最新刊期
      2022 年 第 9 期
      本期电子书

        理论研究

      • 代青林,张中理,陈勇,王毅,肖森
        2022, 46(9): 1-10. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.001
        摘要：纯电动汽车两挡干式双离合器自动变速器通过控制两离合器的接合与分离完成换挡。由于离合器的摩擦因数随温度改变而变化，采用参数自适应方法对摩擦因数进行了实时在线参数估计。根据换挡动力学模型，设计了一种基于扩张状态观测器的反步控制器，通过给出电机与1挡离合器从动盘的目标转速，将换挡过程转化为转速跟踪问题。通过仿真和硬件在环验证了该控制器在外界干扰的情况下仍能有效保证自动变速器的换挡品质，且具有良好的鲁棒性。  
        关键词：双离合器变速器;扩张状态观测器;鲁棒控制;换挡品质   
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        发布时间：2022-09-26
      • 陈锋,李威霖,何胤达,张众杰,吕冰海,杨庆华
        2022, 46(9): 11-18. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.002
        摘要：减速器传动效率是影响整个传动系统效率的主要因素，建立减速器传动效率模型，并对其影响因素进行分析，对于提升电动汽车用减速器传动效率意义重大。针对电动汽车用减速器的特点，分析了齿轮啮合损失、轴承损失、搅油风阻损失和油封损失4种因素对传动效率的影响，建立了传动效率计算模型，开展了润滑油、转速及转矩对电动汽车用单挡二级减速器传动效率影响的理论研究；搭建高速三轴综合性能检测台架，开展了模型精度及传动效率影响因素的正交试验研究。结果表明，所建模型的仿真结果最大相对误差为-0.59%，优于ISO/TR 14179—1：2001的-1.75%；随着转速增加，传动效率逐渐降低，对传动效率的影响程度最大；随着转矩增大，传动效率逐渐提升；润滑油温度越低，传动效率越低；润滑油牌号对传动效率影响不明显，润滑油黏度越小，传动效率越高，对传动效率的影响程度最小。  
        关键词：电动汽车;减速器;传动效率;正交试验   
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        发布时间：2022-09-26
      • 莫帅,杨振宁,冯志友,李旭,周长鹏,岑国建,黄云生
        2022, 46(9): 19-27. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.003
        摘要：目前，机器人关节伺服器向着微型化、集成化发展，针对智能机器人操作精度要求高，对机器人关节伺服器典型的电机拖动齿轮机电耦合系统，进行不同工况下的动态特性研究十分有必要。为此，根据多级齿轮系统时变啮合特性及无刷电机动态特性，建立了多级齿轮系统动力学模型和无刷电机动态模型，搭建了机器人关节伺服器传动系统机电耦合动力学模型；分析了该系统的自由扭振特性和系统模态能，并进一步研究了在稳态工况和冲击载荷工况下机器人关节伺服器传动系统的动态响应特性。结果表明，多级齿轮系统和电机之间存在机电耦合效应，在该系统遭受冲击后，齿轮副啮合力以及齿轮扭振波动变得剧烈后趋于稳定。  
        关键词：机器人关节;微型伺服器;传动系统;机电耦合;动态特性   
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        发布时间：2022-09-26
      • 刘璇,吴兆敏,王唱,张建华
        2022, 46(9): 28-35. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.004
        摘要：酒醅出料工作是酿酒业生产环节中的必要工序，利用机械臂实现其自动化工作的难点包括工作空间狭长、酒醅形态松散易洒落。工作空间狭长，抓取末端需要进行多次抓取；易洒落，需要保证抓取末端的密闭性和抓取后运动过程中抓取末端姿态的可控性等。针对出料工作需要多次抓取的问题，提出了一种关节划分策略。依据关节重要性，划分关节类型并选择合适次数的轨迹规划算法；在满足机械臂运行性能的前提下，降低了每次抓取规划的计算难度。针对抓取末端的密闭性要求，设计了一种可以保证底部密闭的抓取末端。针对运行过程中对姿态可控性的要求，建立姿态调整模型，提高了机械臂基于关节空间下运动规划时末端姿态的可控性。  
        关键词：酒醅抓取;轨迹规划;关节空间;姿态调整   
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        发布时间：2022-09-26
      • 祁岩,廖鸿辉,汪旭东,柳在鑫,李金宽
        2022, 46(9): 36-41. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.005
        摘要：基于滚柱包络端面蜗杆传动副的啮合原理，综合考虑中心距、滚柱半径、喉颈系数、蜗轮直径各项几何参数的影响，根据弹性流体动压润滑理论，在Matlab中采用牛顿迭代法和Newton-Raphson法对其数值计算求解，对该新型传动副共轭齿进行研究，完成了共轭齿间线接触问题的分析；给出了该传动副共轭齿面在几何参数变化下，粗糙度幅度值大小变化下的润滑油膜压力和油膜厚度示意图，并进行了分析。结果表明，该传动副性能较好，影响润滑的重要参数为滚柱半径与啮合位置，而喉颈系数和蜗轮直径参数对润滑特性影响不大；共轭齿面间能够产生全膜润滑，避免发生直接接触，减小磨损量并降低油温，能够同时提升传动效率与抗胶合能力。为该新型传动副的研制提出了必要的理论依据。  
        关键词：滚柱;粗糙度;弹流润滑;油膜压力;油膜厚度   
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        发布时间：2022-09-26
      • 姚俊华,洪荣晶
        2022, 46(9): 42-48. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.006
        摘要：为了提高齿轮加工精度，提出了一种针对机床误差与齿轮误差映射关系的建模方法。根据齿轮啮合原理和空间包络铣削理论，建立包含机床误差的齐次坐标变换矩阵，并求解了相应的齿轮端面廓形。经过误差敏感性分析发现，齿廓、螺旋线偏差与Y轴和Z轴偏转误差成正比例关系并且满足叠加原理。根据工件误差检测结果，计算出各轴误差补偿分量。实验结果表明，齿廓偏差由7级精度（ISO 1328-1：2013）提高到4级精度，螺旋线偏差由7级精度提高到6级精度。  
        关键词：包络铣齿;加工误差;轮齿偏差   
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        发布时间：2022-09-26
      • 车林仙,何兵,李杰,蒋海义
        2022, 46(9): 49-58. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.007
        摘要：提出了一种新型面对称两移动两转动2RUPaR-2RRU并联机构，应用旋量理论分析其自由度，并确定了其运动特性。该机构可作为振动筛的本体结构。建立机构位置分析模型，得到位置逆解解析表达式；应用矢量法分析机构速度，得到输入、输出Jacobian矩阵，并据此分析了机构奇异位形；应用输入、输出传递指标评价机构运动和力传递性能，给出有效传递姿态工作空间和有效传递位置工作空间（Effective transmission positional workspace，ETPW）的定义和数值计算方法。以ETPW最大为目标，建立机构尺度参数约束优化模型，并应用差分进化算法求解该问题；给出了机构尺度优化设计实例。结果表明，模型和算法可行有效，优化后的机构ETPW明显增大。  
        关键词：并联机构;位置分析;奇异位形;性能指标;尺度参数优化   
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        发布时间：2022-09-26

        设计计算

      • 金国光,侯旭睿,魏展,王志敏,宋艳艳
        2022, 46(9): 59-66. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.008
        摘要：为了准确分析运动副间隙对机构动力学特性的影响，在Gonthier接触力模型基础上引入非线性刚度系数，得到改进的Gonthier模型，可以更加精确地描述运动副内的弹性力。基于平面四连杆机构并应用牛顿–欧拉方程，建立了含二状态间隙系统动力学方程；利用Adams软件仿真验证了间隙模型的正确性；分析不同间隙、转速、摩擦因数对机构摇杆加速度的影响，并研究了运动副内轴的接触、自由两种状态。结果表明，在一定条件下，轴在运动副内具有碰撞、接触、自由3种状态；系统稳定后，轴在运动副内始终处于接触状态，说明轴在运动副内的运动并不是随机碰撞；机构主要通过接触点变形产生的接触力而不是轴与轴承的碰撞力来传递动力。计算结果可以很好地预测间隙发生位置，对抑制间隙导致的机构振动、磨损等具有重要的理论价值。  
        关键词：接触力模型;运动副间隙;碰撞;动力学   
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        发布时间：2022-09-26
      • 于新悦,张春燕,平安,丁兵,杨杰
        2022, 46(9): 67-73. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.009
        摘要：为满足在多种地形下更好地完成任务的需求，设计了一种具有行走模式、越障模式和半折叠模式、并可根据不同地形改变运动模式的四足多模式移动机器人。当机器人处于行走模式时，可在普通较平坦路面行走；处于越障模式时，可通过提升腿部高度翻越障碍物；处于半折叠模式时，通过平台的折叠，可缩短轴距，用于较狭窄路况。利用螺旋理论对机构的平台以及腿部进行了自由度分析；运用D-H参数法求解了四足机器人的正运动学方程；利用Adams仿真软件对机器人的3种模式进行了仿真。结果表明，该机器人可完成行走、越障、半折叠平台通过一定宽度通道的任务，实现了机器人的多运动模式。  
        关键词：多模式;自由度;移动机器人;仿真   
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        发布时间：2022-09-26
      • 夏万,邓援超,辛军炜
        2022, 46(9): 74-83. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.010
        摘要：在高档纸盒的内盒成型工位设计了一种用于长方形纸板围条折弯的八杆机构，对其进行了理论分析与仿真，验证其是否能达到纸盒成型过程中形成两面折弯角的目标。基于平面连杆机构运动学原理与动力学原理，对机构进行分析，得到机构的运动学模型和动力学模型；结合实际工况，运用Adams软件对机构进行了仿真；得到关键构件的位移、速度与加速度方程和构件的动态静力学方程，以及关键构件的位移、速度、加速度和理想状态下与含间隙转动副条件下的力曲线。仿真得到的曲线分析结论符合设计要求且提供了一定的参考性，从而验证了折弯八杆机构的确定性。  
        关键词：八杆机构;运动学;动力学;Adams   
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        发布时间：2022-09-26
      • 李媛媛,刘相权,马飞
        2022, 46(9): 84-91. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.011
        摘要：为提高协作机器人在目标空间内避开实时障碍物的灵活性，提出了一种综合性优化指标并对其关键杆件进行尺寸优化。首先，对优化的协作机器人进行运动学分析，建立数学模型，求解可达工作空间；然后，以拿取任务路径为参考，选取目标空间，定义灵活性综合评价指标为优化目标，运用粒子群算法对关键尺寸参数进行优化设计；对比了优化前后机器人灵活工作点在任务空间内的分布。结果表明，优化后的机器人灵活工作点占比明显增大，验证了该优化设计方法的有效性。  
        关键词：协作机器人;灵活性;尺寸优化;粒子群算法   
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        发布时间：2022-09-26
      • 马志广,王康康,张磊乐,宋艳,贾少薇
        2022, 46(9): 92-96. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.012
        摘要：在研究踝关节康复运动机理的基础上，提出了一种3自由度刚柔耦合并联踝关节康复机构，以解决现有康复机构存在的柔顺性差、惯性冲击大等问题。求解了该并联康复机构的运动学正反解，验证了计算结果的正确性；进一步求解了机构的雅可比矩阵，分析了机构的绳索速度变化与动平台速度变化的关系，并对机构的位置变化及速度变化进行了仿真分析。结果表明，设计的机构运动平稳，可以满足踝关节康复训练的要求，也为后续控制系统的研发提供了理论基础。  
        关键词：踝关节康复;并联机构;运动学;绳传动   
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        发布时间：2022-09-26
      • 任宁,周峰
        2022, 46(9): 97-102. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.013
        摘要：爬升齿轮作为自升式平台齿轮齿条式升降系统的重要零件，其结构设计的关键是齿轮参数选择和齿形设计。通常选用大模数、小齿数、大压力角和正变位系数等齿轮参数，而齿形设计则需考虑重合度和法向侧隙对爬升齿轮与桩腿齿条正常啮合运行的影响，以满足齿轮齿条连续运行的基本要求。齿形设计完成后采用3种方法对爬升齿轮齿部进行强度分析，并进行了比较说明，指出有限元法可作为大模数齿轮强度校核的有效方法。  
        关键词：爬升齿轮;齿形设计;重合度;法向侧隙;强度分析   
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        发布时间：2022-09-26

        试验分析

      • 王敬元,杨永飞,李俞峰,陈俊豪,杨林杰,李冬阳
        2022, 46(9): 103-108. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.014
        摘要：为了提高高速齿轮箱密封装置的密封性能，对常用于石油、化工等领域中的高速齿轮传动装置的非接触式迷宫密封进行了分析。通过建立（Computational fluid dynamics，CFD）数值计算模型，分析了该密封装置的密封齿数量、密封压差、油气混合物浓度、甩油环位置等因素对各密封腔回油口回油量及漏油口泄漏量的影响。研究对高速齿轮箱用非接触式迷宫密封的设计具有指导意义。  
        关键词：非接触式迷宫密封;密封齿数量;密封内外压差;油气混合物浓度;甩油环位置   
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      • 钱露露,娄鹏,冯金,罗健,黄钟韬
        2022, 46(9): 109-117. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.015
        摘要：以一种星型轮系人字齿轮传动系统为研究对象，为了查找系统共振原因，建立模态分析3D有限元模型，分析了星型轮系人字齿轮传动系统的模态特性。根据星型轮系试验测试结果，发现转频激励和啮频激励引起的共振是系统振动幅值的主要组成部分；根据这一现象，基于齿轮啮合刚度矩阵，建立3D有限元模型，分析了系统的模态特性。结果表明，仿真所得转频共振模态和啮频共振模态与试验均具有唯一对应性，啮频共振模态主要表现为内齿圈的5节径振型耦合齿轮副扭转振型。该有限元模型的建立为星型轮系人字齿轮传动系统的共振预测和共振原因分析提供了有价值的参考方法。  
        关键词：星型轮系;人字齿轮;3D有限元模型;模态特性   
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      • 徐爱群,饶胜
        2022, 46(9): 118-125. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.016
        摘要：齿轮噪声是检验齿轮加工质量的重要指标之一，同时也是齿轮应用中的常见问题。为了有效改善齿轮噪声，研究了采用适当增加斜齿轮螺旋角来降低齿轮啮合噪声的方法。以门控减速机一级电机轴与斜齿轮为分析对象，通过三维软件建模并简化模型，利用Comsol Multiphysics软件中的声学模块模拟螺旋角19°~23°的齿轮啮合声压级；并使用UT353分贝仪贴近和距离1 m实测了空载和负载工况下螺旋角19°~23°的齿轮啮合声压级。结果表明，通过改变螺旋角，减速机噪声得到了2~6 dB的优化，且负载工况比空载工况优化效果更好。最后，通过限制刀具的使用次数，保证了电机轴和齿轮批量生产的稳定性。  
        关键词：齿轮;螺旋角;噪声   
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        发布时间：2022-09-26
      • 张军,鲍勇仲,储胜祥,张翰芳
        2022, 46(9): 126-131. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.017
        摘要：差速器是汽车传动系统的重要传动部件之一，其故障模式的分析与控制一直是汽车行业内关注的热点。以某搭载紧凑型轿车的低速行驶转弯异响为背景，系统阐述了问题分析与排查过程，通过差速器性能台架实现了异响问题的复现，结合故障零部件的解析，提出了差速器异响问题的潜在机理和解决思路。通过行星轴定位装配方式和加工工艺的优化，准确有效地消除了该车型差速器的异响，这对于整车瞬态工况下传动系统NVH（Noise、Vibration、Harshness）与异响问题的解决排查，具有一定的工程指导价值。  
        关键词：差速器;异响;行星齿轮;半轴齿轮;行星齿轮轴   
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      • 徐颖杰,郑鹏,刘云峰,高杨,徐文博
        2022, 46(9): 132-139. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.018
        摘要：齿轮齿条副是齿轨铁路的关键驱动部件，掌握齿轨车辆运行过程中齿轮齿条副齿面的磨损状况和规律，有利于保证齿轨车辆的平稳安全运行。为此，分析了Strub齿轨形式的齿轮齿条副变安装距传动过程，并对变安装距传动关键参数进行了计算；引入安装距步长和滑移距离步长，将变安装距齿轮齿条副连续传动过程离散化处理，构建了变安装距齿轮齿条副齿面磨损体积和磨损深度数学模型；为了验证数学模型的准确性，进行了齿条磨损试验验证；结合具体实例，分析了不同参数对齿面磨损的影响，得到了影响齿面磨损量的关键因子及其影响规律。结果表明，齿面磨损深度实测值与所建模型理论值变化规律一致，验证了磨损数学模型的准确性。研究发现，齿条齿顶处磨损最为严重，选用变位系数较大的齿轮有利于减小齿条齿面磨损量。  
        关键词：齿轨铁路;变安装距;齿轮齿条;磨损模型   
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        发布时间：2022-09-26
      • 毛江,朱小飞,李立成
        2022, 46(9): 140-145. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.019
        摘要：并联机构具有刚度大、响应快和精度高等优点，适用于悬架领域。提出了一种用于汽车多连杆悬架的新型并联机构。建立机构运动学模型，结合螺旋理论，通过位姿参数分析机构空间运动特点，得到表征运动的螺旋量近似为偶量；结合汽车悬架运动学概念，利用齐次变换矩阵给出车轮定位参数，运用螺旋理论提出了悬架瞬时运动学分析方法。  
        关键词：并联机构;多连杆悬架;位姿参数;运动学   
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        发布时间：2022-09-26
      • 马春生,刘建国,文杰,贺阳涛,樊文龙
        2022, 46(9): 146-151. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.020
        摘要：针对一种新型2-PRU/PUU并联机构的伴随运动及工作空间进行了分析。根据螺旋理论对机构的自由度进行分析；通过修正的Grübler-Kutzbach公式判断了其结果的正确性；通过创建2-PRU/PUU并联机构的运动学数学模型，推导了伴随运动与动平台位姿之间的数学关系，在此基础上，利用三维空间坐标矢量法计算了该机构的位置反解；采用极限边界搜索法在Matlab软件中运算求解出工作空间，并利用Adams软件对2-PRU/PUU并联机构进行了动平台质心运动参数的仿真计算。研究为该机构的尺度综合、误差分析以及为今后实际工程应用提供了理论与数据支撑。  
        关键词：2-PRU/PUU并联机构;螺旋理论;伴随运动;位置反解;工作空间   
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        发布时间：2022-09-26

        开发应用

      • 周欣,刘更,韩冰,乔凯,刘晓丽
        2022, 46(9): 152-158. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.021
        摘要：基于人体下肢关节运动机理与下肢生物力学，介绍了下肢关节的结构、功能和运动范围。对人体下肢进行简化，建立下肢简化数学模型，获得髋、膝和踝关节的姿态坐标方程。利用UG建立模型，使用Adams与OpenSim分别进行仿真测试，得到下肢关节角度、步高和步长曲线。借助Xsens DOT商用穿戴式传感器进行实验测试，仿真结果与实验测试结果相似，关节的角度、步高步长曲线与实际人体行走时测试结果吻合。表明简化模型和仿真测试合理有效，符合人体下肢行走过程。研究为运动测试、康复医疗和外骨骼设计等领域提供了一种简化研究方法。  
        关键词：下肢关节;姿态方程;仿真测试;实验测试   
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        发布时间：2022-09-26
      • 卢欣欣,马骏,张英聪
        2022, 46(9): 159-164. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.022
        摘要：针对行星齿轮箱振动信号具有较强的非平稳特性、故障样本少以及传统深度学习对数据依赖性的问题，提出了一种基于连续小波变换（Continuous wavelet transform，CWT）和无模型元学习（Model agnostic meta learning，MAML）的小样本行星齿轮箱故障诊断方法。通过CWT将行星齿轮箱振动信号转换为时频图像，有效地表达行星齿轮箱非平稳性特征；利用MAML“学会学习”的能力训练小样本的时频图像，对“未见过”的行星齿轮箱故障类型进行测试。通过对不同样本数量、跨工况条件和不同噪声环境下的行星齿轮箱进行故障诊断实验，结果表明，该方法相比于其他方法具有更高的识别精度、泛化性和鲁棒性。  
        关键词：行星齿轮箱;连续小波变换;无模型元学习;小样本学习;故障诊断   
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        发布时间：2022-09-26
      • 史仁贵,朱科,张维林
        2022, 46(9): 165-170. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.023
        摘要：通过对重载齿轮轴进行渗碳、调质及感应淬火试验研究，分析讨论了不同电流频率感应淬火对齿轮轴表面硬度、齿根硬度、齿心部硬度、硬度梯度、金相组织的影响。研究表明，18Cr2Ni4WA钢齿轮轴渗碳、调质加感应淬火，可以有效提高工件表面硬度至58 HRC以上，并整体提高淬硬层硬度梯度值，改善硬化层的金相组织；同时，确保齿心部硬度最佳，提高齿轮轴的弯曲疲劳强度。对含有较多Cr、Ni、W、Mo等低碳合金钢齿轮材料，提供了可提高产品质量的一种热处理工艺方法。  
        关键词：重载齿轮轴;感应淬火;齿心部硬度   
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        发布时间：2022-09-26
      • 王玉,刘辉华,李裕昆,周长江,胡波
        2022, 46(9): 171-176. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.09.024
        摘要：服务机器人、安防侦察车等设备移动范围大、作业空间复杂，易受撞击、堵转或外力冲击等导致过载，从而造成驱动系统齿轮折断和支撑轴弯曲，极大地限制了微小型伺服驱动系统的应用。针对该问题，提出了一种微小型减速器离合保护结构；结合有限元思想，准确地设计了离合弹簧及其保护阈值，并通过离合性能试验进行了验证。结果表明，设计的微小型减速器在过载情况下可以准确地实现离合功能；且实测的离合保护阈值与设计期望值较为吻合，可以限制齿轮承载的最大阈值，使微小型减速器的齿轮工作于设计负载范围内，提高了微小型减速器的工作可靠性。  
        关键词：微小型减速器;齿轮传动;离合结构;过载保护;弹簧   
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        发布时间：2022-09-26
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