考虑运动副间隙的平面四杆机构动力学建模与仿真.pdfVIP

第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 论文研究背景 随着科学技术的飞速发展，特别是航天工程的发展，对现代机械系统性能要 求越来越高。在机械系统中,各种铰单元是太空精密展开机构构件连接的中间环 节，它不仅要将构件连接起来，还要保证构件间能有一定的相对运动。铰单元不 仅存在于太空精密展开机构中，而且广泛存在于各种机构中，也称作运动副。 为了保证两构件之间有相对运动，运动副元件间一般需要采用动配合，这就 必然存在一定的运动副间隙；其次，运动副的设计、制造过程中，必然会有一定 的误差，这种误差也是产生运动副间隙的一个原因；此外，对于经过一定时期运 转的机器，由于摩擦、磨损现象的存在，也将使运动副产生间隙。所以，机构中 的运动副间隙是不可避免的。 由于机构中运动副间隙的存在，使得精密展开机构的精度必然受到影响，更 重要的是运动副间隙破坏了理想机构模型，因而也使机构的实际运动与理想运动 之间产生了偏差。从动力学角度考虑，运动副间隙的出现，改变了机构杆件间的 受力状况，从而影响了机构的动力性能，尤其对于高速机构，这种影响更大。由 于间隙的存在，铰接元件间会发生冲击和碰撞，这使得机构构件中产生附加动反 力[1] ，铰接点元素磨损加剧，机构产生噪音和振动等现象，活动部件间的摩擦与 撞击会降低系统的精度，稳定性及刚度。例如，在航空航天领域，由于间隙对机 构的非线性影响，常会出现展开机构失稳，定位精度不够，天线打开失灵等情况， 导致航空航天器失效[2-5] 。倘若为了提高刚度和精度，而减小间隙，则会增加控制 系统的难度，同时也会产生卡死的可能性，降低展开的可靠性。因此，在进行精 密展开机构的分析和设计过程中，必须考虑运动副间隙的影响，考虑运动副间隙 机构的动力学研究，已成为机构动力学中一个重要的研究方向。 到目前为止，考虑间隙机构的研究已取得了大量成果，下面从建模、运动学 和动力学分析、仿真研究等几个方面分别阐述考虑间隙机构的发展现状。 1.2 国内外发展概况及研究现状 对考虑间隙机构动力学的系统研究，可以追溯到 20 世纪 70 年代初。在 70 年代前，考虑运动副间隙多限于机构运动分析即误差分析等。美国学者 Dubowsky 等人于 1971 年提出一个一维的冲击副模型(Impact Pair Model)[6,7]，对运动副元素 2 考虑运动副间隙的平面四杆机构动力学建模与仿真 接触表面的刚度特性、阻尼特性、接触力模型以及冲击特性等进行了基础性研究。 之后，他又提出了一维冲击杆模型(Impact Beam Model)[8]和二维冲击环模型 (Impact Ring Model)[9,10]，并发表了一系列研究论文[6-9,10-16]，形成了一套比较完整 的研究体系。 从 70 年代考虑运动副间隙的研究出现以来，考虑运动副间隙的刚性机构建模 方法可分成三类：(1)运动副元素存在接触和分离两种状态，简称“二状态模型”； (2)运动副元素存在接触、分离、碰撞三种状态，简称“三状态模型”；(3)运动副 元素在运动过程中始终保持接触，简称“连续接触模型”。 1.2.1 利用二状态运动模型推导考虑间隙机构的动力学方程 该方法力学工具简单，主要以美国学者Dubowsky和日本学者Funabashi 的工作 为代表，只考虑分离和接触两种状态，计入运动副元素接触表面的弹性和阻尼， 以牛顿力学为基础建立系统运动方程。Dubowsky对此作了相当多的研究，并形成 了一套比较完整的研究体系[3,11,12,14,17]. Funabashi[18]对考虑间隙的四杆机构作了大 量实验工作，对运动副间隙存在的各种情况进行了分类建模。国内李哲[19] 、唐锡 宽[20]等也作了较为详细的理论研究和总结。 这种建模方法比较贴近间隙副的实际运动情况，碰撞特性可以用等效的无质 量弹簧阻尼器来描述，如采用Kelvin-Voigt模型[21](见图1.1)，则碰撞力R 为 .