机械设计

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薛鑫, 李效革, 王磊, 郭伟, 林裕程

机械设计. 2018, 35(8): 1-6.

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复杂机电产品是拥有整体功能的庞大复杂系统，涵盖了多个技术领域，其设计过程涉及机、电、液等多学科、多部件、多源、多过程的耦合。作为产品设计的核心部分，复杂机电产品设计过程中的知识资源涉及多设计目标关联、多设计参数、多领域等，导致传统的知识管理体系与设计方法不能有效获取产品设计知识及实现知识重用。文中针对复杂产品设计过程，综合分析研究了设计知识资源跨学科的协同设计，提出基于元胞自动机模型的复杂产品设计过程的知识资源自组织聚类方法。运用该方法对水轮机设计过程中存在的设计知识进行聚类分析，结果表明其可以有效地将复杂产品设计知识资源依据各自领域进行合理分类，这对复杂产品的研究提供了帮助。

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高速并联机械手抓放轨迹规划方法

段晓斌, 项忠霞, 罗振军, 梅江平

机械设计. 2018, 35(8): 7-12.

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在高速并联机械手门形抓放路径的基础上，阐述了在操作空间中用Gutman运动规律进行轨迹规划的方法。针对所述轨迹规划方法在运动始末端存在跃度突变，导致柔性冲击的问题，提出了一种基于Gutman运动规律的修正梯形加速度曲线的轨迹规划方法。以一种2自由度高速并联机械手为研究对象，通过运动学逆解和试验对比分析这两种轨迹规划方法的运动特征，结果表明：基于Gutman运动规律的修正梯形加速度曲线的轨迹规划方法所得到的跃度曲线没有突变，运动特性更优。

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基于双向流固耦合的柴油机缸盖温度场分析

徐玉梁, 高超, 祖炳锋, 白杨, 王振, 王昊鹏

机械设计. 2018, 35(8): 13-16.

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基于双向流固耦合方法对发动机冷却水套流场和机体缸盖结构进行联合求解，研究流固耦合作用下的缸盖温度场分布。首先计算缸内工作过程，获得燃气壁面温度和换热系数；然后将其导入双向流固耦合模型进行联合求解，获得缸盖温度场。并分别将单、双向流固耦合得到的温度场与试验值对比。模拟结果表明：双向流固耦合获得的缸盖温度场分布更加合理，其平均误差为-12.9℃，较单向流固耦合的平均误差降低50%。研究结果为缸盖温度场的获得和冷却水套的设计提供了参考依据。

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弧齿锥齿轮螺旋变性展成法切齿原理与仿真分析

邱杰, 孙月海, 李小亨, 张碧玉

机械设计. 2018, 35(8): 17-23.

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传统加工方法加工弧齿锥齿轮副会使其接触区呈现对角线接触的不良现象，针对该现象，提出一种新型螺旋锥齿轮加工方法——螺旋变性展成法。为揭示螺旋变性展成法的切齿原理，根据机床、刀具和工件间的运动位置关系，以微分几何和齿轮啮合原理为基础，运用矢量分析法，以齿面中点为计算点建立切齿数学模型，分析推导机床调整参数计算公式；以一对弧齿锥齿轮为例进行了几何参数、刀具参数及机床调整参数的计算，建立弧齿锥齿轮三维虚拟仿真加工模型并进行齿面接触分析；最后，基于以上参数在数控铣齿机上进行切齿试验，齿面接触分析与滚检试验结果说明了螺旋变性展成法消除对角线接触的有效性。

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低温法兰接头热－结构耦合分析

柳海章, 盛威, 杨建坤

机械设计. 2018, 35(8): 24-29.

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螺栓法兰连接被大量应用于LNG低温加气站管线系统中，因LNG具有易燃易爆特性，法兰连接的结构完整性和紧密性需要重点关注。文中研究了法兰、垫片材料的低温属性；结合加气站具体工况，对法兰接头进行了稳态传热分析；综合考虑螺栓预紧力、内压、温度场及材料低温性能，建立法兰连接热-结构耦合有限元模型，对两种不同密封面形式（榫槽面及凹凸面）法兰的密封性能进行了对比研究。分析结果表明：法兰及螺栓材料能满足结构完整性要求；凹凸面法兰垫片接触应力保持能力较好，但内圈节点应力过小，密封性能差；榫槽面法兰垫片接触应力保持能力较差，而适当提高螺栓预紧力可明显改善其密封性能。

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以正弦机构控制转向的无碳自行小车研究

黄伟, 孙笑, 黄飞虎

机械设计. 2018, 35(8): 30-35.

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设计了一种以重力势能驱动的正弦机构控制转向的无碳自行绕障小车。该小车以提供的标准砝码的重力势能（400 J）作为能量来源，无需提供其他形式的能量输入。小车由转向控制系统、机械传动系统和行走控制系统等子系统组成，其中转向控制系统根据正弦机构的原理进行设计。通过建立数学模型和MATLAB模拟仿真得到小车各参数的优化值，最后经过试验验证得到：以正弦机构作为无碳小车的转向控制机构，小车运行平稳，其运行轨迹为"8"字形，能有效绕开赛道上的障碍物。该小车的设计为无碳自行小车的整体设计提供指导意义。

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车载探测机械臂的复合避障研究

王光建, 何亮亮, 合烨, 吴云

机械设计. 2018, 35(8): 36-41.

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针对车载探测机械臂工作时复杂的路面障碍物情况，提出了车载机械臂基于超声测距、避障杆及被动避障的3级复合避障方法，并对具体结构方案及相应系统控制方法进行了设计；对避障系统的结构参数、控制参数和探测盲区率进行了计算分析与试验测试。系统测试结果表明：系统对粗糙表面障碍物和光滑圆弧表面障碍物均能实现主动避障；在主动避障失效时，被动避障装置能有效保护探测臂。

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3自由度恰约束支链并联机构的静刚度分析

谢志江, 董阿彬, 邢淑霞, 姚猛, 孙琦

机械设计. 2018, 35(8): 42-47.

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3自由度恰约束支链并联机构主要由动平台、静平台、3条无约束UPS主动支链和中间恰约束PU支链组成。采用螺旋理论求得驱动子雅克比矩阵和约束子雅克比矩阵，最终得到完整雅克比矩阵。通过虚功原理建立3自由度恰约束支链并联机构静刚度解析模型，采用刚度矩阵法通过MATLAB运动算例仿真得到整个工作空间范围内静刚度分布规律。结果表明：中间恰约束支链PU对全局刚度影响明显。

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一种单片机控制的井下柴油机助燃装置研究

曹俊阳, 杨溢, 何宇翔, 张志华

机械设计. 2018, 35(8): 48-51.

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井下柴油设备工作环境恶劣、通风不足，且柴油机工作功率常处于瞬态变化的状态，这些限制了柴油设备性能的发挥，增大了对井下环境的污染。通过富氧燃烧技术可以实现燃料完全燃烧，提升柴油机工作效率，减少污染物的排放。在此基础上，基于单片机控制技术，文中研究了一种可以实现自动控制供氧量的柴油机助燃装置，使柴油机在工作状态中处于合适的燃气比。经试验验证：装置对于提升柴油设备燃烧效率和减少排放物中碳烟的含量有显著作用。

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温度和过盈量对轴系接触应力及刚度性能的影响

姚建涛, 孙晓宇, 于清焕, 许允斗, 赵永生

机械设计. 2018, 35(8): 52-59.

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航天特种装备在轨服役期间故障因素和演化规律是研究航天器可靠性的重要基础方向。精密轴系性能随恶劣空间环境的变化而发生演变。轴承固体润滑膜的接触应力和轴系的刚度性能对于精密轴系精确、可靠运行具有重要意义。以航天机构中驱动单元轴系的成对角接触球轴承为研究对象，考虑环境温度、热致过盈量和轴向载荷，分析了在交变温度作用下轴系的各组件在径向和轴向产生的热变形引起的配合表面配合性质和配合量的变化及成对角接触球轴承预紧特性的变化，提出了数值求解轴承接触应力和轴系刚度变化规律和变化范围的整体思路和分析框架，并进行了算例计算。计算思路具有普遍适用性，计算过程及结果对于驱动单元轴系的结构设计及可靠性验证试验的开展具有指导意义。

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基于理想化分析的递进式裁剪方法

赵磊, 张换高, 王炎, 陶涛, 刘力萌, 刘芳

机械设计. 2018, 35(8): 60-68.

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为了启发和引导设计者在裁剪过程中有效地利用资源，加速系统理想化进程，针对现有裁剪方法由于盲目性和不连贯性出现的效率低和方案获取受到限制等缺点，提出了基于理想化分析的递进式裁剪方法。首先基于理想化分析方法确定出裁剪元件，然后从裁剪该元件开始，构建出了一种系统全面的有用功能分配方法。该方法先对单元件进行裁剪，后扩展到对冲突区域进行裁剪，即系统进行递进式裁剪，能够试验出不同层次的裁剪方案。最后以售粮机的设计与改进为例，应用基于该方法开发的计算机辅助裁剪软件，完成了售粮机递进式裁剪过程。

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一种座椅位姿调节机构减速装置的构型与复杂性分析

姚继蔚, 曹东兴, 孙宽

机械设计. 2018, 35(8): 69-73.

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从某服务型机器人式轮椅座椅的功能需求出发，比较多种减速装置方案，确定满足位姿调节机构功能需求的减速装置为行星轮系；利用图论对行星轮系进行构型分析，得到多种正号机构和负号机构；利用功能复杂性和结构复杂性进行正负号机构复杂性的计算与比较；最终选定一种正号机构作为位姿调节机构减速装置，并在某专利轮椅座椅位姿调节机构中得到成功应用。

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新型空间移动并联机器人机构运动学分析与仿真

张彦斌, 荆献领, 赵浥夫, 陈子豪

机械设计. 2018, 35(8): 74-79.

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提出一种新型非过约束空间移动并联机器人机构，该机构由3条结构完全相同的CPU分支运动链构成。基于螺旋理论对其动平台运动输出特性和自由度进行分析和计算；建立了机构运动学模型，包括位置、速度和加速度；分析了被动关节变量与机构主动输入变量之间的映射关系，推导出被动关节变量与输入之间的数学表达式。应用SolidWorks和Adams软件对机构进行联合仿真，得到其位移、速度和加速度仿真曲线，以及被动关节变量的曲线。文中研究为该机构的实体样机开发提供了一定的理论基础。

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复杂机电产品多层级模块化设计方法的研究与应用

马晓茜, 王辉, 蔡长韬, 古小平, 马飞达

机械设计. 2018, 35(8): 80-85.

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针对复杂机电产品在模块划分中体现出的多层级特性进行分析研究，以各层级模块化特点切入：在系统层，整合单个或多个领域设备，构建模块化生产线和工厂；在整机层，架构以通用零组件和技术要素为基础的模块化产品平台，达成终端整机的多样化；在部件层，提出基于最小子集的模块划分与聚类方法，结合定性、定量手段聚类零部件；在零件层，对零件尺寸和结构特征单元进行合理化，实现模块信息的一体化管理。随后以E系列曝光机为研究对象，将多层级分析方法应用于该产品的模块化设计，在整机、部件、零件层应用上述系列方法进行实例验证，为复杂机电产品高效模块化解决方案的实现提供了参考。

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含R副间隙6-RPS机构奇异性分析

赵德胜

机械设计. 2018, 35(8): 86-92.

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采用四元数法描述了4维形式的6-RPS机构位姿矩阵，由此推导出理想机构的运动方程，得到了理想机构的新型雅克比矩阵J_A和J_B。在此基础上，利用连续接触模型得到了含间隙6-RPS机构的位姿矩阵J_AR和J_BR。根据四元数的性质，把矩阵J_A和J_AR转化为8维方阵，使之适用于分析奇异位形。分别把J_AR和J_BR的行列式展开，得到含间隙机构的奇异轨迹方程，利用MATLAB得到了机构在给定位置时的第1类位姿奇异轨迹和第2类位姿奇异三维轨迹曲面。结果表明，机构间隙对奇异位形轨迹有影响；以理想机构奇异轨迹曲面上的奇异点作为参考点，通过与含间隙机构奇异轨迹曲面上与参考点相对应的奇异点的相互对比，发现在参考点附近存在奇异域。

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功能边界在几何公差设计中的应用

徐旭松, 吴德辉

机械设计. 2018, 35(8): 93-98.

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为了更好地运用现行公差标准中的边界理论进行机械精度和检具设计，介绍了ASME Y14.5和ISO/GPS公差标准中的边界概念及各自定义出发点和特点，深入分析两个标准中边界概念的不同之处，以及使用最大实体要求后边界的变化情况，探讨了在两个不同标准下使用最大实体要求时隐藏在背后的设计意图，并以电圆锯输出轴系统的几何公差设计为例，分析了边界理论的应用。正确应用功能边界进行几何公差设计，对合理保证零件的功能和可装配性、提高经济性有重要意义。

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拖拉机座椅舒适性及减振悬架设计研究进展

高锐涛, 汪洋, 杨洲, 金鸿, 单建

机械设计. 2018, 35(8): 99-105.

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拖拉机座椅舒适性及减振悬架设计与人体健康及驾驶安全息息相关。为提升现代农业装备工业设计水平，梳理了拖拉机座椅舒适性评价方法和不同减振结构的座椅悬架研究现状，发现当前的座椅舒适性评价方法及体系陈旧，评价的客观性和精确性不足，座椅减振悬架存在理论研究与实际应用不匹配的问题。为此，提出在舒适性评价方面，应构建更系统、精准的基于人体生理特征指标的综合评价体系的思路；在座椅减振悬架方面，应充分结合当前的新材料与新技术，不断提升其性价比和稳定性，并针对大小不同机型的拖拉机采用不同的悬架系统，以满足多元化的减振需求。

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基于JACK的电动拖拉机驾驶室人机工程改进设计

苏珂, 廖越

机械设计. 2018, 35(8): 106-110.

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为改善电动拖拉机驾驶环境，提高驾驶室舒适性，以人机工程仿真软件JACK为工具，建立了符合中国驾驶员身体数据的虚拟驾驶员模型和电动拖拉机驾驶室人机工程仿真模型。在此基础上，分析了驾驶员的视觉可视性、上肢可达性和驾操纵姿势舒适性，辨别出现有电动拖拉机驾驶室设计中的缺陷。通过SAE驾驶员H点位置确定曲线与GB/T 6235-2004结合，重新确定驾驶员H点的位置，从方向盘、仪表盘、座椅等部件的布置对驾驶室进行改进设计。结果表明：在电动拖拉机驾驶室设计过程中进行人机工程虚拟仿真，可有效提高驾驶室的舒适度、视野性能、易操作性。

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拖拉机产品族设计DNA视觉化方法

鲜洁宇, 钱筱琳, 江国珍, 柳禄

机械设计. 2018, 35(8): 111-115.

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产品族设计DNA的视觉化是产品族设计DNA进化生成的关键环节。为更好地适应设计人员对产品造型的认知与三维数字模型构建过程，提出一种基于造型构成学的拖拉机产品族设计DNA的视觉化方法。在分析造型及其构成关系的基础上，提出线形、角度与比例、倒角3种视觉化规则，并以某企业轮式拖拉机的产品族设计DNA进化生成为例，分析了3种视觉化规则的使用过程。设计方案评价结果表明：子代造型方案能较好地延续父代产品造型特征；同时，在用户意象、社会情境的满足度分别为83.33%和70.83%，验证了方法的可行性与有效性。

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基于功能流模型的青贮机械模块化设计

吕冰, 陈梦佳, 李泽群, 颜洁, 王建强

机械设计. 2018, 35(8): 116-120.

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为降低大型农业机械的购买成本，提高安装效率和操作舒适性，提出一种基于功能流模型对青贮机械进行自组合的模块划分方法。通过对目标用户群体进行调研，了解客户需求，确定产品的总功能，将总功能分解成若干功能元，并用功能流进行有机结合，得到功能结构模型，最后对模块进行划分。通过功能流模型，将产品概念设计中的需求转变为功能，进一步转变为产品结构。以大型青贮机械为例，介绍了模块划分的方法和过程，为其他大型农业机械的模块划分提供参考。

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基于Pro/E Manikin的旋耕施肥播种一体机人机评价与造型设计

钱筱琳, 宋仕凤, 杨飞, 杨琴

机械设计. 2018, 35(8): 121-124.

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为提高旋耕施肥播种一体机的易用性、舒适性及美观性，在运用行为分析法构建用户行为模型的基础上，利用Pro/E Manikin对一体机进行人机交互评价与造型设计。在导入初步方案三维模型的基础上，构建Pro/E Manikin人机交互环境，利用RULA姿态分析和可触及包络模块对旋耕施肥播种一体机的舒适性进行评价与验证，并完成产品的造型设计。将Pro/E Manikin人机交互模块应用于一体机造型设计，有利于从用户行为指导设计，改善产品的人机关系，为相关农机产品设计提供参考。

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利用设计思维改良装备制造业的新思路

余隋怀, 曲敏

机械设计. 2018, 35(8): 125-128.

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装备制造业是国民经济的支柱，是国家综合实力的展现。装备制造类产品具有技术含量高、结构复杂、研发周期长的特点。为探索设计思维在装备制造业的应用，提升装备制造类产品的品质，介绍了斯坦福大学倡导的设计思维过程，结合装备制造类产品的特点，提出利用设计思维改良装备制造业的新思路，包括5个步骤：以感同身受的方法获取用户需求信息；明确定义需要解决的问题；围绕问题展开设想；构建原型；测试原型的实际效果。

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2018年, 第35卷, 第8期　
刊出日期：2018-08-20

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