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空间曲柄—外摆杆机构的运动和力学分析

丁天涛  
【摘要】:空间RCRCR机构具有构件数目少、结构简单易于制造装配、采用耐磨性好的低副联接以及输出运动多样性等特点,其在工程中的应用已有近百年的历史。空间RCRCR机构在输入端和输出端的偏距相等时可以实现空间交错轴等角度传动,当输出端偏距大于输入端偏距时该机构可以将输入轴的转动转换为输出轴的往复摆动,此时该机构的输出轴存在两个摆动范围,即(90°,270°)或者(-90°,90°),我们规定将前者称为空间曲柄——内摆杆机构,将后者称为空间曲柄——外摆杆机构。 对于输入输出端偏距相等的空间RCRCR机构已有较为系统的研究,本文主要对空间曲柄——外摆杆机构进行运动和力学特性分析,其目的在于完善空间RCRCR机构的理论研究体系,为该机构在工程实际中的应用提供理论依据。 本文以空间曲柄——外摆杆机构为对象,利用解析与计算机动力学仿真软件相结合的方法,对该机构进行了以下分析: (1)采用平面投影法分析了空间曲柄——外摆杆机构的运动特性,得到了机构中各构件运动特性随时间变化规律的解析结果,并详细分析了机构主要的结构参数对各构件运动规律的影响,提出了机构中转动副A的运动轨迹为两半径分别为h1、h2的圆柱体的相贯线,以及在实际应用中应使60等结论。 (2)在主流三维设计软件SolidWorks中建立了空间曲柄——外摆杆机构的三维模型,并在其无缝集成的插件SolidWorks Motion中完成了该机构的运动仿真分析,在此基础上利用MATLAB软件对解析结果和仿真结果进行了一致性分析。 (3)在已知输入轴上所加驱动力矩的条件下利用示力副法对空间曲柄——外摆杆机构进行了动态静力分析,得到了所有运动副中的约束反力和约束反力矩的解析结果,详细分析了主要结构参数对机构动态静力特性的影响,提出了可将主、从动传力杆改为一体式结构或采用球面副连接等结论。 (4)利用SolidWorks建立了空间曲柄——外摆杆机构的纯刚体模型,在SolidWorks Motio中完成了该机构的动力学仿真,得到了所有运动副中的约束反力和约束反力矩的仿真结果,在此基础上利用MATLAB软件分析了解析结果和仿真结果的一致性。


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