机械传动

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张广, 张丰收, 靳园园, 李莉, 郭广振, 王浩

机械传动. 2021, 45(11): 1-10. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.001

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介绍了国内外面齿轮加工的发展历程、加工原理与方法，并概括了面齿轮在航空航天领域的应用；按照面齿轮不同的加工方法，阐述了国内面齿轮加工的进展与成果，并指出国内面齿轮加工技术的不足。最后，结合实际发展需求，提出了面齿轮应该遵循高质量、高效率和可持续绿色发展的加工理念。

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基于空载侧隙与周向啮合刚度的谐波减速器啮合力研究

王梓荧, 杜群贵, 郑东州, 胡宇航, 刘孟霏, 钟隆峰

机械传动. 2021, 45(11): 11-15. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.002

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谐波减速器啮合力分布对其承载能力、传动效率、传动精度以及使用寿命有着重要的影响。为了更准确地描述负载状态下柔轮与刚轮之间的啮合状况，提出了一种基于空载侧隙和周向啮合刚度的解析模型。利用几何法计算出装配状态下的空载侧隙；建立并分析了负载条件下柔轮力学模型，得到了周向啮合刚度矩阵。根据空载侧隙和周向啮合刚度矩阵，迭代求解得到不同负载条件下啮合力的分布。建立有限元模型验证了解析模型的准确性，结果基本吻合。

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齿轮传动方案数字化设计的研究

单巍, 王连吉, 马雅丽, 王广建

机械传动. 2021, 45(11): 16-21. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.003

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建立齿轮传动方案设计的知识单元，提取知识单元的运动、动力以及结构属性，依据机械运动方案设计的状态空间理论，将知识单元的运动及动力属性转换为特征矢量，从而使齿轮传动方案求解转换为矩阵计算，并将知识单元动力属性与三维参数化模型相关联，通过知识单元参数化模型的配合实现传动方案的可视化。建立齿轮传动方案的知识单元库并转换为相应的数据结构，在知识单元的串并联组合基础之上，实现知识单元混联组合的方案求解。运用VS开发工具开发齿轮传动方案设计模块，输出满足用户需求的齿轮传动方案三维模型以及方案相关详细信息。

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摆动支点可变的平底从动件凸轮连杆机构的综合

杨光露, 张涛, 刘穗君, 王良文, 鲁中甫, 陈学德, 王团辉

机械传动. 2021, 45(11): 22-28. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.004

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研究了在烟草机械清洗设备中使用的一种摆动支点可变的平底从动件凸轮连杆组合机构。该机构将摆动从动件的枢轴安装在轨迹方向可调的滑块上，从动件进行复杂的平面运动，其输出角度的运动范围可根据输出要求进行调整。为了综合该机构，首先，建立了相关模型；然后，采用反转法和包络理论，推导了凸轮轮廓坐标求解模型；最后，选择相应的从动件运动规律，计算相应的凸轮轮廓坐标，通过插值得到整个凸轮轮廓曲线。利用该过程设计了实例机构的运动凸轮，并通过运动仿真进行了验证。研究工作解决了实际装备的设计问题，也丰富了凸轮-连杆机构的设计理论。

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一种基于汉明矩阵和连杆邻接矩阵的运动链同构识别方法

吴昌军, 许辉, 邓涛, 张露, 华叙彬

机械传动. 2021, 45(11): 29-33,40. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.005

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在机械装置的创造性设计中，应淘汰同构运动链，为后续设计减少机构方案，提高机械装置的设计效率。基于汉明矩阵提出了一种新的运动链同构判别方法。首先，从连杆邻接矩阵中导出运动链汉明矩阵；接着，将汉明矩阵的平方阵与连杆邻接矩阵的立方阵求积，得到运动链积矩阵；然后，将积矩阵各行元素以降序排列得积矩阵行序列；最后，将行序列中各元素与本文中所定义的拓扑因子相乘并求总和，得出运动链的同构识别码，即IRC（Isomorphism recognition code）。同构识别码不随构件标号的改变而改变，故若运动链的同构识别码相同，则它们为同构链，否则为异构链。大量实例证明了该方法的有效性。因其简洁、高效且利于计算机执行的特点，故可以考虑将其作为同构筛选的一种新的选择。

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四足管道爬壁机器人周向运动位姿规划

张铁, 吴骄任, 蔡蒂, 吴凌峰

机械传动. 2021, 45(11): 34-40. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.006

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为了实现四足机器人沿着管道内壁进行连续的周向运动，对运动过程中的位置和姿态进行规划。建立管道坐标系和机器人的位置、姿态方程，规划了一种包含足姿调整、机身旋转和机身平移的周向运动。为保证周向运动的连续性，对运动过程中位姿的角度、方向、位移进行规划，并通过足端运动实现周向运动位姿的规划。利用Matlab 计算得到的周向运动关节角度曲线，对机器人样机进行爬壁实验。实验结果和滚转角分析验证了周向运动位姿规划的正确性。

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不同转动副间隙对曲柄群驱动机构的动力学特性影响研究

燕卫亮

机械传动. 2021, 45(11): 41-45,122. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.007

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曲柄群机构是一种含有冗余约束的连杆桁架驱动机构。针对机构特性，在采用“连续接触模型”的动力学模型基础上，以6 个曲柄的曲柄群机构为例，建立机构虚拟仿真模型，利用Adams 对转动副间隙半径不同时的机构动力学特性进行了研究。结果表明，在一定的要求精度范围内，转动副间隙大小对从动构件的位移和速度的整体影响不大，但对从动构件加速度和接触力影响明显；转动副间隙半径设置越大，从动构件加速度和运动副接触力振荡幅值越小，振荡频率越大。

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用于刚性机械手结构拓扑优化的叠加方法

刘小瑞, 何培祥, 谢光辉

机械传动. 2021, 45(11): 46-50,64. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.008

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针对考虑动态载荷条件的刚性机器手连杆的拓扑优化问题，提出了一种类似于等效静载荷技术的综合拓扑叠加方法。该方法是将对应于不同角度位置的单个最佳拓扑叠加，以便在所有角度位置都有较好的综合效果；然后，进行归一化和再惩罚，以获得所需的体积分数。此外，利用图像处理技术进行后处理，可以降低应力值和几何复杂度。通过理论仿真，对该方法所得综合拓扑的性能进行了评估，并以3 自由度工业机械手刚性连杆为例进行了验证。结果表明，体积分数降低30%的情况下可将关节转矩降低24.9%，同时，具有更好的挠度和应力值。与任何一种单个优化拓扑相比，综合拓扑的挠度和应力值降低了10%～25%。

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齿轮马达的困油输出转矩转速及其脉动最小化策略

彭锐, 王建锋, 孙自文

机械传动. 2021, 45(11): 51-56. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.009

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为明晰齿轮马达困油对输出转矩转速的影响机理及其脉动最小化策略，在马达困油特性分析的基础上，从双齿啮合与单齿啮合两个方面，建立了输出转矩的分段计算式；由注入介质的压差能等于马达输出的动力能，建立了输出转速的分段计算式；根据理论判断出的最大最小转矩位置，给出脉动最小化的轴向双副结构方案。结果表明，齿轮马达的困油现象相对温和，常规双矩形卸荷槽即能满足卸荷要求；齿数为10 下的转矩、转速的脉动系数分别为0.26、0.3，齿数为其影响的最大因素；马达齿轮的空转有利于采用轴向错位啮合的双齿轮副构造来实现输出脉动的最小化，改善率分别为61.5%、65.3%。得出双副能实现少齿数的轻量化和超低脉动的目的，为高质量齿轮马达的进一步研发提供了依据。

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轮足混合式行走机器人运动学建模与仿真

唐新星, 张德勇, 王瑞, 苏成志, 韩方元

机械传动. 2021, 45(11): 57-64. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.010

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结合足式机器人与轮式机器人的优点，提出了一种基于2（6-UPUR+3P）混联腿的轮足混合式行走机器人构型，并对该机器人进行了运动学建模与仿真分析。基于螺旋理论建立机器人并联腿部单支链的六维运动螺旋系，基于此得到1 阶影响系数矩阵，进而推导出6-UPUR 并联腿部的运动学模型；提出了机器人机身姿态调整算法，改善了机器人在静态步行步态下机身运动的平稳性；用Matlab 算例仿真与Adams 仿真对比验证得出运动学模型的正确性，用Adams/Simulink 联合仿真验证得出机身姿态调整策略的有效性，为进一步进行轮足混合式行走机器人控制系统的设计奠定基础。

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用于单驱动电动开启门锁保险支链的双层柔顺间歇机构

黄晓杰, 杭鲁滨, 汪千升, 黄晓波, 王明远

机械传动. 2021, 45(11): 65-70,108. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.011

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针对汽车门锁单电机驱动实现电动开启及电动保险功能的需求，基于恒力弹簧弹性力不随行程变化而改变的特性，构造了协同电动开启和电动保险支链运动的新型双层柔顺间歇机构。正向驱动组件由撑杆通过杠杆支撑刚化拨杆拨动型面拨盘；反向驱动组件由拨杆受拨盘扭簧力阻力作用与撑杆脱离，拨杆绕杠杆中心旋转，顺应拨盘型面滚滑。该机构有初始支撑保持、刚性支撑拨动及柔顺避让适应型面多种运动模式，正反向转动实现双层多运动模式切换。该机构在门锁狭小空间内仿真，可实现多工况下开启机构与保险机构的确定运动与复位运动；比较拨杆与保险盘的接触力，使用恒力弹簧时最大值较小且变化幅度平稳，满足与其他支链兼容适应性。仿真结果表明，机构在30.8 ms内实现单独解保险，97 ms内顺序实现解保险及电动开启，68.9 ms内实现单独上保险。

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多足机器人单腿机构方案设计与运动学分析

罗继曼, 刘择明, 印辉, 刘士恒, 丛丽娜

机械传动. 2021, 45(11): 71-78. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.012

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为实现对管道内环境的监测与检修，设计了一种以凸轮-连杆机构作为机器人单腿的多足管道机器人。对单腿机构进行了运动分析和机构改进，改善了初始连杆机构方案中运动精度不高、惯性力较大的缺点。对机构方案进行了理论建模，再应用三维建模软件SolidWorks 与运动分析软件Adams 联合仿真的方法对机构进行了运动分析，通过改变机构相关参数进而进行了机构的改进。通过对比分析可见，采用凸轮-连杆机构方案比初始连杆机构方案具有更多的优点；改变凸轮的尺寸，机构的足端在法线方向上的位移量变大，足端会抬得更高，且相同时间内可以行走更长的路程。研究结果还表明，该凸轮-连杆机构运动时惯性力及冲击更小，运行更平稳，容易实现特定运动规律。

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按许用传动角综合单曲柄双摇杆式翻板机驱动机构

车林仙, 何兵

机械传动. 2021, 45(11): 79-84. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.013

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单曲柄双摇杆式翻板机驱动机构，实为两套共驱动轴的正置式曲柄摇杆机构，但两曲柄具有一相位差。在分析驱动机构工作原理的基础上，给出了其综合问题的准确表述，即：已知机架长度和摇杆摆角，按许用传动角综合正置式曲柄摇杆机构。推导出这类机构最小传动角与杆长及摇杆摆角之间的解析关系，分析最小传动角接近其上确界时的杆长及最大杆长比变化趋势，进而建立了按许用传动角综合正置式曲柄摇杆机构的解析法。给出了翻板机驱动机构综合实例，性能参数分析结果验证了综合方法的正确性和可行性。

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具有力约束的汽车门锁欠驱动空间机构

李苏龙, 杭鲁滨, 王明远, 黄晓杰

机械传动. 2021, 45(11): 85-91. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.014

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以汽车门锁开启支链占用空间少、高效驱动和高端多功能为目标，对单回路空间机构进行构型综合，得到可实现电动开启的RRRSR机构；针对电动开启支链适应手动开启运动的兼容性需求，减少RRRSR 机构运动副约束，得到RRSSR 欠驱动机构，使得机构与其他支链的运动兼容；通过对该机构运动副增设扭簧力约束，保证了机构运动柔顺性和稳定性；以特定方向投影进行方程变量降维，使得所构建的空间RRRSR机构运动学方程变量最少，解析求得输入角和输出角关系式。仿真结果表明，具有力约束的汽车门锁RRSSR 欠驱动机构既能完成电动开启过程，又能在手动开启工况下具有运动兼容适应性。

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基于变胞机构的仿生爬管机器人结构设计与力学分析

金子涵, 侯宇, 王强, 孙伟

机械传动. 2021, 45(11): 92-98. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.015

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现有的爬管机器人在设计时常侧重于适应性、越障能力和负载能力的某一方面，无法同时满足实际作业中对各方面性能的综合需求。为此，基于仿生学原理和变胞理论设计了一种新型爬管机器人，兼具适应性、越障能力和负载能力三方面的性能。建立了变胞手爪和机器人整体的静力学模型，分析了机器人在3 种状态下所需的手爪夹紧力和足部摩擦力；设计了爬管机器人在竖直攀爬和翻转运动时的步态，并基于Adams 对爬管机器人进行了运动学和动力学仿真，得到爬管过程中夹紧力以及摩擦力的变化规律；实现了机器人在管道上的稳定运动，验证了机器人结构设计及力学模型的正确性。

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面向Trot步态的四足机器人单腿结构及其尺寸优化

谭跃刚, 董新宇, 胡天麒

机械传动. 2021, 45(11): 99-108. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.016

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四足机器人的单腿是整机的主要支撑单元，同时也是四足机器人底层的运动单元。因此，单腿的设计会直接影响四足机器人的运动能力。针对四足机器人最为常见的Trot 步态运动特点，设计了一种能适应Trot 步态的新型单腿结构，并从尺寸优化的角度对该新型单腿进行结构优化。数值计算的结果表明，优化后的单腿在增大工作空间范围、减小驱动力矩等方面提升显著，可作为底层结构集成到四足机器人整机系统中去，同时也为四足机器人本体的结构设计提供了一定的理论参考。

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一种匀变非圆齿轮设计方法及其传动特性研究

赵宏平, 郭彩芬

机械传动. 2021, 45(11): 109-115,133. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.017

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为满足从动齿轮运动学特性要求，提出了一种匀变非圆齿轮设计方法。基于匀变非圆齿轮的概念，在速度曲线和加速度曲线的基础上，推导了节曲线方程，建立了齿轮截面长度和中心距的计算模型。以Ⅰ型匀变非圆齿轮为例，提出了匀变非圆齿轮传动的设计方法。利用Adams 软件模拟分析了从动齿轮的角速度和角加速度曲线的形状，验证了设计方案的有效性；分析了匀变非圆齿轮传动装置的压力角、根切和啮合系数等特性。结果表明，所提出的设计方法通过改变给定速度曲线和加速度曲线的参数，能够实现节曲线形状的灵活控制。

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耦合铰间隙和柔性作用的曲柄连杆机构动力学分析

李婷婷, 张振山, 崔国华, 管恋哲

机械传动. 2021, 45(11): 116-122. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.018

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铰间隙和连杆柔性是影响机构动力学性能的主要因素，其决定了机构运行的可靠性。以曲柄连杆机构为对象，采用Lagrange 乘子法建立了耦合连杆铰间隙和连杆柔性作用的动力学模型。在此基础上，系统研究了间隙大小、连杆柔性及其耦合作用对机构动力学输出响应的影响。结果表明，同一运转周期内，碰撞主要集中在运动前期靠近曲柄或连杆的两侧；间隙增大，加剧铰接构件间的碰撞，碰撞力和相互嵌入深度的振荡幅值明显增大，会降低轴心轨迹的稳定性；适当的构件柔性处理可以缓和间隙引起的碰撞冲击。

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基础油对平面二次包络环面蜗杆传动的影响试验

和法洋, 李展山

机械传动. 2021, 45(11): 123-127. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.019

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为了研究不同基础油对平面二次包络环面蜗杆传动的影响，进行了跑合试验。试验发现，相对于聚α-烯烃合成油，采用聚乙二醇合成油时，其传动效率会提高4.5%左右，温升降低15 ℃；采用矿物油时，其传动效率则会降低10%左右，温升提高58 ℃以上。长期连续工作的平面二次包络环面蜗杆减速器采用聚乙二醇合成油性能更佳；矿物油仅适用于非连续工作且负载较低的场合。当采取散热措施后，可以使用聚α-烯烃合成油。进一步研究发现，最小油膜厚度不足以完全反映采用不同基础油在传动效率和温升方面产生的差异，但是可以用来评价润滑状态。

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板式链条链板磨损可靠性及灵敏度分析

孙文, 任涛, 曾威, 康晓清

机械传动. 2021, 45(11): 128-133. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.020

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链条传动在工程领域中应用广泛。链条中的链板磨损失效会导致疲劳强度减小、寿命降低等，链板磨损可靠性分析是非常有必要的。基于Archard模型，建立了链板磨损深度的可靠性计算模型，提出了链板磨损可靠性及灵敏度分析方法，进行了板式链条和槽轮运动机构中链板磨损可靠性的实例分析。结果表明，不同随机变量的分布参数对失效概率的影响程度不同。滑动距离对链板失效概率影响最大，允许磨损量、材料硬度和接触应力对链板失效概率影响较大，磨损系数对链板失效概率影响相对较小。允许磨损量的均值和材料硬度的均值对链板失效概率起负面作用，其他分布参数对链板失效概率起正面作用。

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考虑随机制造误差的差减速器齿轮副振动特性分析

范伶松, 任爱华, 孙章栋, 张楠

机械传动. 2021, 45(11): 134-138,171. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.021

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为研究随机制造误差对某新能源汽车差减速器齿轮传动系统振动特性的影响，采用拉格朗日能量法建立差减速器齿轮副在多源时变激励作用下的弯—扭—轴耦合振动动力学模型。将齿轮系统的齿廓总偏差和基节偏差作为随机变量，采用服从正态分布规律的随机变量描述，运用数值仿真软件对差减速器传动系统进行动力学分析。结果表明，随着随机制造误差离散程度的逐渐增加，齿轮副轴向振动幅值逐渐加剧；但对于齿轮副径向振动未产生较为明显的改变。

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考虑温度场作用的航空锥齿轮的模态分析

禹文涛, 刘世军, 徐文博, 黄红涛, 王峰

机械传动. 2021, 45(11): 139-146. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.022

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在高速重载工况下，航空锥齿轮的齿面温度会大幅度提高。因此，在设计初期有必要考虑温度场作用下的模态情况。根据传统的线性模态理论，考虑转速和温度场对于刚度的影响，建立了航空锥齿轮的模态分析模型；根据该模型，对某一航空锥齿轮的从动齿轮进行了模态分析。由分析结果可知，转速对齿轮刚度会产生较大的影响且其影响不一定为负影响，而温度场分布的不均匀亦会影响模态分析的结果；转速和温度场主要影响的振型为节径型振型。

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瓦面环形槽与推力轴承承载性能关系数值模拟

张文涛, 刘杨, 王东升

机械传动. 2021, 45(11): 147-152. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.023

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为研究瓦面环形槽对推力滑动轴承承载性能改善的优势，基于计算流体动力学（CFD）理论，建立了环形槽斜平面推力滑动轴承油膜分析模型，通过数值模拟，得到环形槽的平面区域占长比、深度和宽度对环形槽斜平面推力滑动轴承承载性能的影响规律。结果表明，推力轴承的承载力和油膜压力峰值随环形槽在平面区域的占长比的增加呈现先增大后减小的变化规律，并且随着环形槽占长比的增加，轴承温度逐渐下降；环形槽宽度一定时，深度的增加使得推力滑动轴承油膜压力分布明显改变，承载力呈现先增大后减小的变化规律；环形槽深度一定时，轴承承载力随着环形槽宽度的增加而增加；在斜平面推力滑动轴承瓦面增加特定环形槽结构，有利于提升承载性能。

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基于LSGAN和VMD-MPE-KELM 的风机齿轮箱故障诊断

秦辞海, 赵睿智, 王月强, 丁云飞, 黄冬, 练小林

机械传动. 2021, 45(11): 153-160. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.024

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在实际工况中，风机齿轮箱的故障样本多呈现不均衡特征。为克服样本不均衡性给诊断效果带来的影响，提出了一种基于LSGAN（最小二乘对抗网络）和VMD-MPE-KELM 的风机齿轮箱故障诊断方法。首先，采用LSGAN 算法用于少数类故障样本的生成处理，将具备原始样本特征的生成数据扩充样本集使其分布均衡，采用VMD方法分解样本集中各类故障的振动信号，计算各模态分量的MPE 多尺度排列熵值以提取信号特征；再通过KPCA 方法降维处理，获得故障样本的特征向量，将其代入KELM 模型诊断。实验表明，LSGAN算法克服了GAN在生成故障样本中梯度消失、训练不稳定和数据质量差等问题；VMD-MPE-KPCA方法可有效提取故障特征。该方法有效地提高了非平衡齿轮箱故障样本的诊断精度。

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基于修正P-S-N曲线的柔轮寿命预测

黄庆文, 吴柏生, 廖德林

机械传动. 2021, 45(11): 161-165. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.025

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通过Hypermesh 划分网格并使用Abaqus 完成对谐波减速器的瞬态分析。基于瞬态分析结果，确定了柔轮危险点的位置，提出了一种提取并合成柔轮危险点应力谱的方法。通过对应力谱进行雨流计数，组合修正P-S-N 曲线与Miner 疲劳损伤累计理论，预测了谐波减速器柔轮的寿命。预测结果与国内谐波减速器的产品的寿命相近。该研究工作为谐波减速器柔轮疲劳性能定量评估提供了参考依据。

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四边圆角形截面筒形件的旋压成形方法研究

刘育良, 张澧桐, 王佰超, 王鑫

机械传动. 2021, 45(11): 166-171. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.026

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基于导杆机构运动原理，提出了一种四边圆角形截面筒形件的旋压成形方法，运用高副低代的转化方法，建立了四边圆角形截面筒形件旋压成形过程中旋轮运动轨迹的数学模型，得到了旋轮及零件的机构运动关系；同时，对成形过程中旋轮运动轨迹进行仿真与计算，分析了旋轮个数与轮盘尺寸对旋压成形过程的影响；得出成形过程中有利于零件成形质量及改善轮盘速度波动情况的轮盘尺寸与旋轮数量，为四边圆角形截面筒形件的加工工艺研究提供了理论基础。

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基于NLSTFT与TSA相结合的风电齿轮箱故障诊断

王祖达, 陈坚钢, 吴荣根, 张震, 蔡海洋, 孙国栋

机械传动. 2021, 45(11): 172-176. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.11.027

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针对变工况风电齿轮箱振动信号存在频谱频率模糊问题，以及传统时域同步平均方法需要键相信号及转速稳定要求。提出了一种不需要键相信号可跟踪变转速振动信号瞬时频率的时域同步平均方法。该方法通过非线性短时傅里叶变换（Non-linear short-time fourier transform，NLSTFT）获取变转速齿轮箱振动信号瞬时频率曲线，积分得到瞬时相位曲线；根据瞬时相位对原始信号进行角域重采样，获得阶次信号；最后对阶次信号进行TSA 处理进行齿轮故障诊断。以某机组的齿轮箱实测数据，有效地验证了所提方法在风电齿轮箱故障诊断中的有效性及工程实用性。

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2021年, 第45卷, 第11期　
刊出日期：2021-11-15

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