2022年, 第46卷, 第3期　
刊出日期：2022-03-15

  

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理论研究
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  基础运动下行星轮系动应力非惯性系效应研究

  张爱强, 于广滨, 曹苗飞, 魏静

  机械传动. 2022, 46(3): 1-9. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.001

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  考虑行星轮系内部非惯性系和机体时变位姿外部非惯性系的综合影响，建立了非惯性系下行星齿轮传动系统动力学模型；结合修正Heywood 公式与Hertz公式构建了基础运动非惯性系下行星齿轮传动系统齿根弯曲动应力和接触动应力计算模型，定义了描述基础运动下附加效应对动应力影响的应力非惯性系系数；研究了变速平飞、滚转运动和筋斗运动等3 种典型机动条件下应力非惯性系系数变化规律。结果表明，应力非惯性系系数与基础运动形式及运动参数紧密相关，总体上应力非惯性系系数随机体机动性增加呈非线性增大趋势，高机动条件下基础运动影响不可忽略。
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  忆阻迟滞模型与神经网络并联的谐波减速器混合迟滞建模研究

  党选举, 魏芳

  机械传动. 2022, 46(3): 10-15,139. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.002

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  针对谐波减速器随负载变化所表现出的负载转矩与扭转角之间的迟滞特性，导致谐波减速器转换精度下降的问题，构建了忆阻迟滞模型与RBF 神经网络并联的谐波减速器混合迟滞模型。将忆阻器模型改进成忆阻迟滞模型，用于描述谐波减速器迟滞输出的基本变化规律；借助具有非线性拟合能力的RBF 神经网络对谐波减速器迟滞模型与忆阻迟滞模型之间的差值进行补偿。实验数据验证结果表明，与忆阻迟滞模型相比，所构建的混合迟滞模型能有效描述谐波减速器迟滞的突变和非光滑特性，模型验证均方误差为0.06。
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  圆柱齿轮滚切力可视化及切削参数对滚切力的影响研究

  田晓青, 郑鑫荣, 陈若峰, 韩江, 夏链

  机械传动. 2022, 46(3): 16-23. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.003

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  滚齿是重要的齿轮加工工艺之一，其加工成形过程复杂，并且涉及较多切削参数。为了量化切削参数对滚切力的影响，研究了一种基于三维几何仿真的滚齿切削力预测方法。根据滚刀和工件的几何参数以及切削参数确定加工过程中滚刀和工件的相对位置和运动关系，在CAD 环境中实现滚齿运动过程的三维仿真，并得到未变形切屑的三维模型；根据选定的切削力模型，利用未变形切屑模型的截面尺寸计算单个切削刃的瞬时切削力，得到滚齿的整体受力过程；定量分析了不同切削参数对滚齿切削力的影响。该预测模型有助于滚齿加工工艺过程的优化设计，以提升加工质量和效率，降低加工成本。
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  基于MPS方法的齿轮箱内部型腔结构搅油损失仿真分析

  郭栋, 罗冬源, 陈芳超

  机械传动. 2022, 46(3): 24-30. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.004

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  为探究内部型腔结构对搅油损失的影响规律，提升汽车传动系统效率，以齿轮箱为研究对象，运用移动粒子半隐式法建立了齿轮箱搅油损失数值仿真模型；通过数值仿真结果并结合润滑油分布情况分析了不同轴向间隙、径向间隙、挡油板、集油槽和内部型腔对搅油损失的影响规律。分析结果表明，搅油损失与轴向间隙呈非线性正相关关系，但当轴向间隙到达一定数值后，对搅油损失的影响较小；与径向间隙呈非线性负相关关系，且随着径向间隙的增加，其下降的趋势变小；挡油板和集油槽结构能降低搅油损失，且随着其长度的增加，效果更加显著；流线型型腔与圆弧状型腔会在一定程度上增大搅油损失。
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  基于正交试验的圆柱滚子轴承结构优化

  张家铭, 邱明, 庞晓旭, 叶军

  机械传动. 2022, 46(3): 31-38,61. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.005

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  针对航发主轴轴承在高速轻载下存在的打滑问题，在构建某航发圆柱滚子轴承仿真模型的基础上，研究了滚子数、滚子长度、初始径向游隙、保持架引导间隙等结构参数对轴承打滑和疲劳寿命的影响规律。结果表明，增加滚子数和保持架引导间隙，减小滚子长度和初始径向游隙，可以有效降低轴承打滑率。采用正交设计方法，得到滚子数、滚子长度、初始径向游隙、保持架引导间隙对轴承打滑、轴承疲劳寿命、内滚道磨损率的影响权重。通过综合平衡优化，得到当滚子数、滚子长度、初始径向游隙、保持架引导间隙分别为13 mm、6 mm、-2 μm、1 mm 时，保持架打滑率为0.29%，内滚道磨损率为5.9×10^-13 m³/s；在保证轴承寿命的同时，降低了轴承发生打滑蹭伤、磨损失效的概率。
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  ZC1蜗杆轴截面齿廓测量误差数值补偿方法

  朱志强, 汤洁, 石照耀

  机械传动. 2022, 46(3): 39-43,92. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.006

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  依据ZC1 蜗杆轴截面齿廓数学模型，可得到蜗杆轴截面齿廓理论离散点，而在ZC1 蜗杆轴截面齿廓坐标测量中，由于x 轴对不准引入了原理误差。为此，用细分法、牛顿插值法和三次样条插值法求解出与实际接触点较为接近的齿廓理论接触点，可得到补偿后的齿廓偏差数值。以模数为4 mm的ZC1蜗杆为例，与未作补偿的齿廓总偏差评定结果相比，分别用细分法、3阶牛顿插值法、三次样条法得到补偿后的齿廓总偏差结果，与同一试件在德国克林贝格P26 齿轮测量中心得到的法向齿廓总偏差较为接近。给出的补偿方法效果明显，在接触式精密测量中具有一定的通用性。
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  基于珩磨轮柔性修整的内啮合强力珩齿修形方法研究

  夏链, 汪清, 韩江, 田晓青

  机械传动. 2022, 46(3): 44-49. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.007

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  采用内啮合强力珩齿工艺加工工件，通常需要用与工件相对应的定制金刚石修整轮对珩磨轮进行修整。为了增加金刚石修整轮的通用性，降低内啮合强力珩齿工艺的成本，提出了一种基于珩磨轮柔性修整的内啮合强力珩齿修形方法。首先，根据珩齿机各轴运动关系，建立珩磨轮修整和工件珩削的齿面数学模型；然后，将珩磨轮修整时机床的多轴联动以多项式形式表示，将各轴运动对最终工件齿面的影响表示为敏感度矩阵，以修形齿面为目标优化各轴多项式系数；最后，根据优化后的机床运动参数计算最终工件齿面，对所得工件进行齿面接触分析。结果表明，该工艺方法可以实现采用标准金刚石修整轮对珩磨轮进行柔性修整，最终加工出有效的修形齿轮工件。
设计计算
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  基于嵌套结构的无级变速器设计与分析

  沈建明, 刘进福, 李娟, 陈寿起, 徐林森, 蒋正炎, 刘志鹏, 梁兴灿

  机械传动. 2022, 46(3): 50-55. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.008

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  目前，机器人关节减速机均为定比传动方式，造成关节电机难以达到峰值效率。基于嵌套结构，提出了一种机器人用紧凑型的无级变速器，通过实时改变传动比，可有效提高电机功率使用效率。首先，开展了变速传动机理研究，得到了传动比相对于行星轮与太阳轮半径之比的关系；设计了嵌套结构以及行星轮、太阳轮板轴向移动系统。其次，推导了行星轮、太阳轮包角、传动比以及金属带径向移动数学模型，基于多刚体动力学仿真软件对变速器的输出速度进行了仿真验证；结果表明，变速器正、反向偏差分别为1.89%、3.87%。最后，制作出变速器的原理样机并搭建转矩实验平台，设定输出转矩为特定值，测试了对应输入转矩；实验显示，测试数值与理论数值相比基本相同，平均传动效率为72.1%，间接验证了理论推导的正确性。
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  川芎收获机振动碎土机构设计与特性研究

  杨亚军, 廖敏, 张强, 粟超

  机械传动. 2022, 46(3): 56-61. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.009

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  针对川芎挖掘收获时川芎-土壤混合物易堵塞、碎土分离困难等问题，设计了双摇杆抛摔碎土振动机构，并进行了机构运动学特性研究。通过解析法对振动碎土机构进行运动学分析和建模，获得了碎土振动机构的运动特性，利用Adams进行碎土机构运动学仿真，得到了机构质心位移、速度、加速度，验证了振动碎土机构的运动规律和碎土能力。结果表明，双摇杆抛摔碎土机构的曲柄在转角为22.4°时，混合物被向后抛离且水平运动67.1 mm，大于收获机前进距离39.7 mm，实现向后输送混合物并碎土分离，避免了壅土现象发生。该研究为川芎收获机振动碎土机构设计提供了理论支持。
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  修形人字齿轮成形磨最大砂轮直径精确计算

  尹逊民, 贾海涛, 张润博

  机械传动. 2022, 46(3): 62-66. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.010

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  提出了一种修形人字齿轮成形磨削时，最大砂轮直径的精确计算方法。建立齿廓为3 段抛物线修形的修形曲面，根据砂轮和工件的啮合方程，推导了砂轮接触线方程。将砂轮接触线绕着工件轴线做螺旋运动，同时考虑砂轮中心距变动，实现了人字齿轮的双向修形。根据砂轮磨削齿面终止点时的几何条件，计算砂轮最大直径，并分析了齿轮基本参数、修形参数和工艺参数对砂轮最大直径的影响规律。通过数值算例仿真表明，齿面修形对砂轮最大直径影响较小，磨削深度对砂轮最大直径影响较大，齿数和螺旋角均对砂轮最大直径有明显的影响。
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  半共享式爬楼轮椅结构设计与分析

  孙英暖, 孟广耀, 王维信, 王哲

  机械传动. 2022, 46(3): 67-73,99. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.011

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  针对老龄化现象的不断加剧和肢体残疾率的不断升高，通过参考共享单车的设计灵感，创新性地提出了一种半共享式的爬楼轮椅。采用模块化的设计方式，将爬楼轮椅分为折叠体和爬楼体两部分分别进行设计，对爬楼轮椅的传动系统和运动系统进行了研究。通过Adams 建立动力学仿真模型，验证了爬楼轮椅的可行性。
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  新型护理床椅的背板机构设计及分析

  周忠仁, 俞成涛, 周翔宇, 孙学斌

  机械传动. 2022, 46(3): 74-80. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.012

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  针对现有护理床椅背部模块难以实现护理床及轮椅两种使用姿态一体互变的难题，提出了一种新型背板机构。通过串联多个功能单一的机构组合成一个串联式背板空间组合机构，并分析其空间自由度以满足运动需求。将目标尺寸参数化，利用最小包容面积法得出支撑连杆与背板及支撑架铰链的最佳位置。根据背板机构的几何关系和静力学分析结果，采用额定行程与工作行程分别为175 mm、230 mm，最大推力为1 000 N 的JC35D 型电动推杆作为驱动装置。根据优化参数和驱动装置型号设计护理床椅的背板机构，并运用SolidWorks装配整体虚拟样机。应用Simulation有限元分析插件，对护理床椅护理床姿态下的背板施加安全载荷进行应力分析，验证了结构强度的安全可靠性。在护理床姿态下利用Adams View 软件对机构进行静态侧翻仿真试验，验证了背板承受侧翻试验载荷时满足稳定性要求。
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  一种微型弹跳机器人的设计

  马运前, 孔德义

  机械传动. 2022, 46(3): 81-86. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.013

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  针对现有机器人在森林、山地、坍塌区域等复杂的非结构化环境中移动困难的问题，设计开发了一款可搭载侦察或营救设备、在崎岖环境下进行高效运动的弹跳机器人。该机器人总质量为97.1 g，最大弹跳高度为1.5 m，具有一定的负载能力，可搭载设备进行实际应用。首先，将设计的几种弹跳机构方案进行理论分析对比，最终设计出稳定性最好、能量利用率最高的方案。其次，为了使得弹跳机构能够瞬间释放能量，设计了一款精简可靠的能量控制机构。该机构可有效控制储能机构，进行能量的快速存储与瞬间释放，使得存储的弹性势能高效地转化为机器人的动能。最后，在机器人的系统集成方面，从两个角度进行理论分析，得出了机器人合理的质量分布。
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  变径带轮与行星复合传动无级变速机构研究

  闫创, 宋爱平, 潘建州, 梅宁

  机械传动. 2022, 46(3): 87-92. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.014

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  研究了一种高效率、大功率的无级变速器，其主要由变径带轮无级变速传动和行星差动轮系传动组成。通过变径带轮传动与行星传动组合，可以实现多路传动和功率汇流；通过行星差动轮系两个输入转速自由配比，可以调节功率汇流比例。该机构具有结构简单，传动功率大、传动效率高、工作平稳等特点。
试验分析
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  引导方式对高速圆柱滚子轴承保持架动态性能的影响

  田凯文, 邱明, 汤义博, 庞晓旭

  机械传动. 2022, 46(3): 93-99. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.015

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  针对高速圆柱滚子轴承保持架在引导方式选用上存在分歧的问题，基于Adore 建立了高速圆柱滚子轴承的仿真模型，分析了保持架在外引导和内引导方式下，滚子数量、径向游隙、保持架引导间隙和兜孔间隙对保持架打滑及运转稳定性的影响，并通过高速轴承打滑试验验证了仿真模型的可靠性。结果表明，在内圈旋转的情况下，内引导方式比外引导方式更有利于防止保持架打滑；内引导方式下，采用较小的轴承径向游隙和引导间隙可以降低保持架的打滑率，并提高其运转稳定性；兜孔间隙对保持架打滑几乎没有影响，但是随着兜孔间隙的增大，保持架运转稳定性变差。
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  基于遗传算法齿轮微观修形优化研究

  雷刚, 王虎银, 刘子谦, 姜艳军, 陈超超, 秦凌, 陈家乐, 刘琳, 廖彬雄

  机械传动. 2022, 46(3): 100-107. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.016

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  以某款DCT 变速器的啸叫噪声为研究对象，采用整车测试技术与阶次分析手段，确定2挡小油门加速工况的啸叫噪声阶次较为明显。通过建立Romax 刚柔耦合分析模型，将原设计的微观修形参数引入到有限元模型，进行接触斑点标定的试验与仿真分析，发现输入额定转矩的20%工况下，接触斑点出现偏载，为后续的微观修形提供正确的有限元分析模型。为了不影响2 挡其他加速工况的要求，以降低2挡齿轮传递误差的峰峰值和单位长度载荷为优化目标，引入遗传算法，对2挡齿轮的微观修形参数进行寻优；考虑到加工精度要求，将优化后的微观修形参数取整，得到的2 挡小油门加速工况的传递误差峰峰值和单位长度载荷相较于原设计有所降低。整车测试数据表明，2挡齿轮经过修形优化后，噪声降低了11.36%；主观评价师评价车内2 挡加速工况下无明显啸叫噪声。说明应用遗传算法来优化齿轮微观修形对降低传递误差具有实际的工程指导意义。
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  主轴承表面型线对曲轴润滑与振动特性的影响

  朱桂香, 赵俊生, 李春建, 王加林, 刘敏, 杨志浩

  机械传动. 2022, 46(3): 108-115. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.017

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  以某六缸柴油机主轴承-主轴颈为研究对象，基于弹性流体润滑理论和微凸峰接触理论，考虑轴颈倾斜和主轴承表面粗糙度等因素，建立柔性整机体下的主轴承润滑特性模型，分析了主轴承表面型线对主轴承润滑特性与主轴颈振动特性的影响。结果表明，相比于不计入主轴承表面型线的结果，计入主轴承表面型线时，主轴承的最小油膜厚度增加了75.53%，最大油膜压力减小了6.15%，平均摩擦损失降低了2%，主轴颈的水平弯曲振动幅值减小了6%，竖直弯曲振动幅值减小了5%，轴向振动和扭转振动幅值均减小了2%。随着主轴承表面型线高度的增加，主轴承的最小油膜厚度增加，最大油膜压力减小，平均摩擦损失降低，最大粗糙接触压力的幅值和出现次数均降低；主轴颈的弯曲振动、轴向振动和扭转振动幅值均减小。
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  非圆齿轮无级变速器力矩特性分析

  赵重年, 李红勋, 李立顺, 贵新成, 马超超

  机械传动. 2022, 46(3): 116-121. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.018

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  针对传统无级变速器无法适应高转速、大转矩的工作环境，给出了一种无内部循环力矩的加法器式非圆齿轮无级变速传动方案。分析了变速器在相对恶劣工况下的力矩特性和非圆齿轮轮齿载荷情况；推导了此类齿轮组结构惯性力矩、负载力矩及发动机驱动力矩的计算通式，为该型无级变速器的优化设计和生产加工提供了理论参考。
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  基于螺旋理论的5自由度锤铆机器人刚度特性分析

  姜春英, 刘香辰, 叶长龙, 周欢, 关旭

  机械传动. 2022, 46(3): 122-127,134. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.019

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  为满足大型航空薄壁曲面工件的加工需求，设计了一种5 自由度锤铆机器人。针对该机器人的特点，结合李群李代数及螺旋理论，建立并求解了其运动学模型；利用指数积公式推导出该机器人的雅可比矩阵，并使用刚度映射理论，求解出该机器人的刚度矩阵；运用有限元和Matlab 仿真软件，对一般位姿与极限位姿下的末端变形量进行仿真验证，给出了该机器人在任务空间中随位姿变化的刚度分布图。仿真结果表明，与理论计算值相比较误差不超过10%，验证了所建立刚度模型的正确性和有效性，为后续工作路径优化提供了重要参考。
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  基于人体运动数据的下肢机器人运动学与动力学分析

  杜海龙, 胡宁宁

  机械传动. 2022, 46(3): 128-134. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.020

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  针对有下肢运动障碍的患者，机器人系统与生物医学系统的结合为广大患者带来了福音，通过医学角度对人体运动数据规律的分析，可以更好地研发下肢外骨骼机器人系统。基于人体运动数据作为参考轨迹导入机器人系统的思想，通过三维红外式动作捕捉系统和三维测力平台系统实验采集人体下肢运动数据和足底力数据，利用算法对采集的数据进行滤波和拟合，通过建立下肢外骨骼机器人连杆模型，根据实验数据推导计算出髋关节和膝关节的转动角度和力矩曲线，基于Matlab设计自适应控制器验证了基于实验数据的运动学和动力学分析的有效性，为下肢外骨骼机器人电机的选型和控制系统的设计提供了数据支持和理论依据。
开发应用
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  直廓环面蜗杆的几何学成形及软件实现

  郑守帮, 杨顺成, 周立轩, 乔永钦, 付蔚萍

  机械传动. 2022, 46(3): 135-139. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.021

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  结合加工现状，避开常规空间啮合理论，依托实际生产项目，以几何学的角度探究直廓环面蜗杆成形原理。经加工验证，满足设计使用要求。结合实例，给出软件实现方式，方便读者复刻。
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  基于时频联合特征提取与MS-LTSA流形学习的齿轮箱故障诊断

  肖凌俊, 吕勇, 袁锐

  机械传动. 2022, 46(3): 140-148. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.022

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  提出了基于时频联合（TFC）特征提取和改进的监督局部切空间排列（MS-LTSA）的流形学习的齿轮箱故障诊断的方法。首先，提出了信号的时域、频域和HHT时频域三者结合的特征提取方法，以获取振动信号全面的特征向量信息；然后，提取高维特征向量的奇异值，利用流形学习理论对奇异值矩阵进行降噪；最后，通过降噪后的特征向量实现对齿轮箱各种故障的高效、精确地故障识别。提出的MS-LTSA 方法实现了数据集内部结构信息和类判别信息的结合，提高了所提取低维特征的聚类效果；通过实验数据的分析，证实了所提方法在齿轮箱诊断上的优异表现和应用价值。
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  空间3-PRR并联机构的奇异性及其在不规则曲面雕刻机中的应用

  孙斌, 李瑞琴, 梁晶晶

  机械传动. 2022, 46(3): 149-153,176. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.023

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  提出了一种空间3-PRR 并联机构，该并联机构所有转动副的轴线均相互平行。基于螺旋理论计算得到1R2T机构具有3个自由度。用闭环矢量法求得并联机构的运动反解，基于运动反解求出了机构的Jacobian 矩阵，并利用矩阵获得了该机构的两种奇异位形。由给定参数和约束条件，采用工作空间搜索法求得动平台的可达工作空间，给出了并联机构用于不规则曲面雕刻机的应用实例。实验研究表明，该机构可以满足雕刻的需求。
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  基于ISGMD和MED的齿轮箱早期故障特征提取

  董书洲, 秦训鹏, 杨世明

  机械传动. 2022, 46(3): 154-162. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.024

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  针对在强噪声背景下难以识别齿轮箱早期故障以及复合故障的问题，提出了一种改进辛几何模态分解（Improved symplectic geometry mode decomposition，ISGMD）和最小熵解卷积（Minimum entropy deconvolution，MED）相结合的故障特征提取方法。首先，将信号经最小熵解卷积预处理，突出信号中的故障冲击成分；然后，将故障增强信号通过改进辛几何模态分解自适应地分解为若干辛几何分量，并依据峭度最大准则选取峭度值最大的敏感辛几何分量；最后，对选定的敏感辛几何分量进行包络分析，从而有效地提取出齿轮箱的故障特征。通过实验，验证了该方法的有效性。
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  基于改进SSD降噪的滚动轴承故障特征提取

  王续鹏, 孙虎儿

  机械传动. 2022, 46(3): 163-169. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.025

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  针对强背景噪声下滚动轴承早期微弱故障特征难以提取以及奇异谱分解方法分解的分量仍然包含噪声的问题，提出了一种奇异谱分解（Singular spectrum decomposition，SSD）和最大循环平稳盲解卷积（Maximum cyclostationarity blind deconvolution，CYCBD）相结合的滚动轴承微弱故障特征提取方法。由SSD 方法将轴承振动信号自适应地分解为从高频到低频的奇异谱分量；根据分量峭度最大原则，筛选出最佳分量；再利用CYCBD对最佳分量后处理进一步降噪；进而对降噪后的信号进行Hilbert包络解调分析，得到故障特征频率。仿真和实验分析表明，该方法能有效提取滚动轴承早期微弱故障特征。
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  新型全驱动仿生手设计及触感研究

  平学文

  机械传动. 2022, 46(3): 170-176. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2022.03.026

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  针对欠驱动仿生手精细操作性能差、触觉感知能力不足等问题，通过电磁换向及皮带传动的驱动方式，设计出一种新型双向全驱动仿生手。采用单个电机驱动方式，实现了对5 指仿生手15个手指关节正反双向独立驱动，并加工制作了实验样机。通过采用单路电流与多路角度传感器的联合使用，实现了对手指关节角度的准确控制；同时，通过对角度传感器与驱动电流进行数据采集和匹配处理，建立了电流幅值变化与关节力、电流变化率与软硬度的数学模型，丰富了仿生手触觉感知能力。搭建平台对仿生手的抓取能力进行了测试，结果表明，在电流与角度传感器配合使用下，仿生手具有良好的抓取特性；其双向独立驱动模式提升了仿生手的抓取效率。