含间隙的机构动力学研究进展

2006年9月 陕 西 理 工 学 院 学 报

第22卷第3期 JournalofShaanxiUniversityofTechnologySept.2006Vo.l22 No.3

[文章编号]1673-2944(2006)03-0050-05

含间隙的机构动力学研究进展

何 勇, 李 冬

(陕西理工学院机械工程学院, 陕西汉中 723003)

[摘 要] 运动副间隙对一些机械系统的影响不容忽视。从建模方法、数值研究方法和近年

来的研究状况等方面对含间隙的机构动力学进行了综述,总结了含间隙机构动力学的发展现

状,指出了今后研究中应注意的问题。

[关 键 词] 间隙; 机构; 动力学

[中图分类号] TH112.4 [文献标识码] A

1 问题的提出

在机械系统中,机构的运动副是连接两构件并保持二者有一定相对运动的中间环节。为了保证两构件有相对运动,运动副元件间一般需采用动配合,这就存在一定的运动副间隙。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。另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,机构中运动副间隙是不可避免的。

随着精密机械工程和航天工程的发展,对精确预测系统动力学行为的要求越来越迫切,间隙的存在破坏了理想机构模型,也使机构的实际运动和理想运动之间产生误差。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,从而影响了机构的受力性能,尤其是对于高速机构此影响更大。由于有间隙,运动副元素之间可能会发生猛烈冲击和碰撞,增加构件的动应力,造成杆件弹性变形增大、磨损加剧,产生噪声和振动,效率降低。由于间隙量很小,对静态运动精度一般不会产生很大的影响,但是高速度是现代机械的一个重要标志和发展方向,随着速度的提高,运动副之间间隙的影响也愈加明显。这一切都使得在进行高速机构和高速、轻质、高精密机器人的分析和设计时,不得不对运动副间隙加以考虑。

基于以上原因,对于含间隙机构的研究是必要的。尤其是对于这类机械建立准确可靠的动力学模型更是必不可少。到目前为止,含间隙机构的研究已取得了大量成果。本文从建模方法、数值求解和研究现状等几个方面总结了含间隙机构的研究现状,并在此基础上提出了今后的发展方向。

2 研究状况

2.1 建模方法

含间隙机构的动力学建模方法主要分为3类:(1)基于/接触)分离0模型和牛顿法;(2)基于/分离)碰撞)接触0模型和动量定理;(3)基于/连续接触0模型和拉格朗日方程法。

2.1.1 基于/接触)分离0模型和牛顿法的模型

该模型将运动副元素间的相对状态分为分离和接触两种状态来研究,是一种定量的分析方法。它考虑了运动副元素接触表面的线弹性变形与阻尼,碰撞特性可以用等效的无质量弹簧阻尼器来描述。也考虑了间隙对构件加速度的影响,但这种方法计算比较麻烦。在对用二状态模型所建立的系统动力学方程进行数值积分时,需要首先确定运动副元素之间是处于何种状态(分离或接触),然后根据所确收稿日期:2006-05-26

作者简介:何勇(1979))男,陕西汉中市人,陕西理工学院助教,西北工业大学在读硕士生,主要研究方向为机械设计及理论,多柔体系统动力学。