电子工业出版社-网上书店

高精密机械、航空/航天工程及机器人工业的快速发展，对机械系统提出了高速、高精度、高效率、高可靠性及长寿命等一系列设计和使用要求；但是，机构运动副中普遍存在的间隙及接触碰撞会导致机构出现动态输出振荡、运动精度下降、可靠性和使用寿命降低，甚至功能失效等问题。针对上述问题，本书开展了相关研究，全书共7章，涉及间隙铰链处接触力建模、含间隙铰链机构的碰撞动力学研究及实验验证等。本书可供机械设计及理论专业的科研工作者、研究生、高年级本科生和相关工程技术人员参考。

第1章  绪论	001
1.1  本书写作背景与意义	001
1.2  国内外相关领域研究现状	004
1.2.1  接触碰撞和非线性接触力建模研究现状	004
1.2.2  含间隙铰链机构碰撞动力学研究现状	009
1.2.3  含间隙铰链机构实验研究现状	016
1.3  现有研究中存在的问题	022
1.4  本书主要研究内容	023
第2章  含间隙铰链机构建模理论和方法	025
2.1  概述	025
2.2  间隙铰链模型	026
2.2.1  间隙描述方法	026
2.2.2  间隙铰链数学模型	027
2.3  间隙铰链处接触力模型	032
2.3.1  法向无阻尼接触力模型	033
2.3.2  法向含阻尼接触力模型	042
2.3.3  切向摩擦力模型	049
2.4  含间隙铰链机构碰撞动力学模型	052
2.4.1  自由运动状态动力学模型	052
2.4.2  接触碰撞状态动力学建模	053
2.4.3  自由运动—接触碰撞状态转换识别	053
2.5  本章小结	054
第3章  改进的无润滑非线性接触力建模及应用	056
3.1  概述	056
3.2  改进的无润滑非线性法向碰撞力模型	057
3.2.1  改进的非线性法向碰撞力模型Ⅰ	057
3.2.2  改进的非线性法向碰撞力模型Ⅱ	063
3.2.3  改进的非线性法向碰撞力模型Ⅲ	069
3.3  改进的切向Coulomb摩擦力模型	079
3.4  算例	080
3.4.1  算例Ⅰ	080
3.4.2  算例Ⅱ	086
3.4.3  算例Ⅲ	094
3.4.4  算例Ⅳ	107
3.5  本章小结	110
 
第4章  改进的含润滑非线性过渡力建模及应用	113
4.1  概述	113
4.2  含润滑间隙旋转铰链建模	114
4.3  含润滑间隙铰链油膜力模型	116
4.3.1  Reynolds方程	116
4.3.2  基于Reynolds方程的油膜力模型	117
4.4  改进的含润滑非线性过渡力建模	120
4.4.1  Flores含润滑非线性过渡力建模	120
4.4.2  改进的过渡力建模	122
4.5  算例	122
4.6  本章小结	133
第5章  含间隙铰链机构碰撞动力学仿真与参数影响规律研究	135
5.1  概述	135
5.2  含间隙铰链机构动力学建模	136
5.2.1  含间隙曲柄滑块机构模型	136
5.2.2  机构运动学和动力学模型	138
5.3  不考虑润滑时的机构碰撞动力学分析	139
5.3.1  径向间隙影响分析	139
5.3.2  驱动载荷影响分析	143
5.3.3  材料特性影响分析	146
5.3.4  恢复系数影响分析	149
5.4  考虑润滑时机构碰撞动力学分析	152
5.4.1  径向间隙影响分析	153
5.4.2  驱动载荷影响分析	156
5.4.3  润滑油动力黏度系数影响分析	161
5.5  本章小结	165
第6章  含间隙铰链机构实验研究	167
6.1  概述	167
6.2  实验原理及实验台系统	168
6.2.1  实验原理	168
6.2.2  实验台设计	169
6.3  实验结果	174
6.3.1  不同间隙下的实验结果	175
6.3.2  不同转速下的实验结果	181
6.3.3  不同材料下的实验结果	185
6.4  实验结果与仿真结果对比分析	189
6.5  本章小结	214
第7章  总结与展望	216
7.1  本书的主要工作及结论	216
7.2  本书的创新之处	220
7.3  本书的不足与展望	221
参考文献	223

高精密机械、航空/航天工程及机器人工业的发展，对机械系统提出了高速、高精度、高效率、高可靠性及长寿命等一系列设计和使用要求。机构作为机械系统中用来实现运动和动力传递的重要组成部分，其设计、建模和仿真分析的准确与否对整个机械系统的功能实现起到至关重要的作用。
针对机构运动副普遍存在的因间隙引起接触碰撞，进而导致机构出现动态输出振荡、运动精度下降、可靠性和使用寿命降低，甚至功能失效等问题。在国家自然科学基金（51275423：行星滚柱丝杠副滚滑摩擦机理与传动效率理论及试验研究）、国家863项目（×××收放机构动态性能分析与评估）、陕西省教育厅自然科技专项基金（17JK0551：基于变恢复系数的间隙铰链接触碰撞机理研究）、西安理工大学博士启动基金项目（106-451117002：含铰间弹塑性变形与时变磨损的机械系统动态特性研究）等的资助下，本书深入开展了旋转间隙铰链处接触力建模和含间隙铰链机构的碰撞动力学研究，设计了相应的实验系统；并且通过各种工况下的实验研究，对书中建立的接触力模型和基于该模型的含间隙铰链机构动态性能理论分析结果进行了验证。
本书的研究内容为有效辨识含间隙铰链机构动态性能影响因素和影响规律，为准确预测含间隙铰链机构的动力学行为，抑制由间隙引起的振动、冲击、摩擦及磨损，开展含间隙铰链机构优化设计、可靠性分析及寿命评估等奠定了理论基础。主要包括以下内容。
（1）基于轴、轴承/轴套间发生正碰撞假设，考虑轴承/轴套轴向尺寸，建立了既满足干摩擦，同时也适用于含油膜润滑工况的、含规则间隙的线接触旋转铰模型。在此基础上，进一步建立了含间隙铰链机构动力学模型，为后续间隙铰链处非线性接触力和含间隙铰链机构碰撞动力学研究奠定了基础。
（2）基于含间隙轴—轴承间“碰撞—恢复”过程的理论分析，详细研究对比了无阻尼Hertz接触模型、Persson接触模型及改进Winkler弹性基础模型，以及含阻尼Hunt和Crossley模型及其几种改进模型，指出了传统模型存在的局限性。在此基础上，针对上述间隙铰链处接触力模型的不足，结合含轴向尺寸的间隙铰模型和改进的Winkler弹性基础模型，分别建立了一种不依赖碰撞恢复系数的非线性法向碰撞力模型Ⅰ，一种满足较大碰撞恢复系数且使用不受间隙、载荷限制的非线性法向碰撞力模型Ⅱ，一种可满足不同间隙、不同载荷及不同恢复系数的非线性法向碰撞力模型Ⅲ，以及一种改进的Coulomb摩擦力模型。以轴—轴承/轴套及含间隙曲柄滑块机构为例，通过理论研究和实验对比分析，验证了本书所建模型的正确性和有效性。其中，改进模型Ⅲ在不同间隙、不同初始碰撞速度及不同恢复系数下，均比Lankarani 和Nikravesh提出的经典法向碰撞力模型具有更高的计算精度。
（3）计入油膜润滑对间隙铰链动态特性的影响，采用本书改进的非线性接触力模型Ⅲ和Hamrock油膜力模型，建立了一种同时考虑挤压油膜作用和楔形油膜作用，且同时满足无限长轴承和无限短轴承的、改进的非线性过渡力模型，并以曲柄滑块机构为例研究了含润滑和无润滑条件下该机构的动态特性。研究结果表明：与无润滑工况相比，当考虑间隙铰链处油膜润滑时，间隙处接触力高频振荡现象得到明显抑制，机构位移、速度及加速度等动态输出特性与理想值基本吻合；但随着间隙值和驱动转速的增大，或润滑油动力黏度系数的减小，间隙铰链处油膜润滑效果变差，机构动态性能下降。
（4）利用本书提出的无润滑非线性接触力模型和含润滑过渡力模型，以曲柄滑块机构为例，建立了考虑间隙及润滑时的动力学模型，详细研究了间隙、转速、恢复系数、材料特性及润滑油动力黏度系数对机构动力学特性的影响规律。研究结果表明：在间隙的影响下，机构动态输出呈现出明显的振荡现象，且间隙、转速、恢复系数越大，振荡越明显、振荡幅值越大；采用不同的材料组合方式时振荡频率差异不大，但材料弹性模量越大，振荡幅值越大，且弹性模量较小的材料动态输出结果出现延迟现象；当考虑油膜润滑时，机构动态特性较无润滑时得到明显改善。间隙、转速和润滑油动力黏度系数对油膜力有直接影响，随着间隙、转速的增大和润滑油动力黏度系数的降低，机构在死点位置附近的最小油膜厚度明显降低，甚至出现小于安全油膜厚度的现象。
（5）搭建了含间隙铰链机构实验系统，对不同间隙、不同转速和不同材料下滑块位移和加速度动态输出进行了实验测试，通过与本书相应数学模型和理论计算结果的对比分析，进一步验证了本书提出的非线性接触力模型和摩擦力模型，以及各种参数对含间隙铰链机构碰撞动力学特性的影响规律。
本书由西安理工大学王旭鹏副教授策划并统稿，西北工业大学刘更教授主审。在书稿编写过程中，西北工业大学的马尚君副研究员、佟瑞庭副教授、吴立言教授、韩冰助理研究员，西安理工大学的吉晓民教授，西安航空学院的王晋鹏讲师等提供了大力支持。此外，国内外同行已发表文献中的研究方法、研究成果也是本书的重要资料和组成部分，在此对相关人员一并表示感谢。
由于作者的水平有限、时间仓促，错误之处在所难免，敬请读者批评指正。

                                           作  者
2018年10月

本书配套资源下载

对不起，暂无音视频资源！

机构碰撞动力学——含间隙铰链机构非线性接触力建模和碰撞动力学研究