乘用車(chē)動(dòng)力總成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與分析_徐偉健

1、吉林大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）承諾書(shū) 本人鄭重承諾：所呈交的學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)），是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、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(jì)）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的作品成果。對(duì)本人實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)中做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中以明確的方式注明。本人完全意識(shí)到本承諾書(shū)的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 徐偉健 2016年6月7日摘要本畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)比6種不同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法，且參照了比較經(jīng)典的斯圖爾特設(shè)備的設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)了一種機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)易且原理簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量裝置。該試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)三個(gè)電動(dòng)缸去模擬繞三個(gè)坐標(biāo)軸

2、的轉(zhuǎn)動(dòng)，三對(duì)軸承輔助運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)分析傳感器獲得的力和角位移等參數(shù)來(lái)解得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。正文里，先用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖描述了整個(gè)裝置的運(yùn)動(dòng)原理，然后對(duì)試驗(yàn)臺(tái)中的多個(gè)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(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析，最后借助軟件MATLAB編制了測(cè)量系統(tǒng)中要用到的參數(shù)解算程序。成果包含乘用車(chē)動(dòng)力總成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，CAD圖和手繪圖總計(jì)5張A0的圖幅;試驗(yàn)臺(tái)的三維裝配設(shè)計(jì)、靜強(qiáng)度分析和運(yùn)動(dòng)干涉分析；參數(shù)解算說(shuō)明書(shū)及代碼；重要零件的計(jì)算校核和制造工藝工序。關(guān)鍵詞：動(dòng)力總成 慣性參數(shù) 試驗(yàn)臺(tái) 運(yùn)動(dòng)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目錄第1章 緒言1第1節(jié) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)臺(tái)的研究意義1第2節(jié) 典型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)臺(tái)的概述2第3節(jié) 本次畢設(shè)的主要工作內(nèi)容6第2章 剛體慣性參數(shù)測(cè)量方法研究7第1節(jié) 剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量介紹7第2節(jié) 三維坐標(biāo)變換矩陣8第3節(jié) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法對(duì)比10第4節(jié) 試驗(yàn)臺(tái)的誤差來(lái)源11第3章 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)13第1節(jié) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)的工作原理13第2節(jié) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)的零部件設(shè)計(jì)14第3節(jié)

7、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)的零部件選型與校核19第4節(jié) 機(jī)械加工工藝流程設(shè)計(jì)28第4章 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性34第1節(jié) 整車(chē)質(zhì)心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)臺(tái)的傳感器布置說(shuō)明34第2節(jié) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)臺(tái)目標(biāo)參數(shù)解算34第3節(jié) 目標(biāo)參數(shù)解算匯總40結(jié)論41第1節(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)論41第2節(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)感想41參考文獻(xiàn)43附錄45第1節(jié) 英文翻譯（共6700字）45第2節(jié) 英文原文57第3節(jié) 三維零部件圖片76致謝78III第1章 緒言第1章 緒言第1節(jié) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)臺(tái)的研究意義1.1.1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)臺(tái)的研究意義轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是剛體進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的一個(gè)重要的物理參數(shù)，它的大小反應(yīng)了剛體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度，即用來(lái)度量剛體慣性的物

8、理量。在實(shí)際應(yīng)用中掌握物體三維轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律的前提，就要對(duì)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行必要的測(cè)量。伴隨著現(xiàn)代新技術(shù)的迅速發(fā)展，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)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)等重要產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。在機(jī)械制造中，需要對(duì)大量的做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)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(chē)工業(yè)也必須測(cè)量各類(lèi)車(chē)輛以及其轉(zhuǎn)動(dòng)部件得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，通過(guò)對(duì)其修正來(lái)提高車(chē)輛的性能和壽命。汽車(chē)的整車(chē)以及零部件的慣性參數(shù)，是對(duì)車(chē)輛進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)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(chē)輛的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性。例如，在進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性, 行駛平順性和制動(dòng)性等汽車(chē)性能時(shí)，需要用到眾多的參數(shù)里面就

9、包括了整車(chē)或部件繞某一軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或某一點(diǎn)的慣性積。研究汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性中的側(cè)向動(dòng)力學(xué)特性，亦需要車(chē)輛慣性參數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值；行駛平順是乘用車(chē)的重要性能要求之一，進(jìn)行車(chē)輛的行駛平順性領(lǐng)域中，車(chē)輛在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和路面不平激勵(lì)這兩種振源作用下發(fā)生振動(dòng)，研究這種振動(dòng)就需要比較可靠的動(dòng)力總成的慣性參數(shù)數(shù)值。動(dòng)力總成的慣性參數(shù)除了主要的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性積之外，還應(yīng)該包括動(dòng)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(chē)輛重心位置和慣性參數(shù)對(duì)于建模和模擬車(chē)輛響應(yīng)特性來(lái)說(shuō)是非常重要的。除了車(chē)輛響應(yīng)研究，車(chē)輛重心高度還用于基于車(chē)輛側(cè)翻特性的分級(jí)，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)

10、傾慣性矩也被用于臨界滑移速度的計(jì)算中另一個(gè)側(cè)翻傾向性的度量。要想測(cè)量整車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)，一種方法就是讓車(chē)輛在現(xiàn)實(shí)路面上模擬各種運(yùn)動(dòng)，如俯仰、橫擺和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，然后由安裝在車(chē)上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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析解算。一臺(tái)帶著眾多傳感器的車(chē)輛，而且要行駛在路況復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)路面，這是一次難以精確控制條件的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。相對(duì)地，在環(huán)境影響因子相對(duì)較少的實(shí)驗(yàn)室中，嚴(yán)格地控制空氣流動(dòng)、聲音和路面條件等因素下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能得到相對(duì)精確的參數(shù)測(cè)量結(jié)果。甚至說(shuō)，試驗(yàn)臺(tái)可以直接模擬零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)，更是節(jié)省了空間、時(shí)間和人力資源，也提高了實(shí)驗(yàn)的安全性和可重復(fù)性。第2節(jié) 典型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)臺(tái)的

11、概述在眾多的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)中，最出名的莫過(guò)于斯圖爾特慣性測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)，它是現(xiàn)在市面上多種在售的試驗(yàn)臺(tái)原理原型，如S.E.A生產(chǎn)的VIMF，還有ika生產(chǎn)的VIMM。本節(jié)的主要內(nèi)容就是介紹這種試驗(yàn)臺(tái)的相關(guān)知識(shí)，其中一部分的運(yùn)動(dòng)解算內(nèi)容，為我最后編制轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)提供了不小的幫助。 1.2.1斯圖爾特平臺(tái)綜述對(duì)于懸掛在6自由度斯圖爾特平臺(tái)的車(chē)輛，在線(xiàn)慣性張量測(cè)量使用到了遞推的最小二乘法算法。當(dāng)平臺(tái)繞著它的橫擺、俯仰和側(cè)傾軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，慣性張量會(huì)在線(xiàn)實(shí)時(shí)更新。在解決反向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解所需的關(guān)節(jié)長(zhǎng)度后，斯圖爾特平臺(tái)的位置控制是通過(guò)控制每個(gè)解耦PID環(huán)中的支撐腿長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)的。安裝在移動(dòng)平臺(tái)上的加速度計(jì)提供實(shí)時(shí)

12、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(tái)的控制動(dòng)力學(xué)方程組中是用最小二乘法構(gòu)建的，而且6個(gè)自由度的慣性張量是遞歸估計(jì)的。在模擬中快速收斂的實(shí)際的值，就是所有感興趣的參數(shù)。車(chē)輛動(dòng)力學(xué)和車(chē)輛控制的實(shí)驗(yàn)研究，緊緊地依靠于車(chē)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(chē)輛慣量參數(shù)的充分理解。對(duì)于后者的在線(xiàn)測(cè)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(jí)；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(chē)輛重心位置的實(shí)時(shí)估計(jì)；在文獻(xiàn)3中，設(shè)計(jì)對(duì)車(chē)輛重心和橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)力矩變化具有魯棒性的主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器。在行駛中確定慣性參數(shù)的

13、重要性不言而喻：車(chē)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(shí)候的車(chē)輛穩(wěn)定性。很明顯，車(chē)載的參數(shù)估計(jì)算法需要對(duì)慣性參數(shù)有良好的初始估計(jì)。有幾款工業(yè)級(jí)的設(shè)備已經(jīng)問(wèn)世，例如：S.E.A生產(chǎn)的VIMF：各部分的試驗(yàn)機(jī)構(gòu)，單獨(dú)地計(jì)算橫擺、側(cè)傾和俯仰慣量；ika公司生產(chǎn)的VIMM：一個(gè)3自由度的測(cè)試平臺(tái)，慣性參數(shù)能夠被迅速地確定。斯圖爾特平臺(tái)已經(jīng)廣泛地被作為模擬平臺(tái)，應(yīng)用到汽車(chē)和航天產(chǎn)業(yè)中。在本論文提出了一個(gè)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(jì)單元的相關(guān)技術(shù)的簡(jiǎn)易性。1.2.2斯圖爾特平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)際上是用于連接基點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。棱柱接頭能在接頭處改變連接桿的長(zhǎng)度。根據(jù)并

14、聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種只有少數(shù)接頭可動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，大多數(shù)的著名的此類(lèi)結(jié)構(gòu)都是從斯圖爾特設(shè)計(jì)的原始機(jī)構(gòu)發(fā)展出來(lái)的。在文獻(xiàn)6中，這種機(jī)構(gòu)被稱(chēng)為SPM斯圖爾特平臺(tái)機(jī)構(gòu)，有著6個(gè)可控的自由度。一個(gè)典型的SPM有6個(gè)長(zhǎng)度可調(diào)的支撐腿，連接著兩個(gè)剛性的平臺(tái)其中一個(gè)平臺(tái)固定在地面上(另一個(gè)可以運(yùn)動(dòng))。支撐腿可采用兩種形式之一：活塞式；連桿式。下邊的連接點(diǎn)可以是共面的也可以是異面的。對(duì)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(tái)相對(duì)于基座擁有6個(gè)自由度。如果支撐腿的長(zhǎng)度是恒定的，整個(gè)機(jī)構(gòu)就成了一種結(jié)構(gòu)。從幾何學(xué)角度來(lái)說(shuō)，每條支撐腿都是平面的切線(xiàn)，相切于過(guò)平臺(tái)3個(gè)頂點(diǎn)所畫(huà)的圓7。在高夫的

15、提議下，機(jī)構(gòu)演變成全平行的形式。因此，有的時(shí)候也稱(chēng)它為高夫-斯圖爾特平臺(tái)。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(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題：支撐腿長(zhǎng)度已知，確定上平臺(tái)相對(duì)于基座的旋轉(zhuǎn)或平移運(yùn)動(dòng)。換言之，我們需要找到旋轉(zhuǎn)矩陣來(lái)表示上平臺(tái)相對(duì)于地面坐標(biāo)系的坐標(biāo)矢量。正向運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題非常重要，因?yàn)槲覀冃枰罊C(jī)構(gòu)，在給定的支撐腿長(zhǎng)度的前提下，所有可能的運(yùn)動(dòng)方向。相反地，反向運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題：上平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)或平移運(yùn)動(dòng)已知，確定需要求解的支撐腿長(zhǎng)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(wèn)題的對(duì)立關(guān)系：串聯(lián)機(jī)構(gòu)的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題很簡(jiǎn)單，逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題很難；

16、相反地，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題很難，逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題很簡(jiǎn)單。通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤既定的運(yùn)動(dòng)軌道-觀(guān)察反向運(yùn)動(dòng)學(xué)的在線(xiàn)動(dòng)態(tài)，我們可以得出正向運(yùn)動(dòng)有多解8-10。一個(gè)支撐腿長(zhǎng)度可能不是唯一的情形。相反地，反向運(yùn)動(dòng)卻有唯一解。換言之，上平面的運(yùn)動(dòng)方向可以由支撐腿長(zhǎng)度唯一確定。圖1是一個(gè)6-6斯圖爾特平臺(tái)的示意圖。開(kāi)始運(yùn)動(dòng)學(xué)分析前，確定好兩個(gè)坐標(biāo)系：1.坐標(biāo)系B的中心在不動(dòng)的基座上；2.坐標(biāo)系P的中心在由運(yùn)動(dòng)平板頂點(diǎn)確定的圓的圓心上。圖1-1安裝在平臺(tái)上的車(chē)輛上下上下平板的頂點(diǎn)的極角可以簡(jiǎn)單地用下列公式表示： i=i-16 （1-1）i=i-16 （1-2）參考參考點(diǎn)P的相對(duì)于坐標(biāo)系P位置寫(xiě)成：Pi=rpco

17、s(i)rpsin(i)0=PixPiyPiz （1-3）參考參考點(diǎn)B相對(duì)于坐標(biāo)系B的位置寫(xiě)成：Bi=rBcos(i)rBsin(i)0=BixBiyBiz （1-4）r的下標(biāo)代表是上平臺(tái)還是下基座的半徑。反向運(yùn)動(dòng)學(xué)中需要的支撐腿長(zhǎng)度將從下列的數(shù)學(xué)關(guān)系中得出：li=RPi+Op-BiRPi+Op-Bi （1-5）上述方程中，Op表示平臺(tái)中心相對(duì)于基座的位置，R是從基座坐標(biāo)系變換到平臺(tái)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣。 R=1000cos-sin0sincos R=cos0sin01-sin-sin0cos ( 1-6 )R=cos-sin0sincos0001每一項(xiàng)相乘得到了： R=RRR （1-7）PID位

18、置控制時(shí)給平臺(tái)的軌跡信號(hào)預(yù)設(shè)為零平移，同時(shí)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(yùn)動(dòng)。這種方法保證了在回歸矩陣中的增量很小或?yàn)榱?。xd=0 d=A1sin1tyd=0 d=A2sin2tzd=0 d=A3sin3t （1-8）在用前一節(jié)的反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方法解算出接頭長(zhǎng)度后，每條支撐腿的長(zhǎng)度用解耦PID環(huán)控制的。支撐腿長(zhǎng)度是通過(guò)安裝在活塞缸機(jī)構(gòu)中的位移傳感器測(cè)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(shí)間相應(yīng)，控制目標(biāo)產(chǎn)生支撐腿力Fxi，實(shí)際的支撐腿長(zhǎng)lact i跟蹤理論支撐腿長(zhǎng)ldi。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-Ixz

19、-IyxIyy-Iyz-Izx-IzyIzz (1-9)慣性張量(公式1-9)是一個(gè)3X3的對(duì)稱(chēng)矩陣，所以它只有6個(gè)互異的元素。由于平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是彼此分開(kāi)的，它滿(mǎn)足控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的三個(gè)常微分方程（公式1-10、1-11、1-12）。通過(guò)測(cè)量6個(gè)支撐腿各自作用在上平臺(tái)的力，我們可以三個(gè)轉(zhuǎn)矩的分量。Ixxdxdt-Ixzdzdt-Ixydydt=x+Iyzy2-z2+Ixzxy-Ixyzx+Iyy-Izzyz (1-10)Iyydydt-Ixydxdt-Iyzdzdt=y+Ixzz2-x2+Ixyzy-Iyzyx+Izz-Ixxxz (1-11)Izzdzdt-Iyzdydt-Ixzdxdt=z+

20、Ixyx2-y2+Iyzzx-Ixzyz+Ixx-Iyyxy (1-12)對(duì)所測(cè)平臺(tái)的平臺(tái)角加速度進(jìn)行積分就能獲得平臺(tái)的角速度。其中的角加速度數(shù)據(jù)從安裝在上平臺(tái)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(jì)出乘用車(chē)動(dòng)力總成的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量系統(tǒng)，并通過(guò)有限元分析得出測(cè)量裝置的可靠性，并完成其參數(shù)解算。研究?jī)?nèi)容概括如下：a.了解動(dòng)力總成慣性參數(shù)測(cè)量的原理，比較轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算方法和各種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)。選用電動(dòng)缸模擬運(yùn)動(dòng)，對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。b. 采用有限元軟件CATIA靜力學(xué)分析模塊對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)臺(tái)的零部件進(jìn)行靜力分析和拓?fù)鋬?yōu)化，驗(yàn)證裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)合理性。c.聯(lián)

21、合使用CATIA 裝配設(shè)計(jì)和DMU模塊，對(duì)已設(shè)計(jì)好的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，確保在要求的運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)結(jié)構(gòu)干涉問(wèn)題d. 根據(jù)結(jié)構(gòu)原理構(gòu)建轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的數(shù)學(xué)模型，從而得到理論上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量公式，使用MATLAB完成整個(gè)解算過(guò)程。5第2章 剛體慣性參數(shù)測(cè)量方法研究第2章 剛體慣性參數(shù)測(cè)量方法研究第1節(jié) 剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量介紹本次畢業(yè)的主要研究對(duì)象是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這是一個(gè)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(dòng)慣量，首先要熟知其物理意義和相關(guān)的公式定理。剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律（law of rotation of a rigid body about a fixed axis）M

22、 = J （2-1）式中J代表轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，M代表合外力矩，即所有外力對(duì)軸的力矩的矢量， 為合外力矩引起的剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量J成反比。剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律在剛體動(dòng)力學(xué)中的地位與牛頓第二定律在平動(dòng)中的地位相當(dāng)，它是定量研究剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題的基本定律。剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律具有瞬時(shí)性，給出的是一種瞬時(shí)關(guān)系，M為某一時(shí)刻剛體所受的合外力矩，為該時(shí)刻剛體產(chǎn)生的角加速度，兩者同時(shí)存在，同時(shí)消失。此外，轉(zhuǎn)動(dòng)定律還具有同軸性，即力矩M、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和角加速度都是對(duì)于同一確定軸而言的。剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與轉(zhuǎn)軸的位置有關(guān)。若

23、有連個(gè)平行軸，其中一個(gè)軸過(guò)質(zhì)心，則剛體對(duì)另一個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)用到平行軸定理 J = Jc + m d2 （2-2）式中m為剛體質(zhì)量，Jc為剛體過(guò)質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，d為兩軸的平行距離在理論力學(xué)中，對(duì)于剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)微分方程有著更詳細(xì)的介紹。作用于剛體上的主動(dòng)力Fi（i=1.2.3n）,上下軸承處的支反力分別為FNA和FNB。剛體對(duì)z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)為Jc,瞬時(shí)角速度為，瞬時(shí)角加速度。則有ddtJc=Mz=Mz(Fi) （2-3）Mz為各個(gè)主動(dòng)力對(duì)z軸的力矩Jz =Mz （2-4）上式稱(chēng)為剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的常微分方程。表明剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與角加速度的乘積，等于作用于剛體的主動(dòng)力對(duì)該軸的矩的代數(shù)和。應(yīng)用剛體

24、繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)微分方程，可求解剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的兩類(lèi)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，即已知?jiǎng)傮w的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律，求作用于剛體上的主動(dòng)力；已知作用于剛體上的主動(dòng)力，求剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律。圖2-1 剛體轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖第2節(jié) 三維坐標(biāo)變換矩陣轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)分為固定件和運(yùn)動(dòng)件，不動(dòng)件和地面共用坐標(biāo)系，運(yùn)動(dòng)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(xiàn)性代數(shù)的知識(shí)和MATLAB這一數(shù)學(xué)工具如何實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)變換。2.1.1二維旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換平面的點(diǎn)坐標(biāo)（x1 ,y1）寫(xiě)成極坐標(biāo)形式為x1 = rcos () , y1 = rsin ()繞著坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角之后，新的坐標(biāo)（x2 ,y2）寫(xiě)為x1 = rcos

25、 - , y1 = rsin (-) （2-5）用兩角和差公式展開(kāi)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 ()2.2.1三維旋轉(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(shí)給出旋轉(zhuǎn)角和旋轉(zhuǎn)軸。形式上來(lái)說(shuō)，可以從二維坐標(biāo)變換類(lèi)推到三維坐標(biāo)變換，分別以x,y,z軸作為旋轉(zhuǎn)軸，則點(diǎn)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)定在右手坐標(biāo)系中，右手螺旋

26、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(diǎn)看為逆時(shí)針?lè)较?。繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角為：x2 = x1, y2=y1cos () - z1sin (), z2 = y1sin()+z1cos()繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角為：x2 = z1sin() + x1cos(), y2=y1, z2=z1cos () - x1 sin () 繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角為：x2=x1cos ()-y1 sin (), y2=x1sin()+y1cos() , z2=z1寫(xiě)成矩陣的形式x2,y2,z2=x1,y1,z1×1000coscos0-sinsin繞x軸旋轉(zhuǎn) x2,y2,z2=x1,y1,z1×

27、cos0-sin010sin0cos繞y軸旋轉(zhuǎn) （2-6）x2,y2,z2=x1,y1,z1×cossin0-sincos0001繞z軸旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)變換矩陣的記憶規(guī)律就是，對(duì)于單位矩陣E來(lái)說(shuō)，繞著哪個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，該坐標(biāo)軸的元素不變，然后依照二維變換將cossin-sincos填到里面。繞x軸正向旋轉(zhuǎn)角，旋轉(zhuǎn)后點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的z坐標(biāo)值不變，x、y坐標(biāo)的變化相當(dāng)于在xoy平面內(nèi)作正角旋轉(zhuǎn)。 x y zxy z10001

28、0001因?yàn)榘研D(zhuǎn)變換規(guī)律寫(xiě)成了矩陣的形式，用數(shù)學(xué)軟件處理起來(lái)會(huì)減少變量和代碼行，為我們節(jié)省大量的時(shí)間。在MATLAB中，上述的三個(gè)變換矩陣可以寫(xiě)成很簡(jiǎn)單的形式，并且可以直接對(duì)矩陣進(jìn)行對(duì)乘積運(yùn)算。變換矩陣為A=AxAyAz繞x變換矩陣 Ax= 1 , 0 , 0 ; 0 , cos , cos ; 0 , -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(shí)現(xiàn)將變換矩陣編輯成一個(gè)函數(shù)B ( ,

29、, ),然后在用到坐標(biāo)變換時(shí)使用自定義函數(shù)B ( , , )即可。第3節(jié) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法對(duì)比這里提到的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法包含但不限于汽車(chē)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量，其中僅僅是以汽車(chē)整車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量為主。主要有單擺法、復(fù)擺法和三線(xiàn)擺法三種類(lèi)型，下面是它們各自的簡(jiǎn)單介紹和優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，和本次畢業(yè)設(shè)計(jì)要采用的理論指導(dǎo)部分。表2-1 各種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)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(xiàn)或金屬細(xì)桿將被測(cè)剛體懸吊起來(lái)，從而構(gòu)成了單線(xiàn)扭擺單線(xiàn)扭擺法主要用于測(cè)量一些小型軸對(duì)稱(chēng)剛性構(gòu)件（馬達(dá)轉(zhuǎn)子、螺旋槳、齒輪等) 繞軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。用單線(xiàn)扭擺法測(cè)量簡(jiǎn)便實(shí)用，精度高，成本低但該方法對(duì)吊線(xiàn)(桿)的材質(zhì)要

30、求較高，懸吊剛體時(shí)受力點(diǎn)較少，不適用于質(zhì)量大，幾何形狀復(fù)雜物體的測(cè)量。復(fù)擺三角托架可以繞O點(diǎn)擺動(dòng)，其質(zhì)量為m將質(zhì)量為m1的待測(cè)剛體固定于三角托架，使二者等同于一個(gè)剛體。測(cè)量周期去推算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量復(fù)擺法對(duì)于被測(cè)剛體的外形、質(zhì)量分布等要求不高，并且測(cè)試操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)成本也較低。擺線(xiàn)長(zhǎng)測(cè)量精度對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的誤差影響較大，因此懸掛被測(cè)剛體時(shí)需要精確知道被測(cè)剛體的質(zhì)心位置，而這往往很難達(dá)到。三線(xiàn)擺上下兩個(gè)擺動(dòng)圓盤(pán)，并用擺線(xiàn)懸掛起來(lái)，從能量守恒角度去推算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。三線(xiàn)扭擺法實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單、測(cè)量精度較高，適合于測(cè)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(xiàn)扭擺法要求被測(cè)剛體質(zhì)心落在扭擺軸線(xiàn)上。對(duì)于形狀不規(guī)

31、則剛體，往往需要輔助配重塊來(lái)滿(mǎn)足這一要求振動(dòng)法自振法利用固定在車(chē)輛三軸向的彈簧對(duì)汽車(chē)加載，同時(shí)測(cè)定各方向的振動(dòng)周期，然后計(jì)算得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量從振動(dòng)入手，通過(guò)分析振動(dòng)的規(guī)律去從中得到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，易于搭建和拆卸所采用的彈簧因長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)疲勞使剛度產(chǎn)生變化，造成測(cè)試結(jié)果精度不高激振法轉(zhuǎn)向架三軸向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試方法*6自由度 6個(gè)電動(dòng)缸激振法實(shí)現(xiàn)車(chē)體繞X、Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)試較為容易，單獨(dú)無(wú)法實(shí)現(xiàn)三軸向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)定，進(jìn)而造成操作困難實(shí)際工況法路面試驗(yàn)通過(guò)對(duì)路面試驗(yàn)過(guò)程中所采集到的車(chē)身垂直振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行的頻譜特征分析,得到了其角振動(dòng)固有頻率,最后建立車(chē)身振動(dòng)模型，并構(gòu)建了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試的數(shù)學(xué)模型

32、得到的車(chē)身振動(dòng)模型更貼近實(shí)際情況，大部分的數(shù)據(jù)處理都是數(shù)學(xué)領(lǐng)域的問(wèn)題，跟汽車(chē)平順性章節(jié)有重疊的知識(shí)點(diǎn)，更易于理解其原理。室外試驗(yàn)最大的缺點(diǎn)就是容易被外界環(huán)境因素干擾試驗(yàn)結(jié)果。且在實(shí)際車(chē)輛安裝大量的傳感器也會(huì)影響車(chē)輛的駕駛安全性。而本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)臺(tái)，原理上可以理解為它綜合了激振法和懸吊擺法兩種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法，這樣就可以同時(shí)輕松地完成繞著三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，相比于激振法的六個(gè)彈簧系統(tǒng)所造成的六個(gè)自由度，本次設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)臺(tái)僅有三個(gè)電動(dòng)缸作為動(dòng)力來(lái)源，且這個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)僅有三個(gè)繞坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。跟懸吊擺法測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法相比，因?yàn)槭褂昧溯S承代替了擺線(xiàn)，也不用擔(dān)心

33、擺線(xiàn)品質(zhì)帶來(lái)的測(cè)量誤差，同時(shí)使用了軸承來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)的辦法也是整個(gè)測(cè)量機(jī)構(gòu)具有了更好的穩(wěn)定性。因?yàn)樵囼?yàn)臺(tái)是在相對(duì)封閉的實(shí)驗(yàn)室可控條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量，所以外界能夠干擾測(cè)量結(jié)果的因素大大減少，有利于得到更準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量數(shù)值。第4節(jié) 試驗(yàn)臺(tái)的誤差來(lái)源轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量結(jié)果中的主要誤差來(lái)源有：平臺(tái)變形量，測(cè)試設(shè)備本身具有的側(cè)傾慣性矩，樞軸和平臺(tái)之間的間隙和用于橫擺慣性矩測(cè)試的非線(xiàn)性彈簧。對(duì)于不同的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)變量（質(zhì)量，剛度，幾何結(jié)構(gòu)和磁放大器等）對(duì)于測(cè)量的總不確定度的影響是不同的。換一句話(huà)說(shuō)，每個(gè)被測(cè)慣性參數(shù)的總不確定度受試驗(yàn)臺(tái)的各個(gè)部件的設(shè)計(jì)影響，也取決于車(chē)輛的大小和重量。影響著慣性

34、測(cè)量的主要設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)下表：運(yùn)動(dòng)平臺(tái)明顯決定著每個(gè)被測(cè)慣性參數(shù)的不確定度。表2-2 影響著慣性測(cè)量的主要設(shè)計(jì)參數(shù)決定被測(cè)慣性參數(shù)不確定度的來(lái)源測(cè)量主要的誤差來(lái)源重心位置測(cè)量平臺(tái)重量平臺(tái)的形變量平臺(tái)的重心高度平臺(tái)的放置角度車(chē)輛的約束剛度俯仰和側(cè)傾慣性測(cè)量平臺(tái)的慣性運(yùn)動(dòng)的周期車(chē)輛的約束剛度橫擺慣性測(cè)量平臺(tái)的慣性彈簧的線(xiàn)性度對(duì)于任何測(cè)量設(shè)備，一般要減小測(cè)量設(shè)備對(duì)于被測(cè)量的影響。測(cè)量設(shè)備的平臺(tái)也是如此。為了減少測(cè)量設(shè)備對(duì)于整體測(cè)量的影響，平臺(tái)的重量和慣性應(yīng)該盡可能的小。試驗(yàn)臺(tái)的側(cè)傾慣性矩尤其關(guān)鍵。它幾乎是一輛小型車(chē)慣性的三倍大。為了獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，平臺(tái)的側(cè)傾慣矩應(yīng)該小于車(chē)輛的側(cè)傾慣性矩。減小平臺(tái)的重

35、量換來(lái)的是平臺(tái)靈活性/撓性的增加。目前，試驗(yàn)臺(tái)部件是非常靈活的，而且被測(cè)試車(chē)輛的重量會(huì)有明顯的變化。對(duì)于重型車(chē)輛來(lái)說(shuō)，測(cè)量中最大的誤差就是試驗(yàn)臺(tái)部件的撓度決定的。試驗(yàn)臺(tái)也只能用來(lái)測(cè)量車(chē)輛的參數(shù)，因?yàn)樗墓潭休S高度適于重心、俯仰慣性和側(cè)傾慣性測(cè)試。車(chē)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)的精度。平臺(tái)表面和樞軸之間的可調(diào)整的的間隙可以滿(mǎn)足上述需求。計(jì)算機(jī)軟件會(huì)為每個(gè)被測(cè)車(chē)輛計(jì)算出最佳的樞軸高度。運(yùn)動(dòng)周期是側(cè)傾和俯仰慣性測(cè)試中最基本的誤差來(lái)源。改變綜合重心高度（平臺(tái)和車(chē)輛的綜合重心高度）和樞軸之間的距離可以改變運(yùn)動(dòng)周期的長(zhǎng)短。短運(yùn)動(dòng)周期的加速度大，反之長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)周期的加速度小。周

36、期引起的誤差可以通過(guò)降低周期測(cè)量的不確定度來(lái)減小。另一個(gè)需要提到的設(shè)計(jì)變量就是橫擺運(yùn)動(dòng)的彈簧。試驗(yàn)臺(tái)的橫擺彈性系統(tǒng)提存在微扭簧率（輕微的非線(xiàn)性扭轉(zhuǎn)彈簧率）。這會(huì)造成誤差，因?yàn)橄到y(tǒng)分析是基于線(xiàn)性的彈簧恢復(fù)力矩。車(chē)輛的柔性約束會(huì)導(dǎo)致重心高度、俯仰慣性和側(cè)傾慣性測(cè)試的最明顯的誤差。使用偏剛性約束的系統(tǒng)會(huì)降低這方面的誤差。13第3章 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)第3章 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)第1節(jié) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)的工作原理這次設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)因?yàn)樾枰獪y(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)，所以其基本結(jié)構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)繞x軸、y軸和z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。其中，x軸、y軸和z軸已經(jīng)在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖中表現(xiàn)出來(lái)了。部件10，部件11和部件12同屬于軸承系統(tǒng)，

37、顧名思義就是它們用來(lái)輔助整個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其主要零件也是軸承。像圖中標(biāo)示，部件10用來(lái)輔助繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；部件11用來(lái)輔助繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；部件12用來(lái)輔助繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3-1 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖具體結(jié)構(gòu)如機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖1-1，部件2、部件4、部件7為動(dòng)力輸入裝置電動(dòng)缸，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖中可以理解為一條可以伸長(zhǎng)或者縮短的線(xiàn)段。部件1、部件3、部件5、部件6、部件8為球鉸，有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度但無(wú)移動(dòng)自由度。部件10、部件11和部件12為軸承系統(tǒng)，可以輔助運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9繞著某一坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，且它們?nèi)齻€(gè)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系是互斥的，即在某一確定時(shí)間點(diǎn)有且僅有一個(gè)軸承有運(yùn)動(dòng)趨向。電動(dòng)缸2下邊通過(guò)一個(gè)球鉸1與地面相連，上

38、邊通過(guò)球鉸3與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9相連；電動(dòng)缸4下邊通過(guò)一個(gè)球鉸5與地面相連，上邊通過(guò)球鉸3與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9相連；電動(dòng)缸7下邊通過(guò)球鉸6與地面相連，上邊通過(guò)球鉸8與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9相連。注意的是，球鉸1和5的x坐標(biāo)是相同的；電動(dòng)缸2和電動(dòng)缸4的上邊共用了球鉸3；電動(dòng)缸7在靜態(tài)位置上時(shí)會(huì)垂直于地面；為了便于清晰表達(dá)原理，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖中將軸承系統(tǒng)畫(huà)在了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的上邊，實(shí)際結(jié)構(gòu)中軸承系統(tǒng)與電動(dòng)缸動(dòng)力系統(tǒng)都位于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)的下方，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的上邊為被測(cè)量的動(dòng)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(kāi)畫(huà)了，但實(shí)際結(jié)構(gòu)中仍是一個(gè)整體，即圖1-1中的基座。當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)需要繞x軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)缸7將會(huì)伸長(zhǎng)/縮短，軸

39、承系統(tǒng)11發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，點(diǎn)8將會(huì)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)繞著x軸完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)需要繞y軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)缸2和電動(dòng)缸4將會(huì)完成相同長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)或者縮短，軸承系統(tǒng)12發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，點(diǎn)3將會(huì)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)繞著y軸完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)需要繞z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)缸2和電動(dòng)缸4分別一個(gè)伸長(zhǎng)另一個(gè)縮短，軸承系統(tǒng)10發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，點(diǎn)3將會(huì)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)繞著z軸完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。第2節(jié) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)的零部件設(shè)計(jì)3.2.1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)總觀(guān)部件1為基座，是整個(gè)測(cè)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(yùn)動(dòng)學(xué)上定義為固定件；部件2、部件7和部件8為電動(dòng)缸，是整個(gè)測(cè)量裝置的動(dòng)力系統(tǒng)，其中電動(dòng)缸2和電動(dòng)缸8為

40、繞y軸、z軸提供動(dòng)力，而電動(dòng)缸7單獨(dú)為繞x軸提供動(dòng)力；部件3為雙鉸叉機(jī)構(gòu)，是電動(dòng)缸2和電動(dòng)缸8共用件，連接運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4與被測(cè)的動(dòng)力總成相連，它在裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)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(lèi)軸承，用以輔助電動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，還有未在圖中表現(xiàn)出來(lái)的各類(lèi)測(cè)量傳感器，這些傳感器和控制模塊構(gòu)成了測(cè)量計(jì)算系統(tǒng)。圖3-2 試驗(yàn)臺(tái)三維軸測(cè)圖3.2.2基座設(shè)計(jì)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(gè)電動(dòng)缸2和電動(dòng)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(duì)整個(gè)裝置精度的影響

41、；焊接桁架上焊有一對(duì)關(guān)于xoz面對(duì)稱(chēng)布置的斜耳件，耳件的傾斜方向與電動(dòng)缸的傾斜方向基本一致，這樣能夠使受力相對(duì)地均勻，還有一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)的耳件布置于基座的側(cè)方，三個(gè)耳件的位置關(guān)于整個(gè)裝置的硬點(diǎn)位置的精確性，所以焊接時(shí)三個(gè)耳件的定位也是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。圖3-3 焊接底板的軸測(cè)圖3.2.3電動(dòng)缸和球鉸設(shè)計(jì)電動(dòng)缸的結(jié)構(gòu)是基于ZHN1300-6000N型的電動(dòng)缸改動(dòng)獲得的，整個(gè)電動(dòng)缸的行程610mm，滿(mǎn)足裝置的使用要求。其中電動(dòng)機(jī)和伸縮桿并無(wú)改動(dòng)，其下固定端開(kāi)了一個(gè)盲孔，配合著彈簧擋圈用于安裝三轉(zhuǎn)動(dòng)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

42、U形叉。使用球鉸時(shí)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(guò)關(guān)節(jié)軸承2。為了防止關(guān)節(jié)軸承沿軸向方向竄動(dòng)，特意設(shè)置一對(duì)凸臺(tái)墊片1夾緊。通過(guò)彈簧墊圈和螺母將其緊固到耳件上。螺紋長(zhǎng)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(lèi)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(tái)墊片先至于耳件里側(cè)，盡量將各個(gè)零件的孔對(duì)中，然后抖動(dòng)著將軸穿過(guò)，最后上彈簧墊圈和螺母。圖3-4 球鉸裝配體3.2.4軸承及其固定設(shè)計(jì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)共出現(xiàn)三對(duì)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

43、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(méi)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(guò)長(zhǎng)，防止上軸承的時(shí)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(shí)接觸軸承內(nèi)圈和外圈。圖3-5 軸承的安裝3.2.5雙鉸叉機(jī)構(gòu)實(shí)設(shè)計(jì)雙鉸叉機(jī)構(gòu)是整個(gè)裝置設(shè)計(jì)中最復(fù)雜精妙的部件，下面就其具體的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)展開(kāi)論述。從原理上講，此處的機(jī)構(gòu)是得實(shí)現(xiàn)兩個(gè)球鉸的功能：半U(xiǎn)形叉5處使用了跟前文電動(dòng)缸固定相同的關(guān)節(jié)軸承4；U形叉雖然沒(méi)有使用球鉸，但是通過(guò)回轉(zhuǎn)支撐2的繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)和相對(duì)于上基座的轉(zhuǎn)動(dòng)也同樣完成了三

44、個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的功能。半U(xiǎn)形叉和上基座通過(guò)一個(gè)關(guān)節(jié)軸承和階梯軸相連，參照?qǐng)D1-2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(guò)半U(xiǎn)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(xiǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)精度和硬點(diǎn)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(guò)關(guān)節(jié)軸承4并伸出半U(xiǎn)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(shí)將回轉(zhuǎn)支撐的外圈

45、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(gè)由三個(gè)零件裝配而成的部件，這三個(gè)零件分別為兩個(gè)叉臂4和一個(gè)叉座1，叉臂和叉座之間使用螺釘連接，而且設(shè)計(jì)了調(diào)整墊片2用以微量調(diào)整兩個(gè)叉臂的距離。上基座有兩個(gè)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(jì)的時(shí)候是采用一體化設(shè)計(jì)，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(jì)即可。軸承的內(nèi)圈由軸端面接觸固定，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

46、座1的裝配并上好調(diào)整墊片2并加螺釘3緊固。3.2.6軸承支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)軸承支撐系統(tǒng)是整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量裝置較重要的部件之一，它擔(dān)任著輔助運(yùn)動(dòng)平臺(tái)完成繞x軸、繞y軸和繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，它可以理解為是多對(duì)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(gè)均勻分布在坐標(biāo)軸一周。懸臂梁式傳感器外側(cè)，或者稱(chēng)之為懸臂側(cè)，使用了兩個(gè)螺釘與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)相連，內(nèi)側(cè)被零件3和零件6共同夾持并使用螺栓緊固，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(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)長(zhǎng)，也不能同時(shí)接觸軸承的內(nèi)外圈。零件

47、5在本圖中看似懸空的，其實(shí)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(guò)。圖3-7 軸承支撐系統(tǒng)第3節(jié) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)的零部件選型與校核3.3.1畢業(yè)設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)要求表因?yàn)楸敬萎厴I(yè)設(shè)計(jì)是試驗(yàn)臺(tái)題目，試驗(yàn)臺(tái)是有外形尺寸、測(cè)量范圍和測(cè)量精度的設(shè)計(jì)要求。表3-1畢業(yè)設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)要求設(shè)備外形尺寸2500×1500×1600 mm被測(cè)件最大尺寸2100×900×1100 mm被測(cè)件最小尺寸900×600×400 mm被測(cè)件質(zhì)量范圍200 1000 kg測(cè)量最大質(zhì)心高度800 mm最大繞x軸轉(zhuǎn)角

48、7;15°最大繞x軸運(yùn)動(dòng)角±8°最大繞y軸運(yùn)動(dòng)角±8°最大繞z軸運(yùn)動(dòng)角±8°轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大測(cè)量值 Ixx80 kgm2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大測(cè)量值 Iyy200 kgm2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大測(cè)量值 Izz200 kgm2慣性積測(cè)試最大值 Ixy10 kgm2慣性積測(cè)試最大值 Iyz10 kgm2慣性積測(cè)試最大值 Ixz10 kgm23.3.2電動(dòng)缸選型已知條件：運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的各項(xiàng)加載傾角為180sint；雙鉸叉硬點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離L1=470mm；繞x軸轉(zhuǎn)電動(dòng)缸的硬點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離L2=185mm；解：=A180sint （3-1）為轉(zhuǎn)過(guò)角對(duì)應(yīng)的

49、電動(dòng)缸位移量為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)一段時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)角t為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)靜態(tài)起的運(yùn)動(dòng)時(shí)間從電動(dòng)缸行程角度考慮選型X電動(dòng)缸的最大位移量x=Axx180sint=185×30×÷180=96.9 mmY電動(dòng)缸的最大位移量y=Ayy180sint=470×16×÷180=131.2 mmZ電動(dòng)缸的最大位移量z=Azz180sint=470×16×÷180=131.2 mm因?yàn)殡妱?dòng)缸是選用的標(biāo)準(zhǔn)部件，所以為了減少零部件的種類(lèi)便于明細(xì)欄的統(tǒng)計(jì)，X、Y、Z電動(dòng)缸準(zhǔn)備統(tǒng)一成一個(gè)型號(hào)的，其行程要大于131.2mm就可以滿(mǎn)足使用要求。查機(jī)械設(shè)計(jì)

50、手冊(cè)電動(dòng)缸有關(guān)章節(jié)，所有列出的電動(dòng)缸行程都在200mm以上?？紤]到本次畢業(yè)設(shè)計(jì)有外形尺寸的要求，最終確定使用ZHN1300-6000N型電動(dòng)缸。ZHN1300-6000N型電動(dòng)缸的參數(shù)如下：表3-2電動(dòng)缸的具體參數(shù)額定推力/N最大有效行程/mm速度/ms-1初始尺寸L/mm130061032.8927傳動(dòng)比螺桿形狀行程范圍/mm質(zhì)量/kg3.8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(shí)驗(yàn)證一下功率是否滿(mǎn)足使用要求：M=F×L1=Iyy× （3-2）上述公式利用了理論力學(xué)中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的相關(guān)知識(shí)：在三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量值中I

51、yy和Izz是最大的，Iyy = Izz=200 kgm2。L1大于L2，L1=470mm。F為繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)雙鉸叉硬點(diǎn)上的反力。已知試驗(yàn)臺(tái)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的加載傾角為180sint，則加載角速度大小為180cost，加載角加速度大小為180sint。最大的加載角加速度為 max=4701000×8×180=0.0656 rad/smax=4701000×8×180=0.0656 rad/s2F=IyymaxL1=200×0.0656470÷1000=27.9 N P=Fv=Fmax=27.9×0.0656=1.83 W所選的ZHN1

52、300-6000N型電動(dòng)缸滿(mǎn)足使用功率要求。3.3.3軸承的校核主要有四對(duì)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(gè)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試性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(duì)軸承壽命的影響忽略不計(jì)，這個(gè)結(jié)論的證明過(guò)程見(jiàn)下文。3.3.3.1側(cè)傾運(yùn)動(dòng)軸承壽命計(jì)算側(cè)傾運(yùn)動(dòng)軸承61806：C0r=3.6kN，Cr=4.7kNa.軸承的徑向力和軸向力計(jì)算根據(jù)前文的電動(dòng)缸選型中算出的力F的大小max=4701000×8×180=0.0656 m/smax=4701000

53、15;8×180=0.0656 rad/s2F=IyymaxL1=200×0.0656470÷1000=27.9 N 軸承1所受徑向載荷為Fr1=0.5×(G-F×cos)=0.5×(1000×10-27.9×cos8°)=4986.2 N軸向載荷為 Fa1=0軸承2所受徑向載荷為Fr2=0.5×(G-F×cos) =0.5×(1000×10-27.9×cos8°)=4986.2 N軸向載荷為 Fa1= Fsin=3.88 Nb.軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷

54、P計(jì)算軸承1所受徑向載荷和軸向載荷分別為Fr1=4986.2N， Fa1=0軸承2所受徑向載荷和軸向載荷分別為Fr2=4986.2N， Fa2=3.88NFa2/C0r=3.88/3600=0.0011，查表得e=0.19Fa2/Fr2=3.88/4986.2=0.00077<e，查表得X2=1，Y2=0fp為載荷系數(shù)，載荷性質(zhì)為無(wú)沖擊或者輕微沖擊，數(shù)值選作fp=1.01.2，取fp=1.2軸承1的當(dāng)量動(dòng)載荷為P1=fpFr1=1.2×4986.2=5986.44N軸承2的當(dāng)量動(dòng)載荷為P2=fp(X2Fr2+Y2Fa2) =1.2×(1×4986.2+0&#

55、215;3.88)=5986.44Nc.計(jì)算軸承壽命n=2=8×180×2=0.02該對(duì)軸承的最短壽命為L(zhǎng)10h=10660nCrP1=10660×0.02247005986.44=594778h3.3.3.2俯仰運(yùn)動(dòng)軸承壽命計(jì)算俯仰運(yùn)動(dòng)軸承61804：C0r=2.2kN，Cr=3.5kNa.軸承的徑向力和軸向力計(jì)算根據(jù)前文的電動(dòng)缸選型中算出的力F的大小max=1851000×8×180=0.0258 m/smax=1851000×8×180=0.0258 rad/s2F=IxxmaxL2=80×0.0258185÷1000=11.2 N 軸承1所受徑向載荷為Fr1=0.5×(G-F×cos)=0.5×(1000×10-11.2×cos8°)=4994.5 N軸向載荷為 Fa1=0軸承2所受徑向載荷為Fr1=0.5×(G-F×cos)=0.5×(1000