（光学工程专业论文）基于杆组理论的自卸车举升机构分析与优化设计.pdf

摘要 自卸车举升机构是自卸车设计中的重要组成部分，它直接关系着自卸车使用性 能和整体布置，它是决定自卸车设计优劣的主要因素。随着我国基础设施建设的持 续发展，各种市政工程、建筑工程及城市环卫事业的物料运输量的不断增加，自卸 汽车得到很快发展。随着自卸汽车举升机构型式的发展，自卸汽车的载重量以及质 量利用系数也不断增大，其举升机构的选型和设计越来越得重视。用户对工程自卸 车优越性的认识也逐渐加深，而且用户对工程自卸车的功能亦不断提出新的要求。 在这样的市场背景下，工程自卸车传统的分析和设计方法已无法满足这种复杂产品 设计的要求。为了减短工程自卸车在开发阶段所占用的时间，为了满足用户对自卸 车的要求，必须寻找一种新的方法和工具来代替自卸车举升机构选择与铰点布置时 的重复性劳动，将设计人员从这种重复性劳动中解放出来。 针对以上问题，对常用的自卸车举升机构的机构组成原理进行分析和研究，找 出不同机构类型之间的共性规律机构都是采用不同的基本杆组按照一定的组合 方式搭建而成。利用机构之间的共性，就可以减少自卸车机构设计中重复的计算， 提高机构的设计开发速度，于是，本课题采用杆组分析法和参数优化设计方法来对 常用的自卸车举升机构进行设计与分析，并借助计算机编程语言( v i s u a lc + + 6 0 ) 来模拟液压举升机构的运动过程，让计算机来完成复杂的优化过程，输入变量得出 满足要求的举升机构铰接点坐标值和各构件的长度。通过本课题的研究为自卸车举 升机构的设计与其它机构的设计提供一种切实可行的方法。 本课题将面向对象技术与杆组分析法和优化理论相结合，采用可视化的开发工 具v i s u a lc + + 6 0 研发了一套全新的、界面友好的、交互性强的基于杆组的自卸车举 升机构分析、设计、优化与仿真软件系统。利用本软件可以在很短的时间自动完成 自卸车举升机构的运动分析、受力分析、参数化设计、优化设计及运动仿真，并且 设计计算可靠、设计参数准确、可达到良好的通用性和实用性的目的。设计与分析 的结果以数据与图形进行输出，更易于理解和零部件设计参考。自卸车举升机构的 运动仿真，不仅可以检验设计方案的合理性，而且可以检验机构各构件在运动过程 中是否发生干涉、机构参数设计是否合理，为自卸车举升机构的设计提供了一个有 力的工具。 关键词：自卸车；举升机构；杆组；优化设计；面向对象技术 b a s e do nt h et h e o r yo f p o l eg r o u p d u m p e rl i f t i n gm e c h a n i s ma n a l y s i sa n do p t i m u md e s i g n a b s t r a c t t h el i f t i n gm e c h a n i s mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h ed u m p e r d e s i g n ，w h i c hi sr e l a t e dt ot h eo p e r a t i o na n dl a y o u to ft h ew h o l es y s t e ma n d i ti sa l s oad e c i s i v ef a c t o ri nt h eq u a n t i t yo ft h ev e h i c l e t h ed u m p e rm a c h i n e p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ed u et ot h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fi n f r a s t r u c t u r e c o n s t r u c t i o na n di n c r e a s e so fd i f f e r e n tk i n d s o fm u n i c i p a lw o r k s ， c o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n ga n dc i t ye n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nc o n s t r u c t i o n t h e l o a dc a p a c i t ya n dc o e f f i c i e n to fq u a l i t yu s a g ei sg r e a t l yi m p r o v e di nr e s p e c t t h a tc o n s u m e r sb e c o m em o r ea n dm o r ee m p h a s i z e do nt h ed e v e l o p m e n to f t h et y p e so f l i f t i n gm e c h a n i s ma n di t sd e s i g n w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n do f v a r i o u se n g i n e e r i n gd u m p e ri nt h em a r k e ta n df u n c t i o n sa c k n o w l e d g e db y c o n s u m e r s ，t h e yc o n t i n u o u s l yp u tf o r w a r dn e wr e q u i r e m e n tt ot h ev e h i c l e u n d e rs u c hk i n do fm a r k e te n v i r o n m e n t ，t r a d i t i o n a la n a l y s i sa n dd e s i g n m e t h o dc a nn o tm e e tt h en e e d so fr e q u i r e m e n to ft h i sc o m p l i c a t e dp r o d u c t d e s i g n i no r d e rt oc u td o w nt h et i m eu s e di nt h es t a g eo fd e v e l o p m e n ta n d s a t i s f yc o n s u m e rn e e d so ft h ev e h i c l e ， n e wm e t h o d sh a v et ob es o r to u tt o a v o i dr e p e t i t i v el a b o rn e e d e di nt h ec h o i c eo fh y d r a u l i cc y l i n d e ra n dl a y o u to f h i n g e djo i n t t h e r e f o r e ，t h et h e s i sg i v e sa na n a l y s i sa n dr e s e a r c ht ot h eo p e r a t i o n a l p r i n c i p l eo fc o m m o n l yu s e dl i f t i n gm e c h a n i s ma n df i n do u tt h es i m i l a r i t yi n d if f e r e n tt y p e so fm e c h a n i s m i ti sd e m o n s t r a t e dt h a td if f e r e n tm e c h a n i s mi s c o m p o s e do fd i f f e r e n tp o l eg r o u pi nd i f f e r e n to r d e r b yu s i n gt h es i m i l a r i t y a m o n gt h em e c h a n i s mc a nr e d u c er e p e a t e dc a l c u l a t i o ni n t h ed e s i g no ft h e v e h i c l e sa n da tt h es a m et i m ei m p r o v et h ed e v e l o p i n gs p e e d a i ma tt h i s s i t u a t i o n ，t h ep a p e rm a i n l ya p p l i e sp o l eg r o u pa n a l y t i c a lm e t h o da n d p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o dt od e s i g na n da n a l y s i s o fl i f t i n g m e c h a n i s mo ft h ev e h i c l e b yt h eu s eo fc o m p u t e rp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ( v i s u a lc + + 6 0 ) ，c o m p u t e rc a nm i m i ct h em o v e m e n tp r o c e d u r eo f h y d r a u l i cl i f t i n g m e c h a n i s ma n d c o m p l e t ec o m p l i c a t e do p t i m i z a t i o n p r o c e d u r e o n c eg i v e nc e r t a i nv a r i a b l e ， i tc a no u t p u ta p p r o p r i a t ep a r a m e t e r t h o u g ht h ea n a l y s i s ， ap r a c t i c a la p p r o a c hc o u l db ep u tf o r w a r dm t h e d e s i g no fl i f t i n gm e c h a n i s ma n d o t h e rd e s i g n s t h et h e s i sc o m b i n e so b j e c t o r i e n t e d t e c h n o l o g y a n d p o l eg r o u p a n a l y t i c a lm e t h o d a n da tt h es a m et i m ed e v e l o pas e to fn e w i n t e r a c t i v ea l l d u s e rf r i e n d l ys o f t w a r es y s t e mw h i c hc a ni n t e g r a t ea n a l y s i s ，d e s i g n ， o p t i m i z a t i o na n de m u l a t i o nb yu s i n gt h em e t h o di n t h el i f t i n gm e c h a n i s m d e s i g n t h es o f t w a r e c o u l dc o m p l e t et h em o v e m e n ta n a l y s i s ， b e a r i n g a n a l y s i s 。p a r a m e t e r i z e dd e s i g n ，o p t i m u md e s i g na n d m o v e m e n te m u l a t l o n i ns h o r tt i m ea n dt h eo u t c o m eh a sc h a r a c t e r i s t i co fh i g hd e g r e eo f r e l i a b i l i t y ， a c c u r a c vo fp a r a m e t e r ，g o o dv e r s a t i l i t ya n dp r a c t i c a lp u r p o s e t h eo u t c o m e o fd e s i g na n da n a l y s i si so u t p u ti nt h ef o r mo f d a t aa n dg r a p h ， w h i c hi se a s y t ou n d e r s 协da n dr e f e r e n c e t h em o v e m e n te m u l a t i o no fl i f t i n gm e c h a n i s m c a nn o to n l yt e s tr e a s o n a b l e n e s so ft h ed e s i g np r o p o s a l ， b u ta l s oc h e c k 、v h e t h e ri r l t e r f e r e n c eh a p p e n sd u r i n gt h em o v e m e n t o fd i f f e r e n tp a r t sa n dt h e r a t i o n a l i t yo f m e c h a n i s mp a r a m e t e r i z e dd e s i g n ，w h i c hp r o v i d e sau s e f u lt o o l f o rt h ed e s i g n k e yw o r d s ：d u m p e r ；l i f t i n gm e c h a n i s m ；p o l eg r o u p ；o p t i m u m d e s i g n ； o b j e c to r i e n t e d 承诺书承话吊 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指 导下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技 大学。如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位 论文相关的内容，将承担法律责任。除文中已经注明 引用的文献资料外，本学位论文不包括任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ：左忽 2 0 0 男年月j 7 日 绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的及意义 自卸车是指以运送货物为主且有倾斜货厢的汽车，又称翻斗车。 自卸车的特点是其车厢可以倾斜一定的角度，使车厢内的货物卸出。车厢的倾 斜是以自卸车发动机的动力，通过倾斜机构来完成的。 我国自卸车在通用特种车中所占的比例较大，稳定地保持在3 0 3 5 左右。按 照产品目录，国产自卸车的装载质量为1 1 0 8 吨，轻、中、重型数量比例大致在1 ： 7 4 ：1 6 ，近年来重型自卸车已有较大的发展，从实际情况看，常州冶金机械厂生产 的装载质量为1 5 4 吨矿用自卸车，是我国最大的自卸车，国外最大的自卸车是载重 量为3 6 0 吨卡特彼勒7 9 7 矿用型自卸车i 2 。 重型通用特种车中，需求量最大的是自卸车，各项工程建设都需要自卸车，我 国大吨位自卸车年产量在5 0 0 0 辆左右，近几年半挂自卸车逐渐发展，并且在传统的 自卸车基础上，已经研制出了诸如高位自卸车、底卸式自卸车、摆臂式自卸车等等。 在国家宏观经济持续稳定发展的基础上，随着近几年来国家实施积极的财政政 策和扩大内需的影响，大量和大规模的基础设施建设和大型工程及2 0 0 8 年的北京奥 运会和2 0 1 0 上海世博会，都对自卸汽车尤其是重型自卸车的需求量产生积极和有效 地拉动作用。 自卸车自2 0 世纪出现以来，不断发展，日趋完善，已成为当今货物运输的主要 基本车辆之一。自卸车具有高度机动性和卸货机械化等优点，通常与铲式装载机、 挖掘机或皮带运输机等配套使用，实现卸货机械化，从而可以大大缩短装卸时间， 提高运输效率并可节省劳动力，减少劳动强度。随着汽车制造业的发展，自卸车不 断采用新工艺、新材料，提高其质量利用系数，具有较大的速度范围和较高的传动 效率，控制与操纵更完善，更方便。 同时，随着2 1 世纪世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激 烈，产品消费结构不断向多元化、个性化方向发展。企业必须对快速多变的市场需 求做出敏捷响应，更新产品设计，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量， 降低产品的研发成本，这样才能在激烈的市场竞争中求得生存和发展。 我国自卸车发展历史虽已有5 0 多年，现在也已经进入独立研制和开发各种机型 的设计阶段，形成了国产自卸车行业开发、研制、设计、制造和维修的完整体系， 但目前我国自卸车行业的设计和制造的整体水平还相当低，与国外水平差距较大。 1 基于杆组理论的自卸车举升机构分析与优化设计 应该清醒的看到，目前中国虽然已经成为自卸车需求量和生产量的大国，但绝对称 不上是强国。对自卸车举升机构的研究，还仅限于单一设计理论方法的使用，过多 偏重于传统理论上的分析与计算，既缺乏系统的现代设计理论作为指导，理论研究 成果又未真正应用于实际产品的设计之中，绝大多数自卸车厂仍采用传统的方法设 计自卸车举升机构。因此，开展自卸车现代设计方法学的研究，对推广现代设计理 论与方法，提高我国自卸车的设计水平与产品质量，都具有十分重要的理论意义与 现实意义。 自卸车的举升机构是自卸车的重要组成部分，它的性能的好坏直接影响着自卸 车的使用性能和整体布置【3 】。对自卸车的举升机构进行运动分析与受力是进行自卸车 的举升机构设计计算的理论基础，它无论是对分析研究现有自卸车的举升机构工作 性能，还是优化设计新自卸车的举升机构都有着十分重要的作用，而传统的机构分 析方法要么是精度不高，过程繁琐，要么是理论复杂，编程困难，所以对机构运动 分析方法的进一步探讨和理论研究就显得很必要。 传统的机械产品设计基本上属于一种经验设计。当要开发一种新产品的时候， 根据现有的技术资料，进行一些合理的简化和改进。经验设计比较耗费工时，设计 周期比较长，而且设计出来的产品比较笨重，机械性能又低，产品成本也高。造成 这种结果的原因是：传统机械设计是在有限的几个方案中比较和选择一个比较优秀 的方案进行设计的，这使得设计工作带有很大的盲目性和局限性。同时选择的方案 也没有一个十分精确的评价标准来衡量其优劣，设计工作处于一种摸索状态。这种 设计方法要经过设计试制样机再改进再试制，往往要经过几轮的设计 才能达到一定的水平，这使得设计的周期拉的很长，同时也造成了人力、物力上的 浪费，增加了产品的设计和制造成本。而许多厂家对于产品的设计仍然停留在参考 设计的水平上。参考设计是在借鉴别的生产厂家的设计的基础上，对产品的外观和 一些小的装置进行改进，它没有从根本的设计理论上解决问题，从而也没有达到优 化的目的。 本文研究的目的就是以自卸车的举升机构为研究对象，寻找连杆机构之间的共 性规律，运用杆组分析法与参数优化设计方法对自卸车的举升机构进行运动分析与 受力分析，开发一种通用性强的机构运动分析与受力分析方法，开辟研究分析机构 的新途径。本课题所采用的理论和探索的方法将为推动我国自卸车设计水平的提高 提供可靠的理论与实践基础。 2 绪论 1 2 国内研究发展概况1 4 j 我国在机械设计中采用最优化技术的历史很短，但其发展速度却是十分惊人的。 无论在机构综合、通用零部件设计，还是各种专业机械的设计都有最优化技术应用 的成果。张宝生等编著的汽车优化设计理论与方法对汽车主要总成和主要参数 的优化设计进行了较为系统的介绍。自卸汽车举升机构的优化设计正从研究、探讨 走向实际应用阶段。 在计划经济向市场经济转换初期，由于汽车领域不像航天等领域受到重视，国 内大多数自卸车生产企业在举升机构的设计过程中一直沿用经验类比的方法，即传 统的“类比作图试凑法 ，这种传统的设计方法主要是凭借设计者的经验，参照相 同或类似的较为成熟的设计方案，辅以必要的分析计算，确定一个初始的设计方案， 并通过估算，初步确定有关参数；然后对初定方案进行必要的分析及校核计算；如 果某些设计要求得不到满足，则可进行设计方案的修改，设计参数的调整，并再一 次进行分析及校核计算，如此多次反复，直到获得相对合适的设计方案为止。显然， 这种工作方法工作量大、效率低，而且设计出的举升机构往往存在许多不合理的因 素，影响自卸车举升性能的提高，并严重阻碍着自卸车产品的系列化。 随着市场经济的深入发展和市场竞争的激烈，一些研究机构、工程车改装厂在 举升机构的设计中采用了优化方法，并取得了一定的优化成果。 青岛建筑工程学院的刘敏杰等在油缸后推杠杆平衡式举升机构的优化设计、 油缸后推杠杆平衡式举升机构的设计研究、自卸汽车举升机构优化设计约束条 件的研究等文献中以初始举升力系数k 0 为优化目标，对油缸后推杠杆平衡式举升 机构的优化设计进行了研究和讨论。 青岛建筑工程学院田福祥在自卸汽车单缸四杆举升机构优化设计中以建造 纵深最小化为设计目标建立举升机构优化设计的数学模型，对某厂生产的自卸汽车 举升机构进行优化设计，建造纵深比原设计减少1 2 。 吉林工业大学秦四成、扬成康、黄海东在自卸汽车y 形举升机构优化设计 中，以确定举升油缸行程及举升力系数k 作为优化设计的目标函数，进行优化设计 使举升力系数和油缸行程较原方案有所改善。 秦四成、胡恩、黄海东等在8 吨自卸汽车新型举升机构优化设计中以初始举 升力系数k o 作为优化设计的目标函数，使初始举升力系数具有较小的数值，减小举 升油缸的结构尺寸，降低举升机构的制造成本。 丹东汽车制造厂高军在油缸浮动连杆组合式举升机构的优化设计中，讨论 3 基于杆组理论的自卸车举升机构分析与优化设计 了以油压波动及初始油压为优化目标进行优化设计的思路。 铁道部襄樊内燃机车工厂专用汽车厂张冬岩在举升机构铰支点初始位置的优 化计算中，以油压p ( o ) 时波动值为目标函数进行优化设计。系统油压特性曲线得 到了较大改善，变得平滑和较稳定。p m 缸较优化前下降了2 4 ，对提高液压元件的 使用寿命起到关键的作用。 中南林学院杨蹈宇在自卸汽车伽伍德式举升机构优化设计数学模型中，给 出了优化设计的目标函数和评价指标，并介绍了约束条件的给出方法以及优化中应 注意的事项，为企业的自卸车设计提供了一套良好的设计方法。优化设计作为一种 新的设计方法具有综合的本质，它能够把过去的设计开发经验加以总结，寻找出更 优的结构。优化技术将越来越得到更为广泛的应用。 另外，虽然对自卸车举升机构的研究已取得一定实际效果和理论成果，但是， 大多数自卸车生产厂家只提供一种类型的举升机构，很难满足用户个性化和多样化 的需求，到目前为止只有北京木卫自卸车技术开发公司开发的自卸车举升机构计算 分析系统软件，只能进行有限几种类型举升机构的设计计算，尚未具备对举升机构 进行优化的功能。 1 3 课题的提出及主要研究内容 对自卸车举升机构进行分析和优化设计的研究，在国内已有十几年的历史，并 取得了一定的研究成果，己经在工程中得到应用。总结过去在自卸车举升机构运动 分析和优化设计方面的工作，还存在一些尚未解决的问题，又进一步研究的必要。 当苏联机械学家阿苏尔提出机构组成学即阿苏尔运动链( 杆组) 的概念后，就发展 有了后来的用杆组分析法来进行机构的运动分析。采用此方法，不论自卸车举升机 构采用的是哪种结构形式，依据杆组理论都可以将这些机构分解成各类杆组，从而 把对机构的分析转化为对杆组的分析。从结构上看，杆组显然比由它组成的机构简 单，所以这一理论使机构分析大为简化；更重要的是，杆组是一个自由度为零的基 本运动单元，该单元具有运动和力的确定性。这样可事先对各级杆组进行分析，当 对具体机构分析时，可依据分解顺序来调用此机构分解出来的杆组的现成解，从而 使机构分析更迅速和简单。 由于作用在机械上的力，不仅是影响机械的运动和动力性能的重要参数，而且 也是决定相应构件尺寸及结构形状等的重要依据。所以必须对自卸车举升机构进行 受力分析。经过对自卸车举升机构运动过程的认真分析后，确定对工作装置进行静 4 绪论 力学分析，这时仍可假定原动件油缸作等速运动，以便使得问题简化。具体进行受 力分析的方法有图解法和解析法，前者形象直观、易于掌握，但精度不高，过程烦 琐；而后者建模复杂，求解困难，但相对精度高，随着计算机的发展，已被广泛应 用。 对自卸车举升机构连杆机构的设计，过去一直沿用类比法和作图试凑法。类比 法和经验公式法一般只适用于同类型产品即结构型式、工作对象和条件基本相同的 设计。这种设计所得结果可能通过校核检验，符合基本设计要求，但是否能达到最 优、最好值得研究。为了显著的提高设计质量和效率，必须研究和采用现代设计方 法。运用优化理论借助计算机进行自卸车举升机构的优化设计就是其中一种。优化 设计方法是一种自动选优的现代设计法。数学规划理论的创立，电子计算机技术的 普及，使得该方法得以实现和发展。 针对自卸车举升机构分析和优化设计的研究现状，本文将运用杆组分析法建立 自卸车举升机构分析的数学模型，开辟研究自卸车举升机构运动的新途径；同时对 自卸车举升机构施加一定载荷，对它各构件进行受力分析，并探索自卸车举升机构 优化设计的合理方法；利用面向对象可视化v i s u a lc + + 6 0 开发工具，开发自卸车举 升机构连杆机构的选型、分析、优化设计及运动仿真系统，实现其参数输入输出的 可视化及自卸车举升机构运动特性的动态显示。本文的研究内容便是基于上述思路 展开的。 本文对自卸车举升机构进行了以下几个方面的研究： 1 、对杆组分析法的具体理论进行了阐述，并建立了用杆组分析法进行连杆机构 运动分析和受力分析的杆组数学模型。编写常用的基本杆组及有源杆组的运动分析 与受力分析子程序，运用杆组分析法对连杆机构进行分析，不仅准确快捷、调用方 便，而且对各种不同类型的平面连杆机构都具有通用性。 2 、对优化设计的具体应用技术，如数学模型的建立、目标函数的选择、约束条 件的建立、优化方法的选择等进行了阐述。对优化设计的主要方法进行了比较，确 定自卸车举升机构的优化设计方法一复合形优化设计方法。对自卸车举升机构进行 优化设计，优化后的各项性能指标比优化前有所提高，机构布置也比以前更合理、 紧凑。 3 、利用v i s u a lc + + 6 0 开发面向对象可视化的自卸车举升机构的参数化设计与 分析软件。利用所开发的软件可对举升机构进行运动分析、受力分析、参数化设计、 优化设计及运动仿真。设计与分析的结果以数据与图形进行输出。自卸车举升机构 5 基于杆组理论的自卸车举升机构分析与优化设计 的运动仿真，不仅可以检验设计方案的合理性，而且可以检验机构各构件在运动过 程中是否发生干涉、机构参数设计是否合理，为自卸车举升机构的设计提供了一个 有效的工具。 6 杆组理论与分析 第二章杆组理论与分析 2 1 机构学与机构 机构学来源于机械工业生产的实践总结，对机构学基本理论的深入研究有力地 推动和促进了机械工业中许多新产品、新设备的出现和发展。随着生产自动化的全 面发展和机器人技术的推广应用，机构作为一种执行动作的必需装置，对它的深入 研究和不断创新将会显示出愈来愈重要的作用【5 j 。 机构学是机械设计所依据的最重要的基础理论学科之一，它是十八世纪下半叶 力学与机械相结合的产物【6 ，7 】。机构学是以运动学和动力学为主要基础，以数学分析 和实验为手段，研究各类机构的基本运动规律和动力行为，提供运动和动力分析与 综合( 设计) 的理论与方法的学科。机构学为发明、创造机械，改进现有机械提供 正确有效的理论和方法。机构学研究的对象目前仍以刚性机构系统为主，已经包容 弹性体、挠性体，引入控制手段，向机、电、光、液相结合的方向发展，以适应现 代机器的设计要求。由于计算机技术的发展与普及，使机构学的研究方法大大改进。 先进的计算工具和丰富的计算方法在机构学中成功的运用，使机构学中研究内容的 深度与广度有了纵深发展。 机构是指“把刚体的机械运动转变为其他刚体的指定的机械运动的系统，系统内 各个单元( 构件) 通过相互间的活动连接作确定的相对运动”。而机构学是研究机构 所共有的运动和动力特性以及相应的设计方法。机构学实用性很强，它和国民经济 的发展有着密切的关系。大到各种机器设备，小到各种器具、电器以及日常用品， 甚至各种玩具，往往都可以发现机构学的课题。有时一个机构学问题的解决，可以 产生巨大的经济效益。因此，深入研究机构学是很必要的。 机构的运动学和动力学分析是机构设计中非常重要的一个方面，是机构设计的 基础。而其分析的方法主要有图解法【8 】和解析法。图解法的特点是形象直观，其缺点 是精度不高，用于构件少的简单的平面机构。而解析法的特点是通过运用机构已知 参数和应求的未知量建立的数学模型进行求解，从而可获得精确的计算结果。但是 传统的解析法中多数是用结构化的程序( 如f o r t r a n ) 来实现的，其使用效果很难为 用户所接受，因此，很难得到推广应用。为了解决上述问题，本文将面向对象技术 与杆组分析法相结合，使用可视化的开发工具v i s u a lc + + 6 0 研发了一套全新的、界 面友好的、交互性强的基于杆组的自卸车举升机构运动学和动力学分析与仿真软件 系统。利用本软件可以在很短的时间内自动完成自卸车举升机构的设计。 7 基于杆组理论的自卸车举升机构分析与优化设计 2 2 计算机辅助机构分析与仿真技术研究目的和意义 各种c a d 绘图软件在我国制造行业中，特别是机械制造业中，己经得到广泛应 用，这不仅大大减轻绘制图形的劳动量，提高了绘图的精度，而且也提高了生产率 和产品质量。但是在我国的机构设计中一般是用手工计算来完成机构运动学和动力 学分析，到目前为止我国制造行业的大多数厂家或企业仍在使用这种方法。实际上， 这种传统手工方法存在诸多弊端。 首先，其工作效率非常低，计算机构中一个杆件在一个位置上的一个点的位移、 速度、加速度和反力可能要花费几天的时间，要完成一个杆件的所有杆件上的任意 点在整个运动周期内的所有运动学和动力学参数计算所需的时间就长得多了，在科 学技术飞速发展的信息时代的当今，这是不允许的。所以，实际上传统手工计算仅 仅是一种凭经验作了极大简化处理的粗略计算，就算如此，还是大大地延长了设计 周期； 其次，由于工作效率低下和手工作图计算的不精确，必然造成分析结果的可信 度大打折扣； 其三，传统手工计算输出的结果是数字，不够生动形象，给方案评价带来不便； 其四，某些复杂机构的分析必须求解复杂方程组，用手工计算无法完成，必须 借助于数值计算方法才能解决计算机辅助机构分析与仿真技术。 借助于计算机和相应的建模和分析软件来完成机构的运动学和动力学分析并实 现运动过程的动态模拟，即使是复杂的机构，也可以在很短的时间内完成整个建模、 分析和仿真过程。它克服了传统手工方法的所有缺点，可大大缩短设计周期，保证 分析结果的正确性，生动形象地模拟运动过程，能解决用手工计算无法完成的复杂 机构的分析。 目前，我国制造业使用的机构分析与仿真软件几乎完全依赖进口，付出了昂贵 的代价，而国内自主版权的同类软件几乎没有，因此，从提高我国制造业的新产品 开发能力和发展高技术软件产业的角度来看，开展计算机辅助机构分析与仿真技术 及软件的研究开发具有十分重要的现实意义和必要性。 2 3 平面机构的组成原理 任何机构都包含机架、原动件和从动件系统三部分。由于机构具有确定运动的 条件是原动件的数目等于机构的自由度数目，因此，如将机构的机架以及和机架相 连的原动件与从动件系统分开，则余下的从动件系统的自由度应为零。有时这种从 8 杆组理论与分析 动件系统还可分解为若干个更简单的、自由度为零的构件组。这种最简单的、不可 再分的、自由度为零的构件组称为基本杆组或称为阿苏尔杆组。任何机构都可以看 作是由若干个基本杆组依次联接于原动件和机架上所组成的系统，这就是机构的组 成原理。 2 3 1 机构的运动分析 所谓机构的运动分析，就是对机构的位移、速度和加速度进行分析。这里研究 的内容是不考虑机构的外力及构件的弹性变形等影响，仅仅研究在己知原动件的运 动规律的条件下，分析机构中其余构件上各点的位移、轨迹、速度和加速度，以及 这些构件的角位移、角速度和角加速度。有了这些运动参数，才能分析、评价现有 机械的工作性能，同时它也是优化综合新机械的基本依据。 通过位移( 包括轨迹) 的分析，可以确定某些构件运动所需的空间或判断它们 运动时是否发生相互干涉；还可以确定从动件的行程，考查构件或构件上某点能否 实现预定位置变化的要求。为了确定机壳的外廓尺寸，就必须知道机构中外端点的 运动轨迹和所需要的运动空间范围等等。通过对速度的分析，可以确定机构中从动 件的速度变化是否满足工作要求。例如牛头刨床，要求刨刀在刨削工件的工作行程 中的速度接近等速，从而提高加工质量和刀具寿命，而刨刀空行程时，又希望快速 返回，提高生产效率，节省能耗。同时速度分析也是机构的加速度分析和受力分析 的基础。对机构加速度的分析，是计算惯性力不可缺少的前提条件。在高速机械中， 要对其动强度、振动等动力学性能进行计算，这些都与动载荷或惯性力的大小和变 化有关。因此，对高速机械，加速度分析不能忽略。平面连杆机构运动分析的方法 很多，主要有图解法、解析法和实验法三种。图解法的特点是形象直观，对构件少 的简单的平面机构，一般情况下用图解法也比较简单。但其缺点是精度不高，而且 当对机构一系列位置进行运动分析时，需要反复作图，真正进行起来也很繁琐。图 解法包括速度瞬心法和相对速度图解法。而解析法的特点是直接用机构己知参数和 应求的未知量建立的数学模型进行求解，从而可获得精确的计算结果。随着现代数 学工具日益完善和计算机的飞速发展，快速、精确的解析法已占据了主导地位，并 具有广阔的应用前景。目前正在应用的运动分析解析法，由于所用的数学工具不同， 其方法名称也不同，如复数矢量法、矩阵法、矢量方程法等。这些方法只是使用不 同数学工具而并未涉及机构运动分析方法的本质，按机构运动分析的本质不同可分 为以下三类： 9 基于杆组理论的自卸车举升机构分析与优化设计 1 ) 针对不同机构建立适合该种机构的具体数学模型。此种方法编程简单，但每 种机构都要单独重新编程，所以通用性差。 2 ) 把机构视为一个质点系，对各运动副间以杆长为约束建立非线性方程组，进 行位置求解，而后再求解速度和加速度，该方法通用性很强，但计算程序复杂庞大。 3 )根据前面介绍的机构组成原理，机构可由i 级机构+ 基本杆组组成，当给定 i 级机构的运动规律后，机构中各基本杆组的运动是确定的、可解的。因此，机构的 运动分析可以从i 级机构开始，通过逐次求解各基本杆组来完成。这样，把i 级机构 和各类基本杆组看成各自独立的单元，分别建立其运动分析的数学模型，然后再编 制成通用子程序，对其位置、速度及加速度和角速度、角加速度等运动参数进行求 解。当对具体机构进行运动分析时，可以通过调用原动件和机构中所需的基本杆组 的通用子程序来解决，这样，可快速求解出各杆件及其上各点的运动参数。这种分 析方法称杆组法运动分析。对各种不同类型的平面连杆机构都适用。 杆组分析法是以机构中的“阿苏尔杆组”为基本单元，按各基本单元编制通用 的运动分析子程序，在进行机构运动分析时，先将机构划分成基本杆组，然后逐个 对每一基本杆组进行运动分析，最终完成整个机构的运动分析。国内的很多教授和 学者对平面连杆机构的运动分析提出了很多有效的方法，比如用杆长逼近法，对平 面多杆机构进行位置分析；用虚拟机构法 9 1 解决高于i i 级杆组的机构分析问题等等。 国外对机构分析的研究几乎与国内并行进行，1 9 8 6 年意大利学者c u g a l l e t i 和日本 学者h f u n a b a s h i 提出将机构看成由元析架组成，首先求出元析架的位置，然后便可 确定整个机构的位置，这种方法实质上与杆组分析法类似。 2 3 2 机构的受力分析 所谓的机构受力分析就是给定外力( 包括驱动力或工作阻力、重力和惯性力等) ， 求机构中各运动副的约束反力。也可给出工作阻力计算驱动力，或者给出驱动力求 工作阻力等。作用在机构上的力，有驱使机构运动的驱动力，加工生产产品的工作 阻力，构件在流体中受到的介质阻力，构件本身的重力，构件在变速运动中产生的 惯性力，以及由上述力对构件的作用。就整个机构而言，约束反力总是成对出现的， 因此，它属于内力，而对于一个构件来说则是外力。 对于低速轻载机构进行力分析时，由于它的运动速度和加速度较小，而且在运 动副中有适当的润滑，惯性力和摩擦力对机构的影响不大，常可忽略不计。不计惯 性力力分析，称为机构的静力分析。对于高速和重型机械，由于其中某些构件质量 1 0 杆组理论与分析 较大，在运动中加速度也很大，以至由此产生的惯性力也相当可观。因此在进行受 力分析时就必须考虑惯性力的影响。在动力分析时，根据达朗伯原理，将惯性力视 为一般外力加在受该惯性力的构件上，与其它外力一起处于静力平衡，这样就可以 采用静力学方法分析动态问题，即所谓的动态静力分析。因此，本文的计算公式， 既是静力分析，也隐含着动态静力分析。 2 4 杆组分析法基本知识理论 2 4 1 杆组的定义 任何机构都可以认为是由机架、主动件和从动件系统三个部分所组成的。由于 每一主动件具有一个自由度，因而机构中主动件的数目与机构的自由度数相等，由 此可知：从动件系统的自由度应该等于零。虽然各种不同的机构从动件系统的构件 数目各不相同，但从动件系统一定可以分解成一个或若干个不可再分解的自由度为 零的运动链，这种运动链称为杆组f 1 0 】。 如图2 1 所示自由度为1 的六杆平面机构，当把机架6 和主动件1 拆除后，剩下 的从动件系统2 3 4 5 又可分为由构件2 3 和4 5 构成的两个杆组。 、 图2 1 六杆机构及其杆组 因为杆组的概念是由俄国机构学者阿苏尔( j i b a c c y p ) 首先提出的，所以杆组 又称为阿苏尔运动链，杆组的概念已成为研究机构组成的理论基础。根据杆组的概 念可以认为机构是由一个或若干个自由度为零的运动链依次联接到机架和主动件上 而形成的。 2 4 2 杆组的分类及特性 在讨论杆组分类时，仅限于分析平面低副机构，这是因为高副机构总可以通过 高副低代转化为平面低副机构。 基于杆组理论的自卸车举升机构分析与优化设计 根据平面机构自由度数公式，杆组的构件数n 与低副数p 满足以下公式： 3 n - 2 p = o 又因n 与p 都是整数，因此，只能按下表2 1 列出的数据取值： 表2 1 r l 、p 的取值情况 n2468 p 369 1 2 n = 2 ，p = 3 的杆组有图2 2 所示的五种。图2 2 中运动副a 、c 为杆组的外副，b 为内 副，外副若为转动副时画实心圆，如把三个运动副都改为移动副时则失去杆组的性 质。 、 a n = 4 ，p = 6 的杆组见图2 3 所示。 n = 6 ，p = 9 的杆组见图2 4 所示。 杆组可以按其包含的封闭形 是几边形而分级。如图2 3 ( a ) 及图2 4 ( a ) 的杆组中包含有刚 性的三边封闭形，因而属于级 ( a ) b i 凸i c c 图2 2n = 2 ，p = 3 的杆组 b o ( a )( b ) 图2 3 n = 4 ，p 的杆组 ( b )( c ) 图2 4 n = 6 ，p - - 9 的杆组 1 2 杆组理论与分析 组；图2 3 ( b ) 及图2 4 ( b ) 的杆组中包含有可变的四边封闭形，因而属于级组； 图2 4 ( c ) 的杆组中包含有可变的五边封闭形，故属于v 级杆组；其余依次类推。 至于图2 2 所示杆组则属于i i 级杆组。在生产实际中，i i 级杆组应用最广，其次是i 级杆组和级杆组，而更高级杆组则很少见【1 2j 。 杆组具有运动确定性和静力确定性。所谓运动确定性即杆组的外副若与运动己 知的构件相联接，则杆组中每一构件的运动都是确定的，可以用一定的运动分析方 法求出。所谓静力确定性是指如杆组上作用的外力系已知，则杆组的各运动副中的 约束反力未知数可由杆组本身各构件的平衡方程式解出。由于杆组具有这两个特性， 因而将机构的从动部分划分为杆组的做法，对机构的运动分析和受力分析皆具有指 导意义。 2 4 3 机构结构分析方法 任何一个机构都可看成是由一个或若干个杆组依次连接到机架与主动件上而组 成的。即机构的组成为： 机构= 机架+ 原动件+ 杆组 机构的结构分析方法就是把已知机构分解为原动件组和杆组并确定机构级别的 过程。它与杆组扩展形成机构的过程正好相反，一般是从远离原动件组的构件开始 拆组。可先试拆i i 级杆组，如不可能，再试拆高级杆组，直至剩下原动件组为止。 每次拆组后，均应保持剩余部分的运动特性与拆组前相同。机构的级别由所含杆组 的最高级别而定，如所含杆组的最高级别为i i 级，则称该机构为i i 级机构；如所含 杆组的最高级别为i 级，则称该机构为级机构；其余依次类推。m 级及级以上 的机构又统称为高级机构。只有原动件组( 不含杆组) 的机构则称为i 级机构。 2 4 4 杆组概念向有源组的引伸【1 3 j 在平面连杆机构中，原动件大多为连架杆，但也有少数例外，譬如含有气、液 压元件的平面连杆机构，其原动件就不是连架杆了。为了对原动件为非连架杆的平 面连杆机构进行结构分析，可设想把前述杆组演变成含有气、液压元件的“杆组”。 如图2 5 所示，假设在i i 级组中将某构件一分为二，并用液压或气动元件联接，从 而派生出“一缸i i 级组”；同理，由i 级组、级组可分别派生出“一缸级组