高精密机械、航空/航天工程以及机器人工业的发展,对机械系统提出了高速、高精度、高效率、高可靠性以及长寿命等一系列设计和使用要求。机构作为机械系统中用来实现运动和动力传递的重要组成部分,其设计、建模和仿真分析的准确与否对整个机械系统的功能实现起到至关重要的作用。针对机构运动副普遍存在因间隙引起接触碰撞,进而导致机构出现动态输出振荡、运动精度下降、可靠性和使用寿命降低,甚至功能失效等问题,本文深入开展了旋转间隙铰链处接触力建模和含间隙铰链机构的碰撞动力学研究,并设计了相应的实验系统。通过各种工况下的实验研究,对文中建立的接触力模型和基于该模型下含间隙机构动态性能理论分析结果进行了验证。本文研究工作为有效辨识含间隙铰链机构动态性能影响因素和影响规律,准确预测含间隙铰链机构的动力学行为,抑制由间隙引起的振动、冲击、摩擦及磨损,开展含间隙铰链机构优化设计、可靠性分析及寿命评估等奠定了理论基础。本文工作的主要内容和成果有:1、基于轴、轴承/轴套间发生正碰撞假设,考虑轴承/轴套轴向尺寸,建立了既满足干摩擦,同时也适用于含油膜润滑工况的、含规则间隙的线接触旋转铰模型。在此基础上,进一步建立了含间隙铰链机构动力学模型,为后续间隙铰链处非线性接触力和含间隙铰链机构碰撞动力学研究奠定了基础。2、基于含间隙轴-轴承间“碰撞-恢复”过程的理论分析,详细研究对比了无阻尼Hertz接触模型、Persson接触模型及改进Winkler弹性基础模型,含阻尼Hunt和Crossley模型及其几种改进模型,指出了传统模型存在的局限性。在此基础上,针对上述间隙铰链处接触力模型的不足,结合含轴向尺寸的间隙铰模型和改进的Winkler弹性基础模型,分别建立了一种不依赖碰撞恢复系数的非线性法向碰撞力模型Ⅰ,一种满足较大碰撞恢复系数且使用不受间隙、载荷限制的非线性法向碰撞力模型Ⅱ,一种可满足不同间隙、不同载荷以及不同恢复系数的非线性法向碰撞力模型Ⅲ,以及一种改进的Coulomb摩擦力模型。以轴-轴承/轴套及含间隙曲柄滑块机构为例,通过理论研究和与实验对比分析,验证了本文所建模型的正确性和有效性。其中改进模型Ⅲ在不同间隙、不同初始碰撞速度以及不同恢复系数下,均比Lankarani和Nikravesh提出的经典的法向碰撞力模型具有更高的计算精度。3、计入油膜润滑对间隙铰链动态特性的影响,采用本文改进的非线性接触力模型Ⅲ和Hamrock油膜力模型,建立了一种同时考虑挤压油膜作用和楔形油膜作用,且同时满足无限长轴承和无限短轴承的、改进的非线性过渡力模型,并以曲柄滑块机构为例研究了含润滑和无润滑条件下该机构的动态特性。研究结果表明:与无润滑工况相比,考虑间隙铰链处油膜润滑时,间隙处接触力高频振荡现象得到明显抑制,机构位移、速度以及加速度等动态输出特性与理想值基本吻合;但随着间隙值和驱动转速的增大,或润滑油动力粘度系数的减小,间隙铰链处油膜润滑效果变差,机构动态性能下降。4、利用本文提出的无润滑非线性接触力模型和含润滑过渡力模型,以曲柄滑块机构为例,建立了考虑间隙及润滑时的动力学模型,详细研究了间隙、转速、恢复系数、材料特性以及润滑油动力粘度系数对机构动力学特性的影响规律。研究结果表明:在间隙的影响下,机构动态输出呈现出明显的振荡现象,且间隙值、转速、恢复系数越大,振荡越明显、振荡幅值越大;采用不同的材料组合方式时振荡频率差异不大,但材料弹性模量越大,振荡幅值越大,且弹性模量较低的材料动态输出结果出现延迟现象;考虑油膜润滑时,机构动态特性较无润滑时得到明显改善。间隙值、转速和润滑油动力粘度系数对油膜力有直接影响,随着间隙值、转速的增大和润滑油动力粘度系数的降低,机构在死点位置附近的最小油膜厚度值呈明显降低,甚至出现小于安全油膜厚度的现象。5、搭建了含间隙铰链机构实验系统,对不同间隙、不同转速和不同材料下滑块位移和加速度动态输出进行了实验测试,通过与本文相应数学模型和理论计算结果的对比分析,进一步验证了本文提出的非线性接触力模型和摩擦力模型,以及各种参数对含间隙铰链机构碰撞动力学特性的影响规律。最后,对全文研究工作进行了总结,指出了本文研究工作中存在的不足,并对后续可能的研究方向进行了展望。