关键词:
自动变速器
正铲液压挖掘机
行星轮系
连杆机构
结构综合
摘要:
“高端装备创新”是《中国制造2025》提出并实施的五项重点工程之一,高端机械装备的创新设计是国家战略发展的重点方向,也是我国急需提高的核心技术。在汽车领域,我国是一个汽车生产制造大国,然而,始终未掌握汽车核心部件—自动变速器的研发技术,只能耗费巨资从国外进口自动变速器;在工程机械领域,国外已研制出了多款性能优异的正铲液压挖掘机,而我国由于缺乏自主知识产权,仅能生产构型单一且性能远逊的正铲液压挖掘机。研发具有中国自主知识产权的新型自动变速器和正铲液压挖掘机是一项极具挑战而又急需解决的关键技术。自动变速器的核心机构是行星轮系,正铲液压挖掘机的核心机构是含移动副的平面连杆机构。开发原创性机械装备需要解决的首要难题是其核心机构的创新设计。机构的结构综合是一种行之有效的机构创新设计方法,也是当前国际机构学领域的研究热点。自从20世纪60年代图论被引入机构学以来,行星轮系和平面连杆机构的结构综合已经取得了长足的进展,然而仍存在以下问题:(1)由于效率较低,现有的行星轮系综合方法大多仅能综合构件数不超过8的行星轮系。更重要的是,由于可靠性较低,不同学者得到的综合结果互相矛盾;(2)对于含移动副的平面连杆运动链(平面连杆运动链简称运动链)的综合,目前仅有少量方法涉及,并且这些方法存在反例;(3)现有的运动链绘制方法大多仅适用于构件数较少的简单运动链。针对以上问题,本文将研究高效可靠的行星轮系和运动链的自动综合理论,并基于综合结果研究自动变速器和正铲液压挖掘机机构构型的创新设计,主要研究内容及创新点如下:建立了行星轮系新型拓扑图模型,基于此模型,给出了行星轮系子图自由度的计算公式,提出了基于环路叠加的行星轮系刚性子链自动判别算法;此外,定义了环路权重串的概念,给出了行星轮系拓扑图的分类方式和内部点的编号规则,提出了基于周长环路的行星轮系同构自动判别算法,解决了行星轮系同构判别难题。验证了这些算法的可靠性,分析了现有方法存在的反例。基于行星轮系刚性子链和同构自动判别算法,以及转移点变量方程和转动边分组的概念,提出了系统的行星轮系自动综合方法,解决了行星轮系综合难以实现全程自动化的问题,建立了构件数为3的1自由度行星轮系完整拓扑图谱库。此外,分析了现有综合结果互相矛盾的原因,确定了本文综合结果的可靠性。定义了顶点权重和顶点权重序列的概念,提出了基于顶点分组的含移动副运动链的同构自动判别算法,研究了含移动副运动链的自动综合,建立了构件数为64的含移动副运动链的拓扑图谱库。验证了综合结果的可靠性,分析了现有方法存在的反例。定义了内部边的移动符和移动符串的概念,提出了具有最少边交叉的拓扑图的最优布局方法;然后,定义了铰链内角的概念,提出了运动链多副杆的修正算法,解决了消除多副杆中构件交叉和凹角的难题,实现了构件数为69的各类运动链的自动绘制。基于所建立的行星轮系拓扑图谱库,研究了6挡自动变速器机构的创新设计,得到了多种新型6挡自动变速器机构,并开发了部分机构的原理样机;基于所建立的含移动副的运动链拓扑图谱库和运动链的自动绘制,研究了正铲液压挖掘机机构的创新设计,得到了多种新型正铲液压挖掘机机构,并研制出了我国首台具有自主知识产权的新型正铲液压挖掘机实物样机。本文提出的机构综合方法通过开发基于C++的计算机软件实现了自动化。本文的研究将有力促进国际机构学理论的发展。此外,基于机构综合所开展的自动变速器和正铲液压挖掘机机构的创新设计对于打破国外的技术垄断,提高我国装备研发实力和经济水平具有促进作用。