弹簧配重的电动栏杆的设计【含CAD图纸、说明书】
本科毕业论文(设计)开题报告一种弹簧配重的电动栏杆的设计学 院 机械工程学院专 业 机械设计制造及其自动化学 号学生姓名指导教师提交日期 2016 年 1 月 5 日本科毕业论文(设计)开题报告学 院 机械工程 专 业机械设计制造及其自动化班 级论文(设计) 题目 一种弹簧配重的电动栏杆的设计学生姓名 学 号 指导教师 杨三序 职 称 教授课题类型 设计 课题来源 指导教师命题选题背景(含国内外相关研究综述及评价)与意义近年来,随着经济的发展,我国的城市化水平加快和人民生活水平的提高,汽车的数量不断增加。截至 2003 年底,我国个人汽车保有量为 12427672 辆。其中,个人轿车 4890387 辆,比 2002 年增加 1462441 辆,增长率为 42.7%。伴随着经济的发展汽车数量整在急剧增加,停车场作为交通设施的一部分,合理的停车场设计不仅解决了城市的额市容、交通、收费问题,也是小区加强安全和正常运营必不可少的一部分。由于科技的发展,社会文明的进步人们已经远远不能满足传统的停车场管理,更加安全,高效的停车大门系统和工作人员,是保证小区居民财产安全的一道屏障。电动栏杆的工作原理:栏杆控制系统通过驱动电机转动,再靠减速系统或机构把电机转动变为栏杆在垂直与水平之间的循环摆动。电动栏杆应具备自锁、反馈、防护等功能,并有与多项附属设备的接口。电动栏杆的使用现状:在公路的收费站处以及小区的入口处我们都能看见一个会自动升起和降落的类似闸门一样的东西,这个就是电动栏杆。电动栏杆的发明大大方便了收费站的工作人员,他们只需要按下一个开关,就可以自由的控制电动栏杆的抬起和降落进而控制车辆的通过了,而不需要像以前那样人工搬运阻碍物,既浪费时间又耗费体力。伴随着城市化进程的加快,中国的基础设施和小区建设越来越多,需要与之相配应的停车收费栏杆越来越多。防撞车功能的电动栏杆:在栏杆臂下落至水平夹角大于 15的范围内,如有车辆驶入线圈感应区,栏杆臂将自动抬起防止砸车。必要性:停车场的自动电杆,由于使用频繁会出现不同程度的损坏,从而影响它自身的使用寿命。其中防撞的要求日益需要解决。无论什么类型的停车场都有电动栏杆大门,电动栏杆大门不仅适用停车场各种小区,公寓门口都可以。其中,撞击问题日益需要解决以增加其使用寿命,使其更好,更长时间的为我们服务。2.发展前景电动栏杆机是机械、电气、控制有机结合的小型机电一体化设备,广泛用于公路、桥梁、隧道、口岸、场区的禁行管理。电动栏杆系统设计的技术水平对产品的消耗功率、寿命次数、可靠性指标影响很大,所以设计开发时,对相应的关键技术设计必须有充分的理论依据。有了这种电动栏杆机可以减少工作人员的劳动强度,减少服务人员的劳动时间,提高车辆的通行效率,而且还可以避免车辆拥挤发生的撞车事故,可以避免因为人工操作不当导致的意外事故,减少人与人之间的矛盾和摩擦,促进社会和谐进步。3.选题的主要任务及目标 主要任务:在电动栏杆的使用中,栏杆水平封闭位置时必须有自锁功能防止人为抬升栏杆。国外先进的 Magnetic 栏杆产品采用的是单相可堵转力矩电机,电机可在任意位置堵转工作不会损坏电机,而且内有导热良好的导热脂,既可以把热很快传到外壳散热,又能保证电机线圈不生锈。靠此核心技术实现了其堵转下持续工作锁紧栏杆。原理是:电动机驱动栏杆转到水平位置后,电机继续延时加电 l-2s,使连杆在水平锁紧位置充分到位,而电机在此时输出额定转矩持续堵转,之后控制电机输入电流减小为额定电流的 12,继续维持摆杆向下的转动力矩,电机还是堵转工作只是功率减小,其力矩足以锁定栏杆不被轻易抬起,其发热量会通过电机壳散热达到平衡,不会烧坏电机和影响寿命。栏杆处于水平锁定位置时,如果设备断电电机锁紧力矩失去,栏杆被内部预先调紧的平衡弹簧拉起。国内一般水平的栏杆采用曲柄在连杆机构死点位置自锁栏杆抬起,由于受机构精度和稳定性影响,有时不可靠;而采用蜗轮蜗杆减速器的反向自锁功能是很有效的方案。但缺点是停电后要靠人工回转复位。如采用电机的制动装置锁紧,其体积大且可靠性、稳定性要求高,一般较少采用。所以,可堵转力矩电机的技术应用决定了栏杆自锁技术水平,而这种电机设计尤为特殊且技术难度大。高可靠高智能的防护功能为防止车辆水平冲撞栏杆时,破坏冲力传递到设备内的主要部件,损坏栏杆机主体,栏杆本身应有抗撞缓冲装置,为防止栏杆误动作后砸车或下落过程中伤人,在栏杆臂上安装超声波测距传感器,实现转动中紧停或反转来保护车辆或行人。也可采用高密聚氨脂材料做栏杆,既减轻了栏杆阻力和惯量,也缓冲了砸击力量。选题目标:此毕业设计题目来源于生产实际,主要完成对确定弹簧配重的电动栏杆机构设计。对于生产的顺利进行及生产效率、产品的精度保证起着至关重要的作用。因此,设计一种高精度的电动栏杆机具有较大的实用价值。设计的产品应达到 GB/T 249732010收费用电动栏杆的技术要求。4.选题研究的主要内容及拟解决的主要问题主要内容:弹簧平衡系统是在内部输出轴上设计弹簧储能机构摆臂和弹簧装置,靠内部平衡机构动态平衡栏杆升降时的阻力矩,使任意位置系统总力矩近似为零,充分利用动能和势能的转换,最大限度地减小驱动功率、满足系统抗外加干扰载荷、延长机体寿命。因为栏杆阻力矩与转动时的垂直转角成正弦比例变化,所以,弹簧平衡系统也应跟踪产生近似正弦比例的力矩。由于拉簧随栏杆转角变化,其拉力和力臂的大小方向都在变化,故力矩的动态变化无简单规律可循。因而设计中出现了多个连续变量的理论计算,必须采用有效的优化设计思路。在本次设计中,拟应用到的文献涉及机械原理机械设计类,机械绘图类,机械工程控制类,机械工程材料和力学以及弹簧配重的电动栏杆的资料,在设计过程中这些材料可以首先帮我们从整体上了解与弹簧配重的电动栏杆相关的技术以及现在国内外的发展趋势;其次,利用这些资料,可以在设计过程中进行合理的结构分析和设计方案的初步制定;最后,机器人臂设计过程中的所需材料的选择,设计与校核计算,运动过程的控制以及其他的注意事项,都可以在相关文献资料中得到一些指导与帮助。拟解决的主要问题:在前期得做好各项准备,要查阅大量的文献了解弹簧配重的电动栏杆的的结构,并在 CAD,上画出这个零件,认真去了解它的结构,这当中就需要一些工具书比如机械手册,以及有关教材及参考资料,最后如果有需要还可以选择去工厂调研,以上条件具备完成本课题所需的工作条件。5.主要参考文献(须包括书名、作者、出版年和出版社名称等)1 王安岑,武吉梅.画法几何与机械制图M.西安 :陕西科学技术出版社M,20012 尚久浩. 自动机械设计M. 北京:中国轻工业出版社,20063 顾晓勤.工程力学 M. 北京:机械工业出版社,20084 卢秉恒.机械制造技术基础M 北京:机械工业出版社,20085 单辉祖. 材料力学M 北京:高等教育出版社, 2010 6 吴琰琨. 液压与气动技术M 北京:人民邮电出版社,20087 张建民. 机电一体化系统设计M.高等教育出版社,2001(2):4549.8 冯开平,左宗义 .画法几何与机械制图M.华南理工大学出版社,200(3):5160.9 顾崇衔. 机械制造工艺学M.陕西科学技术出版社,1999(6):11.10 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学M.高等教育出版社,2002(4):7983.11 华东纺织工学院 哈尔滨工业大学 天津大学机床设计图册S上海科学技术出版社1979(5):1521.12 康风清 电动栏杆系统设计的研究 J. 机械研究与应用. 2008(03)13 邱宣怀机械设计 M高等教育出版社2004(2):4951.14 李华,李焕峰机械制造技术M机械工业出版社出版2003(5):333715 叶伟昌 ,林岗副机械工程及自动化简明设计手册S机械工业出版社出版2008(2):5662.16 ClavelR .Delta,a fast robot wth parallel geometry. The Int.18thSymposium on in dustrial robots( ISIR),Sydney,Australia,1998,91-100.17SoedelW.Design and mechanics of compressor valvesM.Purdue University,West Lafayette,IN 47907,198418Graham T. Smith.CNC machining technologyM.London: Springer-Verlag, 1993:105-144.19Machine tool design handbookM.New Delhi : Tata McGraw-Hill Publishing Co. Ltd.,1982:114-136.6.在规定时间段内,论文(设计)内容进度计划2015.12.112016.1.6 完成开题报告。2016.01.72016.02.20 进行课题研究或项目开发与设计,完成具体设计任务,并绘制相关设计图纸,撰写毕业论文。2016.02.212016.04.14 中期检查,内容包括:选题表、任务书、开题报告、毕业论文(设计)进度表、文献综述、外文资料翻译和毕业论文(设计)中期检查表。2016.04.162016.05.05 完成提交毕业设计。2016.05.062016.05.25 答辩。指导教师意见指导教师签字: 备注: 1.课题类型分为论文、设计。2.课题来源分为自拟、指导教师命题、教育厅项目等等。年 月 日教研室意见教研室主任签字: 年 月 日本科毕业论文(设计)弹簧配重的电动栏杆的设计 学 院 小三号黑体居中(下同)专 业学 号学生姓名指导教师提交日期 年 月 日商 丘 工学院诚 信 承 诺 书本人郑重承诺和声明:我承诺在毕业论文撰写过程中遵守学校有关规定,恪守学术规范,此毕业论文(设计)中均系本人在指导教师指导下独立完成,没有剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果,没有篡改研究数据,凡涉及其他作者的观点和材料,均作了注释,如有违规行为发生,我愿承担一切责任,接受学校的处理,并承担相应的法律责任。毕业论文(设计)作者签名: 年 月 日 III摘 要电动栏杆机是机械、电气、控制有机结合的小型机电一体化设备,广泛用于公路、桥梁、隧道、口岸、场区的禁行管理。电动栏杆系统设计的技术水平对产品的消耗功率、寿命次数、可靠性指标影响很大,所以设计开发时,对相应的关键技术设计必须有充分的理论依据。电动栏杆的工作原理:栏杆控制系统通过驱动电机转动,再靠减速系统或机构把电机转动变为栏杆在垂直与水平之间的循环摆动。电动栏杆应具备自锁、反馈、防护等功能,并有与多项附属设备的接口。弹簧平衡系统是电动栏杆机产品设计的关键技术之一,直接决定栏杆机的功率消耗指标,对产品的可靠性和寿命影响很大。为解决此关键技术,本文就能同步平衡栏杆正弦规律变化的阻力矩的弹簧平衡系统,提出了优化设计的数学模型、目标函数,利用具有很强优化能力和广泛适应性的遗传算法。关键词:弹簧平衡;遗传算法;优化设计;电动栏杆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 录第 1 章 绪论11.1 选题背景与意义.11.2 电动栏杆的使用现状及发展前景.11.3 主要内容.31.4 拟解决的主要问题.3第 2 章 弹簧配重的电动栏杆结构方案设计42.1 概述42.2 结构方案4第 3 章 弹簧配重的电动栏杆连杆传动装置设计63.1 内部弹簧平衡系统的优化63.2 曲柄摇杆机构的速度和加速度特性.83.3 电机及减速系统选型.93.4 系统自锁方案.103.5 高可靠高智能的防护功能.113.6 四连杆机构设计.123.6.1 确定设计变量.183.6.2 建立目标函数.183.6.3 确定约束条件.193.6.4 写出优化数学模型.203.7 机构受力分析.213.8 齿轮传动计算.223.9 轴的设计计算.243.9.1 按扭转强度计算.243.9.2 按弯扭合成强度计算.253.9.3 轴的刚度计算概念.253.9.4 轴的设计步骤.253.10 各轴的计算263.10.1 高速轴计算.263.10.2 中间轴设计.28VI3.10.3 低速轴设计.313.11 轴的设计与校核343.11.1 高速轴设计.343.11.2 中间轴设计.343.11.3 低速轴设计343.11.4 高速轴的校核.353.12 轴承的设计及校核.353.12.1 轴承种类的选择.353.12.2 深沟球轴承结构.353.12.3 轴承计算.37第 4 章 离合器的设计计算394.1 离合器型选择.394.2 离合器牙齿数的选择.394.3 离合弹簧参数选取.394.4 栏杆臂外端部砸车力的计算.404.5 离合器材料选取40第 5 章 弹簧配重装置设计415.1 弹簧的设计计算.415.2 电路部分设计(单片机).445.2.1 简介445.2.2 系统工作原理455.2.3 控制电机的软件设计465.2.4 本章小结47总结与展望48致 谢49参 考 文 献51第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 选题背景与意义近年来,随着经济的发展,我国的城市化水平加快和人民生活水平的提高,汽车的数量不断增加。截至 2003 年底,我国个人汽车保有量为 12427672 辆。其中,个人轿车 4890387 辆,比 2002 年增加 1462441 辆,增长率为 42.7%。伴随着经济的发展汽车数量整在急剧增加,停车场作为交通设施的一部分,合理的停车场设计不仅解决了城市的额市容、交通、收费问题,也是小区加强安全和正常运营必不可少的一部分。由于科技的发展,社会文明的进步人们已经远远不能满足传统的停车场管理,更加安全,高效的停车大门系统和工作人员,是保证小区居民财产安全的一道屏障。电动栏杆的工作原理:栏杆控制系统通过驱动电机转动,再靠减速系统或机构把电机转动变为栏杆在垂直与水平之间的循环摆动。电动栏杆应具备自锁、反馈、防护等功能,并有与多项附属设备的接口。1.2 电动栏杆的使用现状及发展前景在公路的收费站处以及小区的入口处我们都能看见一个会自动升起和降落的类似闸门一样的东西,这个就是电动栏杆。电动栏杆的发明大大方便了收费站的工作人员,他们只需要按下一个开关,就可以自由的控制电动栏杆的抬起和降落进而控制车辆的通过了,而不需要像以前那样人工搬运阻碍物,既浪费时间又耗费体力。伴随着城市化进程的加快,中国的基础设施和小区建设越来越多,需要与之相配应的停车收费栏杆越来越多。防撞车功能的电动栏杆:在栏杆臂下落至水平夹角大于 15的范围内,如有车辆驶入线圈感应区,栏杆臂将自动抬起防止砸车。必要性:停车场的自动电杆,由于使用频繁会出现不同程度的损坏,从而影响它自身的使用寿命。其中防撞的要求日益需要解决。无论什么类型的停车场都有电动栏杆大门,电动栏杆大门不仅适用停车场各种小区,公寓门口都可以。其中,撞击问题日益需要解决以增加其使用寿命,使其更好,更长时间的为我们服务。发展前景:电动栏杆机是机械、电气、控制有机结合的小型机电一体化设备,广泛用于公路、桥梁、隧道、口岸、场区的禁行管理。电动栏杆系统设计的技术水平对产品的消耗功率、寿命次数、可靠性指标影响很大,所以设计开发时,对相应的关键技术设计必须有充分的理论依据。有了这种电动栏杆机可以减少工作人员的劳动强度,减少服务人员的劳动时间,提高车辆的通行效率,而且还可以避免车辆拥挤发生的撞车事故,可以避免因为人工操作不当导致的意外事故,减少人与人之间的矛盾和商丘工学院本科毕业设计(论文)2摩擦,促进社会和谐进步。电动栏杆是解决大都市内停车难问题的有效方法。土地资源紧张是大都市的现状,在亚洲各国大城市表现的尤为突出,所以机械式立体停车库在亚洲的应用比较广泛,目前统计结果表明,立体停车库市场大多在亚洲的日本、韩国、中国等地。亚洲的电动栏杆技术起源于日本,日本从 20 世纪 60 年代开始从事机械电动栏杆的开发、生产、销售和服务,至今已有四十多年的历史。目前在日本从事机械式停车库及其设备开发、制造的公司约有 200 多家,其中生产机械式电动栏杆的公司约 100 多家,比较大的公司有新明和、石川岛播磨、日精、三菱重工等。从 90 年代起日本每年投入运行的机械停车泊位都在 10 万以上。目前全日本己经投入使用的机械式停车位超过 300 万个,其中以升降横移式电动栏杆为主。对于日本,优势在多层升降横移类、垂直升降类、水平循环类、垂直循环类、简易升降类等产品上。韩国机械电动栏杆技术是日本技术的派生。产业从 20 世纪 70 年代中期开始起步,80 年代开始引进日本技术,经过消化生产和本土化,90 年代开始进入使用阶段。由于这几个阶段得到政府的高度重视,各种机械电动栏杆得到普遍开发和利用,韩国近几年增长速度都在 30%左右。目前韩国电动栏杆行业进入稳步发展阶段。在欧洲,德国和意大利等欧洲国家从事电动栏杆开发和生产也比较早。较好的公司有:意大利Sotefin, Interpark,德国Palis等。由于欧洲国家土地资源比较富余,停车问题表现不很突出,电动栏杆应用量不是很大。多数为巷道堆垛式产品,多层升降横移式产品应用也很好。德国和意大利等欧洲国家的优势主要在巷道堆垛类产品上。我国在20世纪80年代初开始研制和使用机械式电动栏杆。80年代是起步阶段,90年代以来,随着汽车工业和建筑业的发展,尤其是轿车进入家庭后,电动栏杆的应用逐步推广,已经形成了新兴的电动栏杆行业,步入引进、开发、制造、使用相结合的初步发展阶段,现在从事电动栏杆制造的企业数约有100家,其中主机生产企业超过50家。目前,电动栏杆的研究工作在国内也得到逐步的重视,国内许多研究院所和高等院校都投入技术力量,对电动栏杆的各个方面.例如结构设计、控制系统、存取策略、可靠性分析、以及生产工艺等方面进行研究,取得了一系列的成果。与此同时 ,国家也进一步发展和完善与停车产业相关的法规和各项标准,先后制订了多项电动栏杆的行业标准和行业规范,加强规划引导、技术开发和标准化工作。同时,从中央到地方,都颁布了一系列的法规条文,对停车行业的发展进行规划管理。从2004年起,国家质量监督检验检疫总局对电动栏杆生产企业进行许可证评审工作,规定在2005年3月31日前未取得生产许可证的企业,不得从事电动栏杆的生产工作。3我国城市停车行业从80年代末起,经过十几年的发展,现在形成了一定的规模,但是还处于初始发展阶段,车库建设尚在起步阶段,在一些大城市中机械化车库仍然是空白。停车行业的发展仍存在着一些问题:第一,电动栏杆企业己经形成了一定的规模,但是发展不平衡,骨干的大中型企业在20家左右,其它的则是中小企业居多,技术力量薄弱,缺乏自主开发能力,靠引进国外技术图纸。第二,产品的种类增多了,但是质量、可靠性、安全性、耐久性均存在着较大的问题,产品的技术水平和质量难以保证。第三,停车行业的市场开始发育,但是竞争太残酷,目前总体能力过剩,价格偏低,有的产品已经降到行业平均成本价以下。1.3 主要内容弹簧平衡系统是在内部输出轴上设计弹簧储能机构摆臂和弹簧装置,靠内部平衡机构动态平衡栏杆升降时的阻力矩,使任意位置系统总力矩近似为零,充分利用动能和势能的转换,最大限度地减小驱动功率、满足系统抗外加干扰载荷、延长机体寿命。因为栏杆阻力矩与转动时的垂直转角成正弦比例变化,所以,弹簧平衡系统也应跟踪产生近似正弦比例的力矩。由于拉簧随栏杆转角变化,其拉力和力臂的大小方向都在变化,故力矩的动态变化无简单规律可循。因而设计中出现了多个连续变量的理论计算,必须采用有效的优化设计思路。在本次设计中,拟应用到的文献涉及机械原理机械设计类,机械绘图类,机械工程控制类,机械工程材料和力学以及弹簧配重的电动栏杆的资料,在设计过程中这些材料可以首先帮我们从整体上了解与弹簧配重的电动栏杆相关的技术以及现在国内外的发展趋势;其次,利用这些资料,可以在设计过程中进行合理的结构分析和设计方案的初步制定;最后,电动栏杆臂设计过程中的所需材料的选择,设计与校核计算,运动过程的控制以及其他的注意事项,都可以在相关文献资料中得到一些指导与帮助。1.4 拟解决的主要问题在前期得做好各项准备,要查阅大量的文献了解弹簧配重的电动栏杆的的结构,并在 CAD,上画出这个零件,认真去了解它的结构,这当中就需要一些工具书比如机械手册,以及有关教材及参考资料,最后如果有需要还可以选择去工厂调研,以上条件具备完成本课题所需的工作条件。第 2 章 弹簧配重的电动栏杆结构方案设计4第 2 章 弹簧配重的电动栏杆结构方案设计2.1 概述通常,电动栏杆是机械传动,其传动机构包括电动机、皮带传动机构、减速器和曲柄摇杆机构。工作时电动机通过皮带传动带动蜗轮蜗杆减速器,减速器的输出轴通过曲柄摇杆机构带动栏杆臂升降使栏杆处于水平或竖直位置。有些电动栏杆采用低速电动机,直接用电动机带动曲柄摇杆机构。2.2 结构方案曲柄摇杆机构的示意图见图 2.1,其主要结构与工作原理为:1 为曲柄,由减速器驱动绕 A 点作整周转动;2 为连杆;3 为摇杆,绕 D 点摆动,摆角 90 度;4为机架;5 为栏杆臂,与摇杆刚性连接;6 为拉伸弹簧,用以平衡栏杆臂的重量,一般生产厂家规定平衡后驱动栏杆臂的力偶矩不大于 5Nm。当曲柄 A 占逆时针转动至位置时,摇杆 CD 逆时针摆至下极限位置 AC,栏杆臂上升至竖直位置;曲柄继续逆时针转动至位置船”时,摇杆又顺时针摆至上极限位置口,栏杆臂下降至水平位置。图 2.1 曲柄摇杆机构的示意图由上述可知,这类电动栏杆都不具有机械式安全装置,一旦栏杆臂下落时砸住车辆,轻则砸烂挡风玻璃、砸坏车顶造成经济损失,重则造成人员伤亡。同时,砸车时电动栏杆传动部分运动受阻,造成主轴(图 1 中 D 处)、摇杆、连杆、减速器等机件变形或损坏。我们为克服上述装置的不足而设计了一种结构简单、成本低廉、适应性强的机5械式电动栏杆安全装置。其主要结构特点是:在电动栏杆主轴上加装牙嵌离合器,使得图 l 中 3 之间不是剐性联接,而是通过离合器联接在一起,这样栏杆臂在下降过程中一黾砸车时,栏杆臂会停止下降,砸不坏车,并自动返回到竖直位置。因而大大提高了电动栏杆的使用安全性。当停电或电动栏杆出故障时,可以人为地将栏杆臂抬起到竖直位置让车辆通行,符合文献35、4、7 条的要求。图 2.2 是机械式安全装置的结构示意图。图中 l 是主轴,其左右两端由滚动轴承支承在机架上; 2是两个圆螺母;3 是弹簧,其左端与圆螺母接触;4 是弹簧座;5 是离合器,它与图 l 中的摇杆 3 是同一构件,与主轴之间形成间隙配合,左端紧靠弹簧座; 6 是右离合器,它与主轴形成键联接,右端面靠紧主轴轴肩左端与左离合器啮合,并带有挂配重弹簧(图 1 中的 6)的臂;7 是栏杆臂,相当于图 l 中的 5,固联在主轴右端。图 2.2 机械式安全装置的结构示意图主要工作原理如下,当左离合器被图 1 中摇杆驱动、按图 2 所示箭头方向摆动时,离合器牙斜面之间的磨擦力偶矩传递给右离合器,带动栏杆臂下降。当栏杆臂下降遇到障碍时,相当于障碍物对栏杆臂施加一个与图示摆动方向相反的力偶矩,此力偶矩使牙斜面间产生相对滑动,从而推动左离合器左移,使离合器脱开,栏杆臂停止下降。此时,电动机仍使得曲柄摇杆机构继续工作,当图 l 中摇杆 cD 顺时针摆到上极限位置 cD 时,又逆时针向下极限位置 rD 摆动,使得脱开的牙嵌离合器又结合,离合器牙的直边工作,带动栏杆臂也向与图 2 相反的方向摆动,从而使受阻的栏杆臂又返回到原来的竖直位置。图 2 中的弹簧座用来减轻左离合器左端面转动时的摩擦。圆螺母用来调节弹簧的工作负荷,以改变离合器左右两部分之间商丘工学院本科毕业设计(论文)6的摩擦力,使栏杆臂既能自由升降,又能在砸车受阻后离合器脱开。第 3 章 弹簧配重的电动栏杆连杆传动装置设计7第 3 章 弹簧配重的电动栏杆连杆传动装置设计3.1 内部弹簧平衡系统的优化弹簧平衡系统是在内部输出轴上设计弹簧储能机构摆臂和弹簧装置,靠内部平衡机构动态平衡栏杆升降时的阻力矩,使任意位置系统总力矩近似为零,充分利用动能和势能的转换,最大限度地减小驱动功率、满足系统抗外加干扰载荷、延长机体寿命。因为栏杆阻力矩与转动时的垂直转角成正弦比例变化,所以,弹簧平衡系统也应跟踪产生近似正弦比例的力矩。由于拉簧随栏杆转角变化,其拉力和力臂的大小方向都在变化,故力矩的动态变化无简单规律可循。因而设计中出现了多个连续变量的理论计算,必须采用有效的优化设计思路。如图 3.1、3.2 所示,起始位置时摆臂 OA 与弹簧原长 PA 的夹角为 a ;转动时,由于摆臂与栏杆同固定在输出轴上始终成 y 夹角,所以摆臂从 OA 转到 OB 时,栏杆由 OC 转到 OC位置,摆臂转角和栏杆转角均为 , 的取值范围是 090。摆臂 OA=OB=R、弹簧原长 PA=L、弹簧伸长后长 PB=L1,弹簧 、栏杆长度 OC=Lo 为定值。图3.1 电动栏杆内部机构示意图图 3.2 弹簧平衡系统简化示意图商丘工学院本科毕业设计(论文)8弹簧的伸长量 L=PBPA=L。一 L,将弹簧的伸长量分解后,与 OB 垂直方向上的伸长量为:M=KL R=K(LlL)sin R (3)由式(1)、(2)、(3)分析,得出与力矩 M 有关的参数为:K 、R、L、a 、。因为 K 为定值,取 R 为定值, 为函数变量;只有 L、 a 为需要优化的设计变量。本设计的目的是使拉簧产生的力矩曲线 M()逼近栏杆的阻力矩曲线 )=MgLosin,去掉常量因素 MgLo、K 就是使 M()曲线逼近 F() sin 曲线。所以得出优化设计的目标函数为:本优化设计采用遗传算法进行优化设计。试算过程中选取的选择概率 sP=03;交叉概率 CP=06;变异概率MP=01;摆臂 OA=R=150 naIn。程序经调试运行,解算结果为:L =100008533497748(mm)A= 132486983199487(。)第 3 章 弹簧配重的电动栏杆连杆传动装置设计9平衡后偏差结果:统计偏差平均值为 236 ;最大偏差发生在转角为 51。的位置,偏差值为 708。平衡力矩曲线与阻力矩曲线的比较如图 3 所示。平衡后偏差结果:统计偏差平均值为 236 ;最大偏差发生在转角为 51。的位置,偏差值为 708。平衡力矩曲线与阻力矩曲线的比较如图 3.3 所示。图 3.3 平衡力矩曲线与阻力矩曲线比较图利用优化后的 L、 a 可以确定弹簧相对于摆臂的初始固定位置,弹簧平衡机构的几何尺寸就精确得出。再通过 L、K、Lmax 就可确定弹簧的设计参数。实际应用中适当预紧弹簧使其有一定初拉力,对克服机构和传动系统摩擦阻力很有必要,从理论上对弹簧的力矩曲线形状没有影响,为整体动态平衡栏杆阻力矩提供了一定余度。根据栏杆材质长度调整弹簧并联根数以适应平衡效果。本平衡优化的最大偏差值作为电机选型时的负载阻力矩条件为: 3.2 曲柄摇杆机构的速度和加速度特性对电动栏杆的负载特性进行细致分析,如果靠内部弹簧把栏杆阻力矩平衡后,末级传动的输出轴上负载阻力矩将很小。但栏杆的转动惯量不可忽视。因为栏杆转动半径为 153m,其惯量对系统启动平稳性和停止时的冲击影响很大。所以一些在末级传动中使用齿轮传动的栏杆机,内部都要在接近停位时预先断电,靠惯性运行到终点位置,且设计了吸收冲击能量的橡胶弹簧。这就使栏杆运行到停位时抖动、冲击不可避免,从而影响系统可靠性和使用寿命。不如采用曲柄摇杆机构。而采用曲柄摇杆为末级传动的设计中,能利用连杆系统本身的速度特性使在停位速度接近为零,使系统惯性冲击作用到内部机座中2】,而外部栏杆在末位冲击颤动明显改善。在启动时系统惯量必须考虑摇杆加速度变化,使电机克服负载加速转动所消耗的功率成为主要因素。通过对连杆机构的速度分析和加速度分析 】,确定启动时负载轴上的最大角速度和最大角加速度。如图 3.4 所示。商丘工学院本科毕业设计(论文)10图 3.4 连杆机构图设曲柄栏杆机构的主动件 L1 的角位移 1,角速度 1 和角加速度 1 。摆杆 L3 的速度分析公式:根据以上公式可求出输出轴角速度和角加速度,为电机选型提供理论参考。3.3 电机及减速系统选型电机功率计算不仅要满足克服负载阻力矩,还要有足够的功率使负载作加速运动。选型时电机功率计算公式为:式中: -电机的额定功率,w;nP-传动效率;-负载轴上的阻力矩,Nm;fM-负载轴最大角速度, ;3m/os-负载轴最大角加速度, ;,2-负载轴上的总转动惯量, 。fI kg.m根据电机额定功率计算预选电机型号后,还需进行电机过载能力的校核。式中: -电机和负载总摩擦力矩,Nm;OM-减速器效率;-负载轴上的阻力矩,Nm;f-负载轴最大角速度, ;3m/os第 3 章 弹簧配重的电动栏杆连杆传动装置设计11-负载轴最大角加速度, ;3m2/os-负载轴上的总转动惯量, ;fI kg.m-转动惯量, ;D2kg.Z-传动比;-电动机力矩过载系数;-电机的额定力矩,Nm;nM-折合到电动机轴上的最大负载力矩,Nm。maxo如果电机选用的不是减速力矩电机,那么,减速器应选择传动效率高、噪声低、温升小、体积紧凑型。建议选用圆弧齿圆柱蜗杆减速器,其特点为: 由于蜗轮和蜗杆凸凹齿合,降低了齿面应力,增强了齿面强度; 接触线与圆周速度夹角大部分在 40。一 90。之间,容易形成液体润滑,齿面摩擦系数小,所以效率高、温升低;该齿形合理减薄了蜗杆齿厚,增强了蜗轮齿根厚,因此蜗轮抗弯强度大。前面已初步估计出了驱动力矩,电机的功率。在实际的操作中,电动栏杆的驱动,使用的电机类型主要有力矩电机、直流伺服电机、交流伺服电机等。考虑到力矩电机通过改变脉冲频率来调速。能够快速启动、制动,有较强的阻碍偏离稳定的抗力。又由于这里的位置精度要求并不高,而力矩电机在电动栏杆无位置反馈的位置控制系统中得到了广泛的应用。这里选定力矩电机为驱动电机,考虑到在实际的选择中应考虑到一定的裕度。这里选用的是杭州日升生产的永磁感应子式力矩电机:型号:130BYG2501;步距角:0.9/1.8 度;电压:120-310v相数:2 ;电流:6 A;静转矩:270 ;cmkg空载运行频率: ;18转动惯量: ;23.4 系统自锁方案在电动栏杆的使用中,栏杆水平封闭位置时必须有自锁功能防止人为抬升栏杆。国外先进的 Magnetic 栏杆产品采用的是单相可堵转力矩电机,电机可在任意位置堵转工作不会损坏电机,而且内有导热良好的导热脂,既可以把热很快传到外壳散热,又能保证电机线圈不生锈。靠此核心技术实现了其堵转下持续工作锁紧栏杆。原理是:电动机驱动栏杆转到水平位置后,电机继续延时加电 1 2s,使连杆在商丘工学院本科毕业设计(论文)12水平锁紧位置充分到位,而电机在此时输出额定转矩持续堵转,之后控制电机输入电流减小为额定电流的 12,继续维持摆杆向下的转动力矩,电机还是堵转工作只是功率减小,其力矩足以锁定栏杆不被轻易抬起,其发热量会通过电机壳散热达到平衡,不会烧坏电机和影响寿命。栏杆处于水平锁定位置时,如果设备断电电机锁紧力矩失去,栏杆被内部预先调紧的平衡弹簧拉起。国内一般水平的栏杆采用曲柄在连杆机构死点位置自锁栏杆抬起,由于受机构精度和稳定性影响,有时不可靠;而采用蜗轮蜗杆减速器的反向自锁功能是很有效的方案。但缺点是停电后要靠人工回转复位。如采用电机的制动装置锁紧,其体积大且可靠性、稳定性要求高,一般较少采用。所以,可堵转力矩电机的技术应用决定了栏杆自锁技术水平,而这种电机设计尤为特殊且技术难度大。3.5 高可靠高智能的防护功能为防止车辆水平冲撞栏杆时,破坏冲力传递到设备内的主要部件,损坏栏杆机主体,栏杆本身应有抗撞缓冲装置,目前常用缓冲装置如图 3.5、3.6 所示。图3.5 缓冲装置分为转动 图6 应力剪切栏杆壁关节形式图 3.6 应力剪切栏杆壁形式为防止栏杆误动作后砸车或下落过程中伤人,在栏杆臂上安装超声波测距传感器,实现转动中紧停或反转来保护车辆或行人。也可采用高密聚氨脂材料做栏杆,既减轻了栏杆阻力和惯量,也缓冲了砸击力量。电动栏杆虽然是小型机电一体化产品,但要求运行平稳、可靠、寿命长,并对野外环境适应性强,所以必须重视产品关键技术设计的理论计算,为产品改进优化提供必要的参考依据。第 3 章 弹簧配重的电动栏杆连杆传动装置设计133.6 四连杆机构设计图 3.7 四连杆机构连杆机构是最常用的机构,因此连杆机构优化设计在机构设计中十分重要,研究工作开展得也最为广泛。有大量的文献介绍有关平面四杆机构、平面五杆机构、柔性连杆机构、曲柄连杆机构、槽轮连杆机构、凸轮连杆组合机构和齿轮连杆等机构的优化。鉴于四连杆机构的典型性,本节结合四连杆机构的函数再现优化设计问题,阐述连杆机构优化问题的一般方法及流程。四连杆机构的优化设计就是对四连杆机构的参量进行优化调整,使得机构给定的运动和机构所实现的运动之间误差最小。因此四连杆机构的优化设计的过程,就是寻找使得四连杆机构运动误差最小的一组机构设计参量。四连杆机构设计参量确定后,就可认为实现了机构的优化设计。四连杆机构的优化设计包括四连杆机构优化模型建立和优化模型求解二个主要过程。通过对四连杆机构的分析确定优化方案,确定设计变量,给出目标函数,并将机构设计制约条件,如杆长条件、传动角条件等,写成相应的约束条件,即可建立机构优化设计模型。下面介绍四连杆机构函数再现优化设计模型的建立。连杆机构函数再现设计主要通过选取输人构件和输出构件相对应若干位置、采用机构图解法或分析法确定机构各参数。图 1 是典型的平面铰链四杆机构, 、 、 和 分别表示于四个构件的长度,杆 AB 是输入构件。假设图 1 所示的平面铰链四杆机构再现给定函数为,即 ,则机构位置取决于 、 、 、 铰链A 的位置 、AD 与机架 x 轴夹角 以及输人构件转角 等七个变量。为简化问题,可令 A 的位置为 , , 构件的长度为 1(参考构件),由此可将问题维数降为四维,并不影响构件输入、输出的函数关系。由此可以得到输出构件转角 外与输入构件转角 之间的函数关系式:(1)商丘工学院本科毕业设计(论文)14机构优化设计目标就是使得输出构件转角与给定值在 , 所有位置上的误差最小。因此机构优化设计的目标函数可用下式表示(2)当输入构件转角为 时,输出构件转角 外可由下式求得,(3)式中:所以(4)将上式代入式(3),并令 代表设计变量 、 、 及 ,机构优化设计目标函数可写为:第 3 章 弹簧配重的电动栏杆连杆传动装置设计15(5)机构优化设计的约束条件应根据机构设计的实际情况确定。例如曲柄摇杆式四连杆机构必须满足如下关系式:或(6)如果机构要求传动灵活可靠,则传动角 应满足:或其中从上式可知,传动角 随 的变化而变化,当 为最大值时,为最小, 为最小值时, 为最大。要满足上式条件,约束方程应为:商丘工学院本科毕业设计(论文)16曲柄摇杆机构有 ,因此,约束方程为(7)当所选定的设计变量为构件长度时,则构件长度必须是正数,即约束方程为式中 是为了使构件长度不小于 而设的。此外,由于具体结构尺寸的限制,往往对某些构件的长度限定在某一范围内选取,例如连杆 BC 的长度 最短为 的 倍,最长为 的 倍,即则约束方程为(8)下面介绍再现函数为 的曲柄摇杆机构的优化设计。先变换给定函数为 ,并设输人构件初始角为 ,输出构件初始角为,选取输入构件的转角为 ,输出构件的转角为 。当输入构件从 转到时,输出构件从 转到 ,输入构件从 转到 时,输第 3 章 弹簧配重的电动栏杆连杆传动装置设计17出构件则从 回到 。显然有 及 ,即 及。代入函数式 得:设将输入构件的转角 均分成 20 等分,则 ,取权因子 ,再令 代表设计变量 、 、 及 ,则由式(5)得曲柄连杆机构优化目标函数为曲柄摇杆机构优化设计约束条件如下:由式(6)得:要求传动角满足 ,由式(7)得:根据机构结构尺寸,要求各构件长度相对机架的尺寸在给定的范围内,由式(8)得商丘工学院本科毕业设计(论文)18因此曲柄摇杆机构优化设计模型如下:Min. s.t.采用内点惩罚函数法和 POWELL 法求解曲柄摇杆机构优化设计模型。选择初始惩罚参数 ,递减函数 e = 0.01,初始点 ,第 3 章 弹簧配重的电动栏杆连杆传动装置设计19取惩罚函数法收敛精度 ,POWELL 法目标函数值收敛精度 ,一维搜索精度 。3.6.1 确定设计变量根据设计要求,由机械原理知识可知,设计变量有 L1、L2 、L3、L4 、 。将曲柄的长度取为一个单位长度 1,其余三杆长可表示为 L1 的倍数。由图 1 所示的几何关系可知 43221)(arcosL为杆长的函数。另外,根据机构在机器中的许可空间,可以适当预选机架 L4 的长度,取 L4=100,经以上分析,只剩下 L2、L3 两个独立变量,所以,该优化问题的设计变量为 TTLX321,因此。本优化设计为一个二维优化问题。3.6.2 建立目标函数按轨迹的优化设计,可以将连杆上 M 点 与预期轨迹点坐标偏差最小为miyx,寻优目标,其偏差为 和 ,如图 3.2。为此,iixiiynx,21把摇杆运动区间 2 到 5 分成 S 等分,M 点坐标有相应分点与之对应。将各分点标号记作 ,根据均方根差可建立其目标函数,即ii2/12iMiyxXf sn3Lyicoiiix2,S 为运动区间的分段数)1(si 43221)(arcosL于是由以上表达式便构成了一个目标函数的数学表达式,对应于每一个机构设计方案(即给定 ) ,即可计算出均方根差 。21,XXf商丘工学院本科毕业设计(论文)20图 3.8 轨迹的优化设计3.6.3 确定约束条件根据设计条件,该机构的约束条件有两个方面:一是传递运动过程中的最小传动角 应大于 50 度;二是保证四杆机构满足曲柄存在的条件。以此为基础建立优化线束条件。保证传动角 50图 3.9 位置图按传动条件,根据图 3.9 可能发生传动角最小值的位置图,由余弦定理6428.05cos(见图 3.9(a ) )6428.0arcos)(ar3221L所以(a)3232419.)( LL(见图 3.9(b) )648.0arcos)(arcos3214L所以(b)3214239.)(LL式(a) 、 (b)为两个约束条件,将 , , , 代入式(a ) 、5412x23L第 3 章 弹簧配重的电动栏杆连杆传动装置设计21(b) ,得 036249.121211 xxg2曲柄存在的条件按曲柄存在条件,由机械原理知识可知, ,12L13 324L,443把它们写成不等式约束条件(将 , , , 代入上式) ,得1512x2303xg2461542x017g经过分析,上述七个约束条件式中, 和 为紧约束条件,Xg2为松约束条件,即满足 和 的 ,必满足不等式Xg7310gX,所以本优化问题实际起作用的只有 和 两个不等0 1g2式约束条件。3.6.4 写出优化数学模型综上所述,可得本优化问题的数学模型为 si iMiyxXf0 2/12minTTL321,ts. 03649.12121 xg2 x即本优化问题具有两个不等式约束的二维约束优化问题。商丘工学院本科毕业设计(论文)22图 3.10 主要结构图3.7 机构受力分析该步行机构的受力情况如图 3.10 所示。由于该机构中所有连杆均为二力杆,即只受轴向力作用。设图中所有连杆所受的拉力为正,压力为负。为地面对车轮的支撑力,月川为 11 个连杆的内力,矽】 、汐 2 分别为连杆 9 和连杆 5 与水平线的夹角, y1、r2 分别为连杆 10 和连杆 6 与水平线的夹角,妒为曲轴 11 与水平线的夹角。由力的平衡条件可得方程组:第 3 章 弹簧配重的电动栏杆连杆传动装置设计23将以上 5 个方程组联立方程组 31 和 3-6,可以解得当撑力为,曲轴 11 与水平线的夹角为时,该支腿步行机构中各连杆的内力大小。假设地面对车轮的支撑力不变,当曲轴 11 转动时,各连杆的内力也会随之变化。并且进行曲轴旋转一周的仿真。即可得到曲轴转动一周,该支腿机构各连杆的内力变化曲线。根据各连杆受力的情况便可以合理设计各连杆的截面积大小,从而对该机构进行优化。3.8 齿轮传动计算齿轮模数取 2,齿轮为 50. 传动比 1:1解:1. 选择齿轮精度等级、材料、齿数1)属于一般机械,且转速不高,故选择 8 级精度。2)因载荷平稳,传递功率较小,可采用软齿面齿轮。参考表 11-1,小齿轮选用 45 钢调质处理,齿面硬度 217255HBS, HLim1=595MPa, FE1=460MPa;大齿轮选用 45 钢正火处理,齿面硬度 162217HBS, HLim2=390MPa, FE2=320MPa。3)选小齿轮齿数 z1=50,则 z2=iz1=50,取 z2=50。故实际传动比 i=z2/z1=1,与要求的传动比 0%。齿数比 u=i=1。对于齿面硬度小于 350 HBS 的闭式软齿面齿轮传动,应按齿面接触强度设计,再按齿根弯曲强度校核。2. 按齿面接触强度设计设计公式 11-3 3212HEdZuKT1)查表 11-3,原动机为电动机,工作机械是输送机,且工作平稳,取载荷系数 K=1.2。2)小齿轮传递的转矩商丘工学院本科毕业设计(论文)24mNnPT736120.15.9105.96613)查表 11-6,齿轮为软齿面,对称布置,取齿宽系数 d=1。4)查表 11-4,两齿轮材料都是锻钢,故取弹性系数 ZE=189.8 MPa1/2。5)两齿轮为标准齿轮,且正确安装,故节点区域系数 ZH=2.5。6)计算许用接触应力SZHNLim应力循环次数小齿轮 N1=60n1jLh=603501(2830010)=10.08108大齿轮 N2= N1/i=10.08108/3.58=2.82108据齿轮材料、热处理以及 N1、N 2,查接触疲劳寿命系数图表,不允许出现点蚀,得接触疲劳寿命系数 ZN1=1,Z N2=1。查表 11-5,取安全系数 SH=1.1。计算许用接触应力MPaHNLim9.5401.11i .3.22取小值 H2代入计算。7)计算mZuKTHEd 56.4.352819.17362.33211 3. 验算轮齿弯曲强度按公式 11-5 校核 FSaFFbdYKT11)由 z1=24,z 2=86 查图 11-8,得齿型系数 YFa1=2.77,Y Fa2=2.23。2)由 z1=24,z 2=86 查图 11-9,得应力集中系数 YSa1=1.58,Y Sa2=1.773)计算许用弯曲应力 SFNE据齿轮材料、热处理以及 N1、N 2,查弯曲疲劳寿命系数图表,得弯曲疲劳寿命系数 YN1=1,Y N2=1。查表 11-5,取安全系数 SF=1.25。
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