乘用車動力總成轉(zhuǎn)動慣量試驗臺設(shè)計及及與分析-徐偉健

1、吉林大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計）承諾書 本人鄭重承諾：所呈交的學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文（設(shè)計），是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨立進(jìn)行實驗、設(shè)計、調(diào)研等工作基礎(chǔ)上取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的作品成果。對本人實驗或設(shè)計中做出重要貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中以明確的方式注明。本人完全意識到本承諾書的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計）作者簽名： 徐偉健 2016年6月7日摘要本畢業(yè)設(shè)計對比6種不同的轉(zhuǎn)動慣量測量方法，且參照了比較經(jīng)典的斯圖爾特設(shè)備的設(shè)計，最終設(shè)計了一種機(jī)構(gòu)簡易且原理簡單的轉(zhuǎn)動慣量測量裝置。該試驗臺通過三個電動缸去模擬繞三個坐標(biāo)軸

2、的轉(zhuǎn)動，三對軸承輔助運動，然后通過分析傳感器獲得的力和角位移等參數(shù)來解得轉(zhuǎn)動慣量。正文里，先用機(jī)構(gòu)運動簡圖描述了整個裝置的運動原理，然后對試驗臺中的多個典型零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，最后附上了關(guān)鍵零件的制造工藝流程。運用多體動力學(xué)方法對試驗臺的運動特性進(jìn)行了分析，最后借助軟件MATLAB編制了測量系統(tǒng)中要用到的參數(shù)解算程序。成果包含乘用車動力總成轉(zhuǎn)動慣量試驗臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，CAD圖和手繪圖總計5張A0的圖幅;試驗臺的三維裝配設(shè)計、靜強(qiáng)度分析和運動干涉分析；參數(shù)解算說明書及代碼；重要零件的計算校核和制造工藝工序。關(guān)鍵詞：動力總成 慣性參數(shù) 試驗臺 運動學(xué)分析 AbstractThe inertia

3、l parameters measuring device is designed in my graduation project after comparing six different measurement methods，with compact structure and simple principle from Stewart platform. It can simulate the rotation around the three axis by the three electric cylinders with three pair of bearings, in o

4、rder to gain force or angular displacement form the sensors.The mechanism motion diagram to describe the principle is the first part of the text, then several typical components of the test bench has carried on the structure analysis, the last is the manufacturing process of key parts. The kinematic

5、 characteristics of the device are analyzed by using the multi-body dynamics method. And the MATLAB solution program completes the process of measuring parameters to target inertial parameters. The results include a full set of drawings of the device, 3D model, the static analysis, code of parameter

6、 calculating and the manufacturing process.Key words：Power assembly, Inertial parameters, Measuring device目錄 TOC o 1-3 h z u 第1章 緒言第1節(jié) 轉(zhuǎn)動慣量試驗臺的研究意義轉(zhuǎn)動慣量試驗臺的研究意義轉(zhuǎn)動慣量是剛體進(jìn)行轉(zhuǎn)動時的一個重要的物理參數(shù)，它的大小反應(yīng)了剛體轉(zhuǎn)動狀態(tài)改變的難易程度，即用來度量剛體慣性的物理量。在實際應(yīng)用中掌握物體三維轉(zhuǎn)動規(guī)律的前提，就要對物體的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行必要的測量。伴隨著現(xiàn)代新技術(shù)的迅速發(fā)展，轉(zhuǎn)動慣量的測量也已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了機(jī)械制造，兵器研究和航天事業(yè)等

7、重要產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。在機(jī)械制造中，需要對大量的做定軸轉(zhuǎn)動的零部件進(jìn)行轉(zhuǎn)動慣量的測定，從而為這些產(chǎn)品的制造及質(zhì)量保證提供參考。在汽車工業(yè)也必須測量各類車輛以及其轉(zhuǎn)動部件得轉(zhuǎn)動慣量，通過對其修正來提高車輛的性能和壽命。汽車的整車以及零部件的慣性參數(shù)，是對車輛進(jìn)行系統(tǒng)動力學(xué)研究分析中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，它們嚴(yán)重地影響著車輛的系統(tǒng)動力學(xué)特性。例如，在進(jìn)行計算機(jī)仿真分析車輛的操縱穩(wěn)定性, 行駛平順性和制動性等汽車性能時，需要用到眾多的參數(shù)里面就包括了整車或部件繞某一軸的轉(zhuǎn)動慣量或某一點的慣性積。研究汽車的操縱穩(wěn)定性中的側(cè)向動力學(xué)特性，亦需要車輛慣性參數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值；行駛平順是乘用車的重要性能要求之一，進(jìn)行車輛的行駛

8、平順性領(lǐng)域中，車輛在發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)和路面不平激勵這兩種振源作用下發(fā)生振動，研究這種振動就需要比較可靠的動力總成的慣性參數(shù)數(shù)值。動力總成的慣性參數(shù)除了主要的轉(zhuǎn)動慣量和慣性積之外，還應(yīng)該包括動力總成的質(zhì)量、質(zhì)心位置的三維坐標(biāo)及其質(zhì)心高度。車輛重心位置和慣性參數(shù)對于建模和模擬車輛響應(yīng)特性來說是非常重要的。除了車輛響應(yīng)研究，車輛重心高度還用于基于車輛側(cè)翻特性的分級，尤其是重心高度被直接用作靜態(tài)穩(wěn)定性參數(shù)，間接地用在側(cè)滑比中。重心高度和側(cè)傾慣性矩也被用于臨界滑移速度的計算中另一個側(cè)翻傾向性的度量。要想測量整車的轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)，一種方法就是讓車輛在現(xiàn)實路面上模擬各種運動，如俯仰、橫擺和側(cè)傾運動，然后由安裝在車上

9、的各種位移傳感器和力傳感器采集數(shù)據(jù)，最后將采集到的數(shù)據(jù)拿到實驗室進(jìn)行分析解算。一臺帶著眾多傳感器的車輛，而且要行駛在路況復(fù)雜的現(xiàn)實路面，這是一次難以精確控制條件的實驗任務(wù)。相對地，在環(huán)境影響因子相對較少的實驗室中，嚴(yán)格地控制空氣流動、聲音和路面條件等因素下進(jìn)行實驗，能得到相對精確的參數(shù)測量結(jié)果。甚至說，試驗臺可以直接模擬零部件的轉(zhuǎn)動，更是節(jié)省了空間、時間和人力資源，也提高了實驗的安全性和可重復(fù)性。第2節(jié) 典型轉(zhuǎn)動慣量試驗臺的概述在眾多的轉(zhuǎn)動慣量測量試驗臺中，最出名的莫過于斯圖爾特慣性測量試驗臺，它是現(xiàn)在市面上多種在售的試驗臺原理原型，如生產(chǎn)的VIMF，還有ika生產(chǎn)的VIMM。本節(jié)的主要內(nèi)容就

10、是介紹這種試驗臺的相關(guān)知識，其中一部分的運動解算內(nèi)容，為我最后編制轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)提供了不小的幫助。 斯圖爾特平臺綜述對于懸掛在6自由度斯圖爾特平臺的車輛，在線慣性張量測量使用到了遞推的最小二乘法算法。當(dāng)平臺繞著它的橫擺、俯仰和側(cè)傾軸旋轉(zhuǎn)的同時，慣性張量會在線實時更新。在解決反向運動學(xué)求解所需的關(guān)節(jié)長度后，斯圖爾特平臺的位置控制是通過控制每個解耦PID環(huán)中的支撐腿長度實現(xiàn)的。安裝在移動平臺上的加速度計提供實時加速度數(shù)據(jù)，支架管上的負(fù)載單元提供力數(shù)據(jù)。因此，為了獲得速度并節(jié)省內(nèi)存，上方平臺的控制動力學(xué)方程組中是用最小二乘法構(gòu)建的，而且6個自由度的慣性張量是遞歸估計的。在模擬中快速收斂的實際的值，就是

11、所有感興趣的參數(shù)。車輛動力學(xué)和車輛控制的實驗研究，緊緊地依靠于車輛參數(shù)的獲取。主要的挑戰(zhàn)在于輪胎參數(shù)的確定和車輛慣量參數(shù)的充分理解。對于后者的在線測量，文獻(xiàn)中已經(jīng)有大量的研究。在文獻(xiàn)1中，遞歸最小二乘法被用于確定形式工況下的質(zhì)量和道路等級；在文獻(xiàn)2中，作者提出了一種基于復(fù)合模型的方法論，和車輛重心位置的實時估計；在文獻(xiàn)3中，設(shè)計對車輛重心和橫擺轉(zhuǎn)動力矩變化具有魯棒性的主動轉(zhuǎn)向控制器。在行駛中確定慣性參數(shù)的重要性不言而喻：車輛穩(wěn)定性控制器必須自適應(yīng)新的操縱工況并確保任何時候的車輛穩(wěn)定性。很明顯，車載的參數(shù)估計算法需要對慣性參數(shù)有良好的初始估計。有幾款工業(yè)級的設(shè)備已經(jīng)問世，例如：生產(chǎn)的VIMF：各

12、部分的試驗機(jī)構(gòu)，單獨地計算橫擺、側(cè)傾和俯仰慣量；ika公司生產(chǎn)的VIMM：一個3自由度的測試平臺，慣性參數(shù)能夠被迅速地確定。斯圖爾特平臺已經(jīng)廣泛地被作為模擬平臺，應(yīng)用到汽車和航天產(chǎn)業(yè)中。在本論文提出了一個新的應(yīng)用領(lǐng)域，并且演示了在系統(tǒng)中加入慣性參數(shù)估計單元的相關(guān)技術(shù)的簡易性。斯圖爾特平臺的運動學(xué)并聯(lián)機(jī)構(gòu)實際上是用于連接基點和運動平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)。棱柱接頭能在接頭處改變連接桿的長度。根據(jù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種只有少數(shù)接頭可動的機(jī)械結(jié)構(gòu)，大多數(shù)的著名的此類結(jié)構(gòu)都是從斯圖爾特設(shè)計的原始機(jī)構(gòu)發(fā)展出來的。在文獻(xiàn)6中，這種機(jī)構(gòu)被稱為SPM斯圖爾特平臺機(jī)構(gòu)，有著6個可控的自由度。一個典型的SPM有6個長度可調(diào)的支撐腿

13、，連接著兩個剛性的平臺其中一個平臺固定在地面上(另一個可以運動)。支撐腿可采用兩種形式之一：活塞式；連桿式。下邊的連接點可以是共面的也可以是異面的。對于異面的情況需要額外的傳感器。因此文獻(xiàn)中，通常研究第一種共面的情況。上方的平臺相對于基座擁有6個自由度。如果支撐腿的長度是恒定的，整個機(jī)構(gòu)就成了一種結(jié)構(gòu)。從幾何學(xué)角度來說，每條支撐腿都是平面的切線，相切于過平臺3個頂點所畫的圓7。在高夫的提議下，機(jī)構(gòu)演變成全平行的形式。因此，有的時候也稱它為高夫-斯圖爾特平臺。自從斯圖爾特第一次提議將此機(jī)構(gòu)作為飛行模擬器，SPM是普遍使用的名字。亨特曾提議將這種機(jī)構(gòu)用作機(jī)械手。斯圖爾特的正向運動學(xué)問題：支撐腿長度

14、已知，確定上平臺相對于基座的旋轉(zhuǎn)或平移運動。換言之，我們需要找到旋轉(zhuǎn)矩陣來表示上平臺相對于地面坐標(biāo)系的坐標(biāo)矢量。正向運動學(xué)問題非常重要，因為我們需要知道機(jī)構(gòu)，在給定的支撐腿長度的前提下，所有可能的運動方向。相反地，反向運動學(xué)問題：上平臺的旋轉(zhuǎn)或平移運動已知，確定需要求解的支撐腿長度。這里也講一下并聯(lián)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)的正反問題的對立關(guān)系：串聯(lián)機(jī)構(gòu)的正向運動學(xué)問題很簡單，逆向運動學(xué)問題很難；相反地，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的正向運動學(xué)問題很難，逆向運動學(xué)問題很簡單。通過實時跟蹤既定的運動軌道-觀察反向運動學(xué)的在線動態(tài)，我們可以得出正向運動有多解8-10。一個支撐腿長度可能不是唯一的情形。相反地，反向運動卻有唯一解。

15、換言之，上平面的運動方向可以由支撐腿長度唯一確定。圖1是一個6-6斯圖爾特平臺的示意圖。開始運動學(xué)分析前，確定好兩個坐標(biāo)系：1.坐標(biāo)系B的中心在不動的基座上；2.坐標(biāo)系P的中心在由運動平板頂點確定的圓的圓心上。圖1-1安裝在平臺上的車輛上下平板的頂點的極角可以簡單地用下列公式表示： i=i-1i=i-1參考參考點P的相對于坐標(biāo)系P位置寫成：Pi=rp參考參考點B相對于坐標(biāo)系B的位置寫成：Bi=rBr的下標(biāo)代表是上平臺還是下基座的半徑。反向運動學(xué)中需要的支撐腿長度將從下列的數(shù)學(xué)關(guān)系中得出：li=RP上述方程中，Op表示平臺中心相對于基座的位置，R是從基座坐標(biāo)系變換到平臺坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣。 R R

16、=cos0sin01R每一項相乘得到了： R=RPID位置控制時給平臺的軌跡信號預(yù)設(shè)為零平移，同時使各旋轉(zhuǎn)零件以特定的振幅和頻率進(jìn)行不間斷的側(cè)傾、俯仰和橫擺運動。這種方法保證了在回歸矩陣中的增量很小或為零。xd=0 d=在用前一節(jié)的反向運動學(xué)方法解算出接頭長度后，每條支撐腿的長度用解耦PID環(huán)控制的。支撐腿長度是通過安裝在活塞缸機(jī)構(gòu)中的位移傳感器測量出的。比例、積分和微分增益（PID參量）可以微調(diào)以獲得最佳的時間相應(yīng)，控制目標(biāo)產(chǎn)生支撐腿力Fxi，實際的支撐腿長lact i跟蹤理論支撐腿長圖1-2 解算流程邏輯圖剛體的慣性矩可以表達(dá)成：I=Ixx-Ixy-I慣性張量(公式1-9)是一個3X3的對

17、稱矩陣，所以它只有6個互異的元素。由于平移和旋轉(zhuǎn)運動是彼此分開的，它滿足控制旋轉(zhuǎn)運動的三個常微分方程（公式1-10、1-11、1-12）。通過測量6個支撐腿各自作用在上平臺的力，我們可以三個轉(zhuǎn)矩的分量。IxxdIyyIzz對所測平臺的平臺角加速度進(jìn)行積分就能獲得平臺的角速度。其中的角加速度數(shù)據(jù)從安裝在上平臺的角加速度傳感器中讀取。第3節(jié) 本次畢設(shè)的主要工作內(nèi)容根據(jù)技術(shù)要求，本文需要設(shè)計出乘用車動力總成的轉(zhuǎn)動慣量測量系統(tǒng)，并通過有限元分析得出測量裝置的可靠性，并完成其參數(shù)解算。研究內(nèi)容概括如下：a.了解動力總成慣性參數(shù)測量的原理，比較轉(zhuǎn)動慣量的計算方法和各種測量方法的優(yōu)缺點。選用電動缸模擬運動，

18、對測量裝置進(jìn)行總體設(shè)計。b. 采用有限元軟件CATIA靜力學(xué)分析模塊對轉(zhuǎn)動慣量試驗臺的零部件進(jìn)行靜力分析和拓?fù)鋬?yōu)化，驗證裝置的機(jī)械設(shè)計合理性。c.聯(lián)合使用CATIA 裝配設(shè)計和DMU模塊，對已設(shè)計好的轉(zhuǎn)動慣量測量裝置進(jìn)行運動模擬，確保在要求的運動時無結(jié)構(gòu)干涉問題d. 根據(jù)結(jié)構(gòu)原理構(gòu)建轉(zhuǎn)動慣量的數(shù)學(xué)模型，從而得到理論上的轉(zhuǎn)動慣量的測量公式，使用MATLAB完成整個解算過程。第2章 剛體慣性參數(shù)測量方法研究第1節(jié) 剛體轉(zhuǎn)動慣量介紹本次畢業(yè)的主要研究對象是轉(zhuǎn)動慣量，這是一個力學(xué)范疇的物理概念，在大學(xué)物理和理論力學(xué)等教材中多有講解。要想充分理解轉(zhuǎn)動慣量，首先要熟知其物理意義和相關(guān)的公式定理。剛體的定軸

19、轉(zhuǎn)動定律（law of rotation of a rigid body about a fixed axis）M = J （2-1）式中J代表轉(zhuǎn)動慣量，M代表合外力矩，即所有外力對軸的力矩的矢量， 為合外力矩引起的剛體定軸轉(zhuǎn)動的角加速度剛體的定軸轉(zhuǎn)動公式表明，剛體在合外力矩M作用下所獲得的角加速度的大小與合外力矩的大小成正比，并與轉(zhuǎn)動慣量J成反比。剛體定軸轉(zhuǎn)動定律在剛體動力學(xué)中的地位與牛頓第二定律在平動中的地位相當(dāng)，它是定量研究剛體定軸轉(zhuǎn)動問題的基本定律。剛體定軸轉(zhuǎn)動定律具有瞬時性，給出的是一種瞬時關(guān)系，M為某一時刻剛體所受的合外力矩，為該時刻剛體產(chǎn)生的角加速度，兩者同時存在，同時消失。此外

20、，轉(zhuǎn)動定律還具有同軸性，即力矩M、轉(zhuǎn)動慣量J和角加速度都是對于同一確定軸而言的。剛體的轉(zhuǎn)動慣量與轉(zhuǎn)軸的位置有關(guān)。若有連個平行軸，其中一個軸過質(zhì)心，則剛體對另一個軸的轉(zhuǎn)動慣量會用到平行軸定理 J = Jc + m d2 式中m為剛體質(zhì)量，Jc為剛體過質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動慣量，d為兩軸的平行距離在理論力學(xué)中，對于剛體定軸轉(zhuǎn)動微分方程有著更詳細(xì)的介紹。作用于剛體上的主動力Fi（i=n）,上下軸承處的支反力分別為FNA和FNB。剛體對z軸的轉(zhuǎn)動慣量設(shè)為Jc,瞬時角速度為，瞬時角加速度。則有ddtJc=Mz為各個主動力對z軸的力矩Jz =M上式稱為剛體定軸轉(zhuǎn)動的常微分方程。表明剛體定軸轉(zhuǎn)動慣量與角加速度的乘積，

21、等于作用于剛體的主動力對該軸的矩的代數(shù)和。應(yīng)用剛體繞定軸轉(zhuǎn)動微分方程，可求解剛體繞定軸轉(zhuǎn)動的兩類動力學(xué)問題，即已知剛體的轉(zhuǎn)動規(guī)律，求作用于剛體上的主動力；已知作用于剛體上的主動力，求剛體的轉(zhuǎn)動規(guī)律。圖2-1 剛體轉(zhuǎn)動示意圖第2節(jié) 三維坐標(biāo)變換矩陣轉(zhuǎn)動慣量測量試驗臺分為固定件和運動件，不動件和地面共用坐標(biāo)系，運動件有自己的坐標(biāo)系。本節(jié)先從二維坐標(biāo)變換講起，然后拓展到三維坐標(biāo)變換，并介紹了一部分線性代數(shù)的知識和MATLAB這一數(shù)學(xué)工具如何實現(xiàn)三維坐標(biāo)變換。二維旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換平面的點坐標(biāo)（x1 ,y1）寫成極坐標(biāo)形式為x1 = rcos () , y1 = rsin ()繞著坐標(biāo)原點旋轉(zhuǎn)角之后，新的坐

22、標(biāo)（x2 ,y2）寫為x1 = rcos - , y1 = rsin (-) （2用兩角和差公式展開之后就獲得了笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)形式x1 = rcos (-) =rcos()cos()+rsin() sin()= x1cos ()+ y1sin ()y1 = rsin (-)= r sin()cos()+rcos()sin()=-x1sin ()+y1cos ()三維旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換 三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換比二維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換稍復(fù)雜一些，需要同時給出旋轉(zhuǎn)角和旋轉(zhuǎn)軸。形式上來說，可以從二維坐標(biāo)變換類推到三維坐標(biāo)變換，分別以x,y,z軸作為旋轉(zhuǎn)軸，則點可以認(rèn)為是在垂直坐標(biāo)軸的平面上作二維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換。規(guī)定

23、在右手坐標(biāo)系中，右手螺旋方向是物體旋轉(zhuǎn)的正方向，即從該軸正半軸看向坐標(biāo)原點看為逆時針方向。繞x軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角為：x2 = x1, y2=y1cos () - z1sin (), z2 = y1sin()+z1cos()繞y軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角為：x2 = z1sin() + x1cos(), y2=y1, z2=z1cos () - x1 sin () 繞z軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角為：x2=x1cos ()-y1 sin (), y2=x1sin()+y1cos() , z2=z1寫成矩陣的形式x x2,y2,x旋轉(zhuǎn)變換矩陣的記憶規(guī)律就是，對于單位矩陣E來說，繞著哪個坐標(biāo)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，該坐標(biāo)軸的元素不變，然

24、后依照二維變換將cossin-sincos填到里面。繞x軸正向旋轉(zhuǎn)角，旋轉(zhuǎn)后點的x坐標(biāo)值不變，y、z坐標(biāo)的變化相當(dāng)于在yoz平面內(nèi)作正角旋轉(zhuǎn)；繞y軸正向旋轉(zhuǎn)角，旋轉(zhuǎn)后點的y坐標(biāo)值不變，x、z坐標(biāo)的變化相當(dāng)于在xoz平面內(nèi)作正角旋轉(zhuǎn)；繞z軸正向旋轉(zhuǎn)角，旋轉(zhuǎn)后點的z坐標(biāo)值不變，x、y坐標(biāo)的變化相當(dāng)于在xoy xx因為把旋轉(zhuǎn)變換規(guī)律寫成了矩陣的形式，用數(shù)學(xué)軟件處理起來會減少變量和代碼行，為我們節(jié)省大量的時間。在MATLAB中，上述的三個變換矩陣可以寫成很簡單的形式，并且可以直接對矩陣進(jìn)行對乘積運算。變換矩陣為A=繞x變換矩陣 Ax= 1 , 0 , 0 ; 0 , cos , cos ; 0 , -

25、sin , sin 繞y變換矩陣 Ay= cos , 0 , -sin ; 0 , 1 , 0 ; sin , 0 , cos （2-7）繞z變換矩陣 Az= cos , sin , 0 ; -sin , 0 , cos ; 0 , 0 , 1在使用時現(xiàn)將變換矩陣編輯成一個函數(shù)B ( , , ),然后在用到坐標(biāo)變換時使用自定義函數(shù)B ( , , )即可。第3節(jié) 轉(zhuǎn)動慣量測量方法對比這里提到的轉(zhuǎn)動慣量測量方法包含但不限于汽車領(lǐng)域的轉(zhuǎn)動慣量測量，其中僅僅是以汽車整車的轉(zhuǎn)動慣量測量為主。主要有單擺法、復(fù)擺法和三線擺法三種類型，下面是它們各自的簡單介紹和優(yōu)缺點對比，和本次畢業(yè)設(shè)計要采用的理論指導(dǎo)部分。

26、表2-1 各種轉(zhuǎn)動慣量測量方法的比較懸吊擺法單擺用一條伸展性極小且彈性良好的金屬線或金屬細(xì)桿將被測剛體懸吊起來，從而構(gòu)成了單線扭擺單線扭擺法主要用于測量一些小型軸對稱剛性構(gòu)件（馬達(dá)轉(zhuǎn)子、螺旋槳、齒輪等) 繞軸線的轉(zhuǎn)動慣量。用單線扭擺法測量簡便實用，精度高，成本低但該方法對吊線(桿)的材質(zhì)要求較高，懸吊剛體時受力點較少，不適用于質(zhì)量大，幾何形狀復(fù)雜物體的測量。復(fù)擺三角托架可以繞O點擺動，其質(zhì)量為m將質(zhì)量為m1的待測剛體固定于三角托架，使二者等同于一個剛體。測量周期去推算轉(zhuǎn)動慣量復(fù)擺法對于被測剛體的外形、質(zhì)量分布等要求不高，并且測試操作簡單，實驗成本也較低。擺線長測量精度對轉(zhuǎn)動慣量的誤差影響較大，

27、因此懸掛被測剛體時需要精確知道被測剛體的質(zhì)心位置，而這往往很難達(dá)到。三線擺上下兩個擺動圓盤，并用擺線懸掛起來，從能量守恒角度去推算轉(zhuǎn)動慣量。三線扭擺法實驗原理簡單、測量精度較高，適合于測量尺寸和重量較大、形狀和結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的剛體慣性參數(shù)。三線扭擺法要求被測剛體質(zhì)心落在扭擺軸線上。對于形狀不規(guī)則剛體，往往需要輔助配重塊來滿足這一要求振動法自振法利用固定在車輛三軸向的彈簧對汽車加載，同時測定各方向的振動周期，然后計算得轉(zhuǎn)動慣量從振動入手，通過分析振動的規(guī)律去從中得到轉(zhuǎn)動慣量，其試驗設(shè)備簡單，易于搭建和拆卸所采用的彈簧因長時間振動疲勞使剛度產(chǎn)生變化，造成測試結(jié)果精度不高激振法轉(zhuǎn)向架三軸向轉(zhuǎn)動慣量測試方

28、法*6自由度 6個電動缸激振法實現(xiàn)車體繞X、Y 軸轉(zhuǎn)動慣量的測試較為容易，單獨無法實現(xiàn)三軸向轉(zhuǎn)動慣量的測定，進(jìn)而造成操作困難實際工況法路面試驗通過對路面試驗過程中所采集到的車身垂直振動加速度信號進(jìn)行的頻譜特征分析,得到了其角振動固有頻率,最后建立車身振動模型，并構(gòu)建了轉(zhuǎn)動慣量測試的數(shù)學(xué)模型得到的車身振動模型更貼近實際情況，大部分的數(shù)據(jù)處理都是數(shù)學(xué)領(lǐng)域的問題，跟汽車平順性章節(jié)有重疊的知識點，更易于理解其原理。室外試驗最大的缺點就是容易被外界環(huán)境因素干擾試驗結(jié)果。且在實際車輛安裝大量的傳感器也會影響車輛的駕駛安全性。而本次畢業(yè)設(shè)計所設(shè)計的轉(zhuǎn)動慣量試驗臺，原理上可以理解為它綜合了激振法和懸吊擺法兩種

29、轉(zhuǎn)動慣量測量方法，這樣就可以同時輕松地完成繞著三個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動。從結(jié)構(gòu)上來講，相比于激振法的六個彈簧系統(tǒng)所造成的六個自由度，本次設(shè)計的轉(zhuǎn)動慣量試驗臺僅有三個電動缸作為動力來源，且這個運動平臺僅有三個繞坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動自由度。跟懸吊擺法測量轉(zhuǎn)動慣量的方法相比，因為使用了軸承代替了擺線，也不用擔(dān)心擺線品質(zhì)帶來的測量誤差，同時使用了軸承來傳遞運動的辦法也是整個測量機(jī)構(gòu)具有了更好的穩(wěn)定性。因為試驗臺是在相對封閉的實驗室可控條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)動慣量的測量，所以外界能夠干擾測量結(jié)果的因素大大減少，有利于得到更準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動慣量數(shù)值。第4節(jié) 試驗臺的誤差來源轉(zhuǎn)動慣量試驗臺的測量結(jié)果中的主要誤差來源有：平臺變形量，測試設(shè)備

30、本身具有的側(cè)傾慣性矩，樞軸和平臺之間的間隙和用于橫擺慣性矩測試的非線性彈簧。對于不同的車輛來說，試驗臺的設(shè)計變量（質(zhì)量，剛度，幾何結(jié)構(gòu)和磁放大器等）對于測量的總不確定度的影響是不同的。換一句話說，每個被測慣性參數(shù)的總不確定度受試驗臺的各個部件的設(shè)計影響，也取決于車輛的大小和重量。影響著慣性測量的主要設(shè)計參數(shù)詳見下表：運動平臺明顯決定著每個被測慣性參數(shù)的不確定度。表2-2 影響著慣性測量的主要設(shè)計參數(shù)決定被測慣性參數(shù)不確定度的來源測量主要的誤差來源重心位置測量平臺重量平臺的形變量平臺的重心高度平臺的放置角度車輛的約束剛度俯仰和側(cè)傾慣性測量平臺的慣性運動的周期車輛的約束剛度橫擺慣性測量平臺的慣性彈

31、簧的線性度對于任何測量設(shè)備，一般要減小測量設(shè)備對于被測量的影響。測量設(shè)備的平臺也是如此。為了減少測量設(shè)備對于整體測量的影響，平臺的重量和慣性應(yīng)該盡可能的小。試驗臺的側(cè)傾慣性矩尤其關(guān)鍵。它幾乎是一輛小型車慣性的三倍大。為了獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，平臺的側(cè)傾慣矩應(yīng)該小于車輛的側(cè)傾慣性矩。減小平臺的重量換來的是平臺靈活性/撓性的增加。目前，試驗臺部件是非常靈活的，而且被測試車輛的重量會有明顯的變化。對于重型車輛來說，測量中最大的誤差就是試驗臺部件的撓度決定的。試驗臺也只能用來測量車輛的參數(shù)，因為它的固定樞軸高度適于重心、俯仰慣性和側(cè)傾慣性測試。車輛的重心高度必須限定在31英寸以下。注意樞軸的高度影響著系統(tǒng)

32、的精度。平臺表面和樞軸之間的可調(diào)整的的間隙可以滿足上述需求。計算機(jī)軟件會為每個被測車輛計算出最佳的樞軸高度。運動周期是側(cè)傾和俯仰慣性測試中最基本的誤差來源。改變綜合重心高度（平臺和車輛的綜合重心高度）和樞軸之間的距離可以改變運動周期的長短。短運動周期的加速度大，反之長運動周期的加速度小。周期引起的誤差可以通過降低周期測量的不確定度來減小。另一個需要提到的設(shè)計變量就是橫擺運動的彈簧。試驗臺的橫擺彈性系統(tǒng)提存在微扭簧率（輕微的非線性扭轉(zhuǎn)彈簧率）。這會造成誤差，因為系統(tǒng)分析是基于線性的彈簧恢復(fù)力矩。車輛的柔性約束會導(dǎo)致重心高度、俯仰慣性和側(cè)傾慣性測試的最明顯的誤差。使用偏剛性約束的系統(tǒng)會降低這方面的

33、誤差。第3章 轉(zhuǎn)動慣量測量試驗臺設(shè)計第1節(jié) 轉(zhuǎn)動慣量測量試驗臺的工作原理這次設(shè)計的試驗臺因為需要測量轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)，所以其基本結(jié)構(gòu)需要實現(xiàn)繞x軸、y軸和z軸的轉(zhuǎn)動。其中，x軸、y軸和z軸已經(jīng)在機(jī)構(gòu)運動簡圖中表現(xiàn)出來了。部件10，部件11和部件12同屬于軸承系統(tǒng)，顧名思義就是它們用來輔助整個運動平臺的繞軸轉(zhuǎn)動，其主要零件也是軸承。像圖中標(biāo)示，部件10用來輔助繞z軸的轉(zhuǎn)動；部件11用來輔助繞x軸的轉(zhuǎn)動；部件12用來輔助繞y軸的轉(zhuǎn)動。圖3-1 試驗臺機(jī)構(gòu)運動簡圖具體結(jié)構(gòu)如機(jī)構(gòu)運動簡圖1-1，部件2、部件4、部件7為動力輸入裝置電動缸，在機(jī)構(gòu)運動簡圖中可以理解為一條可以伸長或者縮短的線段。部件1、部件3

34、、部件5、部件6、部件8為球鉸，有三個轉(zhuǎn)動自由度但無移動自由度。部件10、部件11和部件12為軸承系統(tǒng)，可以輔助運動平臺9繞著某一坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動，且它們?nèi)齻€的運動關(guān)系是互斥的，即在某一確定時間點有且僅有一個軸承有運動趨向。電動缸2下邊通過一個球鉸1與地面相連，上邊通過球鉸3與運動平臺9相連；電動缸4下邊通過一個球鉸5與地面相連，上邊通過球鉸3與運動平臺9相連；電動缸7下邊通過球鉸6與地面相連，上邊通過球鉸8與運動平臺9相連。注意的是，球鉸1和5的x坐標(biāo)是相同的；電動缸2和電動缸4的上邊共用了球鉸3；電動缸7在靜態(tài)位置上時會垂直于地面；為了便于清晰表達(dá)原理，運動機(jī)構(gòu)簡圖中將軸承系統(tǒng)畫在了運動平臺的

35、上邊，實際結(jié)構(gòu)中軸承系統(tǒng)與電動缸動力系統(tǒng)都位于運動平臺系統(tǒng)的下方，運動平臺的上邊為被測量的動力總成；與部件1、部件5、部件6和部件12相連的地面雖然是分開畫了，但實際結(jié)構(gòu)中仍是一個整體，即圖1-1中的基座。當(dāng)運動平臺需要繞x軸旋轉(zhuǎn)時，電動缸7將會伸長/縮短，軸承系統(tǒng)11發(fā)生轉(zhuǎn)動，點8將會帶動運動平臺繞著x軸完成旋轉(zhuǎn)運動；當(dāng)運動平臺需要繞y軸旋轉(zhuǎn)時，電動缸2和電動缸4將會完成相同長度的伸長或者縮短，軸承系統(tǒng)12發(fā)生轉(zhuǎn)動，點3將會帶動運動平臺繞著y軸完成旋轉(zhuǎn)運動；當(dāng)運動平臺需要繞z軸旋轉(zhuǎn)時，電動缸2和電動缸4分別一個伸長另一個縮短，軸承系統(tǒng)10發(fā)生轉(zhuǎn)動，點3將會帶動運動平臺繞著z軸完成旋轉(zhuǎn)運動。第

36、2節(jié) 轉(zhuǎn)動慣量測量試驗臺的零部件設(shè)計轉(zhuǎn)動慣量測量試驗臺總觀部件1為基座，是整個測量裝置的支撐系統(tǒng)，由焊接桁架、耳件和多塊螺栓連接的板件6共同構(gòu)成，運動學(xué)上定義為固定件；部件2、部件7和部件8為電動缸，是整個測量裝置的動力系統(tǒng)，其中電動缸2和電動缸8為繞y軸、z軸提供動力，而電動缸7單獨為繞x軸提供動力；部件3為雙鉸叉機(jī)構(gòu)，是電動缸2和電動缸8共用件，連接運動平臺4；運動平臺4與被測的動力總成相連，它在裝置運轉(zhuǎn)時具有三個轉(zhuǎn)動自由度；部件6為軸承系統(tǒng)，含有繞x軸、繞y軸和繞z軸三類軸承，用以輔助電動缸實現(xiàn)運動平臺的繞軸轉(zhuǎn)動。此外，還有未在圖中表現(xiàn)出來的各類測量傳感器，這些傳感器和控制模塊構(gòu)成了測量

37、計算系統(tǒng)。圖3-2 試驗臺三維軸測圖基座設(shè)計基座的主體是一塊2500X1600的底板，上面焊有方管焊接而成的桁架，用于抬起正面相交的兩個電動缸2和電動缸8，桁架下側(cè)留有空擋的原因是既能保證足夠的剛度和強(qiáng)度，又能減少焊接量對整個裝置精度的影響；焊接桁架上焊有一對關(guān)于xoz面對稱布置的斜耳件，耳件的傾斜方向與電動缸的傾斜方向基本一致，這樣能夠使受力相對地均勻，還有一個軸對稱的耳件布置于基座的側(cè)方，三個耳件的位置關(guān)于整個裝置的硬點位置的精確性，所以焊接時三個耳件的定位也是一個重點和難點。圖3-3 焊接底板的軸測圖電動缸和球鉸設(shè)計電動缸的結(jié)構(gòu)是基于ZHN1300-6000N型的電動缸改動獲得的，整個電

38、動缸的行程610mm，滿足裝置的使用要求。其中電動機(jī)和伸縮桿并無改動，其下固定端開了一個盲孔，配合著彈簧擋圈用于安裝三轉(zhuǎn)動自由度的關(guān)節(jié)軸承；上固定端借助螺紋連接外接件，并使用雙螺母緊固，外接件具體而言分別是桿端關(guān)節(jié)軸承、U形叉和半U形叉。使用球鉸時充分地考慮到裝配和制造，其具體結(jié)構(gòu)稍微有一些復(fù)雜：兩端有螺紋、中間是高精度軸頸的軸3穿過關(guān)節(jié)軸承2。為了防止關(guān)節(jié)軸承沿軸向方向竄動，特意設(shè)置一對凸臺墊片1夾緊。通過彈簧墊圈和螺母將其緊固到耳件上。螺紋長度足夠上緊螺母即可，螺紋決不能到達(dá)耳件里，以免造成支撐力不均勻折斷。此類結(jié)構(gòu)在整張裝配圖共有三處，細(xì)微之處略有差異但原理不變。裝配順序：關(guān)節(jié)軸承和凸臺

39、墊片先至于耳件里側(cè)，盡量將各個零件的孔對中，然后抖動著將軸穿過，最后上彈簧墊圈和螺母。圖3-4 球鉸裝配體軸承及其固定設(shè)計本次畢業(yè)設(shè)計共出現(xiàn)三對軸承，其固定方式被統(tǒng)一成以下形式：軸承的內(nèi)圈與軸端面接觸，軸承的外圈與軸承端蓋接觸。軸承端蓋用螺釘固定在基體上，軸承端蓋與基體之間設(shè)調(diào)整墊片，墊片數(shù)目按照軸承預(yù)緊要求增刪。如果沒有零部件伸出基體，則將下圖的軸承透蓋換成悶蓋即可。注意：和軸承內(nèi)圈相配合的軸頸不宜過長，防止上軸承的時候?qū)S承產(chǎn)生意外損傷；內(nèi)外圈的軸向限位也不宜太高，限位結(jié)構(gòu)決不能同時接觸軸承內(nèi)圈和外圈。圖3-5 軸承的安裝雙鉸叉機(jī)構(gòu)實設(shè)計雙鉸叉機(jī)構(gòu)是整個裝置設(shè)計中最復(fù)雜精妙的部件，下面就其

40、具體的設(shè)計細(xì)節(jié)展開論述。從原理上講，此處的機(jī)構(gòu)是得實現(xiàn)兩個球鉸的功能：半U形叉5處使用了跟前文電動缸固定相同的關(guān)節(jié)軸承4；U形叉雖然沒有使用球鉸，但是通過回轉(zhuǎn)支撐2的繞x軸轉(zhuǎn)動和相對于上基座的轉(zhuǎn)動也同樣完成了三個轉(zhuǎn)動自由度的功能。半U形叉和上基座通過一個關(guān)節(jié)軸承和階梯軸相連，參照圖1-2具體而言，階梯軸的軸端的斜面和關(guān)節(jié)軸承的倒角面相配合，階梯軸另一端將穿過半U形叉5的通孔并用彈簧墊圈和螺母進(jìn)行緊固，通孔略大于階梯軸的小端軸頸，所以階梯軸和半U形叉之間是依靠螺母旋緊產(chǎn)生的摩擦力緊固的。回轉(zhuǎn)支撐同樣也分內(nèi)外圈，內(nèi)圈與下基座用鉸制螺栓相連，外圈與上基座也用鉸制螺栓相連，這樣就能保證回轉(zhuǎn)支撐的運轉(zhuǎn)精

41、度和硬點位置的正確性。雙鉸叉的裝配順序如下：關(guān)節(jié)軸承要先裝入上基座3中并用彈簧擋圈6，從上基座另一側(cè)將階梯軸穿過關(guān)節(jié)軸承4并伸出半U形叉5的通孔緊固好，回轉(zhuǎn)支撐的內(nèi)圈與下基座用鉸制螺栓緊固，同時將回轉(zhuǎn)支撐的外圈與上基座用鉸制螺栓緊固。圖3-6 雙鉸叉機(jī)構(gòu)U形叉本身也是一個由三個零件裝配而成的部件，這三個零件分別為兩個叉臂4和一個叉座1，叉臂和叉座之間使用螺釘連接，而且設(shè)計了調(diào)整墊片2用以微量調(diào)整兩個叉臂的距離。上基座有兩個階梯軸式的突觸，階梯軸的最小軸頸上攻有螺紋，這部分結(jié)構(gòu)在設(shè)計的時候是采用一體化設(shè)計，加工階段需要使用五軸的數(shù)控機(jī)床，若生產(chǎn)條件有限則改為分離式設(shè)計即可。軸承的內(nèi)圈由軸端面接觸

42、固定，軸承外圈由墊圈接觸固定，并在最外側(cè)有法蘭螺母緊固。U形叉的裝配順序如下：軸承7先安放在U形叉叉臂4中，然后將裝配好的U形叉叉臂和軸承裝配到上基座的軸頸上，上墊片6并用螺母5緊固，待兩側(cè)的叉臂都裝好后進(jìn)行叉座1的裝配并上好調(diào)整墊片2并加螺釘3緊固。軸承支撐系統(tǒng)設(shè)計軸承支撐系統(tǒng)是整個轉(zhuǎn)動慣量測量裝置較重要的部件之一，它擔(dān)任著輔助運動平臺完成繞x軸、繞y軸和繞z軸轉(zhuǎn)動的功能，從結(jié)構(gòu)上來講，它可以理解為是多對軸承互相嵌套而成的集合體。零件2是懸臂梁式力傳感器，這里總共使用四個均勻分布在坐標(biāo)軸一周。懸臂梁式傳感器外側(cè)，或者稱之為懸臂側(cè)，使用了兩個螺釘與運動平臺系統(tǒng)相連，內(nèi)側(cè)被零件3和零件6共同夾持

43、并使用螺栓緊固，螺栓使用的是普通螺栓，依靠接觸面的摩擦力緊固配合。軸承7是輔助完成運動平臺進(jìn)行繞z軸轉(zhuǎn)動的，其內(nèi)圈和外圈分別被零件6和零件5限位，同樣地，限位不宜過長，也不能同時接觸軸承的內(nèi)外圈。零件5在本圖中看似懸空的，其實在另一方向上，由階梯軸支撐著，這部分結(jié)構(gòu)在前文的軸承軸向固定方式那部分內(nèi)容里提到過。圖3-7 軸承支撐系統(tǒng)第3節(jié) 轉(zhuǎn)動慣量測量試驗臺的零部件選型與校核畢業(yè)設(shè)計試驗臺設(shè)計要求表因為本次畢業(yè)設(shè)計是試驗臺題目，試驗臺是有外形尺寸、測量范圍和測量精度的設(shè)計要求。表3-1畢業(yè)設(shè)計試驗臺設(shè)計要求設(shè)備外形尺寸250015001600 mm被測件最大尺寸21009001100 mm被測件

44、最小尺寸900600400 mm被測件質(zhì)量范圍200 1000 kg測量最大質(zhì)心高度800 mm最大繞x軸轉(zhuǎn)角15最大繞x軸運動角8最大繞y軸運動角8最大繞z軸運動角8轉(zhuǎn)動慣量最大測量值 Ixx80 kg轉(zhuǎn)動慣量最大測量值 Iyy200 kg轉(zhuǎn)動慣量最大測量值 Izz200 kg慣性積測試最大值 Ixy10 kg慣性積測試最大值 Iyz10 kg慣性積測試最大值 Ixz10 kg電動缸選型已知條件：運動平臺的各項加載傾角為180sint；雙鉸叉硬點到坐標(biāo)原點的距離L1=470mm；繞x軸轉(zhuǎn)電動缸的硬點到坐標(biāo)原點的距離L解：=A180sint 為轉(zhuǎn)過角對應(yīng)的電動缸位移量為運動平臺一段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)角

45、t為運動平臺靜態(tài)起的運動時間從電動缸行程角度考慮選型X電動缸的最大位移量x=Y電動缸的最大位移量y=Z電動缸的最大位移量z=因為電動缸是選用的標(biāo)準(zhǔn)部件，所以為了減少零部件的種類便于明細(xì)欄的統(tǒng)計，X、Y、Z電動缸準(zhǔn)備統(tǒng)一成一個型號的，其行程要大于就可以滿足使用要求。查機(jī)械設(shè)計手冊電動缸有關(guān)章節(jié)，所有列出的電動缸行程都在200mm以上。考慮到本次畢業(yè)設(shè)計有外形尺寸的要求，最終確定使用ZHN1300-6000N型電動缸。ZHN1300-6000N型電動缸的參數(shù)如下：表3-2電動缸的具體參數(shù)額定推力/N最大有效行程/mm速度/m初始尺寸L/mm1300610927傳動比螺桿形狀行程范圍/mm質(zhì)量/kg

46、梯形螺紋1006108電機(jī)參數(shù)： 功率：125kW 轉(zhuǎn)速：1500r/min 電壓：24V(DC)同時驗證一下功率是否滿足使用要求：M=FL1=Iyy上述公式利用了理論力學(xué)中轉(zhuǎn)動慣量的相關(guān)知識：在三個轉(zhuǎn)動慣量測量值中Iyy和Izz是最大的，Iyy = Izz=200 kgm2。L1大于L2，L1已知試驗臺在運轉(zhuǎn)時的加載傾角為180sint，則加載角速度大小為最大的加載角加速度為 F=P=Fv=F所選的ZHN1300-6000N型電動缸滿足使用功率要求。軸承的校核主要有四對深溝球軸承，分別是X軸承61806，Y軸承61804，Z軸承61832，雙鉸叉軸承61804。這里挑選了前三個對試驗臺測試性

47、能較為重要的軸承進(jìn)行校核。所有的軸承都只承受徑向或者軸向的單一方向載荷，另一方向的載荷對軸承壽命的影響忽略不計，這個結(jié)論的證明過程見下文。側(cè)傾運動軸承壽命計算側(cè)傾運動軸承61806：C0r=，Cr=a.軸承的徑向力和軸向力計算根據(jù)前文的電動缸選型中算出的力F的大小F=軸承1所受徑向載荷為F軸向載荷為 Fa1=0軸承2所受徑向載荷為F軸向載荷為 Fa1= Fsin= Nb.軸承的當(dāng)量動載荷P計算軸承1所受徑向載荷和軸向載荷分別為Fr1=， Fa1=0軸承2所受徑向載荷和軸向載荷分別為Fr2=， Fa2=Fa2/C0r=3600=，查表得e=Fa2/Fr2=e，查表得X2=1，Y2=0fp為載荷系

48、數(shù)，載荷性質(zhì)為無沖擊或者輕微沖擊，數(shù)值選作fp=，取fp=軸承1的當(dāng)量動載荷為P軸承2的當(dāng)量動載荷為Pc.計算軸承壽命n=該對軸承的最短壽命為L俯仰運動軸承壽命計算俯仰運動軸承61804：C0r=，Cr=a.軸承的徑向力和軸向力計算根據(jù)前文的電動缸選型中算出的力F的大小F=軸承1所受徑向載荷為F軸向載荷為 Fa1=0軸承2所受徑向載荷為F軸向載荷為 Fa1= Fsin= Nb.軸承的當(dāng)量動載荷P計算軸承1所受徑向載荷和軸向載荷分別為Fr1=， Fa1=0軸承2所受徑向載荷和軸向載荷分別為Fr2=， Fa2=Fa2/C0r=2200=，查表得e=Fa2/Fr2=e，查表得X2=1，Y2=0fp為

49、載荷系數(shù)，載荷性質(zhì)為無沖擊或者輕微沖擊，數(shù)值選作fp=，取fp=軸承1的當(dāng)量動載荷為P軸承2的當(dāng)量動載荷為Pc.計算軸承壽命n=該對軸承的最短壽命為L橫擺運動軸承壽命計算橫擺運動軸承61832：C0r=，Cr=a.軸承的當(dāng)量動載荷P計算軸承所受徑向載荷為Fr= 0，軸向載荷為 Fafp為載荷系數(shù)，載荷性質(zhì)為無沖擊或者輕微沖擊，數(shù)值選作fp=，取fp=軸承的當(dāng)量動載荷為P=b.計算軸承壽命n=該對軸承的最短壽命為L螺栓組強(qiáng)度校核這里選擇軸承系統(tǒng)支撐所用的螺栓組。已知條件：每個螺栓組中有六個普通螺栓，螺栓型號為M10，許用應(yīng)力=95MPa；力P是整個支撐平臺靜態(tài)重力產(chǎn)生的，P=5000N；M為繞y

50、軸的旋轉(zhuǎn)力矩最大值。整個螺栓組根據(jù)上述的已知條件可以確定，螺栓的橫向載荷基本忽略，從螺栓拉壓角度進(jìn)行螺栓組的強(qiáng)度校核。圖3-8 螺栓組的受力當(dāng)裝置進(jìn)行繞y軸運動時，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩最大M=Iyy為繞y軸旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)動慣量最大值，為旋轉(zhuǎn)時的角加速度最大值F=Z是螺栓組中螺栓數(shù)量，L為螺栓中心到螺栓組中心的距離F利用軸的拉壓條件下的強(qiáng)度校核=所以，這個位置的螺栓組中所選用的M10螺栓符合強(qiáng)度要求，設(shè)計合格。有限元靜強(qiáng)度分析材料力學(xué)中所講述強(qiáng)度校核和剛度計算所適用的零件多為梁或者是軸類零件，但本次畢業(yè)設(shè)計中所設(shè)計的零件多為回轉(zhuǎn)體或者是帶肋板的板類零件，所以學(xué)習(xí)了有限元靜強(qiáng)度分析來校核這些零件的強(qiáng)度和剛度

51、。靜強(qiáng)度分析這里我選用的三維設(shè)計軟件CATIA，其中最重要的一個原因就是我三維模型就是使用CATIA的零件設(shè)計模塊做出來的，所以使CATIA自帶的Generative Structural Analysis分析模塊來分析靜強(qiáng)度兼容性好，不需要轉(zhuǎn)換格式損失模型信息。靜強(qiáng)度分析模塊在CATIA軟件中叫做Static Analysis。圖3-8 靜強(qiáng)度分析的命令第一步附材質(zhì)：靜強(qiáng)度分析里，要給零件實體附材質(zhì)，這里選擇steel鋼材；第二步添加虛擬零件：要把耳件所穿的螺栓弄虛擬零件表示出來，選擇上圖第二個圖標(biāo)，創(chuàng)建三個剛性虛擬零件，生成硬性地傳遞作用效果的虛擬剛性零件。圖3-9 虛擬剛性零件第三步添加

52、約束：選擇第四個圖標(biāo)夾緊，選中兩個夾緊面。第四步施加主動力：選擇第八個圖標(biāo)集中力，添加到三個虛擬零件上。集中力寫成坐標(biāo)形式F1 =（ - 1800N ，0 ，3000N ）F2 =（ 1800N ，0 ，3000N ）F3 =（ 0 ，0 ，3000N ）圖3-10 集中力的施加和大小第五步計算：選擇倒數(shù)第四個按鈕，計算機(jī)開始計算。第六步后處理：最后單個圖標(biāo)分別為形變、應(yīng)力和位移。應(yīng)力的最大值為 , 45號鋼的許用應(yīng)力為600MPa,所以該零件的強(qiáng)度是滿足使用要求的。整體零件的最大位移量為 ，剛度也滿足使用要求圖3-11 后處理-應(yīng)力云圖圖3-12 后處理-形變量第4節(jié) 機(jī)械加工工藝流程設(shè)計轉(zhuǎn)

53、動慣量試驗臺中雙鉸叉是一個制造精細(xì)的部件，現(xiàn)選取雙鉸叉中的上基座零件進(jìn)行機(jī)械加工工藝設(shè)計。上基座的零件圖和三維結(jié)構(gòu)圖見下圖。條件：該零件所用材料45鋼，質(zhì)量為 kg，年產(chǎn)量Q = 3000臺/年。上基座的用途 上基座是選取轉(zhuǎn)動慣量試驗臺雙鉸叉機(jī)構(gòu)中的一個零件。 42 mm的孔用來安裝關(guān)節(jié)軸承且有一個裝彈簧擋圈的環(huán)槽（未在圖中表達(dá)出來）； 40 mm的通孔主要是為了給關(guān)節(jié)軸承讓出運動間隙，同時也是為了去除材料，以減小其轉(zhuǎn)動慣量對整個裝置測量精度的影響；在兩側(cè)的25mm，深度10mm的兩個盲孔是用來裝配雙鉸叉的階梯軸的，在前文的描述中是一體的，這里為了讓工藝流程清晰明了又采用了分開式的構(gòu)件；100

54、mm，深5 mm的凹槽是為了減小上基座的加工表面面積，同時減少與運動平臺的接觸面積；共有8個9mm的光孔均布在124mm的圓上。上基座在雙鉸叉運動時會承受彎曲應(yīng)力和轉(zhuǎn)矩的作用，因此該零件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。上基座的主要工作表面為42mm的關(guān)節(jié)軸承孔和25mm的階梯軸安裝孔，在設(shè)計工藝過程中應(yīng)予以優(yōu)先保證。圖3-13 雙鉸叉上基座三維零件圖3-14 上基座的零件圖上基座的技術(shù)要求上基座屬于回轉(zhuǎn)類零件，關(guān)節(jié)軸承孔是其裝配基準(zhǔn)，又要和關(guān)節(jié)軸承相配合，加工精度要求較高，其表面要求淬火處理，硬度為40 58 HRC；螺栓孔位置使用的是鉸制孔螺栓，所以內(nèi)圓柱表面精度要求也較高；下端面因為是軸向

55、尺寸的加工基準(zhǔn)，所以其平面加工精度也不宜過低；78mm軸頸的軸線是徑向尺寸的加工基準(zhǔn)，所以其圓柱表面加工精度要求也較高。在形位公差方面，主要是軸向尺寸基準(zhǔn)有平面度要求，和徑向尺寸基準(zhǔn)的軸線與78mm軸頸的軸線有同心度要求，且與下端面有垂直度要求。表3-3 上基座的技術(shù)要求加工表面尺寸及偏差公差和精度表面粗糙度Ra/m形位公差基座軸頸 78 0 , IT 9基座下端面 140 0 , IT 9軸承內(nèi)孔42 42 + , 0IT 7螺栓孔8 X 9 9 0 , IT 7側(cè)孔9 25 + , 0IT 7基座內(nèi)表面 40 0 , IT 13下端面凹槽 100 0 , IT 13確定毛坯的機(jī)械加工余量已

56、知條件：Q = 3000臺/年，m = 1件/臺，結(jié)合生產(chǎn)實際，備品率a = 3 %，廢品率b = %。N = Q m (1+a) (1+b)上基座為輕型零件，生產(chǎn)類型選為中批生產(chǎn)。毛坯制造：準(zhǔn)備采用普通模鍛制造毛坯，毛坯的起模斜度為5，分模面為軸對稱面。鍛件材質(zhì)系數(shù)：材料選為45鋼，是質(zhì)量分?jǐn)?shù)在到之間，屬于M1級。公差等級：上基座的公差等級為普通級。鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)：鍛造件的包容尺寸，R = 72 mm , h = 93 mmS=由于介于和之間，其形狀復(fù)雜系數(shù)為S2級，復(fù)雜程度為一般。表3-4 各個加工表面的機(jī)械加工余量確定已知參數(shù)鍛件質(zhì)量包容體質(zhì)量形狀復(fù)雜系數(shù)材質(zhì)系數(shù) kg kgS2M1查

57、表得到的機(jī)械加工余量長度寬度高度公差030 mm + m , m3080 mm + m , m80120 mm + m , m中心距公差120180 mm厚度公差018 mm + m , m1830 mm + m , m3050 mm + m , m5080 mm + m , m內(nèi)外表面加工余量0315單邊余量 mm內(nèi)孔單面加工余量孔徑0-25，深065 mm孔徑25-40，深065 mm擬定上基座工藝路線定位基準(zhǔn)包含粗基準(zhǔn)和精基準(zhǔn)，先定精基準(zhǔn)再定粗基準(zhǔn)。精基準(zhǔn)：精基準(zhǔn)為精車加工過的78mm軸頸軸線。粗基準(zhǔn)：粗銑后的基座下端面。工序安排有四個原則：先基準(zhǔn)后其他原則；先粗后精原則；先主后次原則；

58、先面后孔原則。表3-5 機(jī)械加工工藝路線序號工序名稱機(jī)床設(shè)備刀具量具定位基準(zhǔn)1粗銑上下端面立式銑床X51面銑刀 100游標(biāo)卡尺78軸頸軸線2半精銑下端面立式銑床X51面銑刀 100游標(biāo)卡尺78軸頸軸線3粗車，半精車78軸頸臥式車床C6132車刀游標(biāo)卡尺半精銑的下端面4粗?jǐn)U、精擴(kuò)、倒角內(nèi)圓柱表面40立式鉆床Z535麻花鉆、擴(kuò)孔鉆卡尺、塞規(guī)半精車的78軸頸軸線5粗?jǐn)U、精擴(kuò)、倒角、鉸軸承孔42立式鉆床Z535麻花鉆、擴(kuò)孔鉆、鉸刀卡尺、塞規(guī)半精車的78軸頸軸線7粗銑、半精銑側(cè)面孔25立式銑床X51面銑刀 20游標(biāo)卡尺半精銑下端面8去毛刺鉗工臺平銼9熱處理-軸承孔局部淬火淬火機(jī)等10精磨軸承孔萬能外圓磨

59、床M1412砂輪卡尺、塞規(guī)半精車的78軸頸軸線11粗銑下端面凹槽立式銑床X51面銑刀 100游標(biāo)卡尺半精車的78軸頸軸線12精銑下端面立式銑床X51面銑刀 100游標(biāo)卡尺半精車的78軸頸軸線13清洗清洗機(jī)14終檢塞規(guī)、百分表、卡尺尺寸鏈計算條件：如圖要進(jìn)行兩次加工，第一次是車外圓軸頸，第二次為擴(kuò)內(nèi)孔。尺寸和公差已經(jīng)標(biāo)注在圖中。其中A1、A2和A01組成尺寸鏈，A01為封閉環(huán)，求工序尺寸A2；A1、A3、A4和A02組成尺寸鏈，A02為封閉環(huán)，求檢測尺寸A02。圖3-15 尺寸鏈計算A1、A2和A01組成尺寸鏈，A01為封閉環(huán)，A1、A2為組成環(huán)，A1為增環(huán)，A2為減環(huán)：A01 = A1-A2

60、，所以 A2 = A1-A01 = (9020) mm= 70 mmES01 = ES1 - EI2 所以EI2 = ES1-ES01 =( 0（）) mm = mmEI01 = EI1 - ES2 所以ES2 = EI1-EI01 =() mm = mmA2 = 70 mm ES = + mm , EI = + mmA2= ES = 0 , EI = mmA1、A3、A4和A02組成尺寸鏈，A02為封閉環(huán)，A1、A3、A4為組成環(huán)，A1為增環(huán)，A3、A3為減環(huán)：A02 = A1A3A4 = ( 90205 ) mm = 65 mmES02 = ES1EI3EI4 = ( 00 ) mm =