旋转折叠舵面收放机构设计及动

范文一：旋转折叠舵面收放机构设计及动力学仿真

Vol, 35 No, 6 2014 2014 35 6 年第卷第期中北大学学报自然科学版 ( 158 ) JOU,NAL OF NO,TH UNIVE,SITY OF CHINA( NATU,AL SCIENCE EDITION) ( Sum No, 158) 总第期

: 1673-3193( 2014) 06-0666-05文章编号

旋转折叠舵面收放机构设计及动力学仿真 ,

1 1 2 ，，，宋鹏谌德荣海杨杰辉3 ( 1, 潘，100081;北京理工大学机电工程与控制国家级重点实验室北京

2, ，046012; , 3 ，710043)淮海工业集团有限公司山西长治西北工业集团有限公司陕西西安

: ，，摘要针对现有收放机构无法应用于小型智能弹药的现状设计了旋转折叠舵面收放机构满足了智能弹药

, ，; UG-NX6 通过对舵面展开运动的分析设计了舵面收放机构运用软件建立了舵面收放机构小型化的需求

，ADAMS ，，的三维模型导入软件中建立了虚拟样机并进行了动力学仿真分析了影响舵面展开的主要因素

, : ，，获得了优化后的设计参数仿真结果表明机构运动可靠对弹体冲击载荷小优化后展开到位的总时间为

375, 5 ms，, mm，63 满足智能弹药折叠舵面设计要求舵面折叠后弹药的整体直径为有效地实现了智能弹药

, 小型化的需求

: ; ; 关键词智能弹药舵面收放机构动力学仿真

+ A ::doi: 10, 3969 / j, issn, 1673-319, 32014, 06, 009 中图分类号文献标识码 TJ760, 3 4

Design and DynamicSimulation of ,otating-Folding

,etracting Mechanism for ,ubber 1 1 2 3SONG Peng，CHEN De-rong，PAN a，YANG Je-hu Hiii

( 1, National Key Laboratory oef cMhatronical Engineering and Control，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China ;2, Huaihai Industry Group Co, Ltd，Changzhi 046012，China; 3, NorthwesItn dustrial Group Co, Ltd，Xia,n 710043，China )Abstract: In view of the currenti tusation which the existing retracting mechanism for rubber cannot bel aieppd to small intelligent munitions，a rotating-folding retracting mechanism for rubber was idgensed，in order to stiasfy the requirement of small intelligent munitions, The rubber retracting mechanism was deisgned based on then aal- ysis of the rudder mo vement, A 3D mode of the rubber retr acting mechanism was built by UG-NX6 software， which was imported into ADAMS to get a virtual retracting mechanism for dynamics simulation, The main factors

that affect the dynamics of ther etracting mechanism were analyzed to obtain optimized design parameters, The

simulation results show that the movementm eofch anism is reliable，quick and accurate，impact load on projec- tile bodyi s small，and the total opening time is 375, 5 ms after otipmization，which satisfy the requirement of de- signing folding rubber for small intelligent munition, After folding，the overall diameter of rubberi s 63 mm，that effective implementation of the smartin telligent munitions is achieved,

Key words: intelligent ammunition; rubber retracting mechanism; dynamics simulation

,1-2,，/ , 间大多采用折叠翼舵结构常见的智能弹 0 引言 / 药翼舵的折叠方式可分为内置纵向折叠式和外置

,3-4,, 横向折叠式两种某型大展弦比三舵面滑翔式，现有智能弹药为减小径向尺寸节省储运空

* : 2013-01-25收稿日期 : “”( B222013201)3基金项目十二五国防基础科研项目

: ( 1988) ) ，，，,作者简介宋鹏男硕士主要从事舵机系统设计研究

667 ( )( 158 )旋转折叠舵面收放机构设计及动力学仿真宋鹏等总第期

( ，60 mm，2( a) o-xyz，制导弹药正常式气动布局弹径全弹长所示的右手坐标系取舵建立如图

309 mm)， ( HQ-7 ) o，z 若采用内置伸缩式如弹翼或收面与舵轴连接处铰链中心为坐标原点轴与舵 ( HN-5 ) ，，y 入式如舵面折叠机构将舵面折叠到弹轴轴线重合指向弹体外侧轴与弹轴方向平行指

，，，o-yz , 体内部会占用其他舱段位置或增加轴向尺寸向弹体头部平面与弹体纵向对称面重合θ ,5,; x z 不利于整体结构设计若采用外置横向折叠式为从轴正向看自轴正向沿顺时针方向到舵面轴

( spide ) ( “”l ，z x A如舵面或卷叠式如冰雹反坦克导弹线所转过的角φ 为从轴正向看自轴正向沿逆 ) ，，,尾翼折叠机构需将舵面多次折叠且舵面间会时针方向到舵面对称中心面所转过的角

,6,, ，o 发生干涉因此现有的折叠方式难以应用于舵面展开过程可分解为舵面以点为中心分

，x z , 大展弦比舵面的折叠需要设计一种新型的旋转别绕轴和绕轴的转动当舵面处于折叠位置

，，，90?，0?; ，折叠舵面收放机构采用外置纵向折叠方式将时θ 为 φ 为当舵面处于张开位置时θ 和 φ

、0?; ，0?，舵面向弹体头部经过旋转折叠后紧贴弹体外表均为当舵面展开到位后θ 为 φ 为 ,面 90?, 设舵面绕 x 轴张开角的角速度为 ω，舵面绕 θ 本文为满足某型大展弦比智能弹药的小型化 z 轴转动的角速度为 ω，舵面张开到位的时间为 φ

t，，、、可得需求设计了一种体积小结构紧凑加工方便的 z

，新型旋转折叠舵面收放机构通过对折叠舵面的 1t

θ = ω( t)d t，θ ，? 展开过程进行动力学仿真验证了机构展开快速 0

，,2t 准确对弹体冲击载荷小 , φ = ω( t)d t，φ ? t z1 舵面展开运动学分析0 ,t ,t , ( 1) ? t 1 z 2

，对舵面展开过程运动学的研究转化为研究 1 ，智能弹药舵面折叠及展开状态如图所示

，,角度 θ和 φ角速度 ω和 ω随时间的变化 θ φ 120? , 三个舵面绕弹轴间隔成轴对称布置舵面经

、, 过折叠位置张开位置最终到达展开位置当舵

，; 面处于折叠位置时舵面轴线与弹轴平行当处

，90?，于张开位置时舵面轴线与弹轴夹角为且平

; ，行于弹体横截面当处于展开位置时舵面平行

, 于弹体纵向对称面舵面的展开运动实质上可以

2 , ，看成如图所示的舵面张开及舵轴转动首先

舵面由折叠位置绕自身根部在弹体纵向对称面内

90?，; ，向弹体尾部转动到达舵面张开位置然后

90?，舵面沿自身轴线转动由舵面张开位置到达展

, ,开位置展开到位后舵面通过自锁机构锁定

1 图舵面折叠及展开状态示意图 2 图收放机构运动学模型 Fig, 1 ,ubber folding and unolfding state Fig, 2 Kinemaicts model ofr etraction mechainsm

668 ( )中北大学学报自然科学版 2014 6 年第期

，，18 mm设计完成后收放机构直径起时收

20 mm，高度展开时轴套突出弹体部分为圆柱形 2 结构设计

( 8 mm，4 mm) ，外径高度对弹体气动外形的影

, ，63 mm响很小舵面收起后外径舵面展开时与、3 、图所示的舵面收放机构由舵面舵轴轴

，( , 06 mm，203, 86 mm) 235长宽相比有效地实、、、、、套上盖下盖连接轴拉压弹簧蜗卷弹簧等

,现了智能弹药的小型化需求 ,组成

3 机构动力学建模与仿真

、、舵面展开过程主要受舵面舵轴轴套尺寸

,8,, 、以及弹簧预紧力预紧力矩大小的影响其中

，; 舵面尺寸由气动计算给出不轻易改变舵轴和

，轴套受到弹体空间及结构强度的限制尺寸变化

( 5% ) ，, 有限可变化幅度小于因不作为研究重点

，、此只研究弹簧预紧力预紧力矩变化对舵面展

，，，，开到位时间角度 θ和 φ ω和 ω 能角速度质心动θ φ

， , 对机构建模进行仿真以验舵面冲击过载的影响1 /4 3 图舵面收放机构剖视图，证机构运动的可靠性并找到最优的弹簧预紧力Fig, 3 1 /4 section view ofr etraction mechainsm for rubber ,9,, ，及预紧力矩为物理样机设计提供依据

2, 1 设计思想 3, 1 机构动力学建模

1 每个舵面的收放机构与图中舵面位置相对，基于几何模型的运动仿真能直观形象地分，120? , 应在弹体内绕弹轴间隔成轴对称布置以

、，，小型化低成本的设计思想选用弹簧作为动力元析机构的运动过程获得所关心的技术数据并 ,10,，、件相比燃气液压等动力装置可以有效地减小 , UG-NX6 检查设计的合理性通过三维软件建 ,7,，，, 体积降低成本由于弹径很小收放机构轴向，立机构的三维模型并导入多体动力学仿真分析，尺寸受到很大限制因此采取增大收放机构径向 ADAMS ，ADAMS / view 软件中在中定义各零件的 , 尺寸来减少机构轴向尺寸的设计思路考虑舵轴

、( ) 、，材料密度以及零件间的约束接触摩擦与运转动所需力矩较小采用蜗卷弹簧作为转动动力 ,11-12,，, 元件可有效地减小轴向尺寸将动力装置均置，4 ,动副的关系建立如图所示的虚拟样机，，于上盖内将蜗卷弹簧置于拉压弹簧内径中进

,一步减小了收放机构的轴向尺寸

2, 2 工作原理

，当弹药位于母弹中时舵面在箍带约束下处

，，; 于折叠状态弹药抛射后箍带断开解除了对子

， ; 弹的约束轴套在拉压弹簧推力作用下向外运动

4 图舵面收放机构虚拟样机轴套，直到轴套肩部与上盖内腔上表面接触时对Fig, 4 Virtual prototype oreft raction mechainsm for rudder ，; 定位轴套向外运动推动舵面绕销转动当舵面

90?，，转动后舵面轴线与舵轴轴线重合舵面与舵1 表弹簧初始参数 Tab, 1 Spring initial parameters ，轴连接部完全进入到轴套内完成舵面的张开并

，; 锁定舵面张开后舵轴在蜗卷弹簧扭矩作用下 / 名称刚度预紧力力矩

，，90? 绕自身的轴线旋转舵轴带动舵面转过后舵 15 N / mm 60 N拉压弹簧，轴底部与连接轴上部定位面接触停止转动并锁 0, 5 Nmm / ( ? ) 65 Nmm??扭转弹簧

，,定舵面到达展开位置

669 ( )( 158 )旋转折叠舵面收放机构设计及动力学仿真宋鹏等总第期

，，在轴套与下盖间建立拉压弹簧阻尼器在舵建立的模型进行动力学仿真并分别对舵面张开

，和舵轴转动过程进行分析, 轴与下盖间建立扭转弹簧阻尼器根据机械设计

,13-14,3, 2, 1 舵面张开过程仿真 ( ) ，1 手册计算得出弹簧的初始参数见表拉 5 ，图给出了不同预紧力下舵面张开角度 θ 角70 N，压弹簧极限载荷不大于蜗卷弹簧极限载荷

75 N?mm,不大于，，,速度 ω 质心动能冲击载荷随时间变化曲线θ 3, 2 机构动力学仿真，，间最大冲击载荷质心最大动舵面张开时

ADAMS 利用多体动力学仿真分析软件对所能及最大摆动角度的参数如表 2 所示,

5 图舵面张开动力学参数曲线

Fig, 5 The kinetic parameter curveo poefni ng

2 表舵面张开过程仿真结果、，舵面展开时间冲击载荷和质心动能影响显著 Tab, 2 Simulation result of rubber openingoce sps r，，，预紧力越大展开时间越短质心动能越大相应

预紧力 / 张开时间 / 最大冲击最大动能 / 最大摆动 ; ，的冲击载荷也越大? 舵面张开角度 θ 速度角N ms / N ( N?mm) / ( ? )载荷角度

70 76 143, 788 11, 993 104, 763 ; ω及质心动能无突变? 舵面沿舵轴展开的过程 θ 60 104 109, 400 8, 308 104 /860，,中有摆动摆动幅度随预紧力的增大无明显变化 50 164 64, 824 5, 312 104, 7953, 2, 2 舵轴转动过程仿真 40 未到位 — — —

6 ，图为不同预紧力矩下舵轴转动角度 φ 角: 50 N2 5 可以得出? 当预紧力? 由表和图

，，,速度 ω 质心动能冲击载荷随时间变化曲线时，舵面可以张开到位; ? 弹簧预紧力的大小对 φ

6 图舵轴转动动力学参数曲线

Fig, 6 The kinetic parameter curver ootaf ting

670 ( )中北大学学报自然科学版 2014 6 年第期

，，舵轴转动时间最大冲击载荷质心最大动

4 结束语能的参数如表 3 所示,

3 表舵轴转动过程仿真结果，本文针对某小型智能弹药通过对舵面展开 Tab, 3 Simulation result of rubberro tating process ，运动分析设计了一种新型旋转折叠舵面收放机预紧力矩 / 转动时间 / 最大冲击最大动能 / ，，构建立了收放机构的虚拟样机模型进行了动 ( N?mm) ms 载荷 / N ( N?mm)

75 93, 5 21, 503 0, 0122 ，力学仿真并分析了影响舵面展开的主要因素获 65 120 17, 384 0, 0091 , : 得了优化后的主要设计参数结果表明该机构 55 176 8, 934 0, 0066 ，，体积小结构紧凑有效地实现了智能弹药小型 45 ) )未到位 ; ，，化的需求机构运行稳定展开到位快速准确对

，, 弹体冲击载荷小满足智能弹药小型化要求为

: 6 3 可以得出? 当预紧力矩 ? 由图和表舵机系统物理样机的改进及制造提供了一定的基

55 N?mm ，，时舵面可以展开到位转动到位后有 ,础技术支持

; 振动? 蜗卷弹簧预紧力矩的大小对舵轴转动到

位时间和冲击载荷的影响显著，预紧力矩越大， :参考文献

，，质心动能越大展开时间越短相应的冲击载荷

; ，也越大? 舵轴转动角度 φ变化平缓角速度 ω ,，,1, , M,, : φ杨邵卿灵巧弹药工程北京国防工业出版社 2010, 及质心动能随时间的变化曲线在到位瞬间出现拐

，，，,2, , 王强石丽娜严慎武等国外末制导弹药的发展与，，点说明转动到位后产生了碰撞使角速度及动

,，J,, 2013( 4) : 5 5-60,研究飞航导弹 ,能发生了突变 Wang Qiang，Shi Lina，Yan Shenwu，et al, Development从表 3 仿真结果可以看出，初始参数下舵面 and research foof e gn temna gudance ammunton ririliii，展开到位符合要求并得到了舵面张开和舵面转,J,, Aerodynamic Missile Journal，2013 ( 4 ) : 55-60,

( in Chnese )i,动所需的最小预紧力和预紧力矩

,,3, , J,, 陈勇美国小型精确制导武器的研制进展飞航 3, 3 参数优化，2013( 10) : 3 1-35,导弹

Chen Yong, The development of theA merican small pre-，由仿真结果可知舵面展开到位情况下的到 cision-guided weapons,J,, Aerodynamic Missile Journal， ( 位时间均符合要求舵面张开及转动到位时间均 2013( 10) 3:1 -35, ( in Chinese)

，，，0, 5 s) , ， ,4, , 小于因此只需选取冲击载荷最小时的预赵玉清孙强李伟等子弹药发展现状与趋势

紧力及预紧力矩，作为物理样机设计参数, ,J,, 探测与控制学报，2013，35( 3) : 2 -5, ,15-16,Zhao Yuqing，Sun Qiang，Li Wei，et al, An overview on ，分别对张开及转动过程进行优化设置 the submunition development,J,, Journal of Detection , ,40，70,，拉压弹簧预紧力变化区间为弹簧刚度变 Control，2013，35( 3) : 2 -5, ( in Chinese)

,12，17,，化区间为约束条件为 θ = 0?; 蜗卷弹簧，，,5, , 钟世宏王占利孙巍巡航导弹可折叠弹翼支架的 ,45，75,，预紧力变化区间为蜗卷弹簧刚度变化区 ,，J,, 2010 ( 2 ) :设计及其动力学研究航天制造技术 ,0, 40，0, 60,，= 90?, AD- 间为约束条件为利用 18-21,

Zhong Shihong，Wang Zhanli，Sun Wei, Design of fold- AMS 优化给出了舵面展开到位情况下最小冲击载

ing wing bracket ofr ucise missle and its dynamical study 荷时的弹簧参数，如表 4 所示, ,J,, Aerospace Manufacturing Technology，2010 ( 2 ) :

4 表优化后参数 18-21, ( in Chinese )Tab, 4 Optimized parametre ,6, , 张苗苗折叠翼面展开机构设计及其力学性能研究名称拉压弹簧蜗卷弹簧

13, 85 N / mm 0, 5 Nmm / ( ? ) ?刚度 ,D,, ，: 2011,杭州浙江理工大学 / 57, 5 N 49, 0 N?mm 预紧力力矩 ,7, , 魏林无人机直流无刷电动舵回路控制技术研究 84, 498 N 4, 158 N 冲击载荷到位

,D,, 南京: 南京航空航天大学，2008, 120, 5 ms 255 ms时间

总时间 375, 5 ms ( 698 )下转第页

698 ( )中北大学学报自然科学版 2014 6 年第期

Automation of Electric Power Systems，2000( 2) :Jiang Chuanwen，Hou Zhijian，Li Chenjun, Short-time , 32-35

power load neural network forecasting method basedn o( in Chnese )i

chaost heoyJ, ntenatona Jouna ydoeectc En- r,,IrilrlHrlri，,6, ,聂春燕石要武基于互相关检测和混沌理论的弱信 ergy，2001( 3)8 9: -101, ( in Chinese ) 32- ,，J,, 2001 ( 1 ) :号检测方法研究仪器仪表学报 ,9, Chen L，Aihara K, Chaotic stimulated annealing by a 35, neural network model with transient chaos,J,, Neural Nie Chunyan，Shi Yaowu, The reaserch of weak signal Networks，1995( 6) : 6-8, detection based onr oscs-orrelation and chaotsh eory,J,,

,,10,，，，, J,, 洪水混沌分析成都丁晶邓育仁吴伯贤等32- Chinese Journal of Scientific Instrument，2001 ( 1 ) : ，1993( 6) : 1 -5, 科技大学学报35, ( in Chnese) i Ding Jing，Deng Yuren，Wu Boxian，et al, Chaosin 7, BP ,,，，遗传算法优化神经网络的混李松罗勇张铭锐flood,J,, Journal of Chengdu Un iversity of Science and ,，J,, 2011，47 沌时间序列预测计算机工程与应用Technology，1993( 6) : 1 -5, ( in Chinese) ( 29) : 5 2-55, ,,11, ，，, M,, :肖国泉王春张福伟电力负荷预测北京 Li Song，Luo Yong，Zhang Mingrui, Prediction method

for chaotic time series of optimized BP neural network 中国电力出版社，2001,

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，2006,,J,, ，2001学出版社短期预报的神经网络方法水电能源科学

( 3) : 8 9-101,

( )670 上接第页

，，，,,8, , ,13, , ?M,, : 郑海宁梁彩平朱平等折叠机构力学性能研究成大先机械设计手册弹簧北京化学工业,J,, ，200820( 1) : 24 8-251,2010, ，出版社，计算机仿真

，,Zheng Haining，Liang Caiping，Zhu Ping，et al, Mechan- ,14, , M,, : 吴宗泽高志机械设计北京高等教育出版 ical performance foolfd ing structures,J,, Computer Sim- ，2009,社 ulation，2008，20( 1) : 24 8-251, ( in Chinese) ，，，,15, , 蔡德咏马大为乐贵高等无人机折叠尾翼机构 ,9, Xiong Y，Zhang C H，Zhang C G, Study on finite ele- ,，J,, 2011，28 ( 7) :性能分析及改进设计机械设计 ment nonlinearity calculation of folding rudder,J,, Ad- 64-68,vanced Materials ,esearch，2011，287-290: 699-702, Cai Deyong，Ma Dawei，Le Guigao，et al, Performance

，，,10, , 倪健陆凯张铎导弹折叠翼展开机构运动功能可 analysis and improved design of unmanned riaeal vehicle

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Design，2011，28( 7) : 6 4-68, ( in Chinese) Ni Jian，Lu Kai，Zhang Ze, Movement function reliabil-

ity of mechanism of deployable folded wings of missile ，，，,16, , 郭小良裴锦华杨忠清等无人机折叠机翼展开 ,J,, Aerospace Shanghai，2001 ( 5 ) : 1-5, ( in Chi- ,，J,, 2006，运动特性研究南京航空航天大学学报 nese) 38( 4) :43 8-441,,11, Nie Datong, Virtual reality and prototyping,J,, Meas- Guo Xiaoliang， Pei Jinhua， Yang Zhongqing， et urement ,Co ntrol Technology，1995( 5) : 1 6-18, al,M ovement characteristic of UAV folding wings,12, 赵武云, ADAMS 基础与应用实例教程,M,, 北京: ,J,, Jour- nal of Nanjing University of Aeronautics ,

Astronautics，清华大学出版社，2012,

2006，38( 4) : 43 8-441, ( in Chinese)

范文二：新型折叠翼机构设计

2014 8 北京航空航天大学学报 August 2014 年月

40 8 Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics 第卷第Vol, 40 No. 8 期

新型折叠翼机构设计

包晓翔张云飞杨晓树 ( ,100074)( ,100191)中国航天空气动力技术研究院第十一总体设计部北京北京航空航天大学航空科学与工程学院北京

() 、、 :摘要为了进一步缩减折叠翼飞行器如舰载机无人机飞行汽车等的展向尺寸

,, 、, 、3 运输空间设计一种新型的折叠翼机构方案它由内翼中翼和外翼部分组成来节省储存

,,, 简化运动模型建立运动微分方程分析折 ,采用连杆机构作为翼面折叠机构能进行两次折叠

) ; 无气动载荷情况下的运动特性利用多刚体动力学软件进行动力学仿真分 (叠翼机构在地面

,; ; 通过在内翼和中翼间的铰链添加扭力弹簧改善了折叠翼的驱动性能开展折叠翼地面折析

,,/ , / 展开实验实验结果与计算机仿真基本吻合翼面折叠展开运动平稳大幅缩减了折叠翼叠

, 飞行器地面展向占用空间

: ; ; ; ; 关键词折叠翼双折叠折叠机构运动特性实验

: V 224中图分类号

: A : 10015965( 2014) 08112707---文献标识码文章编号

Design of a novel folding wing mechanism

Bao Xiaoxiang

( 11th General Design Department,China Academy of Aerospace Aerodynamics,Beijing 100074,China)

Zhang Yunfei Yang Xiaoshu

( School of Aeronautic Science and Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China) Abstract: In order to reduce the spanwise size of some aircraft ( such as shipboard aircraft,unmanned

vehicle,flying car and so on) for saving the storage and transportation space,a novel folding wing aerial

was designed, It consists of three components ( an inboard wing,a middle wing and an outboard mechanism

wing) and can fold twice, The folding mechanism was designed with link mechanism, Then,the kinematics fferential equations were established with the simplified kinematics model ( without aerodynamic load on di

) to analyze its motion characteristics, The simulation software of multi-body dynamics was used to ana- ground

lyze its dynamics, Torsion spring was used around the hinge between inboard wing and middle wing to improve performance of the drive system, Finally,experiment was done, The result corresponds with the computer sim- ulation very well, The novel folding wing mechanism can reduce the spanwise size of the aircraft remarkably,

the fold / extension motion is smooth and steady, and

Key words: folding wing; double fold; folding mechanism; motion characteristics; experiment

,,( 、) 了飞行汽车的概念旨在缓解地面交通拥堵状目前飞行器如舰载机无人机的折叠翼

,, 当飞行汽车在地面行驶或停放时路面宽度,大部分由内翼和外翼两部分组成内翼与机身连况,1 , 3,,, 、当此类飞行器存储运输时外翼相和停车空间的限制需要它采用合适的折叠翼来缩成一体,, 因此设计一种新型折叠翼机构来有, 对于内翼绕铰链向上转动来节省展向占用空间减展向尺寸,,, 然而对于较大展弦比的飞行器翼面折叠后效地节省地面展向占用空间具有一定的意义

,4 , 6,,, 此外最近提出 ,,近年来国内对折叠翼做了相关研究但内翼的横向尺寸仍占据较大空间

: 2013-08-12; : 2014-03-14 09: 07; DOI: 10, 13700 / j, bh, 1001-5965, 2013, 0462收稿日期网络出版时间

: www, cnki, net / kcms / doi /10, 13700 / j, bh, 1001-5965, 2013, 0462, html网络出版地址

: ( 1990 , ) ,,,,baoxiaoxiang@ foxmail, com,作者简介包晓翔男河南信阳人助理工程师

1128 2014 北京航空航天大学学报年

,, Lov、、, e -主要针对传统的单次翼面折叠国外方面构齿轮机构扭簧滑轮机构其中连杆机构在工

,7,,?介绍了洛克希德马丁的变形飞行器它采用 ,,程领域应用广泛能实现多形式的运动工作连续等

, 本文采用平面连杆机构来设计实现机翼的 ,“Z ”; “Z ”Snyder 型折叠翼对此型折叠翼了一种可靠,8, 2 , 所示同时使折叠机构位于翼型 ,Tang carlett S,做了振动和颤振特性研究和两次折叠如图等,9 , 10,,11 , 12, ,; Wang 最大厚度所在的平面以保证机构在机翼内有足研究了其气动弹性特性等对等, 够的运动空间任意数量翼面的折叠翼模型的气动弹性和结构动 ,, fg 2010errauiaT年美国公司力学做了相关研究,13,“The Transition”, 的飞行汽车推出了一款名为

,采用一种双折叠形式的折叠翼对减小展向尺寸有

, 但鲜有文献就多段翼面折叠机构很好的参考价值, 设计作相应介绍

本文提出了一种三段双折叠的新型折叠翼方

, 采用理论分析和 ,案并设计了其实现的折叠机构

( 无气动载计算机仿真对该折叠翼机构在地面

) ; 情况下的运动学和动力学特性进行研究通荷

; 最后进行了设计改过实验进一步验证其可行性2 图折叠机构原理图 , ,进改善了折叠翼机构的驱动性能Fig, 2 Schematic of folding mechanism

1 ,新型折叠翼机构设计 , 2 此折叠机构由两个子机构组成在图中粗

,实线表示主动曲柄利用伺服电机或过液压驱动 1, 1 折叠方案

,( ) , 1未显示子机构为平面四连杆机构中翼为 , 1( 翼面折叠方案如图所示它由内翼与机

,从动件动力曲柄偏转通过连杆的推拉使中翼绕 ,) 、、 3中翼外翼部分组成中翼与外翼的身融合1 , 2 转动子机构是由两个四连杆机构通过共 ,, 当机翼折叠时中翼相对于内翼转铰链展向长度相等

,用中间的三角形部件组成的复合机构其中两个主 90?,180?, 外翼相对于中翼转动动 ,,动曲柄提供的力矩大小相等方向相反外翼在连 2 , 相对于中翼转动 ,杆反作用力作用下绕铰链,为了保证良好的传力性能在设计折叠机构

,时需合理地选择各杆件长度和铰链位置使传动

/ 40?,:角在机翼折叠展开过程中不小于即满足

40?γ? 1

40?γ? 2

,此外禁止折叠机构运动过程中出现死点位

, ,置以防机翼折叠出现卡死状况1 图翼面折叠方案

,在翼面折叠交界处设置锁定机构当机翼完 Fig, 1 Scheme of folding wing

( 此 ,,全展开时插销插入耳片接头折叠翼被锁定1, 2 设计要求 ) , 飞 ,装置已广泛应用于折叠翼上在此不作详述1) ,机翼完全展开时折叠机构要埋藏于机翼、扭 ,行器飞行时翼面上的气动载荷引起的弯矩,,内部以免给飞行时带来附加气动阻力且折叠机、剪力在截面通过接头和插销以集中力形式传矩;构不能破坏翼面蒙皮 , ,,递折叠机构不再工作只受自身质量力2) 、、;折叠机构结构简单占用空间小重量轻

3) / ,折叠展开运动连续平稳翼面在此过程 2 折叠翼机构运动特性分析 ;中匀速转动

2, 1 运动学模型 4) ;避免折叠翼在运动过程中发生碰撞冲击

根据折叠翼工作原理建立简化的运动学模 5) ,当飞行器飞行时折叠机构不承受气动载

,3 ,型如图所示 ( ) ,荷锁定装置能保证翼段之间载荷的传递

?1, 3 3 OA ,O 折叠机构设计图中为中翼以角速度 α 绕铰链转 ? ,3,14 ,15 , : 折叠翼常见的折叠机构有连杆机 ,AB A , x 动外翼以角速度 β 绕铰链转动轴为处

1129 8 : 第期包晓翔等新型折叠翼机构设计

,16,, / : 利用封闭矢量多边形法于完全展开状态的机翼翼面在折叠展开运动过建立矢量方程 ? ?,程中必须协调好角速度 α 和 β 的关系 ( 3) L+ L= L + L 1 234 以复数形式表示为 iθ iiθα 1 ( 4) Le + Le = L+ Le 1 2 4 3

L,L,L,L4 , 式中为图中对应各杆的长度按欧 1 2 3 4

,拉公式展开即

Lcos + Lcos = L+ Lcos θ θα 1 2 1 4 3 ( 5) Lsin + Lsin = Lsin θ θα 1 2 1 3 , 得到

2 A ,A– C2 + B 槡= 2arctan θ 2( 6) 3 图折叠翼的简化运动模型 B , C Fig, 3 Simplified kinematics model of folding wing Lsin( α , θ) ? 3 1 ?( 7) θ = L sin( , θ 1 1 AB 如果外翼在机翼折叠运动中转速过快 ?α) θ ??? 2 2 2Lcos( , ) + L, Lcos( , )θ θ θθα α θ ?? 1 1 2 1 3 1 ?? ?? ) (( , , 或在机翼展开时转速过慢 ) α βα β ,= θ sin( , )Lθ θ 1 1 ,( 3 AB) ,x 见图的轴从而可能外翼翼尖会低于1 ( 8) ; 反之 ,造成折叠过程中翼尖触地对机翼造成冲击式中 ( 3 AB) ,,如图的外翼重力力臂增大从而需要驱 2 A = , sin α , 为了避免 , 动装置提供更多能量来克服重力做功, L ,B 上述不利状况发生可以控制使翼尖在机翼折 4– cos x ,B = , α 叠过程中始终在轴上整个折叠翼相当于对心 ,L 3 , ,22 2 2 L L 4 L+ L+ L,,曲柄滑块机构则有 1 3 4 2 ,+ cos α C = ( 9) 2( + ) = 180?L α β 2LL1 , 1 3?,? , L sin , L sin = 即 β ( 1) α α θ 3 1 ,= arctan ,2 2 θ + L cos α , L cos θ 此时子机构始终关于通过铰链的铅垂 ,1 L4 3 1 , Lsin( , ) θ α , / ; ? 面对称机翼折叠展开运动可匀速进行同时保 3 ? ,θ= , α 1 ,L sin( , ) θ θ 证了折叠翼在运动过程中翼尖相对地面的最低高 2 1 ,( 度不会对飞行器设计时机翼的布置如机翼相 2 子机构的两个平面四连杆机构通过共用摇

) ,造成影响 2 的 ,对机身上下位置和上反角臂复合而成且两个四杆机构关于通过铰链2, 2 运动特性分析 ,, 因此等效分解其中一个四连杆机构铅垂面对称

3 此折叠翼是由个主动曲柄驱动折叠机构实 ( 5 ) ,如图所示进行分析

, 1 ,2 子机构的主动曲柄转角为 θ 的 5 O C ,O E 子机构图中为主动曲柄杆与外翼固现的1 1 ,( 两主动曲柄转角分别为 ψε相对于所在翼面的

) ,, / 转角 ψ 与 ε 大小相等机翼在折叠展开运动且

,时中翼和外翼是匀速转动即????= = 0 ( 2)α β

,,1 ( 4 ) OC 在子机构如图所示中为主动曲柄

DE ,代表中翼

5 2 图子机构的折叠机构等效分解 4 1 图子机构的连杆机构

Fig, 5 Separated four-bar linkage of subsystem 2 Fig, 4 Linkage mechanism of subsystem 1

1130 2014 北京航空航天大学学报年

= ,,: θ α 连根据相对运动原理此机构等效为外翼位置 ,? , ?,D , E 不变杆相对外翼转动由几何关系固定= θ α ,?? : , 可知= 0 θ ,= 180? , , 10) ( χ β δ = 90? + , ψ α δ,,L,L,L,LO其中δ 为固定值只与大小及的 5 6 7 8 1 ? ( 16) ; ED'D ,E为机翼展开时的位置位置有关 ,

,?= ,ψ α ,??

= 0 ψ ,,同样通过矢量方程得到 = , ( 90? + , ) ε α δ , ? ? 2 22 A , A + B, C 1 1 1 1 , α = 2arctanε = ψ , 槡 ( 11) ,B, 1 ??,= 0 ε C 1,4 5 Lsin( χ , ψ) 此时图和图中的四连杆机构为平行四 ? ψ = 7 1 ?L sin( , ψ ( 12) ?χ) ψ 5 1 , / 边形主动曲柄匀速转动便能保证机翼折叠展开 ??2 2 2? ?? , ) + L, L, Lcos( cos( ψ ψ θψχ χ ,过程是匀速进行的 1 1 2 1 3 =ψ )ψ 1 L sin( , )ψ ψ , 1 1 3 折叠翼动力学仿真 ( 13) 式中 3, 1 建模与动力学仿真 ,为了使仿真与实验模型相一致建模时使用缩A= , sin χ 1 , ,1L , 比尺寸折叠翼尺寸以及材料相关信息如表 8, B= , – cos χ 1 L ,所示 7 , ,1 2 2 2 2 表折叠翼尺寸和材料 LL8 ,+ L+ L, L ,5 7 8 6+ cos ( 14) χ C= Table 1 Dimensions and material information 1 2L L L 5 7 5 , , / 参数中外翼 L L L LL L L L 1234 5678Lsin , Lsin χ ψ 7 5 ,/ mm 长度 27 40 27 40 30 45 30 45 350 = arctan + L cos , L cos ,ψ χ ψ 1 L8 7 5 材料硬铝木质 , Lsin( ψ , χ) CATIA ,? 在中建立模型导入多刚体动力学仿 , ? 7 ,ψ= , χ?1 ,L sin( , ) ψ ψ 6 1 Virtual, Lab Motion,6 ,LMS 真软件所示如图( 6) , ( 14) 3 由式式可以得到个主动摇臂的

、转角角速度和角加速关于机翼折叠转角的函数关

:系

= ( ) θ θα ,? ? ,?= ( ,,) θ θααθ ,?? ?? ? ?,= ( ,,,) θ θ ααθθ ,

= ( ) ,ψ ψα ,? ? ?( 15) = ( ,,) ψ ψααθ, ,?? ?? ? ?= ( ,,,) ( 15) ψ ψααθθ 则方程简化为 ,

,= , ε ψ , ? ?,, = ε ψ , ?? ??,= , εψ

,( 15) 方程所得到驱动规律相当复杂需要专

, 为了简化门的控制系统才能实现折叠翼的运动

,控制规律取

L= LL= L 1 3 2 4

L= LL= L 5 7 6 8

6 CAD 图折叠翼模型

Fig, 6 CAD model of folding wing

,,:在仿真过程中将机身固定并做如下假设 1) ,;不考虑构件弹性变形因素即视为刚体 2) 忽略机翼折叠铰链和连杆运动副处的

, 摩擦阻力

/ 首先给定机翼折叠展开运动特性设计要( ) ,求其中负值为顺时针转动

? ? = 3 r / min,: = β 折叠运动α ? ?, = , 3 r / min: = 展开运动α β

1131 8 : 第期包晓翔等新型折叠翼机构设计

( ) ,16根据方程在主动曲柄上分别施加角速度驱动 ? ? ?, : = = = 3 r / min折叠运动θ ψ ε ? ? ? : = = , , 3 r / min= 展开运动θ ψ ε

,/ 通过仿真得到翼面折叠展开运动的角速度

( 7 ) ,,如图所示与设计要求完全一致规律 ( 8 在仿真运动时跟踪外翼的运动轨迹如图 ) ,外翼翼尖始终保持靠近并且在展开状态所示

, ,的机翼上符合设计要求

借助运动仿真验证了此折叠翼设计方案可行

、、, 匀速平稳飞行器横向尺寸减 ,性翼面运动连续 b ,4 c( b 小了大约其中为机翼展开时的外露展 , ,c ) ,向长度为翼型最大厚度同时求得主动曲柄 ( 9 ) ,的驱动力矩如图所示

9 ( )图驱动性能仿真

Fig, 9 Performance of drive system ( simulation)

3, 2 设计改进

9 ,如图所示机翼在折叠运动初期及展开运

,TTT, 动后期的数值远大于和这是由于机翼 θ ψ ε

( 1 ) ,展长远比折叠机构的尺寸大如表所示外翼

1 的主动曲柄需要很大转 ,重力力臂较长子机构

, 这对动力装置提出较矩才能克服折叠翼的重力

,高要求同时可能会带来飞行器内部使用空间和

,, 1 针对此状况对子机构进质量增加的不利影响, 1 采取在铰链处引入扭转弹簧来辅行改进设计

1 , 的主动曲柄驱动折叠翼转动当机翼助子机构

= 0?, φ 扭簧的工作扭处于折叠状态时扭簧转角

矩为

7 ( )图折叠翼运动特性仿真 M = M'φ Fig, 7 Motion characteristics of folding wing ( simulation) M',其中为扭转刚度系数

M' 1 在此只讨论扭转刚度对子机构的驱动

,力矩性能的影响关于扭簧具体设计参数见机械

, LMS Virtual, Lab ,SDA 在软件中利用设计手册,( ,otational Spring-Damper-Actuator) 来模拟扭簧

/ ( 10 ) ,进行机翼折叠展开动力学仿真如图所示

,minM' = 1, 5 N ? m / rad ( T ) =当时 max

0, 4 N?m,1 ( T 的驱动性能最佳为在子机构max 8 图外翼运动轨迹跟踪 ,/ 给定的某个扭簧刚度时整个折叠展开运动过程

Fig, 8 Motion trail of the outboard wing 1 ) ; 中子机构的驱动力矩绝对值的最大值相对

1132 2014 北京航空航天大学学报年

10 1 图扭簧刚度对子机构的驱动性能影响

Fig, 10 Influence of torsion stiffness on

drive performance of subsystem 1

, T ,T80% 于无辅助扭簧时的缩小了 θ max max

4 实验验证

为了进一步验证此折叠翼机构方案的可行

,,性进行缩比模型实验其中折叠翼相关尺寸与材

,1 11 , 所示实验模型如图所示料信息如表

12 图实验结果

Fig, 12 Experiment results

10,1 根据图铰链处添加扭转刚度在

, 5 N?m / rad,1 可用额定扭的扭簧后子机构1

0, 41 N?m 2, 45 N?m 的舵机替代原来的舵力为

( 驱动力矩减小,机来驱动折叠翼运动驱动性能

) ,得到显著改善 83%了

本文采用一个小型折叠翼机构模型进行实

,( 验初步验证了其运动学及动力学特性折叠翼

) ,, 实验模型以供设计参考驱动特性及改进措施

、、、重量材料内与全尺寸真实飞行器会存在尺寸

、, 翼型选择等方面的差异此折叠翼机部结构布置

11 图实验模型构的运动学特性可以直接应用于真实飞行器设计 Fig, 11 Experiment model ; 、、而不同飞行器机翼的尺寸材料重量不尽方案 / 展开的动力学特性需要根据具体方 ,,受实验条件所限本文利用舵机输出角度控相同其折叠

,, 此外此折叠 3 , 个主动曲柄来实现折叠翼运动同样设计要案的设计参数进行定量计算与分析制

,3 r / min 大小转速转动根据方程翼机构方案是针对大展弦比折叠翼飞行器设计求中翼和外翼以( ) 低速或亚音速多使用较厚的翼 ( 16 ) , 控制舵机使主动曲柄的转角随时间以,的此类飞行器

,,18( ?) / s,型能够为折叠机构运动提供相对充裕的空间不的规律增加

, ,3 r / min / 实验表明翼面以的转速进行折叠会对内部结构布置造成太大影响 , ( 12) ,, 见图翼面折叠后符合设计要求展开运动5 结论 88% ( 1, 4 m 0, 16 m) , 减小到其外露展长减小了

, 有效地减小了飞行器横向储放空间1) ,本文设计了一种新型折叠翼机构能大幅

1133 8 : 第期包晓翔等新型折叠翼机构设计

deployment system for combustion-gas-actuated folded wings ,缩减折叠翼飞行器的地面展向尺寸更有效地节

, Journal of Solid ,ocket Technology,2010,33 ( 5 ) : 481 , ,J,、,运输空间省储存485( in Chinese) ,2) 建立折叠翼机构运动学模型分析其运动 ,7, Love M H,Zink P S,Stroud , L,et al, Impact of actuation con- , 通过计算机仿真和 ,特性简化了其驱动控制规律cepts on morphing aircraft structures,,,, AIAA-2004-1724,

/ 展开运 ,,2004 实验验证了设计方案的合理性且折叠

, ,8, Snyder M P,Sanders B,Eastep F E,et al, Vibration and flutter ,动平稳控制简单

characteristics of a folding wing,J,, Journal of Aircraft,2009, ,3) 进行改进设计通过在内翼与中翼间的铰

46( 3) : 791 , 799 ,链添加合适的扭簧折叠翼的驱动性能得到很好 ,9, Tang D M,Dowell E H, Theoretical and experimental aeroelastic , 的改善study for folding wing structures,J,, Journal of Aircraft,2008,

45( 4) : 1136 , 1147 ( ,eferences)参考文献 ,10, Scarlett J N,Canfield , A, Multibody dynamic aeroelastic simu- ,1, Jacob J D,Smith S W, Design limitations of deployable wings for lation of a folding wing aircraft,,,, AIAA-2006-2135,2006 small low altitude UAVs,,,, AIAA-2009-0745,2009 ,11, Wang I,Gibbs S C,Dowell E H, Aeroelastic model of multiseg- ,2, Lee B H K,Tron A, Effects of structural nonlinearities on flutter mented folding wings: theory and experiment,J,, Journal of characteristics of the CF-18 aircraft ,J,, Journal of Aircraft, Aircraft,2012,49( 3) : 911 , 921 1989,26( 8) : 781 , 786 ,12, Wang I,Dowell E H, Structural dynamics model of multiseg- ,3, ,,,, 郭小良裴锦华杨忠清等无人机折叠机翼展开运动特性 mented folding wings: theory and experiment,J,, Journal of ,J,, ,2006,38( 4) : 438 , 441 研究南京航空航天大学学报Aircraft,2011,48( 6) : 2149 , 2160 Guo Xiaoliang,Pei Jinhua,Yang Zhongqing,et al, Movement ,13, The transition,EB / OL,, Woburn: Terrafugia Inc,2013,2013- characteristic of UAV folding wings,J,, Journal of Nanjing Uni- 08-12,, http: / / www, terrafugia, com / aircraft / transition versity of Aeronautics , Astronautics,2006,38 ( 4 ) : 438 , 441 ,14, ,,, 严子焜万小朋赵美英一种用于折叠翼飞机的行星齿轮 ( in Chinese) ,J,, ,2009,26( 12) : 49 , 51 机构动力学分析机械设计Yan ,4, ,,, 铎叠翼机构展开动力学仿真与优化李莉任茶仙张折Zikun,Wan Xiaopeng,Zhao Meiying, Dynamics analysis on ,J,, ,2007,34( 1) : 17 , 21强度与环境 y gear mechanism of a kind of folding wing aircraft,J,, planetarLi Li,,en Chaxian,Zhang Duo, Dynamics simulation and optimi- Journal of Machine Design,2009,26 ( 12 ) : 49 ,51 ( in Chi- zation design of deployment of folding-wing,J,, Structure , En- nese) vironment Engineering,2007,34( 1) : 17 , 21( in Chinese) ,15, Xu H W,Meng D B,Zhang X D,et al, Application of reliabili- ,5, ,,,, 杨宁吴志刚杨超等折叠翼的结构非线性颤振分析ty-based multidisciplinary design optimization to folding mecha- ,J,, ,2012,29( 2) : 197 , 204工程力学 nism,C,/ / IEEE Proceedings Quality,,eliability,,isk,Main- Yang Ning,Wu Zhigang,Yang Chao,et al, Flutter analysis of a tenance,and Safety Engineering, Piscataway,NJ: IEEE,2011: folding wing with structural nonlinearity,J,, Engineering Me- 904 , 907 chanics,2012,29( 2) : 197 , 204( in Chinese) ,16, ,, ,M,, 2 , : 郑文纬吴克坚机械原理版北京高等教育出版 ,6, ,,,, 张石玉唐金兰任华等燃气作动筒式折叠弹翼展开过程 ,2004: 54 , 57社 ,J,, ,2010,33( 5) : 481 , 485分析固体火箭技术 Zheng Wenwei,Wu Kejian, Mechanical principle,M,, 2nd Zhang Shiyu,Tang Jinlan,,en Hua,et al, Analysis of mechanical ed,Beijing : Higher Education Press,2004: 54 , 57( in Chinese)

范文三：折叠物体中的简易连杆机构折叠设计

折叠物体中的简易连杆机构折叠设计摘要:铰链四连杆机构在折叠物体有着广泛的应用,如可折叠建筑和大型天线折叠过程，铝合金窗户的开合.该设计是基于伞状大型骨架物体设计的一种铰链连杆机构,并对其运动特性,刚体动力学、精度定性进行分析，获得优化的折叠四杆铰链机构的设计结果,使其有展开合拢方便,经济,轻巧的优点. 关键词:铰链四连杆机构;折叠机构机构分析;伞状建筑;雷达;天线;

0. 概述

四连杆机构具有结构简单、易于加工、运动转换形式多样、比较容易改变运动参数等特点，在现代折叠设计中的结构设计中得到广泛应用，如后现代建筑物中的可折叠设计,天线举升机构、天线展开收拢机构,大型雷达,门窗开合等。但是，平面四连杆机构的各个铰支座连接多以转动副为主，当运动副数目较多，间隙误差的传递积累，给整个系统的精度低,工作角度也不大。对于如何在四连杆机构设计中既提高系统精度，又能在动力源一定的条件下获得更大的推力的要求，同时能又能很大的工作角度.根据以上设计需求进行下面的设计. 1. 方案设计和考虑

1.1 设计依据

后现代建筑设计中的一些可折叠伞状建筑物,为了美观和体现个性与特点,需要经常对伞状建筑分成上下两个阵面进行合拢张开.大型雷达和天线产品若采用单阵面形式则不能满足运输和隐蔽要求，决定采用天线阵面分块形式(天线分成两大块)，也需要通过折叠机构来实现天线的展开与收拢，以达到运输要求。军用雷达,天线还对展开时间有很高的要求.在建筑物中首要考虑美观安全,不需特别考虑快速反应速度.

在运动过程中，折叠机构要求平稳性好，速度快,到位准确，不允许有较大的振动和冲击现象，由于结构巨大，环境载荷变化等因素，很可能存在运动不连续、零部件变形及失效等问题。根据不同工况下的运动情况和连接件的力学特性，对整体机构进行平稳性与载荷分析。

1.2 常用折叠方案介绍

当前折叠机构存在的形式多样，满足的功能要求也不尽相同。常见的大角度折叠机构形式主要有:双导杆机构(由两组单移动副四杆机构组成)和滑块齿轮机构等。双导杆机构的折叠如图1(a)所示，导杆由上折叠油缸A、上天线阵面2和连杆5组成;导杆机构B由连杆5、下折叠油缸4和下天线阵面3组成。其中连杆5在导杆机A中是作为机架杆存在，在导杆机构B中是作为曲柄存在。上骨架的折叠运动是靠导机构A和导杆机构B的组合运动来实现。

滑块齿轮机构如图1(b)所示，机构组成包括丝杠9、螺母8、小齿轮6、大齿轮7等，其中折叠部分天线与大齿轮7连接，通过大齿轮7的转动带动天线翻转。运动过程是由动力源驱动丝杠9旋转，从而带动滑块螺母8在丝杠9上移动，滑块螺母8的移动带动小齿轮6在一定角度范围内摆动，从而完成大齿轮9的转动即天线的翻转运动。上述两种机构可实现相同的目的，但结构形式却完全不同，特点也都比较鲜明。双导杆机构特点如下:1)结构新颖，能承受比较大的载荷;2)油缸过多，动作同步控制比较复杂。齿轮传动机构特点如下:1)质量较大，且质量以及体积大小与负载有关;2)使用电机驱动，控制稳定。

在伞状物体中还可应用雨伞的折叠原理[如下图].将手推的动力改装成液压动力即可实现电机自动化驱动.

该方案承受载荷能力较差,自身的强度不够,对阵面材料要求较高,必须为柔软的适合折叠的面料.应用面不宽.稳定性不够,金属杆末端在展开合拢过程中会有较大抖动. 1.3 折叠方案初选

伞状建筑一般采用帆布面层,合金骨架,阵面大,质量轻,折叠后两阵面间比较局促.齿轮机构一般用于承载或本身重量大的物体上.雷达和天线采用轻金属,表面没有覆盖层.在认真分析比较了以上几种方案后，决定采用以下两种铰链四杆传动机构，如图2所示。此种机构在结构上比较简洁、承载力大、且本身质量较轻;但是由于受到空间布局的限制，影响到推力油缸的长短,力臂的大小和工作角度.

2. 铰链四杆传动机构方案的选择

2.1 机构的组成及运动过程

图2所示的铰链平面四连杆机构均为双曲柄摇杆机构，该方案组成为:连杆(上天线阵面3)、曲柄1、曲柄2和机架(下天线阵面)4;折叠过程是由油缸活塞杆的伸缩带动曲柄1转动，从而带动上天线阵面的翻转;在天线面的展开收拢过程中都需要一个液压缸作为动力源，液压缸推力的大小由负载和连杆的结构以及铰支点的位置决定。

2.2 刚体静力学计算的分析

在重力作用下,对机构承受自身重力的能力进行分析,对各杆件进行强度校核,活动件寿命校核.铰链承受了上天线阵面的所有重量,是极易出现金属疲劳的危险点,对铰链进行强度校核,寿命校核.

最后得出杆件材料,杆件直径,长度等因素的优化设计方案.’

对该部分采用ANSYS分析:

ANSYS分析过程中包含三个步骤:

步骤一:创建有限元模型。包括:(1)创建或读人有限元模型;(2)定义材料属性(3)划分网格(节点及单元)。

步骤二:施加载荷并求解。施加载荷及载荷选项、设定约束条件，然后求解。

步骤三:查看结果。查看分析结果，然后检验结果(分析是否正确)。

用ANSYS为平台分析锚杆承受载荷的情况，可以找出应力危险点。由此可以得出欲提高整体强度的方法，从根本上增加危险点的强度，使之能承受更大的应力和变形。应用ANSYS分析得到的结果，有一定的理论价值。(对ansys软件不熟悉,不展开讨论,只提供解决方案)

2.3 系统工作角度的分析

工作角度关系着折叠物体所能折叠的最大状态,标志着一个四杆机构是否合理,是否满足可折叠建筑的折叠需求和天线雷达的缩小体积功用以满足运输隐蔽等设计需求.如图所示,在液压推力杆的作用下,主动件能做θ角的来回摆动,随动件上阵面能做φ角度的来回摆动.根据设计需求,在考虑到构件不干涉的前提下, φ角越接近180越好,当上下两阵面为平行时,体积最小。

3. 结论

折叠机构可以应用在运动场馆顶棚，公园，观光建筑上，可以美化建筑，增加自然采光，节约能源。采用折叠机构对天线，雷达进行合理分割和大大提高了大型天线雷达的机动性。经过对几种折叠机构的对比发现，在轻型构架中，采用铰链连杆机构技术合理，结构紧凑，是一种很好的折叠解决方案。

参考文献

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范文四：折叠翼机构的一种设计方法

折叠翼机构的一种设计方法

孙海文，张晓旻，王军辉

(中国航天科技集团公司四院四十一所，燃烧、流动和热结构国家级重点实验室，西安

710025)

作者简介：孙海文(1982—) ，男，主要从事导弹、火箭结构设计研究。

本文引用格式：孙海文，张晓旻，王军辉. 折叠翼机构的一种设计方法[J].兵器装备工程学报，2017(7):85-88.

Citation ：format:SUN Haiwen ，ZHANG Xiaomin ，WANG Junhui.A Design Method of the Folding-Wings[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):85-88.

摘要：提出一种折叠翼机构设计方法，利用Abaqus 有限元软件建立三维模型进行动力学仿真分析，获得展开时间、结构应力、位移等关键数据，仿真结果与地面试验结果一致性较好，表明设计方法合理可行。

关键词：动力学；折叠翼；试验

为适应导弹现代化设计小型化的必然趋势，弹翼多采用折叠机构[1-3]。折叠翼可有效缩小导弹的横向尺寸，便于贮存、运输，节省发射装置贮运空间[4-6]，增加车辆、舰艇和飞机的运载能力，提高武器系统的作战能力[7]。

导弹离筒后，折叠翼在惯性力作用下展开到位并可靠锁定[8]。在折叠翼展开过程中，展开机构需要传递载荷，满足规定的运动功能要求，其展开机构的结构形式与各构件铰接位置是折叠翼设计的关键[9-11]。

折叠翼展开机构主要用于保证翼面顺利折叠与展开，其性能直接影响展开的快速性、稳定性及可靠性，关系着导弹飞行试验成功与否。

在折叠翼的设计过程中，要确保折叠翼顺利展开，可靠锁定，冲击过载不影响导弹正常飞行。本文提出一种折叠翼机构设计方法，对同类机构研究具有一定的参考价值。 1 折叠翼机构

1.1 折叠翼机构组成

折叠翼主要包括固定部分、折叠部分、锁定机构、扭簧机构，如图1所示。

图1 折叠翼组成示意图

其中扭簧机构由扭簧、扭簧上盖、扭簧下盖、转轴等组成，如图2所示。

图2 扭簧机构示意图

扭簧上盖通过M4螺钉与折叠部分连接，扭簧下盖通过M4螺钉与固定部分连接，扭簧一端固定于扭簧上盖，一端固定于扭簧下盖，通过转轴将折叠部分与固定部分有机结合。

1.2 工作原理

导弹发射前，折叠翼(折叠状态) 受到箱中的适配层约束。发动机点火后，弹体出箱、约束解除，扭簧提供初始动力，通过轴向加载完成展开动作。当折叠部分旋转到预定位置后，由锁定机构完成限位。折叠翼折叠状态见图3，展开状态见图4。

图3 折叠翼折叠状态示意图

2 折叠翼动力学模型及计算结果

2.1 模型建立

通过Pro/E软件建立折叠翼三维模型，导入Abaqus 有限元软件中，根据折叠翼具体机构及展开原理，在几何模型的各部件之间添加相应的运动副和约束条件，同时考虑相关部件之间的摩擦力。

固定部分与折叠部分之间的旋转副受到扭矩载荷作用，沿舱段轴线初始速度为35 m/s，轴向负载为35 g 。折叠部分在展开过程中，受到气动力作用。设气动力作用在弹翼的压心位置，可分解为法向力和轴向力。整个运动过程考虑重力场的影响。

2.2 仿真分析及结果

折叠翼机构动力学仿真采用有限元显性算法模拟折叠翼出筒后展开过程。

输入条件：初始速度35 m/s，轴向负载为35 g，仿真结果如图5～图11所示。

整个展开过程中，折叠部分的角速度逐渐增加，呈上升趋势，折叠部分在第52.8 ms 时，展开到位，角速度达到峰值约为4 750 °/s，如图5所示。

折叠翼在展开到位后，折叠部分与锁定机构发生碰撞，锁定机构上的最大应力为112.4 MPa，小于材料抗拉强度1 080 MPa；折叠部分的最大应力为101.2 MPa小于材料抗拉强度300 MPa，如图10所示。

图5 折叠翼角速度随时间变化曲线

图7 折叠翼位移云图(展开前)

图8 折叠翼应力云图(展开45°)

图9 折叠翼位移云图(展开45°)

图11 折叠翼位移云图(完全展开)

3 展开试验方案及试验结果

3.1 试验方案

作展开试验，通过转台旋转的离心力模拟折叠翼在35 g 轴向负载条件下的展开情况。将试件横向固定在转台上，折叠翼收拢后用包有点火药包的细绳捆扎。启动转台，当转台达到指定的转速时，引燃点火药包，细绳被烧断，折叠翼展开并锁紧。用高速摄像机拍摄折叠翼展开过程。

当试验转台的转速达到3.5 r/s时，折叠翼承受35 g轴向负载。折叠翼展开过程如图12、图13所示。

图12 折叠翼展开试验(折叠状态)

图13 旋转展开试验(展开状态)

3.2 试验结果

高速摄像拍摄位置在转台转动时很难确定，可根据拍摄试验结果分析得到：翼面展开顺畅，锁定可靠，所有结构件无损。

折叠翼固定到转台后，当转台的转速为3.5 r/s时，折叠翼展开时间为55.5 ms，仿真结果为51.6 s，相对误差为7.0%。折叠翼整个展开过程顺利，无卡死现象，展开到位后，折叠部分与锁定发生碰撞，机构完好无损。

将仿真计算结果与试验结果进行对比，计算结果与试验结果一致性较好，验证了计算结果的正确性。

4 结论

针对折叠翼机构展开过程，利用 Abaqus进行动力学仿真分析，仿真结果与地面试验结果一致性较好；地面试验时，折叠翼机构展开顺畅，锁定可靠，折叠翼各部件之间没有相互干涉，所有结构件完好。说明该机构设计可行，动力学仿真可以用于动态模拟翼面展开过程。

范文五：旋转折叠自行车设计与研究

摘要 -----------------------------------------------------------------------------------Ⅰ Abstract --------------------------------------------------------------------------------Ⅱ 1绪论

1.1便携式自行车的发展方向及特点 ---------------------------------------------- 1.1.1自行车发展史及现状 ------------------------------------------------------

1.1.2便携自行车的特点 ---------------------------------------------------------

2多功能便携式箱体自行车的结构

2.1车体部分 --------------------------------------------------------------------------- 2.2传动部分 --------------------------------------------------------------------------- 2.3安全装置 -------------------------------------------------------------------------- 2.4附加部分 ---------------------------------------------------------------------------

2.5传动部分 ---------------------------------------------------------------------------

3多功能便携式环形自行车的设计

3.1多功能环形自行车的基本构思 ------------------------------------------------ 3.2链传动设计计算 ------------------------------------------------------------------ 3.2.1滚子链的结构和规格 ----------------------------------------------------- 3.2.2链轮的材料和结构 -------------------------------------------------------- 3.2.3平均链速和平均传动比 -------------------------------------------------- 3.2.4瞬时链速 -------------------------------------------------------------------- 3.2.5滚子链的主要失效形式 -------------------------------------------------- 3.2.6滚子链传动的额定功率曲线 -------------------------------------------- 3.2.7滚子链传动的设计步骤和传动参数的选择 --------------------------

3.2.8链传动的润滑 -------------------------------------------------------------- 3.3自行车材料选用及分析 --------------------------------------------------------- 3.4结构设计计算方法 --------------------------------------------------------------- 3.4.1设计方法 -------------------------------------------------------------------- 3.4.2稳定性分析 -----------------------------------------------------------------

3.4.3刚度、强度分析 -----------------------------------------------------------

4多功能便携式箱体自行车受力性能分析

4.1运动性能分析 -------------------------------------------------------------------- 4.2自行车各个部分的受力分析 -------------------------------------------------- 4.3自行车折叠部分的受力分析 --------------------------------------------------

4.4多功能自行车的箱体设计 -----------------------------------------------------

5总结与展望

5.1经验总结 -------------------------------------------------------------------------- 5.2自行车行业展望和面临的问题 ----------------------------------------------- 参考文献 -------------------------------------------------------------------------------致谢 ------------------------------------------------------------------------------------英文文摘 -------------------------------------------------------------------------------中文文摘 -------------------------------------------------------------------------------附录 ------------------------------------------------------------------------------------

1 绪论

1.1便携式自行车的发展方向及特点

1.1.1 自行车发展史及现状

18 世纪末,法国人西夫拉克 (Sivrac)发明了最早的自行车。这辆最早的自行车是木制的,其结构比较简单,既没有驱动装置,也没有转向装置,骑车人靠双脚用力蹬地前行,改变方面时也只能下车搬动车子。即使这样,当西夫拉克骑着这辆自行车到公园兜风时,在场的人也都颇为惊异和赞叹。世界上第一批真正实用型的自行车出现于 19 世纪初。 1817 年,德国人德莱斯在法国巴黎发明了带车把的木制两轮自行车。这种自行车虽然仍旧用脚蹬才能前行,但是可以一边前行一边改变方向,它一问世便引起了人们的极大兴趣。法国人大量进行仿制,一时间,巴黎街头涌现出成百上千的自行车。 1830 年,法国政府还为邮差配备了自行车作为交通工具 . 随后,自行车的技术、性能不断得到改进。 1839 年,英国人麦克米伦发明了蹬踏式脚蹬驱动自行车, 骑车时两足不用蹬地, 提高了行驶速度。 1869 年诞生的雷诺型自行车, 车架改由钢管制作,车辆也改为钢圈和辐条,采用实心轮胎,使自行车更加轻便。 1887 年,英国人劳森完成了链条驱动自行车的设计。同年,英国人邓鲁普研制出了充气轮胎。从此,自行车技术也完成了向商业化的转化,批量生产并投入市场。

1.1.2便携式自行车的特点

体积小,体重轻,携带方便,存放方便,使用方便,折叠方便。可以说最大优点,一小一轻四方便。体积小,体重轻。携带方便,可以背着去购物、旅游、乘车等。存放方便,挂于墙壁、放于墙角,塞入床下,放于柜中。使用方便,它犹如滑板车一般,车身低,踏上去踩踏几脚就能前行,手捏刹车小把就能停车,十米路程可以代步,百米、千米一样可以代步。折叠方便,折下方向杆就可以带走。

2 多功能便携式自行车的结构

多功能便携式自行车结构组成包括:

①车体部分:包括车架、前叉、车把、鞍座和前叉合件等,是自行车的主体。

②传动部分:包括脚蹬、曲柄、链轮、链条、中轴和飞轮等,由人力踩动脚蹬,通过以上传动件带动车轮旋转,驱车前行。

③行动部分:即前后车轮、包括前后轴部件、辐条、轮辋(车圈)、轮胎等。

④安全装置:包括制动器(车闸)、车灯、车铃、反射装置等。 ⑤附件部分:包括导向仪,里程表,测速仪,防盗装置等。

2.1车体部分

车体部分有车架、前叉、车把、鞍座和箱体等组成,是自行车的主体。车架部件是构成自行车的基本结构体,也是自行车的骨架和主体,其他部件也都是直接或间接安装在车架上的。车架部件的结构形式有很多,但总体可以分为两大类:即男式车架和女式车架。车架一

般采用普通碳素铜管经过焊接、组合而成。为了减轻管重量,提高强度,较高档的自行车采用低合金钢管制造。为了减少快速行驶的阻力, 有的自行车还采用流线型的钢管。本设计采用的是箱式车体,车架部分包括前轮架、中箱、后轮架、储物箱、坐凳,整体是一个箱子,是不同于传统自行车的创新点。

由于自行车是依靠人体自身的驱动力和骑车技能而行驶的,车架便成为承受自行车在行驶中所产生的冲击载荷以及能否舒适、安全地运载人体的重要结构体,车架部件制造精度的优劣,将直接影响乘骑的安全、平稳、和轻快。一般辐条是等径的,为了减轻重力,也有制成两端大、中间小的变径辐条,还有为了减少空气阻力将辐条制成扁流线型。

1.1.2 自行车结构分析

一辆整车由两百多种、一千多个零件组成。这里把它们归纳为 20 个基本部件或部件组合和 18 个配件。自行车的基本部件包括:车架部件、车把部件、前叉部件、轮轴部件、中轴部件、飞轮部件、链条部件、车轮部件、泥板部件、车闸部件、脚蹬部件、鞍座部件。在这些部件中,由车把、前

叉、前轴、前轮等部件组成导向系统;由脚蹬、中轴、链条、飞轮、后轴

2.2传动部分

传动部分包括脚蹬、曲柄、链轮、链条、中轴和飞轮等,由人力踩动脚蹬,通过以上传动件带动车轮旋转,驱车前行。脚蹬部件装配在中轴部件的左右曲柄上,是一个将平动力转化为转动力的装置,自行车骑行时, 脚踏力首先传递给脚蹬部件, ,然后由脚蹬轴转动曲柄,中轴,链条飞轮, 使后轮转动,从而使自行车前进。因此脚蹬部件的结构和规格是否合适, 将直接影响骑车人的放脚位置是否合适,自行车的驱动能否顺利进行。脚踏可分为整体式脚踏和组合式脚踏。无论什么款式的脚踏都必须有脚踏面, 必须安全可靠,具有一定的防滑性能,可以选用橡胶、塑料或金属材料制造。脚踏必须转动灵活。

自行车脚蹬

2.3安全装置

安全装置:包括制动器(车闸) 、车灯、车铃、反射装置等。

2.4附加部分

根据不同功能的需求,同时可增加一些附件,如指南针,里程表, 测速仪,防盗装置等。另外,装有变速机构的运动车、竞赛车、山地车等还装有变速控制器和前后拨链器等。

2.5传动装置

链条传动装置

3 多功能环形折叠自行车的设计

3.1多功能环形折叠自行车的基本构思

设计出一种多功能自行车,具有轻便,省力,减震,便于携带,导向, 并能显示时速、记录所骑里程,防盗等优点,并对其机械性能和材料进行

研究,然后对自行车加以改造创新,设计出更为合理的折叠技巧,大大减小其体积,与此同时设计出一种具有特殊构造的环形体,可以将自行车轻松携带,还具备了导向仪、路码表和时速表功能,方便人们的出行。通过对各种材料的研究,优化筛选,以减轻自行车的重量,提高其强度、硬度。

环形折叠自行车展开图

折叠后的效果图

3.2链传动的设计计算

对多功能环形自行车链传动的设计是本课题的一项重点,它关系着自行车能否顺利地行动和能否达到最省力,又关系到链条的拆装问题,为此我们对链传动的基本知识及其理论做了详细的总结,是为了更好地掌握有关链传动的知识。我们要对链传动做深入的了解和把握,必须把有关链传动的知识详细地总结,然后掌握。

链传动由主动链轮 1、从动链轮 2和跨绕在两链轮上的闭合链条 3组成。工作时 , 通过链条上链节与链轮轮齿的相互啮合来传递运动和动力 , 如图

所示

链传动

链传动为具有中间挠性件的啮合传动 , 与带传动相比较,其主要特点是:

(1)能获得准确的平均传动比,但瞬时传动比不恒定。在工况相同时,链传动结构更为紧凑,传动效率较高。

(2)链传动所需张紧力小,故链条对轴的压力较小。

(3)可在高温、油污、潮湿等环境恶劣情况下工作。

(4)中心距较大而结构简单,对制造与安装精度要求较低。

(5)传动平稳性差,有噪音,磨损后易发生跳齿和脱链,急速反向转动的性能差。

链传动主要用于平均传动比要求准确,且两轴相距较远,工作条件恶劣, 不宜采用带传动和齿轮传动的场合。通常传递功率 P ≤ 100kW , 传动比 i ≤ 8,链速 v ≤ 20m/s,效率约为 0.92~0.97。目前,链传动的最大传递功率已达 5000kw ,最大的传动比达到 15,最高链速可达 40m/s,最大中心距达 8m 。链传动主要用在中心距较大、要求平均传动比准确以及工作环境恶劣的场合,目前在农业、矿山、建筑、石油、化工和起重运输等机械中得到广泛的应用。根据结构的不同,常用的传动链又可分为滚子链和齿形链。滚子链的结构简单,磨损较轻,故应用广泛。齿形链传动平稳、噪声较小, 但结构复杂、重量较大且价格较高,主要用于高速(v ≥ 30m/s)传动和运

动精度较高的传动中。

3.2.1 滚子链的结构和规格

滚子链由内链板 1、外链板 2、套筒 3、销轴 4和滚子 5组成。如下图所示 , 外链板与销轴、内链板与套筒之间采用过盈配合 , 而销轴与套筒之间为间隙配合 , 可以作相对转动 , 以适应链条进入和退出链轮时的屈伸; 滚子与套筒之间采用间隙配合 , 以使链与链轮在进入与退出啮合时 , 滚子与轮齿形成滚动摩擦 , 减小链和轮齿的磨损。

345

1. 内链板 2. 外链板 3. 销轴 4. 套筒 5. 滚子

内、外链板均为 8字形 , 且交错连接并构成铰链 , 这样既可保证链板各横截面等强度 , 又可以减轻链的质量 , 节约材料。相邻两滚子轴线间的距离称链为节距 , 用 p 表示 ,p 值愈大,链的各部分尺寸愈大,承载能力愈高 , 且在齿数一定时 , 链轮尺寸随之增大。

滚子链有单排或多排结构 , 排数愈多 , 承载能力愈高 , 但制造、安装误差也愈大 , 各排链受载不均匀现象愈严重。一般链的排数不超过 4排。当链节数为奇数时 , 需用一个过渡链节 , 由于过渡链节的弯链板工作时受到附加弯曲应力 , 因此应尽量避免使用奇数链节。

滚子链是标准件,其规格由链号表示,主要参数示例于下,我们选择 08B

链条上相邻销轴的中心距称为节距,以 p 表示,它是链传动最重要的参数。滚子链已标准化,分为 A 、 B 两个系列,常用的 A 系列滚子链的主要参数和尺寸见表 3.3.1(表中的链号数乘以 1.5875即为节距 p 值) 。后缀 A 、 B 为系列代号。从表中可知链号数越大,链的尺寸就越大,其承载能力也就越高。

表 3.3.1

注:(1)多排链极限拉伸载荷按表列 Q 值乘以排数计算;

(2)使用过渡链节时,其极限拉伸载荷按表列数值 80%计算。

滚子链的标记为链号 -排数×链节数标准代号

例如:08A-1-88 GB/T1243-1997表示:A 系列、节距 12.7mm 、单排、 88节的滚子链。

3.2.2链轮的材料和结构

1、链轮的齿形

链轮的齿形应能保证链节能自由地进入或退出啮合,在啮合时应保证良好的接触,同时它的形状应尽可能简单,便于加工。

根据 GB/T 1243-2006的规定,链轮端面齿形如图(a )所示。齿槽各部分尺寸的计算公式列于表中。这种齿形的轮齿工作时,啮合处的应力较小, 因而具有较高的承载能力。链轮齿廓可用标准的刀具加工。因此,按标准齿形设计要求的链轮,其端面齿形无需在工作图上画出,只要标注“ GB/T 1243-2006规定制造”即可。 (加图 \

2、链轮的几何参数和尺寸

链轮的主要尺寸及计算公式见表 3-1。链轮齿槽尺寸见表 3-2, 轴向齿廓尺寸见表 3-3。

表 3-1链轮的几何参数和尺寸

表 3-2齿槽尺寸

表 3-3轴向齿廓尺寸

链轮的主要尺寸计算公式为

分度圆直径

齿顶圆直径

) / 180 sin(z p d

齿根圆直径

1d d d f -=

3链轮的结构

直径较小的链轮可制成整体式 [图 a];直径中等的链轮制成腹板式或孔板式 [图 b]; 直径较大的链轮制成组合式结构 [图 c]; 常将可更换的齿圈用螺栓连接在轮毂上。

链轮结构

3、链轮的材料

链轮的材料应能保证齿轮的轮齿具有足够的耐磨性和强度。由于小链轮的轮齿啮合次数比大连轮的轮齿啮合次数多,所受的冲击也比较严重, 故小链轮材料一般优于大连轮。

一般为中碳钢淬火处理;高速重载用低碳钢渗碳淬火处理;低速时也

? ??

?+=z p d a 180cot 5. 0

可用铸铁等温淬火处理;小链轮对材料的要求比大链轮高(当大链轮用铸铁时,小链轮用钢) 。具体见表 3-4

表 3-4链轮材料及齿面硬度

链条元件材料为经过热处理的碳素钢或合金钢,具体牌号及热处理后的硬度值见有关标准。链轮的齿形应易于加工,不易脱链,能保证链条平

稳、顺利地进入和退出啮合,并使链条受力均匀。下图所示为国家标准 (GB1244-85附录 D) 规定的滚子链链轮端面齿形,由 aa 、 ab 和 cd 三段圆弧和一段直线 bc 构成, 简称 “ 三圆弧一直线 ” 齿形。这种齿形可用标准刀具以范成法加工,其断面齿形无需在工作图上画出,只需注明 “ 齿形按 3R GB1244-85制造 ” 即可。这种齿形具有接触应力小,磨损轻,冲击小,齿顶较高不易跳齿和脱链。

多功能环形折叠便携式自行车的链传动链轮设计

(一)链传动的运动特性

因为链传动是由刚性链节通过销轴链接而成,当链绕在链轮上时,其链节与相应的齿轮啮合后,这一段链条将曲折成多边形的一部分。 (如图)该正多边形的边长等于链条的节距 p ,边数等于链轮齿数 z ,链轮每转过一圈, 链条走过 zp 长,所以链的平均速度 v (单位为 m/s)为

式中:z 1、 z 2分别为主、从动链轮的齿数;

n 1、 n 2分别为主、从链轮的转速, r/min。

(加图)

3.2.3平均链速和平均传动比

滚子链结构特点是刚性链节通过销轴铰接而成,因此链传动相当于两多边形轮子间的带传动。链条节距 p 和链节数 z 分别为多边形的边长和边数。设 1n 、 2n 和 1z 、 2z 分别为主、从动链轮转速和链轮齿数, 其中 2n =80r/min则链的平均速度

5842. 01000

6080

525. 946/1000601000602211=???=?=?=

s m pn z pn z v

故平均传动比为

5. 313

461221≈===z z n n i 3.2.4瞬时链速

链传动的速度分析

如上图所示,设主动轮的分度圆半径为 R 1,并以等角速度 ω1转动, 现通过某一链节 AB 的运动来分析链速 v 。假设在传动中紧边始终处于水平位置。当该链节进入啮合时(如图 a 所示) ,销轴 A 开始随链轮作等速圆周运动,链速 v 是销轴 A 圆周速度 v A 的水平分量。在图 b 所示位置时,链速为

v=vA cosβ=R 1ω1cos β

式中 β为铰链 A 在链轮上的相位角。从销轴 A 进入啮合到销轴 B 也进入啮合为止, β角将在 -φ1/2和 +φ1/2之间变化。当 β=±υ1/2时,链速最小, v min =R 1ω1cos φ1/2(如图 a , d ) ;当 β=0时,链速最大, v max =R 1ω1(如图

c) 。由此可见,在链节 AB 的啮入过程中,主动链轮虽然以等角速度 ω1转动,而链条的瞬时速度却按上述规律呈周期性的变化。每转过一个链节, 链速的这种变化就重复一次。主动链轮的齿数越少, β角的变化范围就越大 (φ1=360°/z 1) ,链速的不均匀性也就越显著。与此同时,链节销轴 A 速度的垂直分量 (v ′ =v A sin β=R 1ω1 sin β) 也在周期性地变化使链条沿铅垂

方向产生有规律的振动。瞬时链速的变化规律如下图所示。

链速的不均匀性

由于链速的变化以及从动链轮相位角 γ(图 e) 的不断变化,从动链轮的角速度 ω2也是变化的,由此可得到链传动的瞬时传动比

???????====βγ

ωωγβωγωcos cos ' cos cos cos 122121122R R i R R R v

只有当链轮齿数 z 1=z 2、且传动中心距为链节距的整数倍时,才能使 β和 γ的变化时时相同,瞬时传动比才能恒定不变 (i ′ =1)。因此设计链传动时应合理选择参数,以期减轻振动和动载荷。

3.2.5滚子链传动的主要失效形式

链传动的主要失效形式有以下几种:

(1)链板疲劳破坏 :在链传动中 , 由于松边和紧边的拉力不同 , 使得链条所受

的拉力是变应力 , 当应力达到一定数值 , 且经过一定的循环次数后 , 链板、滚子、套筒等组件会发生疲劳破坏。这种疲劳破坏是闭式链传动的主要失效形式。

(2)铰链磨损:

链节在绕上链轮时,销轴与套筒之间产生相对滑动,在不能保证充分润滑的条件下,将引起铰链的磨损。磨损导致链轮节距增加,链与链轮的啮合点外移,最终将产生跳齿或脱链而使传动失效。铰链磨损是开式链传动的主要失效形式

(3)滚子和套筒的冲击疲劳破坏

由于链传动的特点,链条工作滚子、套筒和销轴受到较大的冲击载荷, 经过一定次数的冲击,最后产生冲击断裂。它的应力总循环次数一般在 4 10

以内,它的载荷一般较疲劳破坏允许的载荷要大,但比一次冲击破断载荷为小。

(4)链条铰链的胶合

在链轮转速过高时,润滑条件恶化,套筒与销轴间发生金属直接接触而产生很大摩擦力,其产生的热量导致套筒与销轴的胶合。

(5)静力拉断

在低速重载的传动中或者链突然承受很大的过载时,链条静力拉断, 承载能力受到链元件的静拉力强度的限制。

3.2.6滚子链传动的额定功率曲线

(1)极限传动功率曲线在一定使用寿命和润滑良好条件下,链传动的各种失效形式的极限传动功率曲线如图 1所示。曲线 1是在正常润滑条件下, 铰链磨损限定的极限功率; 曲线 2是链板疲劳强度限定的极限功率; 曲线 3是套筒、滚子冲击疲劳强度限定的极限功率;曲线 4是铰链胶合限定的极

限功率。图中阴影部分为实际使用的区域。若润滑不良、工况环境恶劣时, 磨损将很严重,其极限功率大幅度下降。

举例 z 1=19、链节数 L p =100、单排链水平布置、载荷平稳、工作环境

正常、按推荐的润滑方式润滑、使用寿命 15000h ;链条因磨损而引起的相对伸长量 Δp/p不超过 3%。当实际使用条件与试验条件不符时,需作适当修正,由此得链传动的计算功率应满足下列要求

r P 0P K K K P K P

L Z A ≤= 式中 P0--许用传递功率(kW ),由图 2查取;

P--名义传递功率(kW );

K A --工作情况系数,见表 1。

K Z --小链轮齿数系数,见表 2,当工作点落在图 1某曲线顶点左侧时(属于

链板疲劳),查表中,当工作点落在某曲线顶点右侧时(属于滚子、套筒冲击疲劳)查表中;

KL--链长系数,根据链节数,查表 3;

Kp--多排链系数,查表 4。

表 1

表 2

表 3 修正系数 KL

表 4 多排链系数 Kp

3.2.7滚子链传动的设计步骤和传动参数选择

(1)传动比 i 链的传动比一般≤8,在低速和外廓尺寸不受限制的地方允许到 10。如传动比过大, 则链包在小链轮上的包角过小, 啮合的齿数太少, 这将加速轮齿的磨损,容易出现跳齿,破坏正常啮合。通常包角最好不小于 120,推荐传动比 i=2~3.5,我们选择 i=3.5

(2) 链轮齿数 z 1和 z 2首先应合理选择小链轮齿数 z 1。小链轮齿数不宜过少,

过少时,传动不会平稳、动载荷及链条磨损加剧,摩擦消耗功率增大,铰链的比压加大及链的工作拉力增大。但是 z 1不能太大,因为 z 1大, z 2更大,

不仅增大传动尺寸,而且铰链磨损后容易引起脱链、跳齿,将缩短链的使用寿命。我们选择 Z 1=26,Z2≈ 42。若链条的铰链发生磨损, 将使链条节距变

长、链轮节圆 d' 向齿顶移动。节距增长量 Δp 与节圆外移量 Δd 的关系

10z 180sin p d ?=

'? 由此可知 Δp 一定时,齿数越多节圆外移量 Δd 就越大,也越容易发生跳齿和脱链现象。

滚子链的小链轮齿数按下表推荐范围选择。

大链轮齿数 z 2按 z 2=i, z 1确定,一般应使 z 2≤120。

在选取链轮齿数时,应同时考虑到均匀磨损的问题。由于链节数最好选用偶数,所以链轮齿数最好选质数或不能整除链节数的数。

(3)链速和链轮的极限转速链速的提高受到动载荷的限制,所以一般最好不超过 12m/s。

(4)链节距链节距愈大,链和链轮齿各部尺寸也愈大,链的拉曳能力也愈大,但传动的速度不均匀性、动载荷、噪声等都将增加。因此设计时, 在承载能力足够的前提下,应取较小节距的单排链,高速重载时,可选用小节距的多排链。

(5)链的长度和中心距若链传动中心距过小,则小链轮上的包角也小, 同时啮合的链轮齿数也减少;若中心距过大,则易使链条抖动。一般可取中心距 a=(30~50)p,最大中心矩 amax≤80p。

链的长度常用链节数 Lp 表示。按链传动求链长的公式可导出

138242262525. 924226525. 93502221(22212

22≈-+++=-+++=) π) πz z p z z p a Lp 式中 a--链传动的中心矩。

由此算出的链的节数,必须圆整为整数,且最好为偶数。然后根据圆整后的链节数用下式计算实际中心矩:

mm 37. 10222642(8) 24226138() 24226138(4525. 928224p a 2221222121=--+-+??

?+-=??????????? ??∏--??? ??+-+??? ??+-=]πZ Z Z Z L Z Z L P P

为了便于安装链条和调节链的张紧程度,一般中心距设计成可以调节的。若中心距不能调节而又没有张紧装置时,应将计算的中心距减小 2~ 5mm 。这样可使链条有小的初垂度,以保持链传动的张紧

3.2.8

链传动的润滑

润滑对链传动影响很大,良好的润滑将减少磨损,缓和冲击,延长链条的使用寿命。润滑方式的选择应当按照下图进行。润滑油推荐使用 L-AN32, L-AN46和 L-AN68号全损耗系统用油。低温条件下取 L-AN32油。对于开式或低温重载传动可在润滑油中加入 MoS 2, WS 2等添加剂。折叠自行车的润滑方式我们选择油润滑。

3.3自行车材料选用及分析

碳纤维 (CERP)

碳纤维车架的特征是「轻、不弯曲、冲击吸收性好」 ,但是,充分发挥碳纤维的优异性能,在技术上看起来不是那么容易,各碳纤维材料厂家之间的品质差异也较大。自行车厂家考虑到成本问题,不大可能使用高等

级的碳纤维来制作车架。虽然存在上述的现实问题,但是碳纤维车架还是具有其他素材所没有的优点,可以制造 8、 9kg 左右的轻量自行车,这种碳纤维轻量自行车,登坡时最能体现其优点,登坡顺利而爽快。而不会像一些轻的铝合金车架,登坡时感到有一种向后拉的力量。

碳纤维是把碳纤维用树脂凝固成形的东西。非常轻,但它是具有方向性的材料 (拉伸强但容易断 ) , 因此采用把薄料层层重叠的方法来解决缺点。

●碳纤维车架的优点 (1).可以制作重量轻的车架

碳纤维车架是把碳纤维对着发生应力的方向层层叠而得到强度。碳纤维车架非常轻,这是它的密度和强的拉伸强度构成的。

ZGL 碳纤维车架非常轻, 是国内第一家专业生产碳纤维自行车整车及各种零配件的公司。中国第一辆大陆产碳纤维自行车厂家。碳架在 1-1..2kg 重

(2).冲击吸收性好

碳纤维用来制作残疾者运动时用的假腿,或者特殊的弹簧等被用在各领域。利用它的吸收冲击力优异的性能, 制作不用避震器的自行车。如 SCOTT 厂的 ELEVATED 车架是著名的。但是各个厂家之间的品质差异较大,有的很硬,因此这种车架乘骑后才能知道好或者不好。

(3).可以制造各种形状的车架

碳纤维的基本成型方法是, 在模具上铺上纤维片然后流入树脂并烧固。可以制成各种形状的车架。如 TREK 的 Y 车架是著名的。

●碳纤维车架的缺点 (1).复杂的应力计算

构成碳纤维车架的是碳纤维,它的特点是拉伸强度强,但剪断强度弱, 加工时需要进行复杂的应力计算 (纵刚性、横刚性 ) ,根据计算把碳纤维片重叠成型。加工技术各厂家各异,应选择有经验而可靠厂家的制品是很重要的。

(2).难于更改尺寸

由于作好模具后成型,难于更改尺寸。无法相应多尺寸多款式的订单。 (3).老化

使用树脂因此会不会老化?这是一个存在的课题,它放置在阳光下时会逐渐变白。当然这种现象关系到厂家的技术。最好不要放置在阳光下。

镁合金

镁的比重很轻 (1.74),约铁的 1/5,钛的 2/5,铝的 2/3。它是不容易腐蚀的活性金属。它广泛用在各种领域里,如照相器及电脑的外框、车辆的车圈等配件。通过合金化耐腐蚀性也得到进一步提高。

●镁合金车架的优点

(1).可以制造重量轻的车架

它比铝密度低,可以制造轻的车架。杨氏弹性模量稍微低些,但是可以用加粗管直径及椭园化等方法来解决。使用铝合金的目的仅仅是为了减轻重量,将来可能会被镁合金取代??钛和镁的研究课题稍不同,这两种金属今后仍然会活跃下去。

(2).加工性好

镁制车架加工不会差。切粉的燃烧、爆炸等能够通过合金元素来回避的话,剪断、溶接性可能不会差。和钛比较起来加工性好。

●镁合金车架的缺点

(1).耐腐蚀性如何?

生产镁车架的厂商都说耐腐蚀性好。但是这方面的资料当前还很少, 耐腐蚀性好到何种程度难于判断。镁是剧烈氧化的金属,不小心操作错了很容易爆炸,纯镁一般不能使用,添加其他金属 (铝、锌、锰等 ) 制成合金来使用,制成的镁合金强度、机械性能都得到提高。有些人曾经使用过镁合金制用具,如摩托车的曲柄套等、他们说:「虽然用了很久,但是很好, 不会象铝般发白。

(2).镁的杨氏弹性模量 (决定刚性的因素 ) 比铝低许多,要增加其刚性管的直径要大,这可能会影响对空气的阻抗?。

(3).成本

镁已经用在笔记本电脑的框体上,用它来制作车架成本将是如何?现

在尚未知。

材料和环境碳纤维和环境的关系

碳纤维含有树脂因此也可以说耐酸。但是对碳纤维来说应多考虑内在因素,它用树脂因此树脂老化的可能性是存在的。碳纤维制自行车不使用时应该避开阳光,日光和环境的温度对它的影响最大。

钛和环境的关系耐腐蚀性极佳 (被使用在和原子能有关的部门 ) , 不怕雨水、不怕受伤、沾上水滴也不用抹乾净。用这种材料制作自行车实在浪费,但是钛也有缺点如前述 (异种金属腐蚀 ) ,如铝制配件和钛制配件接合在一起时逐渐被腐蚀掉。

除了钛之外,其他金属之间也会发生异种金属腐蚀,尤其是坐管部位, 例如,把铝制坐管和铬钼钢车架接合在一起而不管它时,接触面变成褐色, 甚至于无法把它们解脱下来。

金属的疲劳度金属疲劳

制作自行车车架的材料有铬钼钢、铝、钛、碳纤等。其中用最薄的管来制作的是铬钼钢车架。它的加工性好,材料便宜,骑感好,但它必需制成薄壁管,这种薄壁的管会有较高的拉伸强度和加工性。

铬钼钢的强度较容易逐渐减弱, 也就是较容易疲劳的现象表现在如下。 (1).同样的冲击力加在各种材料上, 铬钼钢薄管所发生的应力最大 (容

易发生疲劳而引起的破坏 ) 。

(2).对铬钼钢的研究的历史较长,最大限制地利用它的特性制成极薄壁的管,应力虽然发生的各个局部部位,但是对整个管来说会发生较高的应力。

(3).由生锈引起的全面腐蚀将会引起管壁的变化,结果这个现象又提高了应力,引起疲劳破坏。

(4).应力集中在局部而生锈、或者外伤引起的凹处,从该处引起疲劳破坏。

(5).参加比赛时产生的冲击,使车架发生较高的应力,使用的次数越多,疲劳破坏也逐渐增多。

以上主要是针对铬钼钢,但是近来铝合金制的车架发展迅速,有许多用薄壁的铝管制作的车架,它们是否上述的铬钼钢制车架一样,发生疲劳破坏呢?尤其是铝没有耐疲劳限度,很小的应力也必定会产生破坏。其应力越大破坏所需时间越短。现在所出售的极薄壁管的铝制车架,厂家都未明确注明其寿命。

碳纤维自行车车架的研制与开发

自行车是人们日常生活中不可缺少的代步工具 , 其造价低廉 , 维修简单 , 使用方便 , 深受世界各国人民喜爱 , 形成了巨大的自行车消费市场 , 随

着现代社会的飞快发展 , 自行车已不仅仅是交通和运输工具 , 已具有集健身、旅游、竞赛等多种功能。

自行车档次的高低取决于材料的选择和做工。典型的低、中、高档自行车构架分别由碳钢、铬钼合金及铝合金和碳纤维制造。碳纤维是一种新型的复合材料 , 它有重量轻、比强度高、比刚度大的优点 , 而且具有可设计性和易成型性 , 从而使设计的结构有更高的结构效率。

世界各国的研发进度

目前 , 世界各国都对研制新形态、新材料的自行车投入了巨大的人力、物力、财力。车架是自行车的骨架 , 它在很大程度上决定了自行车的造型和使用性能。美国、英国和我国台湾等都已开发生产出碳纤维自行车车架。

国家碳纤维自行车技术的最新成果

中国轻工业联合会组织并主持召开了连云港迎雁新材料有限责任公司和连云港神鹰碳纤维自行车有限责任公司完成的“碳纤维自行车技术开发”项目科技成果鉴定会。鉴定委员会专家在听取了项目完成单位的研发、查新、检测和使用等报告,并实地考察了产品生产现场后,一致认为港城碳纤维自行车生产综合技术国内领先,并达到国际同类产品的先进水平。

迎雁新材料和神鹰碳纤维自行车有限责任公司实施的“碳纤维自行车技术开发”项目,利用的是自主研发的碳纤维和树脂配方,采用异型内置充气袋和冷却后固化定型工艺,很好地解决了国产碳纤维与树脂复合后的界面结合问题,保证了碳纤维自行车车架成型中的技术稳定性。该项目在实施过程中申请相关专利 15项,测试指标达到欧盟认证标准,综合技术国内领先,并达到国际同类产品的先进水平。

该项目实现了碳纤维自行车的规模化生产,产品已形成系列品种,并推广应用,成为专业自行车运动队的训练及比赛用车,国内外市场前景良好,对推动我国自行车行业技术进步和产品转型升级具有重要意义。碳纤维 (CERP)

碳纤维车架的特征是「轻、不弯曲、冲击吸收性好」 ,但是,充分发挥碳纤维的优异性能,在技术上看起来不是那么容易,各碳纤维材料厂家之间的品质差异也较大。自行车厂家考虑到成本问题,不大可能使用高等级的碳纤维来制作车架。虽然存在上述的现实问题,但是碳纤维车架还是具有其他素材所没有的优点,可以制造 8、 9kg 左右的轻量自行车,这种碳纤维轻量自行车,登坡时最能体现其优点,登坡顺利而爽快。而不会像一些轻的铝合金车架,登坡时感到有一种向后拉的力量。

碳纤维是把碳纤维用树脂凝固成形的东西。非常轻,但它是具有方向性的材料 (拉伸强但容易断 ) , 因此采用把薄料层层重叠的方法来解决缺点。

●碳纤维车架的优点

(1).可以制作重量轻的车架

碳纤维车架是把碳纤维对着发生应力的方向层层叠而得到强度。碳纤维车架非常轻,这是它的密度和强的拉伸强度构成的。

ZGL 碳纤维车架非常轻, 是国内第一家专业生产碳纤维自行车整车及各种零配件的公司。中国第一辆大陆产碳纤维自行车厂家。碳架在 1-1..2kg 重

(2).冲击吸收性好

(3).可以制造各种形状的车架

碳纤维的基本成型方法是, 在模具上铺上纤维片然后流入树脂并烧固。可以制成各种形状的车架。如 TREK 的 Y 车架是著名的。

●碳纤维车架的缺点

(1).复杂的应力计算

构成碳纤维车架的是碳纤维,它的特点是拉伸强度强,但剪断强度弱,

加工时需要进行复杂的应力计算 (纵刚性、横刚性 ) ,根据计算把碳纤维片重叠成型。加工技术各厂家各异,应选择有经验而可靠厂家的制品是很重要的。

(2).难于更改尺寸

由于作好模具后成型,难于更改尺寸。无法相应多尺寸多款式的订单。 (3).老化

使用树脂因此会不会老化?这是一个存在的课题,它放置在阳光下时会逐渐变白。当然这种现象关系到厂家的技术。最好不要放置在阳光下。镁合金

●镁合金车架的优点

(1).可以制造重量轻的车架

(2).加工性好

镁制车架加工不会差。切粉的燃烧、爆炸等能够通过合金元素来回避的话,剪断、溶接性可能不会差。和钛比较起来加工性好。

●镁合金车架的缺点

(1).耐腐蚀性如何?

(2).镁的杨氏弹性模量 (决定刚性的因素 ) 比铝低许多,要增加其刚性管的直径要大,这可能会影响对空气的阻抗?。

(3).成本

镁已经用在笔记本电脑的框体上,用它来制作车架成本将是如何?现在尚未知。

材料和环境碳纤维和环境的关系

碳纤维含有树脂因此也可以说耐酸。但是对碳纤维来说应多考虑内在因素,它用树脂因此树脂老化的可能性是存在的。碳纤维制自行车不使

用时应该避开阳光,日光和环境的温度对它的影响最大。

钛和环境的关系

耐腐蚀性极佳 (被使用在和原子能有关的部门 ) ,不怕雨水、不怕受伤、沾上水滴也不用抹乾净。用这种材料制作自行车实在浪费,但是钛也有缺点如前述 (异种金属腐蚀 ) ,如铝制配件和钛制配件接合在一起时逐渐被腐蚀掉。

金属的疲劳度金属疲劳

铬钼钢的强度较容易逐渐减弱, 也就是较容易疲劳的现象表现在如下。 (1).同样的冲击力加在各种材料上, 铬钼钢薄管所发生的应力最大 (容易发生疲劳而引起的破坏 ) 。

(2).对铬钼钢的研究的历史较长,最大限制地利用它的特性制成极薄壁的管,应力虽然发生的各个局部部位,但是对整个管来说会发生较高的应力。

(3).由生锈引起的全面腐蚀将会引起管壁的变化,结果这个现象又提高了应力,引起疲劳破坏。

(4).应力集中在局部而生锈、或者外伤引起的凹处,从该处引起疲劳破坏。

(5).参加比赛时产生的冲击,使车架发生较高的应力,使用的次数越多,疲劳破坏也逐渐增多。

碳纤维自行车车架的研制与开发

自行车是人们日常生活中不可缺少的代步工具 , 其造价低廉 , 维修简单 , 使用方便 , 深受世界各国人民喜爱 , 形成了巨大的自行车消费市场 , 随着现代社会的飞快发展 , 自行车已不仅仅是交通和运输工具 , 已具有集健身、旅游、竞赛等多种功能。

自行车档次的高低取决于材料的选择和做工。典型的低、中、高档自行车构架分别由碳钢、铬钼合金及铝合金和碳纤维制造。碳纤维是一种

新型的复合材料 , 它有重量轻、比强度高、比刚度大的优点 , 而且具有可设计性和易成型性 , 从而使设计的结构有更高的结构效率。

世界各国的研发进度

国家碳纤维自行车技术的最新成果

迎雁新材料和神鹰碳纤维自行车有限责任公司实施的“碳纤维自行车技术开发”项目,利用的是自主研发的碳纤维和树脂配方,采用异型内置充气袋和冷却后固化定型工艺,很好地解决了国产碳纤维与树脂复合后的界面结合问题,保证了碳纤维自行车车架成型中的技术稳定性。该项目在

实施过程中申请相关专利 15项,测试指标达到欧盟认证标准,综合技术国内领先,并达到国际同类产品的先进水平。

该项目实现了碳纤维自行车的规模化生产,产品已形成系列品种,并推广应用,成为专业自行车运动队的训练及比赛用车,国内外市场前景良好,对推动我国自行车行业技术进步和产品转型升级具有重要意义。镁合金:镁的比重很轻,约铁的 1/5,钛的 2/5,铝的 2/3。它是不容易腐蚀的活性金属。它广泛用在各种领域里,如照相器及电脑的外框、车辆的车圈等配件。通过合金化耐腐蚀性也得到进一步提高。镁合金车架的优点可以制造重量轻的车架,它比铝密度低,可以制造轻的车架。杨氏弹性模量稍微低些,但是可以用加粗管直径及椭园化等方法来解决。使用铝合金的目的仅仅是为了减轻重量,将来可能会被镁合金取代?钛和镁的研究课题稍不同,这两种金属今后仍然会活跃下去。加工性好,镁制车架加工不会差。切粉的燃烧、爆炸等能够通过合金元素来回避的话,剪断、溶接性可能不会差。和钛比较起来加工性好。镁合金车架的缺点是耐腐蚀性难于判断。镁是剧烈氧化的金属,不小心操作错了很容易爆炸,纯镁一般不能使用,添加其他金属制成合金来使用,制成的镁合金强度、机械性能都得到提高。

综合上述,现在社会追求节约环保的理念,既要低碳环保,又要节约经济,达到节能环保经济的要求, 多功能自行车采用铬钼钢和局部镁铝合金设计,使其达到理想中的完美。

3.4结构设计计算方法

3.4.1设计方法

结构设计的基本原则是要做到技术先进、经济合理、安全适用和确保质量。因此多功能便携式自行车结构设计要解决的根本问题是在结构可靠和经济之间选择一种合理的平衡,是由最经济途径建成的结构能以适当的可靠度满足各种预定的功能。

近年来结构的可靠性理论得到了迅速的发展,结构设计己经摆脱传统的定值设计方法,进入以概率理论为基础的极限状态设计方法,用分项系数设计表达式进行计算。

结构物的极限状态可分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。承载能力极限状态包括 :构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载,结构和构件丧失稳定,结构转变为机动体系和结构倾覆等。正常使用极限状态包括 :影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观变形, 影响正常使用的振动,影响正常使 γ用或耐久性的局部破坏。

目前,在工程机械行业,技术人员习惯于采用安全系数法进行设计, 但是基于可靠度理论的概率极限状态设计法是结构设计的主要发展趋势, 因此本文采用《结构可靠度设计统一标准》中的设计方法,对于结构构件的承载能力极限状态中的基本组合并由可变载荷效应控制的组合,其设计公式如下表示 :

f Q Q G IK Ci Q i IK Q I K G o <=ψ∑++) )="" (γγγγ="" (3.1)="" 式中="" γo="" 一结构重要性系数="">

γG 一永久载荷分项系数 ;

γQI 一可变载荷 Q I 的分项系数 ;

γQi 一第 i 个可变载荷的分项系数 ;

G K 一永久载荷的效应值 ;

Q IK 一可变载荷的效应值, 其中 Q I K为诸可变载荷效应中起控制作用者 ;

ΨCi 一可变载荷的组合系数 ;

n-一参与组合的可变载荷数 ;

对于一般排架、框架结构,基本组合可采用简化的设计公式 (由可变载荷效应控制的组合 ):

f G iK Q i K G o <=ψ∑+) 9.="" 0(γγγ="" (3.2)="" 它仅适用于载荷效应的基本组合对结构构件进行强度和稳定性计算以="">

对于正常使用极限状态,结构或构件应按短期的载荷效应组合采用设计公式如下

表示 :

[]W W W W Q ik Ci Q ik G K <=ψ∑++ (3.3)="" 式中="" w="" gk="" 一永久载荷的效应值="">

W Qik 一可变载荷的效应值,其 W Qik 为诸可变载荷效应中起控制作用者。

3.4.2稳定计算

在自行车结构的承载能力极限状态中,稳定性对结构设计尤其重要。自行车车架一般属于塑性材料,具有很强的塑性变形能力。在一般条件下, 在破坏前会产生很大的明显可见的塑性变形,给使用者以预兆。但是当结构因稳定性不足而破坏时,有可能在失稳前只有很小的变形,由于结构物的几何形状急剧改变而导致结构物变形过大,丧失抵抗力,以至整体垮塌。

稳定理论就是研究结构的稳定状态,求其屈曲载荷,判断屈曲后的平

衡状态。失稳现象就其性质而言可以分为三类 :平衡分岔失稳也称为第一类失稳、极值点失稳称为第二类失稳还有跳越失稳。计算方法也有三种即为平衡法,能量法,动力法。平衡法是求解结构稳定极限载荷的最基本方法, 尽管它不能判断结构平衡状态的稳定性, 但是由于常常只需得到屈曲载荷, 所以经常采用平衡法。

1、整体稳定计算

(1)轴心受压构件弯曲屈曲

理想轴压杆件的弹性失稳临界载荷,在建立平衡方程时可以假定为 :理想截面、理想杆件、理想载荷、小变形。对于这种轴心受压构件的弯曲失稳,可以利用平衡法直接计算,先假定杆件处于微弯的临界状态,然后以此状态建立平衡方程,而后求解分岔屈曲载荷。解得弹性屈曲载荷为 : P cr =(π2EI)/(μl) 2(3.4) 式中, μ—计算长度系数。

当达到或接近临界载荷时,构件己进入非弹性阶段,就需要求解非弹性临界载荷,常采用切线模量理论。近年来随着对实际的轴心压杆的研究, 都趋于改为按有初始缺陷的极限承载力计算。

以上讨论的是理想轴心受压构件。实际上,构件本身都会存在不同程度的初弯曲、初偏心、残余应力,极限载荷不会达到 P cr ,构件的失稳属于极值点失稳问题,其极限载荷表示构件的最大承载力。另外,求解极限载荷时已进入弹塑性阶段,分析比较复杂。从工程实用角度出发,对于轴副自受压杆的极限承载能力的计算公式可表达为 :

P/(ΦA)<= f="" (3.5)="" 在工程实用中,整体稳定系数功是根据杆件的长细比入确定,由于不="" 同的形状截面,不同的残余应力分布等,对轴压杆稳定性均有很大影响。="">

目前计算扭转屈曲和弯扭屈曲临界力的公式只能用于弹性范围内,且没有计入几何缺陷和力学缺陷的不利效应。虽然两种缺陷都不可忽视,但是由于缺少统计观测数据,以及当考虑缺陷之后的扭转屈曲分析和弯扭屈曲分析变得过于复杂,因此,目前通行计算弯扭屈曲的方法是先把问题按弹性条件转化为弯曲屈曲,经过分类后,按弯曲屈曲来考虑非弹性和缺陷影响。

2、局部稳定计算

多功能自行车箱式结构构件通常由板件组成,截面设计时采用相对于板宽来说较薄的板厚,在板平面内压力作用下,将发生出平面的凹凸变形而失去稳定,从而影响构件的整体承载能力,这种失稳称之为局部失稳。从工程实际出发,通过限制板件宽厚比来间接控制板件的局部失稳是一种简易可行的方法,这种方法的基本思路是保证构件的局部屈曲不早于其它的破坏形式。

压弯构件的整体失稳有两种形式,一种是平面内失稳,另一种是平面外失稳压弯构件在弯矩作用平面外的抗弯刚度较大,或平面外有中间支承时,将会发生平面内失稳破坏。这类失稳形式在整个受力过程中不产生新形式的变形,属于第二类失稳,对于该类失稳需求压弯构件的极限承载力。实用上常以最不利受力截面边缘纤维屈服为准则,另外附加考虑截面发展部分塑性,以及残余应力和初弯曲的影响,采用相关公式来确定构件的稳定承载力。在《结构设计规范》中压弯构件在弯矩作用平而内稳定的实用计算公式 :

f N N W M A EX x x x m x X <=-+φ)) .="" 01(/()="" ()="" 1γβ(="" (3.6)="" 式中,="" n="">

Φx —弯矩作用平面内的轴压杆的稳定系数

A —杆件毛截面面积

M x—所计算构件段范围内不计轴力影响时的最大弯矩

γx . —截面塑性发展系数

W 1x —弯矩作用平面内受压较大边缘纤维的毛截面抵抗矩

N EX —杆件关于弯矩作用轴的欧拉载荷, N EX =π2EI /(1.1(λx )2) βmx —等效弯矩系数,与载荷形式有关,按规定采用,不再赘述如果压弯构件在弯矩作用平面外的抗弯刚度较小,或侧向自由长度较大,将会发生平面外失稳破坏。失稳前既有轴压变形又有弯矩作用平面内弯曲变形,失稳时又产生侧向弯曲和扭转,实际变形形态是 4种变形叠加。由于其复杂性,一般按第一类失稳问题分析,不考虑各种初始缺陷的影响。实际压弯构件处于弹塑性阶段,降低了侧扭失稳的临界承载力,故采用偏于安全的线性相关公式来确定构件的稳定承载力。考虑其他载荷形式引入等效弯矩系数为 r x , ,即得到压弯构件在弯矩作用平面外的实用稳定计算公式 :

N/(Φx A)+(βmx M x) /(Φb W 1x) <= f(3.7)="" 式中,="" n="">

M —所计算构件段范围内不计轴力影响时的最大弯矩

Φb —弯矩作用平面外的轴压杆的稳定系数

A —杆件毛截面面积

W 1x —均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数

wf —弯矩作用平面内受压较大边缘纤维的毛截面抵抗矩

βmx —等效弯矩系数,与载荷形式有关,按规定采用,不再赘述 3、局部稳定分析

压弯构件的局部稳定是利用板件临界应力 σcr =0.95厂的条件来确定的,通过限制板件宽厚比来间接控制板件屈曲,从而使局部屈曲不早于其它的破坏形式。

3.4.3强度、刚度计算

对于轴压构件和压弯构件其承载能力往往由稳定条件控制,但当构件的长细比较小,截面有一定的削弱,则有可能是强度控制。对于受弯构件, 则有可能是稳定控制,也有可能是强度控制。

对受弯、压弯和拉弯杆件进行强度计算时,可以考虑截面部分塑性发展,来确定构件的强度设计表达式,其塑性发展用塑性发展系数反映。对于单向拉弯和压弯构件的强度计算公式 :

σ = N/An 士 M/(γW n ) <= f="" (3.8)="" 双向拉弯和压弯构件的强度计算公式="">

σ =N/ An 士 M x /( γ x Wnx ) 士 M Y / (γ y Wmy )) M Y / (γ y Wmy )) (3.9) 单向受弯构件的强度计算公式 :

σ = M/( γ x Wn ) (3.10) 双向受弯构件的强度计算公式 :

σ = M x /( γ x Wnx ) 士 M Y / (γ y Wmy )) <= f(3.11)="" 轴心受力构件的强度计算公式="">

σ =N/ An <= f(3.12)="" 式中="" a="" n="">

W n W nx W my —验算点的净截面抵抗矩

N 一设计轴力

M M x M Y -一设计弯矩

γγ x γ y—截面塑性发展系数

轴压构件和压弯构件的正常使用极限状态用容许长细比控制,以保证构件的刚度。受弯构件比如 :梁,它的挠度不得超过容许值,来保证构件的刚度。

4 便携式折叠自行车受力性能分析

4.1运动性能分析

正常行驶时(脚用力时),前轮受力向后,后轮受力向前。推车前进时,前后轮受力都向后。滑行时,前后轮受力也都向后。自行车受力和摩擦力,当你骑行时候一般是前轮摩擦力向后,后轮摩擦力向前,当你靠惯性向前滑动时候,两轮摩擦力均向后,人坐在鞍坐上时候,对整体的车架有一个切向力,会使车架会有逆时针的旋向,这个受力会大部分分担于后车轮,这样就会对后车轮的强度要求就会很高,同时压着后车轮的旋转轴强度硬度都要提高,下管、链支受张应力,普通骑行时候,人只是主要克服转动部分的摩擦力以及胎地摩擦力,高速骑行时候主要克服气流阻力。自行车设计还需要满足各种不同运动方式的要求,比如越野车考虑轻量化和越野特性,公路车考虑轻量化和流线型,山地下坡考虑冲击强度和高避震性, 场地赛车除了流线型还省略了前后变速系统等以保持更轻更小阻力, 自由骑介于越野和下坡之特性。如果细细分析阻力的话,还必须考虑胎纹形状、轮胎大小即粗细、胎压高低、车架尺寸和高低、包括椭圆上管、滴水型上管、圆形下管、双椭圆下管、单座支或双座支、链座支形状、轮圈宽度大小形状、变径辐条、普通辐条、扁辐条、轮组辐条数目、前叉性质或形状、把立长度、把立角度、把横宽度、变速系统段数、制动方式、线拉制动、液压制动、轮缘制动、碟片制动、普通脚踏或 SPD 等等等等,所有一种微小的改变都会影响到整车的受力状况,另外自行车还必须与人成为一个系统,以区别每个人车系统的不同,这就必须看运动员的个子大小、体重、上下身体比例以便确定车架尺寸、座杆高低、把立长短、把横宽度、以及转管高度和把立角度,一般达到比赛级别的车,其运转阻力基本区别不会太大,运动员力量的完美发挥将是至关重要,所以车辆的设计基本要

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