大小用轴套与轴半径之差来描述，则半径间隙c为：c＝rB-rJ，其中rB为轴套半径，rJ为轴半径。e为轴与轴套中心距离，定义δ＝e-c为接触点的弹性变形量，进而可得到轴与轴承发生接触碰撞的条件为：所述步骤二中，法向碰撞力Fn的计算公式为其中Kn为碰撞体的接触刚度系数，δ为碰撞过程接触变形量，n为指数，取1.5，为相对碰撞速度，ce为恢复系数；为撞击点的初始相对速度。所述步骤二中，切向摩擦力Ft的计算公式为其中Fn为法向碰撞力，μ(vt)为动态摩擦系数，vt表示轴与轴承在碰撞点的相对滑动速度，即切向方向的速度分量。所述步骤三中，理想机构的动力学方程为： M q ·· + C q · + K q + φ q T λ = F φ ( q , t ) = 0 ]]>式中q为广义坐标列阵，为q对时间的一阶导数，为q对时间的二阶导数；M为机构的广义质量阵，C为机构广义的阻尼阵，K为机构的广义刚度阵，φq为约束方程的雅克比矩阵，为φq的转置矩阵，λ为Lagrange乘子列阵，F为广义速度二次项以及力阵。所述步骤四中，考虑运动副间隙的机构的动力学方程为： M q ·· + C q · + K q + φ q T λ = F + F c φ ( q , t ) = 0 ]]>式中Fc包含法向碰撞力Fn和切向摩擦力Ft。所述步骤五中，针对含间隙的平面连杆机构的优化模型，以机构杆长为设计变量，以含间隙机构加速度抖动最大峰值最小为目标，建立优化设计数学模型如下： M i n i m i z e 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高含间隙连杆机构运动稳定性的方法，其特征是包含以下步骤：步骤一，建立含间隙运动副数学模型；步骤二，建立运动副间隙法向碰撞力模型和切向摩擦力模型；步骤三，基于多体系统动力学理论建立理想机构动力学模型，在建立模型过程中，对连杆机构的杆长进行参数化；步骤四，建立考虑运动副间隙的机构动力学模型；步骤五，建立含间隙机构运动稳定性的优化设计模型；步骤六，进行优化设计，获得最优的连杆机构杆长。

【技术特征摘要】
1.一种提高含间隙连杆机构运动稳定性的方法，其特征是包含以下步骤：步骤一，建立含间隙运动副数学模型；步骤二，建立运动副间隙法向碰撞力模型和切向摩擦力模型；步骤三，基于多体系统动力学理论建立理想机构动力学模型，在建立模型过程中，对连杆机构的杆长进行参数化；步骤四，建立考虑运动副间隙的机构动力学模型；步骤五，建立含间隙机构运动稳定性的优化设计模型；步骤六，进行优化设计，获得最优的连杆机构杆长。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤一中，间隙大小用轴套与轴半径之差来描述，则半径间隙c为：c＝rB-rJ，其中rB为轴套半径，rJ为轴半径，e为轴与轴套中心距离，定义δ＝e-c为接触点的弹性变形量，进而可得到轴与轴承发生接触碰撞的条件为：3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤二中，法向碰撞力Fn的计算公式为其中Kn为碰撞体的接触刚度系数，δ为碰撞过程接触变形量，n为指数，取1.5，为相对碰撞速度，ce为恢复系数；为撞击点的初始相对速度。4.根据权利要求3所述的方法，其特征是所述步骤二中，切向摩擦力Ft的计算公式为其中Fn为法向碰撞力，μ(vt)为动态摩擦系数，vt表示轴与轴套在碰撞点的相对滑动速度，即切向方向的速度分量。5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤三中，理想机构的动力学方程为： M q ·· + C q · + K q + φ q T λ = F φ ( q , t ) = 0 ]]>式中q为广义坐标列阵，为q对时间的一阶导数，为q对时间的二阶导数；M为机构的广义质量阵，C为机构广义的阻尼阵，K为机构的广义刚度阵，φq为约束方程的雅克比矩阵，为φq的转置矩阵，λ为Lagrange乘子列阵，F为广义速度二次项以及力阵。6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤四中，考虑运动副间隙的机构的动力学方程为： M q ·· + C q · + K q + φ q T λ = F + F c φ ( q , t ) = 0 ]]>式中Fc包含法向碰撞力Fn和切向摩擦力Ft，q为广义坐标列阵，为q对时间的一阶导数，为q对时间的二阶导数；为φq的转置矩阵，λ为Lagrange乘子列阵，F为广义速度二次...

【专利技术属性】
技术研发人员：白争锋，赵继俊，孙毅，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东;37