本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）彈簧配重的電動(dòng)欄桿的設(shè)計(jì) 學(xué) 院 小三號(hào)黑體居中（下同）專 業(yè)學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師提交日期 年 月 日商 丘 工學(xué)院誠 信 承 諾 書本人鄭重承諾和聲明:我承諾在畢業(yè)論文撰寫過程中遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定,恪守學(xué)術(shù)規(guī)范,此畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))中均系本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立完成,沒有剽竊、抄襲他人的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)、思想和成果,沒有篡改研究數(shù)據(jù),凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料,均作了注釋,如有違規(guī)行為發(fā)生,我愿承擔(dān)一切責(zé)任,接受學(xué)校的處理,并承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 年 月 日 III摘 要電動(dòng)欄桿機(jī)是機(jī)械、電氣、控制有機(jī)結(jié)合的小型機(jī)電一體化設(shè)備，廣泛用于公路、橋梁、隧道、口岸、場(chǎng)區(qū)的禁行管理。電動(dòng)欄桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)水平對(duì)產(chǎn)品的消耗功率、壽命次數(shù)、可靠性指標(biāo)影響很大，所以設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，對(duì)相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)必須有充分的理論依據(jù)。電動(dòng)欄桿的工作原理：欄桿控制系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再靠減速系統(tǒng)或機(jī)構(gòu)把電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)闄跅U在垂直與水平之間的循環(huán)擺動(dòng)。電動(dòng)欄桿應(yīng)具備自鎖、反饋、防護(hù)等功能，并有與多項(xiàng)附屬設(shè)備的接口。彈簧平衡系統(tǒng)是電動(dòng)欄桿機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接決定欄桿機(jī)的功率消耗指標(biāo)，對(duì)產(chǎn)品的可靠性和壽命影響很大。為解決此關(guān)鍵技術(shù)，本文就能同步平衡欄桿正弦規(guī)律變化的阻力矩的彈簧平衡系統(tǒng)，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型、目標(biāo)函數(shù)，利用具有很強(qiáng)優(yōu)化能力和廣泛適應(yīng)性的遺傳算法。關(guān)鍵詞：彈簧平衡；遺傳算法；優(yōu)化設(shè)計(jì)；電動(dòng)欄桿IVAbstractElectric fence machine is a mechanical, electrical, control organic combination of small electromechanical integration equipment, widely used in the forbidden line management of roads, bridges, tunnels, ports, field area. Electric fence systems designed for the technical level of the power consumption of the product life times, reliability great impact, so the design and development time, the corresponding key technical design must have an adequate theoretical basis.Electric fence works: railing system by driving the motor rotation control, and then rely on a system or mechanism to decelerate the motor rotation into a railing in a loop between the vertical and horizontal swing. Electric fence should have a self-locking, feedback, protection and other functions, and has an interface with a number of ancillary equipment.Spring balance system is one of the key technologies of electric fence machine product design directly determines the power consumption indicators railing machines, product reliability and service life greatly. To solve this critical technology, this article will be able to synchronize balance railing sine law drag torque spring balance system, a mathematical model of optimization design, the objective function, genetic optimization algorithm has strong ability and wide adaptability.Key Words：spring balance; genetic algorithms; optimization design; electric fenceV目 錄第 1 章 緒論11.1 選題背景與意義.11.2 電動(dòng)欄桿的使用現(xiàn)狀及發(fā)展前景.11.3 主要內(nèi)容.31.4 擬解決的主要問題.3第 2 章 彈簧配重的電動(dòng)欄桿結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)42.1 概述42.2 結(jié)構(gòu)方案4第 3 章 彈簧配重的電動(dòng)欄桿連桿傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)63.1 內(nèi)部彈簧平衡系統(tǒng)的優(yōu)化63.2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的速度和加速度特性.83.3 電機(jī)及減速系統(tǒng)選型.93.4 系統(tǒng)自鎖方案.103.5 高可靠高智能的防護(hù)功能.113.6 四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).123.6.1 確定設(shè)計(jì)變量.183.6.2 建立目標(biāo)函數(shù).183.6.3 確定約束條件.193.6.4 寫出優(yōu)化數(shù)學(xué)模型.203.7 機(jī)構(gòu)受力分析.213.8 齒輪傳動(dòng)計(jì)算.223.9 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算.243.9.1 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算.243.9.2 按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算.253.9.3 軸的剛度計(jì)算概念.253.9.4 軸的設(shè)計(jì)步驟.253.10 各軸的計(jì)算263.10.1 高速軸計(jì)算.263.10.2 中間軸設(shè)計(jì).28VI3.10.3 低速軸設(shè)計(jì).313.11 軸的設(shè)計(jì)與校核343.11.1 高速軸設(shè)計(jì).343.11.2 中間軸設(shè)計(jì).343.11.3 低速軸設(shè)計(jì)343.11.4 高速軸的校核.353.12 軸承的設(shè)計(jì)及校核.353.12.1 軸承種類的選擇.353.12.2 深溝球軸承結(jié)構(gòu).353.12.3 軸承計(jì)算.37第 4 章 離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算394.1 離合器型選擇.394.2 離合器牙齒數(shù)的選擇.394.3 離合彈簧參數(shù)選取.394.4 欄桿臂外端部砸車力的計(jì)算.404.5 離合器材料選取40第 5 章 彈簧配重裝置設(shè)計(jì)415.1 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算.415.2 電路部分設(shè)計(jì)（單片機(jī)）.445.2.1 簡(jiǎn)介445.2.2 系統(tǒng)工作原理455.2.3 控制電機(jī)的軟件設(shè)計(jì)465.2.4 本章小結(jié)47總結(jié)與展望48致 謝49參 考 文 獻(xiàn)51第 1 章 緒論1第 1 章 緒論1.1 選題背景與意義近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的城市化水平加快和人民生活水平的提高，汽車的數(shù)量不斷增加。截至 2003 年底，我國個(gè)人汽車保有量為 12427672 輛。其中，個(gè)人轎車 4890387 輛，比 2002 年增加 1462441 輛，增長率為 42.7%。伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展汽車數(shù)量整在急劇增加，停車場(chǎng)作為交通設(shè)施的一部分，合理的停車場(chǎng)設(shè)計(jì)不僅解決了城市的額市容、交通、收費(fèi)問題，也是小區(qū)加強(qiáng)安全和正常運(yùn)營必不可少的一部分。由于科技的發(fā)展，社會(huì)文明的進(jìn)步人們已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足傳統(tǒng)的停車場(chǎng)管理，更加安全，高效的停車大門系統(tǒng)和工作人員，是保證小區(qū)居民財(cái)產(chǎn)安全的一道屏障。電動(dòng)欄桿的工作原理：欄桿控制系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再靠減速系統(tǒng)或機(jī)構(gòu)把電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)闄跅U在垂直與水平之間的循環(huán)擺動(dòng)。電動(dòng)欄桿應(yīng)具備自鎖、反饋、防護(hù)等功能，并有與多項(xiàng)附屬設(shè)備的接口。1.2 電動(dòng)欄桿的使用現(xiàn)狀及發(fā)展前景在公路的收費(fèi)站處以及小區(qū)的入口處我們都能看見一個(gè)會(huì)自動(dòng)升起和降落的類似閘門一樣的東西，這個(gè)就是電動(dòng)欄桿。電動(dòng)欄桿的發(fā)明大大方便了收費(fèi)站的工作人員，他們只需要按下一個(gè)開關(guān)，就可以自由的控制電動(dòng)欄桿的抬起和降落進(jìn)而控制車輛的通過了，而不需要像以前那樣人工搬運(yùn)阻礙物，既浪費(fèi)時(shí)間又耗費(fèi)體力。伴隨著城市化進(jìn)程的加快，中國的基礎(chǔ)設(shè)施和小區(qū)建設(shè)越來越多，需要與之相配應(yīng)的停車收費(fèi)欄桿越來越多。防撞車功能的電動(dòng)欄桿：在欄桿臂下落至水平夾角大于 15°的范圍內(nèi)，如有車輛駛?cè)刖€圈感應(yīng)區(qū)，欄桿臂將自動(dòng)抬起防止砸車。必要性：停車場(chǎng)的自動(dòng)電桿，由于使用頻繁會(huì)出現(xiàn)不同程度的損壞，從而影響它自身的使用壽命。其中防撞的要求日益需要解決。無論什么類型的停車場(chǎng)都有電動(dòng)欄桿大門，電動(dòng)欄桿大門不僅適用停車場(chǎng)各種小區(qū)，公寓門口都可以。其中，撞擊問題日益需要解決以增加其使用壽命，使其更好，更長時(shí)間的為我們服務(wù)。發(fā)展前景：電動(dòng)欄桿機(jī)是機(jī)械、電氣、控制有機(jī)結(jié)合的小型機(jī)電一體化設(shè)備，廣泛用于公路、橋梁、隧道、口岸、場(chǎng)區(qū)的禁行管理。電動(dòng)欄桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)水平對(duì)產(chǎn)品的消耗功率、壽命次數(shù)、可靠性指標(biāo)影響很大，所以設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，對(duì)相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)必須有充分的理論依據(jù)。有了這種電動(dòng)欄桿機(jī)可以減少工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少服務(wù)人員的勞動(dòng)時(shí)間，提高車輛的通行效率，而且還可以避免車輛擁擠發(fā)生的撞車事故，可以避免因?yàn)槿斯げ僮鞑划?dāng)導(dǎo)致的意外事故，減少人與人之間的矛盾和商丘工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2摩擦，促進(jìn)社會(huì)和諧進(jìn)步。電動(dòng)欄桿是解決大都市內(nèi)停車難問題的有效方法。土地資源緊張是大都市的現(xiàn)狀，在亞洲各國大城市表現(xiàn)的尤為突出，所以機(jī)械式立體停車庫在亞洲的應(yīng)用比較廣泛，目前統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，立體停車庫市場(chǎng)大多在亞洲的日本、韓國、中國等地。亞洲的電動(dòng)欄桿技術(shù)起源于日本，日本從 20 世紀(jì) 60 年代開始從事機(jī)械電動(dòng)欄桿的開發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)，至今已有四十多年的歷史。目前在日本從事機(jī)械式停車庫及其設(shè)備開發(fā)、制造的公司約有 200 多家，其中生產(chǎn)機(jī)械式電動(dòng)欄桿的公司約 100 多家，比較大的公司有新明和、石川島播磨、日精、三菱重工等。從 90 年代起日本每年投入運(yùn)行的機(jī)械停車泊位都在 10 萬以上。目前全日本己經(jīng)投入使用的機(jī)械式停車位超過 300 萬個(gè)，其中以升降橫移式電動(dòng)欄桿為主。對(duì)于日本，優(yōu)勢(shì)在多層升降橫移類、垂直升降類、水平循環(huán)類、垂直循環(huán)類、簡(jiǎn)易升降類等產(chǎn)品上。韓國機(jī)械電動(dòng)欄桿技術(shù)是日本技術(shù)的派生。產(chǎn)業(yè)從 20 世紀(jì) 70 年代中期開始起步，80 年代開始引進(jìn)日本技術(shù)，經(jīng)過消化生產(chǎn)和本土化，90 年代開始進(jìn)入使用階段。由于這幾個(gè)階段得到政府的高度重視，各種機(jī)械電動(dòng)欄桿得到普遍開發(fā)和利用，韓國近幾年增長速度都在 30%左右。目前韓國電動(dòng)欄桿行業(yè)進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展階段。在歐洲，德國和意大利等歐洲國家從事電動(dòng)欄桿開發(fā)和生產(chǎn)也比較早。較好的公司有:意大利Sotefin, Interpark,德國Palis等。由于歐洲國家土地資源比較富余，停車問題表現(xiàn)不很突出，電動(dòng)欄桿應(yīng)用量不是很大。多數(shù)為巷道堆垛式產(chǎn)品，多層升降橫移式產(chǎn)品應(yīng)用也很好。德國和意大利等歐洲國家的優(yōu)勢(shì)主要在巷道堆垛類產(chǎn)品上。我國在20世紀(jì)80年代初開始研制和使用機(jī)械式電動(dòng)欄桿。80年代是起步階段，90年代以來，隨著汽車工業(yè)和建筑業(yè)的發(fā)展，尤其是轎車進(jìn)入家庭后，電動(dòng)欄桿的應(yīng)用逐步推廣，已經(jīng)形成了新興的電動(dòng)欄桿行業(yè)，步入引進(jìn)、開發(fā)、制造、使用相結(jié)合的初步發(fā)展階段，現(xiàn)在從事電動(dòng)欄桿制造的企業(yè)數(shù)約有100家，其中主機(jī)生產(chǎn)企業(yè)超過50家。目前，電動(dòng)欄桿的研究工作在國內(nèi)也得到逐步的重視，國內(nèi)許多研究院所和高等院校都投入技術(shù)力量，對(duì)電動(dòng)欄桿的各個(gè)方面.例如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)、存取策略、可靠性分析、以及生產(chǎn)工藝等方面進(jìn)行研究，取得了一系列的成果。與此同時(shí) ，國家也進(jìn)一步發(fā)展和完善與停車產(chǎn)業(yè)相關(guān)的法規(guī)和各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，先后制訂了多項(xiàng)電動(dòng)欄桿的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，加強(qiáng)規(guī)劃引導(dǎo)、技術(shù)開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化工作。同時(shí)，從中央到地方，都頒布了一系列的法規(guī)條文，對(duì)停車行業(yè)的發(fā)展進(jìn)行規(guī)劃管理。從2004年起，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局對(duì)電動(dòng)欄桿生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行許可證評(píng)審工作，規(guī)定在2005年3月31日前未取得生產(chǎn)許可證的企業(yè)，不得從事電動(dòng)欄桿的生產(chǎn)工作。3我國城市停車行業(yè)從80年代末起，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，現(xiàn)在形成了一定的規(guī)模，但是還處于初始發(fā)展階段，車庫建設(shè)尚在起步階段，在一些大城市中機(jī)械化車庫仍然是空白。停車行業(yè)的發(fā)展仍存在著一些問題:第一，電動(dòng)欄桿企業(yè)己經(jīng)形成了一定的規(guī)模，但是發(fā)展不平衡，骨干的大中型企業(yè)在20家左右，其它的則是中小企業(yè)居多，技術(shù)力量薄弱，缺乏自主開發(fā)能力，靠引進(jìn)國外技術(shù)圖紙。第二，產(chǎn)品的種類增多了，但是質(zhì)量、可靠性、安全性、耐久性均存在著較大的問題，產(chǎn)品的技術(shù)水平和質(zhì)量難以保證。第三，停車行業(yè)的市場(chǎng)開始發(fā)育，但是競(jìng)爭(zhēng)太殘酷，目前總體能力過剩，價(jià)格偏低，有的產(chǎn)品已經(jīng)降到行業(yè)平均成本價(jià)以下。1.3 主要內(nèi)容彈簧平衡系統(tǒng)是在內(nèi)部輸出軸上設(shè)計(jì)彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)——擺臂和彈簧裝置，靠?jī)?nèi)部平衡機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)平衡欄桿升降時(shí)的阻力矩，使任意位置系統(tǒng)總力矩近似為零，充分利用動(dòng)能和勢(shì)能的轉(zhuǎn)換，最大限度地減小驅(qū)動(dòng)功率、滿足系統(tǒng)抗外加干擾載荷、延長機(jī)體壽命。因?yàn)闄跅U阻力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的垂直轉(zhuǎn)角成正弦比例變化，所以，彈簧平衡系統(tǒng)也應(yīng)跟蹤產(chǎn)生近似正弦比例的力矩。由于拉簧隨欄桿轉(zhuǎn)角變化，其拉力和力臂的大小方向都在變化，故力矩的動(dòng)態(tài)變化無簡(jiǎn)單規(guī)律可循。因而設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了多個(gè)連續(xù)變量的理論計(jì)算，必須采用有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。在本次設(shè)計(jì)中，擬應(yīng)用到的文獻(xiàn)涉及機(jī)械原理機(jī)械設(shè)計(jì)類，機(jī)械繪圖類，機(jī)械工程控制類，機(jī)械工程材料和力學(xué)以及彈簧配重的電動(dòng)欄桿的資料，在設(shè)計(jì)過程中這些材料可以首先幫我們從整體上了解與彈簧配重的電動(dòng)欄桿相關(guān)的技術(shù)以及現(xiàn)在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)；其次，利用這些資料，可以在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)方案的初步制定；最后，電動(dòng)欄桿臂設(shè)計(jì)過程中的所需材料的選擇，設(shè)計(jì)與校核計(jì)算，運(yùn)動(dòng)過程的控制以及其他的注意事項(xiàng)，都可以在相關(guān)文獻(xiàn)資料中得到一些指導(dǎo)與幫助。1.4 擬解決的主要問題在前期得做好各項(xiàng)準(zhǔn)備，要查閱大量的文獻(xiàn)了解彈簧配重的電動(dòng)欄桿的的結(jié)構(gòu)，并在 CAD，上畫出這個(gè)零件，認(rèn)真去了解它的結(jié)構(gòu)，這當(dāng)中就需要一些工具書比如機(jī)械手冊(cè)，以及有關(guān)教材及參考資料，最后如果有需要還可以選擇去工廠調(diào)研，以上條件具備完成本課題所需的工作條件。第 2 章 彈簧配重的電動(dòng)欄桿結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)4第 2 章 彈簧配重的電動(dòng)欄桿結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)2.1 概述通常，電動(dòng)欄桿是機(jī)械傳動(dòng)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)、皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、減速器和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。工作時(shí)電動(dòng)機(jī)通過皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)蝸輪蝸桿減速器，減速器的輸出軸通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)欄桿臂升降．使欄桿處于水平或豎直位置。有些電動(dòng)欄桿采用低速電動(dòng)機(jī)，直接用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。2.2 結(jié)構(gòu)方案曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的示意圖見圖 2.1，其主要結(jié)構(gòu)與工作原理為：1 為曲柄，由減速器驅(qū)動(dòng)繞 A 點(diǎn)作整周轉(zhuǎn)動(dòng)；2 為連桿；3 為搖桿，繞 D 點(diǎn)擺動(dòng)，擺角 90 度；4為機(jī)架；5 為欄桿臂，與搖桿剛性連接；6 為拉伸彈簧，用以平衡欄桿臂的重量，一般生產(chǎn)廠家規(guī)定平衡后驅(qū)動(dòng)欄桿臂的力偶矩不大于 5N·m。當(dāng)曲柄 A 占逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至位置時(shí)，搖桿 CD 逆時(shí)針擺至下極限位置 AC’，欄桿臂上升至豎直位置；曲柄繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至位置船”時(shí)，搖桿又順時(shí)針擺至上極限位置口，欄桿臂下降至水平位置。圖 2.1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的示意圖由上述可知，這類電動(dòng)欄桿都不具有機(jī)械式安全裝置，一旦欄桿臂下落時(shí)砸住車輛，輕則砸爛擋風(fēng)玻璃、砸壞車頂造成經(jīng)濟(jì)損失，重則造成人員傷亡。同時(shí)，砸車時(shí)電動(dòng)欄桿傳動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)受阻，造成主軸(圖 1 中 D 處)、搖桿、連桿、減速器等機(jī)件變形或損壞。我們?yōu)榭朔鲜鲅b置的不足而設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)的機(jī)5械式電動(dòng)欄桿安全裝置。其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：在電動(dòng)欄桿主軸上加裝牙嵌離合器，使得圖 l 中 3 之間不是剮性聯(lián)接，而是通過離合器聯(lián)接在一起，這樣欄桿臂在下降過程中一黽砸車時(shí)，欄桿臂會(huì)停止下降，砸不壞車，并自動(dòng)返回到豎直位置。因而大大提高了電動(dòng)欄桿的使用安全性。當(dāng)停電或電動(dòng)欄桿出故障時(shí)，可以人為地將欄桿臂抬起到豎直位置讓車輛通行，符合文獻(xiàn)[3]5、4、7 條的要求。圖 2.2 是機(jī)械式安全裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中 l 是主軸，其左右兩端由滾動(dòng)軸承支承在機(jī)架上； 2是兩個(gè)圓螺母；3 是彈簧，其左端與圓螺母接觸；4 是彈簧座；5 是離合器，它與圖 l 中的搖桿 3 是同一構(gòu)件，與主軸之間形成間隙配合，左端緊靠彈簧座； 6 是右離合器，它與主軸形成鍵聯(lián)接，右端面靠緊主軸軸肩．左端與左離合器嚙合，并帶有掛配重彈簧(圖 1 中的 6)的臂；7 是欄桿臂，相當(dāng)于圖 l 中的 5，固聯(lián)在主軸右端。圖 2.2 機(jī)械式安全裝置的結(jié)構(gòu)示意圖主要工作原理如下，當(dāng)左離合器被圖 1 中搖桿驅(qū)動(dòng)、按圖 2 所示箭頭方向擺動(dòng)時(shí)，離合器牙斜面之間的磨擦力偶矩傳遞給右離合器，帶動(dòng)欄桿臂下降。當(dāng)欄桿臂下降遇到障礙時(shí)，相當(dāng)于障礙物對(duì)欄桿臂施加一個(gè)與圖示擺動(dòng)方向相反的力偶矩，此力偶矩使牙斜面間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，從而推動(dòng)左離合器左移，使離合器脫開，欄桿臂停止下降。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)仍使得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)繼續(xù)工作，當(dāng)圖 l 中搖桿 cD 順時(shí)針擺到上極限位置 c—D 時(shí)，又逆時(shí)針向下極限位置 rD 擺動(dòng)，使得脫開的牙嵌離合器又結(jié)合，離合器牙的直邊工作，帶動(dòng)欄桿臂也向與圖 2 相反的方向擺動(dòng)，從而使受阻的欄桿臂又返回到原來的豎直位置。圖 2 中的彈簧座用來減輕左離合器左端面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦。圓螺母用來調(diào)節(jié)彈簧的工作負(fù)荷，以改變離合器左右兩部分之間商丘工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6的摩擦力，使欄桿臂既能自由升降，又能在砸車受阻后離合器脫開。第 3 章 彈簧配重的電動(dòng)欄桿連桿傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)7第 3 章 彈簧配重的電動(dòng)欄桿連桿傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)3.1 內(nèi)部彈簧平衡系統(tǒng)的優(yōu)化彈簧平衡系統(tǒng)是在內(nèi)部輸出軸上設(shè)計(jì)彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)——擺臂和彈簧裝置，靠?jī)?nèi)部平衡機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)平衡欄桿升降時(shí)的阻力矩，使任意位置系統(tǒng)總力矩近似為零，充分利用動(dòng)能和勢(shì)能的轉(zhuǎn)換，最大限度地減小驅(qū)動(dòng)功率、滿足系統(tǒng)抗外加干擾載荷、延長機(jī)體壽命。因?yàn)闄跅U阻力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的垂直轉(zhuǎn)角成正弦比例變化，所以，彈簧平衡系統(tǒng)也應(yīng)跟蹤產(chǎn)生近似正弦比例的力矩。由于拉簧隨欄桿轉(zhuǎn)角變化，其拉力和力臂的大小方向都在變化，故力矩的動(dòng)態(tài)變化無簡(jiǎn)單規(guī)律可循。因而設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了多個(gè)連續(xù)變量的理論計(jì)算，必須采用有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。如圖 3.1、3.2 所示，起始位置時(shí)擺臂 OA 與彈簧原長 PA 的夾角為 a ；轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于擺臂與欄桿同固定在輸出軸上始終成 y 夾角，所以擺臂從 OA 轉(zhuǎn)到 OB 時(shí)，欄桿由 OC 轉(zhuǎn)到 OC’位置，擺臂轉(zhuǎn)角和欄桿轉(zhuǎn)角均為 θ，θ 的取值范圍是 0—90。。擺臂 OA=OB=R、彈簧原長 PA=L、彈簧伸長后長 PB=L1，彈簧 、欄桿長度 OC=Lo 為定值。圖3.1 電動(dòng)欄桿內(nèi)部機(jī)構(gòu)示意圖圖 3.2 彈簧平衡系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖商丘工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8彈簧的伸長量 δL=PB—PA=L。一 L，將彈簧的伸長量分解后，與 OB 垂直方向上的伸長量為：M=K×δL ×R=K×(Ll—L)×sinβ ×R (3)由式(1)、(2)、(3)分析，得出與力矩 M 有關(guān)的參數(shù)為：K 、R、L、a 、θ。因?yàn)?K 為定值，取 R 為定值，θ 為函數(shù)變量；只有 L、 a 為需要優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量。本設(shè)計(jì)的目的是使拉簧產(chǎn)生的力矩曲線 M(θ)逼近欄桿的阻力矩曲線 θ)=MgLosinθ，去掉常量因素 MgLo、K 就是使 M(θ)曲線逼近 F(θ) sinθ 曲線。所以得出優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)為：本優(yōu)化設(shè)計(jì)采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。試算過程中選取的選擇概率 sP=0．3；交叉概率 CP=0．6；變異概率MP=0．1；擺臂 OA=R=150 naIn。程序經(jīng)調(diào)試運(yùn)行，解算結(jié)果為：L =100．008533497748(mm)A== 132．486983199487(。)第 3 章 彈簧配重的電動(dòng)欄桿連桿傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)9平衡后偏差結(jié)果：統(tǒng)計(jì)偏差平均值為 2．36％ ；最大偏差發(fā)生在轉(zhuǎn)角為 51。的位置，偏差值為 7．08％。平衡力矩曲線與阻力矩曲線的比較如圖 3 所示。平衡后偏差結(jié)果：統(tǒng)計(jì)偏差平均值為 2．36％ ；最大偏差發(fā)生在轉(zhuǎn)角為 51。的位置，偏差值為 7．08％。平衡力矩曲線與阻力矩曲線的比較如圖 3.3 所示。圖 3.3 平衡力矩曲線與阻力矩曲線比較圖利用優(yōu)化后的 L、 a 可以確定彈簧相對(duì)于擺臂的初始固定位置，彈簧平衡機(jī)構(gòu)的幾何尺寸就精確得出。再通過 L、K、δLmax 就可確定彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中適當(dāng)預(yù)緊彈簧使其有一定初拉力，對(duì)克服機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦阻力很有必要，從理論上對(duì)彈簧的力矩曲線形狀沒有影響，為整體動(dòng)態(tài)平衡欄桿阻力矩提供了一定余度。根據(jù)欄桿材質(zhì)長度調(diào)整彈簧并聯(lián)根數(shù)以適應(yīng)平衡效果。本平衡優(yōu)化的最大偏差值作為電機(jī)選型時(shí)的負(fù)載阻力矩條件為: 3.2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的速度和加速度特性對(duì)電動(dòng)欄桿的負(fù)載特性進(jìn)行細(xì)致分析，如果靠?jī)?nèi)部彈簧把欄桿阻力矩平衡后，末級(jí)傳動(dòng)的輸出軸上負(fù)載阻力矩將很小。但欄桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不可忽視。因?yàn)闄跅U轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為 1．5—3m，其慣量對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)平穩(wěn)性和停止時(shí)的沖擊影響很大。所以一些在末級(jí)傳動(dòng)中使用齒輪傳動(dòng)的欄桿機(jī)，內(nèi)部都要在接近停位時(shí)預(yù)先斷電，靠慣性運(yùn)行到終點(diǎn)位置，且設(shè)計(jì)了吸收沖擊能量的橡膠彈簧。這就使欄桿運(yùn)行到停位時(shí)抖動(dòng)、沖擊不可避免，從而影響系統(tǒng)可靠性和使用壽命。不如采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。而采用曲柄搖桿為末級(jí)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)中，能利用連桿系統(tǒng)本身的速度特性使在停位速度接近為零，使系統(tǒng)慣性沖擊作用到內(nèi)部機(jī)座中[2】，而外部欄桿在末位沖擊顫動(dòng)明顯改善。在啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)慣量必須考慮搖桿加速度變化，使電機(jī)克服負(fù)載加速轉(zhuǎn)動(dòng)所消耗的功率成為主要因素。通過對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的速度分析和加速度分析 】，確定啟動(dòng)時(shí)負(fù)載軸上的最大角速度和最大角加速度。如圖 3.4 所示。商丘工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10圖 3.4 連桿機(jī)構(gòu)圖設(shè)曲柄欄桿機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件 L1 的角位移 Φ1，角速度 Φ1 和角加速度 Φ1 。擺桿 L3 的速度分析公式：根據(jù)以上公式可求出輸出軸角速度和角加速度，為電機(jī)選型提供理論參考。3.3 電機(jī)及減速系統(tǒng)選型電機(jī)功率計(jì)算不僅要滿足克服負(fù)載阻力矩，還要有足夠的功率使負(fù)載作加速運(yùn)動(dòng)。選型時(shí)電機(jī)功率計(jì)算公式為：式中： ---電機(jī)的額定功率，w；nP---傳動(dòng)效率；?---負(fù)載軸上的阻力矩，Nm；fM---負(fù)載軸最大角速度， ;3m?/os---負(fù)載軸最大角加速度， ；，2---負(fù)載軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 。fI kg.m根據(jù)電機(jī)額定功率計(jì)算預(yù)選電機(jī)型號(hào)后，還需進(jìn)行電機(jī)過載能力的校核。式中： ---電機(jī)和負(fù)載總摩擦力矩，Nm；OM---減速器效率；?---負(fù)載軸上的阻力矩，Nm；f---負(fù)載軸最大角速度， ；3m?/os第 3 章 彈簧配重的電動(dòng)欄桿連桿傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)11---負(fù)載軸最大角加速度， ；3m?2/os---負(fù)載軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， ；fI kg.m---轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， ；D2kg.Z---傳動(dòng)比；---電動(dòng)機(jī)力矩過載系數(shù)；?---電機(jī)的額定力矩，Nm；nM---折合到電動(dòng)機(jī)軸上的最大負(fù)載力矩，Nm。maxo如果電機(jī)選用的不是減速力矩電機(jī)，那么，減速器應(yīng)選擇傳動(dòng)效率高、噪聲低、溫升小、體積緊湊型。建議選用圓弧齒圓柱蝸桿減速器，其特點(diǎn)為：① 由于蝸輪和蝸桿凸凹齒合，降低了齒面應(yīng)力，增強(qiáng)了齒面強(qiáng)度；② 接觸線與圓周速度夾角大部分在 40。一 90。之間，容易形成液體潤滑，齒面摩擦系數(shù)小，所以效率高、溫升低；③該齒形合理減薄了蝸桿齒厚，增強(qiáng)了蝸輪齒根厚，因此蝸輪抗彎強(qiáng)度大。前面已初步估計(jì)出了驅(qū)動(dòng)力矩，電機(jī)的功率。在實(shí)際的操作中，電動(dòng)欄桿的驅(qū)動(dòng)，使用的電機(jī)類型主要有力矩電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等?？紤]到力矩電機(jī)通過改變脈沖頻率來調(diào)速。能夠快速啟動(dòng)、制動(dòng)，有較強(qiáng)的阻礙偏離穩(wěn)定的抗力。又由于這里的位置精度要求并不高，而力矩電機(jī)在電動(dòng)欄桿無位置反饋的位置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。這里選定力矩電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，考慮到在實(shí)際的選擇中應(yīng)考慮到一定的裕度。這里選用的是杭州日升生產(chǎn)的永磁感應(yīng)子式力矩電機(jī)：型號(hào)：130BYG2501；步距角：0.9/1.8 度；電壓：120-310v相數(shù)：2 ；電流：6 A;靜轉(zhuǎn)矩：270 ；cmkg?空載運(yùn)行頻率： ；18?轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： ；2?3.4 系統(tǒng)自鎖方案在電動(dòng)欄桿的使用中，欄桿水平封閉位置時(shí)必須有自鎖功能防止人為抬升欄桿。國外先進(jìn)的 Magnetic 欄桿產(chǎn)品采用的是單相可堵轉(zhuǎn)力矩電機(jī)，電機(jī)可在任意位置堵轉(zhuǎn)工作不會(huì)損壞電機(jī)，而且內(nèi)有導(dǎo)熱良好的導(dǎo)熱脂，既可以把熱很快傳到外殼散熱，又能保證電機(jī)線圈不生銹。靠此核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)了其堵轉(zhuǎn)下持續(xù)工作鎖緊欄桿。原理是：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)欄桿轉(zhuǎn)到水平位置后，電機(jī)繼續(xù)延時(shí)加電 1～ 2s，使連桿在商丘工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12水平鎖緊位置充分到位，而電機(jī)在此時(shí)輸出額定轉(zhuǎn)矩持續(xù)堵轉(zhuǎn)，之后控制電機(jī)輸入電流減小為額定電流的 1／2，繼續(xù)維持?jǐn)[桿向下的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，電機(jī)還是堵轉(zhuǎn)工作只是功率減小，其力矩足以鎖定欄桿不被輕易抬起，其發(fā)熱量會(huì)通過電機(jī)殼散熱達(dá)到平衡，不會(huì)燒壞電機(jī)和影響壽命。欄桿處于水平鎖定位置時(shí)，如果設(shè)備斷電電機(jī)鎖緊力矩失去，欄桿被內(nèi)部預(yù)先調(diào)緊的平衡彈簧拉起。國內(nèi)一般水平的欄桿采用曲柄在連桿機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置自鎖欄桿抬起，由于受機(jī)構(gòu)精度和穩(wěn)定性影響，有時(shí)不可靠；而采用蝸輪蝸桿減速器的反向自鎖功能是很有效的方案。但缺點(diǎn)是停電后要靠人工回轉(zhuǎn)復(fù)位。如采用電機(jī)的制動(dòng)裝置鎖緊，其體積大且可靠性、穩(wěn)定性要求高，一般較少采用。所以，可堵轉(zhuǎn)力矩電機(jī)的技術(shù)應(yīng)用決定了欄桿自鎖技術(shù)水平，而這種電機(jī)設(shè)計(jì)尤為特殊且技術(shù)難度大。3.5 高可靠高智能的防護(hù)功能為防止車輛水平?jīng)_撞欄桿時(shí)，破壞沖力傳遞到設(shè)備內(nèi)的主要部件，損壞欄桿機(jī)主體，欄桿本身應(yīng)有抗撞緩沖裝置，目前常用緩沖裝置如圖 3.5、3.6 所示。圖3.5 緩沖裝置分為轉(zhuǎn)動(dòng) 圖6 應(yīng)力剪切欄桿壁關(guān)節(jié)形式圖 3.6 應(yīng)力剪切欄桿壁形式為防止欄桿誤動(dòng)作后砸車或下落過程中傷人，在欄桿臂上安裝超聲波測(cè)距傳感器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)中緊?；蚍崔D(zhuǎn)來保護(hù)車輛或行人。也可采用高密聚氨脂材料做欄桿，既減輕了欄桿阻力和慣量，也緩沖了砸擊力量。電動(dòng)欄桿雖然是小型機(jī)電一體化產(chǎn)品，但要求運(yùn)行平穩(wěn)、可靠、壽命長，并對(duì)野外環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，所以必須重視產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)的理論計(jì)算，為產(chǎn)品改進(jìn)優(yōu)化提供必要的參考依據(jù)。第 3 章 彈簧配重的電動(dòng)欄桿連桿傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)133.6 四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 3.7 四連桿機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)是最常用的機(jī)構(gòu)，因此連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中十分重要，研究工作開展得也最為廣泛。有大量的文獻(xiàn)介紹有關(guān)平面四桿機(jī)構(gòu)、平面五桿機(jī)構(gòu)、柔性連桿機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、槽輪連桿機(jī)構(gòu)、凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)和齒輪連桿等機(jī)構(gòu)的優(yōu)化。鑒于四連桿機(jī)構(gòu)的典型性，本節(jié)結(jié)合四連桿機(jī)構(gòu)的函數(shù)再現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，闡述連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化問題的一般方法及流程。四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)的參量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使得機(jī)構(gòu)給定的運(yùn)動(dòng)和機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)之間誤差最小。因此四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程，就是尋找使得四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)誤差最小的一組機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參量。四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參量確定后，就可認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括四連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化模型建立和優(yōu)化模型求解二個(gè)主要過程。通過對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)的分析確定優(yōu)化方案，確定設(shè)計(jì)變量，給出目標(biāo)函數(shù)，并將機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制約條件，如桿長條件、傳動(dòng)角條件等，寫成相應(yīng)的約束條件，即可建立機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。下面介紹四連桿機(jī)構(gòu)函數(shù)再現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的建立。連桿機(jī)構(gòu)函數(shù)再現(xiàn)設(shè)計(jì)主要通過選取輸人構(gòu)件和輸出構(gòu)件相對(duì)應(yīng)若干位置、采用機(jī)構(gòu)圖解法或分析法確定機(jī)構(gòu)各參數(shù)。圖 1 是典型的平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)， 、 、 和 分別表示于四個(gè)構(gòu)件的長度，桿 AB 是輸入構(gòu)件。假設(shè)圖 1 所示的平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)再現(xiàn)給定函數(shù)為，即 ，則機(jī)構(gòu)位置取決于 、 、 、 鉸鏈A 的位置 、AD 與機(jī)架 x 軸夾角 以及輸人構(gòu)件轉(zhuǎn)角 等七個(gè)變量。為簡(jiǎn)化問題，可令 A 的位置為 ， ， 構(gòu)件的長度為 1(參考構(gòu)件)，由此可將問題維數(shù)降為四維，并不影響構(gòu)件輸入、輸出的函數(shù)關(guān)系。由此可以得到輸出構(gòu)件轉(zhuǎn)角 外與輸入構(gòu)件轉(zhuǎn)角 之間的函數(shù)關(guān)系式：（1）商丘工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)就是使得輸出構(gòu)件轉(zhuǎn)角與給定值在 ， 所有位置上的誤差最小。因此機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)可用下式表示（2）當(dāng)輸入構(gòu)件轉(zhuǎn)角為 時(shí)，輸出構(gòu)件轉(zhuǎn)角 外可由下式求得，（3）式中：所以（4）將上式代入式（3），并令 代表設(shè)計(jì)變量 、 、 及 ，機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)可寫為：第 3 章 彈簧配重的電動(dòng)欄桿連桿傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)15（5）機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件應(yīng)根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況確定。例如曲柄搖桿式四連桿機(jī)構(gòu)必須滿足如下關(guān)系式：或（6）如果機(jī)構(gòu)要求傳動(dòng)靈活可靠，則傳動(dòng)角 應(yīng)滿足：或其中從上式可知，傳動(dòng)角 隨 的變化而變化，當(dāng) 為最大值時(shí)，為最小， 為最小值時(shí)， 為最大。要滿足上式條件，約束方程應(yīng)為：商丘工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16曲柄搖桿機(jī)構(gòu)有 ，因此，約束方程為（7）當(dāng)所選定的設(shè)計(jì)變量為構(gòu)件長度時(shí)，則構(gòu)件長度必須是正數(shù)，即約束方程為式中 是為了使構(gòu)件長度不小于 而設(shè)的。此外，由于具體結(jié)構(gòu)尺寸的限制，往往對(duì)某些構(gòu)件的長度限定在某一范圍內(nèi)選取，例如連桿 BC 的長度 最短為 的 倍，最長為 的 倍，即則約束方程為（8）下面介紹再現(xiàn)函數(shù)為 的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。先變換給定函數(shù)為 ，并設(shè)輸人構(gòu)件初始角為 ，輸出構(gòu)件初始角為，選取輸入構(gòu)件的轉(zhuǎn)角為 ,輸出構(gòu)件的轉(zhuǎn)角為 。當(dāng)輸入構(gòu)件從 轉(zhuǎn)到時(shí)，輸出構(gòu)件從 轉(zhuǎn)到 ，輸入構(gòu)件從 轉(zhuǎn)到 時(shí)，輸?shù)?3 章 彈簧配重的電動(dòng)欄桿連桿傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)17出構(gòu)件則從 回到 。顯然有 及 ，即 及。代入函數(shù)式 得：設(shè)將輸入構(gòu)件的轉(zhuǎn)角 均分成 20 等分，則 ，取權(quán)因子 ，再令 代表設(shè)計(jì)變量 、 、 及 ，則由式（5）得曲柄連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件如下：由式（6）得：要求傳動(dòng)角滿足 ，由式（7）得：根據(jù)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸，要求各構(gòu)件長度相對(duì)機(jī)架的尺寸在給定的范圍內(nèi)，由式(8)得商丘工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18因此曲柄搖桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型如下：Min. s.t.采用內(nèi)點(diǎn)懲罰函數(shù)法和 POWELL 法求解曲柄搖桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。選擇初始懲罰參數(shù) ，遞減函數(shù) e = 0.01，初始點(diǎn) ，第 3 章 彈簧配重的電動(dòng)欄桿連桿傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)19取懲罰函數(shù)法收斂精度 ，POWELL 法目標(biāo)函數(shù)值收斂精度 ，一維搜索精度 。3.6.1 確定設(shè)計(jì)變量根據(jù)設(shè)計(jì)要求，由機(jī)械原理知識(shí)可知，設(shè)計(jì)變量有 L1、L2 、L3、L4 、 。將?曲柄的長度取為一個(gè)單位長度 1，其余三桿長可表示為 L1 的倍數(shù)。由圖 1 所示的幾何關(guān)系可知 ??????????43221)(arcosL?為桿長的函數(shù)。另外，根據(jù)機(jī)構(gòu)在機(jī)器中的許可空間，可以適當(dāng)預(yù)選機(jī)架 L4 的?長度，取 L4=100，經(jīng)以上分析，只剩下 L2、L3 兩個(gè)獨(dú)立變量，所以，該優(yōu)化問題的設(shè)計(jì)變量為 ??TTLX321,,?因此。本優(yōu)化設(shè)計(jì)為一個(gè)二維優(yōu)化問題。3.6.2 建立目標(biāo)函數(shù)按軌跡的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以將連桿上 M 點(diǎn) 與預(yù)期軌跡點(diǎn)坐標(biāo)偏差最小為??miyx,尋優(yōu)目標(biāo)，其偏差為 和 ，如圖 3.2。為此，iix???iiy??nx,21?把搖桿運(yùn)動(dòng)區(qū)間 2 到 5 分成 S 等分，M 點(diǎn)坐標(biāo)有相應(yīng)分點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)。將各分點(diǎn)標(biāo)號(hào)記作 ，根據(jù)均方根差可建立其目標(biāo)函數(shù)，即i???????i2/12???iMiyxXf ?sn3Lyi?co?iiix2，S 為運(yùn)動(dòng)區(qū)間的分段數(shù))1(???si ????????43221)(arcosL?于是由以上表達(dá)式便構(gòu)成了一個(gè)目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案（即給定 ） ，即可計(jì)算出均方根差 。21,X??Xf商丘工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20圖 3.8 軌跡的優(yōu)化設(shè)計(jì)3.6.3 確定約束條件根據(jù)設(shè)計(jì)條件，該機(jī)構(gòu)的約束條件有兩個(gè)方面：一是傳遞運(yùn)動(dòng)過程中的最小傳動(dòng)角 應(yīng)大于 50 度；二是保證四桿機(jī)構(gòu)滿足曲柄存在的條件。以此為基礎(chǔ)建立優(yōu)?化線束條件。①保證傳動(dòng)角 ?50?圖 3.9 位置圖按傳動(dòng)條件，根據(jù)圖 3.9 可能發(fā)生傳動(dòng)角最小值的位置圖，由余弦定理6428.05cos??（見圖 3.9（a ） ）6428.0arcos)(ar3221????L?所以（a）3232419.)( LL?（見圖 3.9（b） ）648.0arcos)(arcos3214?????L?所以（b）3214239.)(LL?式（a） 、 （b）為兩個(gè)約束條件，將 ， ， ， 代入式（a ） 、?5412x?23L第 3 章 彈簧配重的電動(dòng)欄桿連桿傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)21（b） ，得 ??036249.121211 ?????xxg2?②曲柄存在的條件按曲柄存在條件，由機(jī)械原理知識(shí)可知， ，12L?13 324L??，4??43把它們寫成不等式約束條件（將 ， ， ， 代入上式） ，得1?512x?23??03?xg24615???42?x017?g經(jīng)過分析，上述七個(gè)約束條件式中， 和 為緊約束條件，??Xg2為松約束條件，即滿足 和 的 ，必滿足不等式??Xg73~1???0gX，所以本優(yōu)化問題實(shí)際起作用的只有 和 兩個(gè)不等??0? 1??g2式約束條件。3.6.4 寫出優(yōu)化數(shù)學(xué)模型綜上所述，可得本優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型為 ???????????si iMiyxXf0 2/12min?TTL321,,ts. 03649.12121 ???xg??2 x即本優(yōu)化問題具有兩個(gè)不等式約束的二維約束優(yōu)化問題。商丘工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22圖 3.10 主要結(jié)構(gòu)圖3.7 機(jī)構(gòu)受力分析該步行機(jī)構(gòu)的受力情況如圖 3.10 所示。由于該機(jī)構(gòu)中所有連桿均為二力桿，即只受軸向力作用。設(shè)圖中所有連桿所受的拉力為正，壓力為負(fù)。Ⅳ為地面對(duì)車輪的支撐力，月川為 11 個(gè)連桿的內(nèi)力，矽】 、汐 2 分別為連桿 9 和連桿 5 與水平線的夾角， y1、r2 分別為連桿 10 和連桿 6 與水平線的夾角，妒為曲軸 11 與水平線的夾角。由力的平衡條件可得方程組：第 3 章 彈簧配重的電動(dòng)欄桿連桿傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)23將以上 5 個(gè)方程組聯(lián)立方程組 3．1 和 3-6，可以解得當(dāng)撐力為Ⅳ，曲軸 11 與水平線的夾角為≯時(shí)，該支腿步行機(jī)構(gòu)中各連桿的內(nèi)力大小。假設(shè)地面對(duì)車輪的支撐力不變，當(dāng)曲軸 11 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各連桿的內(nèi)力也會(huì)隨之變化。并且進(jìn)行曲軸旋轉(zhuǎn)一周的仿真。即可得到曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，該支腿機(jī)構(gòu)各連桿的內(nèi)力變化曲線。根據(jù)各連桿受力的情況便可以合理設(shè)計(jì)各連桿的截面積大小，從而對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。3.8 齒輪傳動(dòng)計(jì)算齒輪模數(shù)取 2，齒輪為 50. 傳動(dòng)比 1：1解：1. 選擇齒輪精度等級(jí)、材料、齒數(shù)1）屬于一般機(jī)械，且轉(zhuǎn)速不高，故選擇 8 級(jí)精度。2）因載荷平穩(wěn)，傳遞功率較小，可采用軟齒面齒輪。參考表 11-1，小齒輪選用 45 鋼調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度 217~255HBS，σ HLim1=595MPa，σ FE1=460MPa；大齒輪選用 45 鋼正火處理，齒面硬度 162~217HBS，σ HLim2=390MPa，σ FE2=320MPa。3）選小齒輪齒數(shù) z1=50，則 z2=iz1=50，取 z2=50。故實(shí)際傳動(dòng)比 i=z2/z1=1，與要求的傳動(dòng)比 0%。齒數(shù)比 u=i=1。對(duì)于齒面硬度小于 350 HBS 的閉式軟齒面齒輪傳動(dòng)，應(yīng)按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲強(qiáng)度校核。2. 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)公式 11-3 ??3212??????????HEdZuKT?1）查表 11-3，原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，工作機(jī)械是輸送機(jī)，且工作平穩(wěn)，取載荷系數(shù) K=1.2。2）小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩商丘工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）24mNnPT??????736120.15.9105.96613）查表 11-6，齒輪為軟齒面，對(duì)稱布置，取齒寬系數(shù) φ d=1。4）查表 11-4，兩齒輪材料都是鍛鋼，故取彈性系數(shù) ZE=189.8 MPa1/2。5）兩齒輪為標(biāo)準(zhǔn)齒輪，且正確安裝，故節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) ZH=2.5。6）計(jì)算許用接觸應(yīng)力??SZHNLim??①應(yīng)力循環(huán)次數(shù)小齒輪 N1=60n1jLh=60×350×1×(2×8×300×10)=10.08×108大齒輪 N2= N1/i=10.08×108/3.58=2.82×108②據(jù)齒輪材料、熱處理以及 N1、N 2，查接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕，得接觸疲勞壽命系數(shù) ZN1=1，Z N2=1。③查表 11-5，取安全系數(shù) SH=1.1。④計(jì)算許用接觸應(yīng)力??MPaHNLim9.5401.11????i .3.22取小值[σ H2]代入計(jì)算。7）計(jì)算??mZuKTHEd 56.4.352819.17362.33211 ?????????????????3. 驗(yàn)算輪齒彎曲強(qiáng)度按公式 11-5 校核 ??FSaFFbdYKT??11）由 z1=24，z 2=86 查圖 11-8，得齒型系數(shù) YFa1=2.77，Y Fa2=2.23。2）由 z1=24，z 2=86 查圖 11-9，得應(yīng)力集中系數(shù) YSa1=1.58，Y Sa2=1.773）計(jì)算許用彎曲應(yīng)力 ??SFNE??①據(jù)齒輪材料、熱處理以及 N1、N 2，查彎曲疲勞壽命系數(shù)圖表，得彎曲疲勞壽命系數(shù) YN1=1，Y N2=1。②查表 11-5，取安全系數(shù) SF=1.25。