考虑运动副间隙的曲柄滑块机构动力学建模与分析

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随着航天工业、高速列车、军工、资源开采设备、医疗器械、工业自动化设备等行业的高速发展,高速度、高精度、高效能、低噪音、自动化、智能化已成为现代机械的重要标志和发展方向。机械系统需要深入考虑的因素越来越多,机构杆件弹性变形、制造和加工误差、摩擦磨损等因素造成运动副间隙对机器工作性能产生极大影响,间隙是引起机械系统机械精度、稳定性下降甚至失效的重要元素。因此针对机械系统中普遍存在的间隙现象,本文以含间隙曲柄滑块机构为例,深入进行分析研究,为含间隙机构设计、可靠性分析、稳定控制提供理论基础,主要包括以下内容:本文引入平面多体系统中转动副和移动副间隙描述的数学模型,为含间隙曲柄滑块机构运动学和动力学分析提供简洁明了的表达方式。重点分析了间隙运动副接触碰撞过程,对传统的接触碰撞力模型进行了系统的分析与比较,其中涉及Kelvin-Voigt粘弹性模型、Hertz非线性弹性碰撞力模型、非线性弹簧阻尼碰撞力模型、修正混合接触碰撞力模型,对其进行仿真分析,得出修正混合接触碰撞力模型最接近实际接触碰撞动态特性,为之后动力学分析做了准备。根据以上分析以含双转动副间隙和含移动副间隙的曲柄滑块机构为研究对象,根据间隙数学描述,采用牛顿-欧拉法,在运动副元素接触碰撞的判定条件指导下,实现修正混合接触碰撞力模型与所建动力学方程的对接,减少方程中的未知参数满足了数值仿真的需求。最后针对之前所建立动力学模型,分别采用MatlabSimilink数值仿真和商业软件ADAMS仿真,通过对比两者仿真结果验证所建动力学模型的正确性,定性分析不同间隙对曲柄滑块机构动态性能的影响。
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