本科畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告一種彈簧配重的電動欄桿的設(shè)計學 院 機械工程學院專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化學 號學生姓名指導教師提交日期 2016 年 1 月 5 日本科畢業(yè)論文(設(shè)計)開題報告學 院 機械工程 專 業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化班 級論文(設(shè)計) 題目 一種彈簧配重的電動欄桿的設(shè)計學生姓名 學 號 指導教師 楊三序 職 稱 教授課題類型 設(shè)計 課題來源 指導教師命題選題背景(含國內(nèi)外相關(guān)研究綜述及評價)與意義近年來，隨著經(jīng)濟的發(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，我國個人汽車保有量為 12427672 輛。其中，個人轎車 4890387 輛，比 2002 年增加 1462441 輛，增長率為 42.7%。伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展汽車數(shù)量整在急劇增加，停車場作為交通設(shè)施的一部分，合理的停車場設(shè)計不僅解決了城市的額市容、交通、收費問題，也是小區(qū)加強安全和正常運營必不可少的一部分。由于科技的發(fā)展，社會文明的進步人們已經(jīng)遠遠不能滿足傳統(tǒng)的停車場管理，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)居民財產(chǎn)安全的一道屏障。電動欄桿的工作原理：欄桿控制系統(tǒng)通過驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，再靠減速系統(tǒng)或機構(gòu)把電機轉(zhuǎn)動變?yōu)闄跅U在垂直與水平之間的循環(huán)擺動。電動欄桿應(yīng)具備自鎖、反饋、防護等功能，并有與多項附屬設(shè)備的接口。電動欄桿的使用現(xiàn)狀:在公路的收費站處以及小區(qū)的入口處我們都能看見一個會自動升起和降落的類似閘門一樣的東西，這個就是電動欄桿。電動欄桿的發(fā)明大大方便了收費站的工作人員，他們只需要按下一個開關(guān)，就可以自由的控制電動欄桿的抬起和降落進而控制車輛的通過了，而不需要像以前那樣人工搬運阻礙物，既浪費時間又耗費體力。伴隨著城市化進程的加快，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)的停車收費欄桿越來越多。防撞車功能的電動欄桿：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)，欄桿臂將自動抬起防止砸車。必要性：停車場的自動電桿，由于使用頻繁會出現(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都有電動欄桿大門，電動欄桿大門不僅適用停車場各種小區(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，更長時間的為我們服務(wù)。2.發(fā)展前景電動欄桿機是機械、電氣、控制有機結(jié)合的小型機電一體化設(shè)備，廣泛用于公路、橋梁、隧道、口岸、場區(qū)的禁行管理。電動欄桿系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)水平對產(chǎn)品的消耗功率、壽命次數(shù)、可靠性指標影響很大，所以設(shè)計開發(fā)時，對相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計必須有充分的理論依據(jù)。有了這種電動欄桿機可以減少工作人員的勞動強度，減少服務(wù)人員的勞動時間，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，可以避免因為人工操作不當導致的意外事故，減少人與人之間的矛盾和摩擦，促進社會和諧進步。3.選題的主要任務(wù)及目標 主要任務(wù)：在電動欄桿的使用中，欄桿水平封閉位置時必須有自鎖功能防止人為抬升欄桿。國外先進的 Magnetic 欄桿產(chǎn)品采用的是單相可堵轉(zhuǎn)力矩電機，電機可在任意位置堵轉(zhuǎn)工作不會損壞電機，而且內(nèi)有導熱良好的導熱脂，既可以把熱很快傳到外殼散熱，又能保證電機線圈不生銹?？看撕诵募夹g(shù)實現(xiàn)了其堵轉(zhuǎn)下持續(xù)工作鎖緊欄桿。原理是：電動機驅(qū)動欄桿轉(zhuǎn)到水平位置后，電機繼續(xù)延時加電 l-2s，使連桿在水平鎖緊位置充分到位，而電機在此時輸出額定轉(zhuǎn)矩持續(xù)堵轉(zhuǎn)，之后控制電機輸入電流減小為額定電流的 1／2，繼續(xù)維持擺桿向下的轉(zhuǎn)動力矩，電機還是堵轉(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)熱量會通過電機殼散熱達到平衡，不會燒壞電機和影響壽命。欄桿處于水平鎖定位置時，如果設(shè)備斷電電機鎖緊力矩失去，欄桿被內(nèi)部預先調(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構(gòu)死點位置自鎖欄桿抬起，由于受機構(gòu)精度和穩(wěn)定性影響，有時不可靠；而采用蝸輪蝸桿減速器的反向自鎖功能是很有效的方案。但缺點是停電后要靠人工回轉(zhuǎn)復位。如采用電機的制動裝置鎖緊，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)力矩電機的技術(shù)應(yīng)用決定了欄桿自鎖技術(shù)水平，而這種電機設(shè)計尤為特殊且技術(shù)難度大。高可靠高智能的防護功能為防止車輛水平?jīng)_撞欄桿時，破壞沖力傳遞到設(shè)備內(nèi)的主要部件，損壞欄桿機主體，欄桿本身應(yīng)有抗撞緩沖裝置，為防止欄桿誤動作后砸車或下落過程中傷人，在欄桿臂上安裝超聲波測距傳感器，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動中緊?；蚍崔D(zhuǎn)來保護車輛或行人。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。選題目標：此畢業(yè)設(shè)計題目來源于生產(chǎn)實際，主要完成對確定彈簧配重的電動欄桿機構(gòu)設(shè)計。對于生產(chǎn)的順利進行及生產(chǎn)效率、產(chǎn)品的精度保證起著至關(guān)重要的作用。因此，設(shè)計一種高精度的電動欄桿機具有較大的實用價值。設(shè)計的產(chǎn)品應(yīng)達到 GB/T 24973—2010《收費用電動欄桿》的技術(shù)要求。4.選題研究的主要內(nèi)容及擬解決的主要問題主要內(nèi)容：彈簧平衡系統(tǒng)是在內(nèi)部輸出軸上設(shè)計彈簧儲能機構(gòu)——擺臂和彈簧裝置，靠內(nèi)部平衡機構(gòu)動態(tài)平衡欄桿升降時的阻力矩，使任意位置系統(tǒng)總力矩近似為零，充分利用動能和勢能的轉(zhuǎn)換，最大限度地減小驅(qū)動功率、滿足系統(tǒng)抗外加干擾載荷、延長機體壽命。因為欄桿阻力矩與轉(zhuǎn)動時的垂直轉(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，故力矩的動態(tài)變化無簡單規(guī)律可循。因而設(shè)計中出現(xiàn)了多個連續(xù)變量的理論計算，必須采用有效的優(yōu)化設(shè)計思路。在本次設(shè)計中，擬應(yīng)用到的文獻涉及機械原理機械設(shè)計類，機械繪圖類，機械工程控制類，機械工程材料和力學以及彈簧配重的電動欄桿的資料，在設(shè)計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欄桿相關(guān)的技術(shù)以及現(xiàn)在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢；其次，利用這些資料，可以在設(shè)計過程中進行合理的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計方案的初步制定；最后，機器人臂設(shè)計過程中的所需材料的選擇，設(shè)計與校核計算，運動過程的控制以及其他的注意事項，都可以在相關(guān)文獻資料中得到一些指導與幫助。擬解決的主要問題:在前期得做好各項準備，要查閱大量的文獻了解彈簧配重的電動欄桿的的結(jié)構(gòu)，并在 CAD，上畫出這個零件，認真去了解它的結(jié)構(gòu)，這當中就需要一些工具書比如機械手冊，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。5.主要參考文獻(須包括書名、作者、出版年和出版社名稱等)[1] 王安岑，武吉梅.畫法幾何與機械制圖[M].西安 :陜西科學技術(shù)出版社[M]，2001[2] 尚久浩. 《 自動機械設(shè)計》[M]. 北京：中國輕工業(yè)出版社,2006．[3] 顧曉勤.工程力學 ⅠⅡ[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2008．[4] 盧秉恒.機械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M] ．北京：機械工業(yè)出版社,2008．[5] 單輝祖. 材料力學[M] ．北京：高等教育出版社， 2010． [6] 吳琰琨. 液壓與氣動技術(shù)[M] ．北京：人民郵電出版社,2008．[7] 張建民. 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M].高等教育出版社，2001（2）：45～49.[8] 馮開平，左宗義 .畫法幾何與機械制圖[M].華南理工大學出版社，200（3）：51～60.[9] 顧崇銜. 機械制造工藝學[M].陜西科學技術(shù)出版社，1999（6）：11.[10] 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.理論力學[M].高等教育出版社，2002（4）：79～83.[11] 華東紡織工學院 哈爾濱工業(yè)大學 天津大學．機床設(shè)計圖冊[S]．上海科學技術(shù)出版社．1979（5）：15～21.[12] 康風清 電動欄桿系統(tǒng)設(shè)計的研究 [J]. 機械研究與應(yīng)用. 2008(03)[13] 邱宣懷．機械設(shè)計 [M]．高等教育出版社．2004（2）：49～51.[14] 李華，李煥峰．機械制造技術(shù)[M]．機械工業(yè)出版社出版．2003（5）：33～37[15] 葉偉昌 ，林崗副．機械工程及自動化簡明設(shè)計手冊[S]．機械工業(yè)出版社出版．2008（2）：56～62.[16] ClavelR .Delta,a fast robot wth parallel geometry. The Int.18thSymposium on in dustrial robots( ISIR),Sydney,Australia,1998,91-100.[17]SoedelW.Design and mechanics of compressor valves[M].Purdue University，West Lafayette，IN 47907，1984[18]Graham T. Smith.CNC machining technology[M].London: Springer-Verlag， 1993：105-144.[19]Machine tool design handbook[M].New Delhi : Tata McGraw-Hill Publishing Co. Ltd.，1982：114-136.6.在規(guī)定時間段內(nèi),論文(設(shè)計)內(nèi)容進度計劃2015.12.11—2016.1.6 完成開題報告。2016.01.7—2016.02.20 進行課題研究或項目開發(fā)與設(shè)計，完成具體設(shè)計任務(wù)，并繪制相關(guān)設(shè)計圖紙，撰寫畢業(yè)論文。2016.02.21—2016.04.14 中期檢查，內(nèi)容包括：《選題表》、《任務(wù)書》、《開題報告》、《畢業(yè)論文（設(shè)計）進度表》、《文獻綜述》、《外文資料翻譯》和《畢業(yè)論文（設(shè)計）中期檢查表》。2016.04.16—2016.05.05 完成提交畢業(yè)設(shè)計。2016.05.06—2016.05.25 答辯。指導教師意見指導教師簽字: 備注: 1.課題類型分為論文、設(shè)計。2.課題來源分為自擬、指導教師命題、教育廳項目等等。年 月 日教研室意見教研室主任簽字: 年 月 日本科畢業(yè)論文（設(shè)計）彈簧配重的電動欄桿的設(shè)計 學 院 小三號黑體居中（下同）專 業(yè)學 號學生姓名指導教師提交日期 年 月 日商 丘 工學院誠 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校有關(guān)規(guī)定,恪守學術(shù)規(guī)范,此畢業(yè)論文(設(shè)計)中均系本人在指導教師指導下獨立完成,沒有剽竊、抄襲他人的學術(shù)觀點、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和材料,均作了注釋,如有違規(guī)行為發(fā)生,我愿承擔一切責任,接受學校的處理,并承擔相應(yīng)的法律責任。畢業(yè)論文（設(shè)計）作者簽名： 年 月 日 III摘 要電動欄桿機是機械、電氣、控制有機結(jié)合的小型機電一體化設(shè)備，廣泛用于公路、橋梁、隧道、口岸、場區(qū)的禁行管理。電動欄桿系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)水平對產(chǎn)品的消耗功率、壽命次數(shù)、可靠性指標影響很大，所以設(shè)計開發(fā)時，對相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計必須有充分的理論依據(jù)。電動欄桿的工作原理：欄桿控制系統(tǒng)通過驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，再靠減速系統(tǒng)或機構(gòu)把電機轉(zhuǎn)動變?yōu)闄跅U在垂直與水平之間的循環(huán)擺動。電動欄桿應(yīng)具備自鎖、反饋、防護等功能，并有與多項附屬設(shè)備的接口。彈簧平衡系統(tǒng)是電動欄桿機產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接決定欄桿機的功率消耗指標，對產(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)計的數(shù)學模型、目標函數(shù)，利用具有很強優(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；電動欄桿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 彈簧配重的電動欄桿結(jié)構(gòu)方案設(shè)計42.1 概述42.2 結(jié)構(gòu)方案4第 3 章 彈簧配重的電動欄桿連桿傳動裝置設(shè)計63.1 內(nèi)部彈簧平衡系統(tǒng)的優(yōu)化63.2 曲柄搖桿機構(gòu)的速度和加速度特性.83.3 電機及減速系統(tǒng)選型.93.4 系統(tǒng)自鎖方案.103.5 高可靠高智能的防護功能.113.6 四連桿機構(gòu)設(shè)計.123.6.1 確定設(shè)計變量.183.6.2 建立目標函數(shù).183.6.3 確定約束條件.193.6.4 寫出優(yōu)化數(shù)學模型.203.7 機構(gòu)受力分析.213.8 齒輪傳動計算.223.9 軸的設(shè)計計算.243.9.1 按扭轉(zhuǎn)強度計算.243.9.2 按彎扭合成強度計算.253.9.3 軸的剛度計算概念.253.9.4 軸的設(shè)計步驟.253.10 各軸的計算263.10.1 高速軸計算.263.10.2 中間軸設(shè)計.28VI3.10.3 低速軸設(shè)計.313.11 軸的設(shè)計與校核343.11.1 高速軸設(shè)計.343.11.2 中間軸設(shè)計.343.11.3 低速軸設(shè)計343.11.4 高速軸的校核.353.12 軸承的設(shè)計及校核.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 軸承計算.37第 4 章 離合器的設(shè)計計算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算.404.5 離合器材料選取40第 5 章 彈簧配重裝置設(shè)計415.1 彈簧的設(shè)計計算.415.2 電路部分設(shè)計（單片機）.445.2.1 簡介445.2.2 系統(tǒng)工作原理455.2.3 控制電機的軟件設(shè)計465.2.4 本章小結(jié)47總結(jié)與展望48致 謝49參 考 文 獻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，我國個人汽車保有量為 12427672 輛。其中，個人轎車 4890387 輛，比 2002 年增加 1462441 輛，增長率為 42.7%。伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展汽車數(shù)量整在急劇增加，停車場作為交通設(shè)施的一部分，合理的停車場設(shè)計不僅解決了城市的額市容、交通、收費問題，也是小區(qū)加強安全和正常運營必不可少的一部分。由于科技的發(fā)展，社會文明的進步人們已經(jīng)遠遠不能滿足傳統(tǒng)的停車場管理，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)居民財產(chǎn)安全的一道屏障。電動欄桿的工作原理：欄桿控制系統(tǒng)通過驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，再靠減速系統(tǒng)或機構(gòu)把電機轉(zhuǎn)動變?yōu)闄跅U在垂直與水平之間的循環(huán)擺動。電動欄桿應(yīng)具備自鎖、反饋、防護等功能，并有與多項附屬設(shè)備的接口。1.2 電動欄桿的使用現(xiàn)狀及發(fā)展前景在公路的收費站處以及小區(qū)的入口處我們都能看見一個會自動升起和降落的類似閘門一樣的東西，這個就是電動欄桿。電動欄桿的發(fā)明大大方便了收費站的工作人員，他們只需要按下一個開關(guān)，就可以自由的控制電動欄桿的抬起和降落進而控制車輛的通過了，而不需要像以前那樣人工搬運阻礙物，既浪費時間又耗費體力。伴隨著城市化進程的加快，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)的停車收費欄桿越來越多。防撞車功能的電動欄桿：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)，欄桿臂將自動抬起防止砸車。必要性：停車場的自動電桿，由于使用頻繁會出現(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都有電動欄桿大門，電動欄桿大門不僅適用停車場各種小區(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，更長時間的為我們服務(wù)。發(fā)展前景：電動欄桿機是機械、電氣、控制有機結(jié)合的小型機電一體化設(shè)備，廣泛用于公路、橋梁、隧道、口岸、場區(qū)的禁行管理。電動欄桿系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)水平對產(chǎn)品的消耗功率、壽命次數(shù)、可靠性指標影響很大，所以設(shè)計開發(fā)時，對相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計必須有充分的理論依據(jù)。有了這種電動欄桿機可以減少工作人員的勞動強度，減少服務(wù)人員的勞動時間，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，可以避免因為人工操作不當導致的意外事故，減少人與人之間的矛盾和商丘工學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）2摩擦，促進社會和諧進步。電動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，所以機械式立體停車庫在亞洲的應(yīng)用比較廣泛，目前統(tǒng)計結(jié)果表明，立體停車庫市場大多在亞洲的日本、韓國、中國等地。亞洲的電動欄桿技術(shù)起源于日本，日本從 20 世紀 60 年代開始從事機械電動欄桿的開發(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)機械式電動欄桿的公司約 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行的機械停車泊位都在 10 萬以上。目前全日本己經(jīng)投入使用的機械式停車位超過 300 萬個，其中以升降橫移式電動欄桿為主。對于日本，優(yōu)勢在多層升降橫移類、垂直升降類、水平循環(huán)類、垂直循環(huán)類、簡易升降類等產(chǎn)品上。韓國機械電動欄桿技術(shù)是日本技術(shù)的派生。產(chǎn)業(yè)從 20 世紀 70 年代中期開始起步，80 年代開始引進日本技術(shù)，經(jīng)過消化生產(chǎn)和本土化，90 年代開始進入使用階段。由于這幾個階段得到政府的高度重視，各種機械電動欄桿得到普遍開發(fā)和利用，韓國近幾年增長速度都在 30%左右。目前韓國電動欄桿行業(yè)進入穩(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)勢主要在巷道堆垛類產(chǎn)品上。我國在20世紀80年代初開始研制和使用機械式電動欄桿。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，尤其是轎車進入家庭后，電動欄桿的應(yīng)用逐步推廣，已經(jīng)形成了新興的電動欄桿行業(yè)，步入引進、開發(fā)、制造、使用相結(jié)合的初步發(fā)展階段，現(xiàn)在從事電動欄桿制造的企業(yè)數(shù)約有100家，其中主機生產(chǎn)企業(yè)超過50家。目前，電動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，對電動欄桿的各個方面.例如結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)、存取策略、可靠性分析、以及生產(chǎn)工藝等方面進行研究，取得了一系列的成果。與此同時 ，國家也進一步發(fā)展和完善與停車產(chǎn)業(yè)相關(guān)的法規(guī)和各項標準，先后制訂了多項電動欄桿的行業(yè)標準和行業(yè)規(guī)范，加強規(guī)劃引導、技術(shù)開發(fā)和標準化工作。同時，從中央到地方，都頒布了一系列的法規(guī)條文，對停車行業(yè)的發(fā)展進行規(guī)劃管理。從2004年起，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局對電動欄桿生產(chǎn)企業(yè)進行許可證評審工作，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)的市場開始發(fā)育，但是競爭太殘酷，目前總體能力過剩，價格偏低，有的產(chǎn)品已經(jīng)降到行業(yè)平均成本價以下。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)計彈簧儲能機構(gòu)——擺臂和彈簧裝置，靠內(nèi)部平衡機構(gòu)動態(tài)平衡欄桿升降時的阻力矩，使任意位置系統(tǒng)總力矩近似為零，充分利用動能和勢能的轉(zhuǎn)換，最大限度地減小驅(qū)動功率、滿足系統(tǒng)抗外加干擾載荷、延長機體壽命。因為欄桿阻力矩與轉(zhuǎn)動時的垂直轉(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，故力矩的動態(tài)變化無簡單規(guī)律可循。因而設(shè)計中出現(xiàn)了多個連續(xù)變量的理論計算，必須采用有效的優(yōu)化設(shè)計思路。在本次設(shè)計中，擬應(yīng)用到的文獻涉及機械原理機械設(shè)計類，機械繪圖類，機械工程控制類，機械工程材料和力學以及彈簧配重的電動欄桿的資料，在設(shè)計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欄桿相關(guān)的技術(shù)以及現(xiàn)在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢；其次，利用這些資料，可以在設(shè)計過程中進行合理的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計方案的初步制定；最后，電動欄桿臂設(shè)計過程中的所需材料的選擇，設(shè)計與校核計算，運動過程的控制以及其他的注意事項，都可以在相關(guān)文獻資料中得到一些指導與幫助。1.4 擬解決的主要問題在前期得做好各項準備，要查閱大量的文獻了解彈簧配重的電動欄桿的的結(jié)構(gòu)，并在 CAD，上畫出這個零件，認真去了解它的結(jié)構(gòu)，這當中就需要一些工具書比如機械手冊，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 彈簧配重的電動欄桿結(jié)構(gòu)方案設(shè)計4第 2 章 彈簧配重的電動欄桿結(jié)構(gòu)方案設(shè)計2.1 概述通常，電動欄桿是機械傳動，其傳動機構(gòu)包括電動機、皮帶傳動機構(gòu)、減速器和曲柄搖桿機構(gòu)。工作時電動機通過皮帶傳動帶動蝸輪蝸桿減速器，減速器的輸出軸通過曲柄搖桿機構(gòu)帶動欄桿臂升降．使欄桿處于水平或豎直位置。有些電動欄桿采用低速電動機，直接用電動機帶動曲柄搖桿機構(gòu)。2.2 結(jié)構(gòu)方案曲柄搖桿機構(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)動繞 A 點作整周轉(zhuǎn)動；2 為連桿；3 為搖桿，繞 D 點擺動，擺角 90 度；4為機架；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)動欄桿臂的力偶矩不大于 5N·m。當曲柄 A 占逆時針轉(zhuǎn)動至位置時，搖桿 CD 逆時針擺至下極限位置 AC’，欄桿臂上升至豎直位置；曲柄繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動至位置船”時，搖桿又順時針擺至上極限位置口，欄桿臂下降至水平位置。圖 2.1 曲柄搖桿機構(gòu)的示意圖由上述可知，這類電動欄桿都不具有機械式安全裝置，一旦欄桿臂下落時砸住車輛，輕則砸爛擋風玻璃、砸壞車頂造成經(jīng)濟損失，重則造成人員傷亡。同時，砸車時電動欄桿傳動部分運動受阻，造成主軸(圖 1 中 D 處)、搖桿、連桿、減速器等機件變形或損壞。我們?yōu)榭朔鲜鲅b置的不足而設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、適應(yīng)性強的機5械式電動欄桿安全裝置。其主要結(jié)構(gòu)特點是：在電動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，欄桿臂會停止下降，砸不壞車，并自動返回到豎直位置。因而大大提高了電動欄桿的使用安全性。當停電或電動欄桿出故障時，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[3]5、4、7 條的要求。圖 2.2 是機械式安全裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中 l 是主軸，其左右兩端由滾動軸承支承在機架上； 2是兩個圓螺母；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，相當于圖 l 中的 5，固聯(lián)在主軸右端。圖 2.2 機械式安全裝置的結(jié)構(gòu)示意圖主要工作原理如下，當左離合器被圖 1 中搖桿驅(qū)動、按圖 2 所示箭頭方向擺動時，離合器牙斜面之間的磨擦力偶矩傳遞給右離合器，帶動欄桿臂下降。當欄桿臂下降遇到障礙時，相當于障礙物對欄桿臂施加一個與圖示擺動方向相反的力偶矩，此力偶矩使牙斜面間產(chǎn)生相對滑動，從而推動左離合器左移，使離合器脫開，欄桿臂停止下降。此時，電動機仍使得曲柄搖桿機構(gòu)繼續(xù)工作，當圖 l 中搖桿 cD 順時針擺到上極限位置 c—D 時，又逆時針向下極限位置 rD 擺動，使得脫開的牙嵌離合器又結(jié)合，離合器牙的直邊工作，帶動欄桿臂也向與圖 2 相反的方向擺動，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)動時的摩擦。圓螺母用來調(diào)節(jié)彈簧的工作負荷，以改變離合器左右兩部分之間商丘工學院本科畢業(yè)設(shè)計（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 彈簧配重的電動欄桿連桿傳動裝置設(shè)計7第 3 章 彈簧配重的電動欄桿連桿傳動裝置設(shè)計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)計彈簧儲能機構(gòu)——擺臂和彈簧裝置，靠內(nèi)部平衡機構(gòu)動態(tài)平衡欄桿升降時的阻力矩，使任意位置系統(tǒng)總力矩近似為零，充分利用動能和勢能的轉(zhuǎn)換，最大限度地減小驅(qū)動功率、滿足系統(tǒng)抗外加干擾載荷、延長機體壽命。因為欄桿阻力矩與轉(zhuǎn)動時的垂直轉(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，故力矩的動態(tài)變化無簡單規(guī)律可循。因而設(shè)計中出現(xiàn)了多個連續(xù)變量的理論計算，必須采用有效的優(yōu)化設(shè)計思路。如圖 3.1、3.2 所示，起始位置時擺臂 OA 與彈簧原長 PA 的夾角為 a ；轉(zhuǎn)動時，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，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 電動欄桿內(nèi)部機構(gòu)示意圖圖 3.2 彈簧平衡系統(tǒng)簡化示意圖商丘工學院本科畢業(yè)設(shè)計（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。因為 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)計變量。本設(shè)計的目的是使拉簧產(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)計的目標函數(shù)為：本優(yōu)化設(shè)計采用遺傳算法進行優(yōu)化設(shè)計。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)試運行，解算結(jié)果為：L =100．008533497748(mm)A== 132．486983199487(。)第 3 章 彈簧配重的電動欄桿連桿傳動裝置設(shè)計9平衡后偏差結(jié)果：統(tǒng)計偏差平均值為 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 可以確定彈簧相對于擺臂的初始固定位置，彈簧平衡機構(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)計參數(shù)。實際應(yīng)用中適當預緊彈簧使其有一定初拉力，對克服機構(gòu)和傳動系統(tǒng)摩擦阻力很有必要，從理論上對彈簧的力矩曲線形狀沒有影響，為整體動態(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選型時的負載阻力矩條件為: 3.2 曲柄搖桿機構(gòu)的速度和加速度特性對電動欄桿的負載特性進行細致分析，如果靠內(nèi)部彈簧把欄桿阻力矩平衡后，末級傳動的輸出軸上負載阻力矩將很小。但欄桿的轉(zhuǎn)動慣量不可忽視。因為欄桿轉(zhuǎn)動半徑為 1．5—3m，其慣量對系統(tǒng)啟動平穩(wěn)性和停止時的沖擊影響很大。所以一些在末級傳動中使用齒輪傳動的欄桿機，內(nèi)部都要在接近停位時預先斷電，靠慣性運行到終點位置，且設(shè)計了吸收沖擊能量的橡膠彈簧。這就使欄桿運行到停位時抖動、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構(gòu)。而采用曲柄搖桿為末級傳動的設(shè)計中，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)部機座中[2】，而外部欄桿在末位沖擊顫動明顯改善。在啟動時系統(tǒng)慣量必須考慮搖桿加速度變化，使電機克服負載加速轉(zhuǎn)動所消耗的功率成為主要因素。通過對連桿機構(gòu)的速度分析和加速度分析 】，確定啟動時負載軸上的最大角速度和最大角加速度。如圖 3.4 所示。商丘工學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）10圖 3.4 連桿機構(gòu)圖設(shè)曲柄欄桿機構(gòu)的主動件 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，為電機選型提供理論參考。3.3 電機及減速系統(tǒng)選型電機功率計算不僅要滿足克服負載阻力矩，還要有足夠的功率使負載作加速運動。選型時電機功率計算公式為：式中： ---電機的額定功率，w；nP---傳動效率；?---負載軸上的阻力矩，Nm；fM---負載軸最大角速度， ;3m?/os---負載軸最大角加速度， ；，2---負載軸上的總轉(zhuǎn)動慣量， 。fI kg.m根據(jù)電機額定功率計算預選電機型號后，還需進行電機過載能力的校核。式中： ---電機和負載總摩擦力矩，Nm；OM---減速器效率；?---負載軸上的阻力矩，Nm；f---負載軸最大角速度， ；3m?/os第 3 章 彈簧配重的電動欄桿連桿傳動裝置設(shè)計11---負載軸最大角加速度， ；3m?2/os---負載軸上的總轉(zhuǎn)動慣量， ；fI kg.m---轉(zhuǎn)動慣量， ；D2kg.Z---傳動比；---電動機力矩過載系數(shù)；?---電機的額定力矩，Nm；nM---折合到電動機軸上的最大負載力矩，Nm。maxo如果電機選用的不是減速力矩電機，那么，減速器應(yīng)選擇傳動效率高、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，其特點為：① 由于蝸輪和蝸桿凸凹齒合，降低了齒面應(yīng)力，增強了齒面強度；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，增強了蝸輪齒根厚，因此蝸輪抗彎強度大。前面已初步估計出了驅(qū)動力矩，電機的功率。在實際的操作中，電動欄桿的驅(qū)動，使用的電機類型主要有力矩電機、直流伺服電機、交流伺服電機等?？紤]到力矩電機通過改變脈沖頻率來調(diào)速。能夠快速啟動、制動，有較強的阻礙偏離穩(wěn)定的抗力。又由于這里的位置精度要求并不高，而力矩電機在電動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。這里選定力矩電機為驅(qū)動電機，考慮到在實際的選擇中應(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：型號：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?空載運行頻率： ；18?轉(zhuǎn)動慣量： ；2?3.4 系統(tǒng)自鎖方案在電動欄桿的使用中，欄桿水平封閉位置時必須有自鎖功能防止人為抬升欄桿。國外先進的 Magnetic 欄桿產(chǎn)品采用的是單相可堵轉(zhuǎn)力矩電機，電機可在任意位置堵轉(zhuǎn)工作不會損壞電機，而且內(nèi)有導熱良好的導熱脂，既可以把熱很快傳到外殼散熱，又能保證電機線圈不生銹。靠此核心技術(shù)實現(xiàn)了其堵轉(zhuǎn)下持續(xù)工作鎖緊欄桿。原理是：電動機驅(qū)動欄桿轉(zhuǎn)到水平位置后，電機繼續(xù)延時加電 1～ 2s，使連桿在商丘工學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）12水平鎖緊位置充分到位，而電機在此時輸出額定轉(zhuǎn)矩持續(xù)堵轉(zhuǎn)，之后控制電機輸入電流減小為額定電流的 1／2，繼續(xù)維持擺桿向下的轉(zhuǎn)動力矩，電機還是堵轉(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)熱量會通過電機殼散熱達到平衡，不會燒壞電機和影響壽命。欄桿處于水平鎖定位置時，如果設(shè)備斷電電機鎖緊力矩失去，欄桿被內(nèi)部預先調(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構(gòu)死點位置自鎖欄桿抬起，由于受機構(gòu)精度和穩(wěn)定性影響，有時不可靠；而采用蝸輪蝸桿減速器的反向自鎖功能是很有效的方案。但缺點是停電后要靠人工回轉(zhuǎn)復位。如采用電機的制動裝置鎖緊，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)力矩電機的技術(shù)應(yīng)用決定了欄桿自鎖技術(shù)水平，而這種電機設(shè)計尤為特殊且技術(shù)難度大。3.5 高可靠高智能的防護功能為防止車輛水平?jīng)_撞欄桿時，破壞沖力傳遞到設(shè)備內(nèi)的主要部件，損壞欄桿機主體，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 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作后砸車或下落過程中傷人，在欄桿臂上安裝超聲波測距傳感器，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動中緊?；蚍崔D(zhuǎn)來保護車輛或行人。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。電動欄桿雖然是小型機電一體化產(chǎn)品，但要求運行平穩(wěn)、可靠、壽命長，并對野外環(huán)境適應(yīng)性強，所以必須重視產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計的理論計算，為產(chǎn)品改進優(yōu)化提供必要的參考依據(jù)。第 3 章 彈簧配重的電動欄桿連桿傳動裝置設(shè)計133.6 四連桿機構(gòu)設(shè)計圖 3.7 四連桿機構(gòu)連桿機構(gòu)是最常用的機構(gòu)，因此連桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在機構(gòu)設(shè)計中十分重要，研究工作開展得也最為廣泛。有大量的文獻介紹有關(guān)平面四桿機構(gòu)、平面五桿機構(gòu)、柔性連桿機構(gòu)、曲柄連桿機構(gòu)、槽輪連桿機構(gòu)、凸輪連桿組合機構(gòu)和齒輪連桿等機構(gòu)的優(yōu)化。鑒于四連桿機構(gòu)的典型性，本節(jié)結(jié)合四連桿機構(gòu)的函數(shù)再現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計問題，闡述連桿機構(gòu)優(yōu)化問題的一般方法及流程。四連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計就是對四連桿機構(gòu)的參量進行優(yōu)化調(diào)整，使得機構(gòu)給定的運動和機構(gòu)所實現(xiàn)的運動之間誤差最小。因此四連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計的過程，就是尋找使得四連桿機構(gòu)運動誤差最小的一組機構(gòu)設(shè)計參量。四連桿機構(gòu)設(shè)計參量確定后，就可認為實現(xiàn)了機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。四連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計包括四連桿機構(gòu)優(yōu)化模型建立和優(yōu)化模型求解二個主要過程。通過對四連桿機構(gòu)的分析確定優(yōu)化方案，確定設(shè)計變量，給出目標函數(shù)，并將機構(gòu)設(shè)計制約條件，如桿長條件、傳動角條件等，寫成相應(yīng)的約束條件，即可建立機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型。下面介紹四連桿機構(gòu)函數(shù)再現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計模型的建立。連桿機構(gòu)函數(shù)再現(xiàn)設(shè)計主要通過選取輸人構(gòu)件和輸出構(gòu)件相對應(yīng)若干位置、采用機構(gòu)圖解法或分析法確定機構(gòu)各參數(shù)。圖 1 是典型的平面鉸鏈四桿機構(gòu)， 、 、 和 分別表示于四個構(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構(gòu)再現(xiàn)給定函數(shù)為，即 ，則機構(gòu)位置取決于 、 、 、 鉸鏈A 的位置 、AD 與機架 x 軸夾角 以及輸人構(gòu)件轉(zhuǎn)角 等七個變量。為簡化問題，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）商丘工學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）14機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目標就是使得輸出構(gòu)件轉(zhuǎn)角與給定值在 ， 所有位置上的誤差最小。因此機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)可用下式表示（2）當輸入構(gòu)件轉(zhuǎn)角為 時，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)計變量 、 、 及 ，機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目標函數(shù)可寫為：第 3 章 彈簧配重的電動欄桿連桿傳動裝置設(shè)計15（5）機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的約束條件應(yīng)根據(jù)機構(gòu)設(shè)計的實際情況確定。例如曲柄搖桿式四連桿機構(gòu)必須滿足如下關(guān)系式：或（6）如果機構(gòu)要求傳動靈活可靠，則傳動角 應(yīng)滿足：或其中從上式可知，傳動角 隨 的變化而變化，當 為最大值時，為最小， 為最小值時， 為最大。要滿足上式條件，約束方程應(yīng)為：商丘工學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）16曲柄搖桿機構(gòu)有 ，因此，約束方程為（7）當所選定的設(shè)計變量為構(gòu)件長度時，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 的曲柄搖桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。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 。當輸入構(gòu)件從 轉(zhuǎn)到時，輸出構(gòu)件從 轉(zhuǎn)到 ，輸入構(gòu)件從 轉(zhuǎn)到 時，輸?shù)?3 章 彈簧配重的電動欄桿連桿傳動裝置設(shè)計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)計變量 、 、 及 ，則由式（5）得曲柄連桿機構(gòu)優(yōu)化目標函數(shù)為曲柄搖桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計約束條件如下：由式（6）得：要求傳動角滿足 ，由式（7）得：根據(jù)機構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸，要求各構(gòu)件長度相對機架的尺寸在給定的范圍內(nèi)，由式(8)得商丘工學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）18因此曲柄搖桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型如下：Min. s.t.采用內(nèi)點懲罰函數(shù)法和 POWELL 法求解曲柄搖桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型。選擇初始懲罰參數(shù) ，遞減函數(shù) e = 0.01，初始點 ，第 3 章 彈簧配重的電動欄桿連桿傳動裝置設(shè)計19取懲罰函數(shù)法收斂精度 ，POWELL 法目標函數(shù)值收斂精度 ，一維搜索精度 。3.6.1 確定設(shè)計變量根據(jù)設(shè)計要求，由機械原理知識可知，設(shè)計變量有 L1、L2 、L3、L4 、 。將?曲柄的長度取為一個單位長度 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)機構(gòu)在機器中的許可空間，可以適當預選機架 L4 的?長度，取 L4=100，經(jīng)以上分析，只剩下 L2、L3 兩個獨立變量，所以，該優(yōu)化問題的設(shè)計變量為 ??TTLX321,,?因此。本優(yōu)化設(shè)計為一個二維優(yōu)化問題。3.6.2 建立目標函數(shù)按軌跡的優(yōu)化設(shè)計，可以將連桿上 M 點 與預期軌跡點坐標偏差最小為??miyx,尋優(yōu)目標，其偏差為 和 ，如圖 3.2。為此，iix???iiy??nx,21?把搖桿運動區(qū)間 2 到 5 分成 S 等分，M 點坐標有相應(yīng)分點與之對應(yīng)。將各分點標號記作 ，根據(jù)均方根差可建立其目標函數(shù)，即i???????i2/12???iMiyxXf ?sn3Lyi?co?iiix2，S 為運動區(qū)間的分段數(shù))1(???si ????????43221)(arcosL?于是由以上表達式便構(gòu)成了一個目標函數(shù)的數(shù)學表達式，對應(yīng)于每一個機構(gòu)設(shè)計方案（即給定 ） ，即可計算出均方根差 。21,X??Xf商丘工學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）20圖 3.8 軌跡的優(yōu)化設(shè)計3.6.3 確定約束條件根據(jù)設(shè)計條件，該機構(gòu)的約束條件有兩個方面：一是傳遞運動過程中的最小傳動角 應(yīng)大于 50 度；二是保證四桿機構(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保證傳動角 ?50?圖 3.9 位置圖按傳動條件，根據(jù)圖 3.9 可能發(fā)生傳動角最小值的位置圖，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）為兩個約束條件，將 ， ， ， 代入式（a ） 、?5412x?23L第 3 章 彈簧配重的電動欄桿連桿傳動裝置設(shè)計21（b） ，得 ??036249.121211 ?????xxg2?②曲柄存在的條件按曲柄存在條件，由機械原理知識可知， ，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)化問題實際起作用的只有 和 兩個不等??0? 1??g2式約束條件。3.6.4 寫出優(yōu)化數(shù)學模型綜上所述，可得本優(yōu)化問題的數(shù)學模型為 ???????????si iMiyxXf0 2/12min?TTL321,,ts. 03649.12121 ???xg??2 x即本優(yōu)化問題具有兩個不等式約束的二維約束優(yōu)化問題。商丘工學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）22圖 3.10 主要結(jié)構(gòu)圖3.7 機構(gòu)受力分析該步行機構(gòu)的受力情況如圖 3.10 所示。由于該機構(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。Ⅳ為地面對車輪的支撐力，月川為 11 個連桿的內(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 彈簧配重的電動欄桿連桿傳動裝置設(shè)計23將以上 5 個方程組聯(lián)立方程組 3．1 和 3-6，可以解得當撐力為Ⅳ，曲軸 11 與水平線的夾角為≯時，該支腿步行機構(gòu)中各連桿的內(nèi)力大小。假設(shè)地面對車輪的支撐力不變，當曲軸 11 轉(zhuǎn)動時，各連桿的內(nèi)力也會隨之變化。并且進行曲軸旋轉(zhuǎn)一周的仿真。即可得到曲軸轉(zhuǎn)動一周，該支腿機構(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)計各連桿的截面積大小，從而對該機構(gòu)進行優(yōu)化。3.8 齒輪傳動計算齒輪模數(shù)取 2，齒輪為 50. 傳動比 1：1解：1. 選擇齒輪精度等級、材料、齒數(shù)1）屬于一般機械，且轉(zhuǎn)速不高，故選擇 8 級精度。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。故實際傳動比 i=z2/z1=1，與要求的傳動比 0%。齒數(shù)比 u=i=1。對于齒面硬度小于 350 HBS 的閉式軟齒面齒輪傳動，應(yīng)按齒面接觸強度設(shè)計，再按齒根彎曲強度校核。2. 按齒面接觸強度設(shè)計設(shè)計公式 11-3 ??3212??????????HEdZuKT?1）查表 11-3，原動機為電動機，工作機械是輸送機，且工作平穩(wěn)，取載荷系數(shù) K=1.2。2）小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩商丘工學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）24mNnPT??????736120.15.9105.96613）查表 11-6，齒輪為軟齒面，對稱布置，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）兩齒輪為標準齒輪，且正確安裝，故節(jié)點區(qū)域系數(shù) ZH=2.5。6）計算許用接觸應(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計算許用接觸應(yīng)力??MPaHNLim9.5401.11????i .3.22取小值[σ H2]代入計算。7）計算??mZuKTHEd 56.4.352819.17362.33211 ?????????????????3. 驗算輪齒彎曲強度按公式 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。