主动扭矩平衡装置与减速器的集成设计

论文摘要

扭矩平衡是机械动力学研究的经典问题。现有的平衡方法主要为优化机构内部参数的被动平衡法和附加各种平衡构件的主动平衡法。这些方法中较为简单的如附加飞轮法,虽已在工程中广泛使用,但飞轮巨大的转动惯量会给机器的起动和制动带来额外的负担。而其它的一些方法虽能适当的改善这一问题,但却普遍不能根据工况的变化和工作机的改变进行相应的调整,且在结构上不方便实施,故较难在工业界推广应用。近年来提出的主动控制平衡法,是通过引入控制系统来实现机器的扭矩平衡,其在增加平衡效果的可控性和提高平衡装置的适应性方面都具有良好的作用。本文基于对已有平衡方法较难广泛使用的考虑,通过继承主动控制思想的优点,提出将主动扭矩平衡装置与机器必需部件减速器在结构与功能上集成为一体的新设计理念。此新思想的提出以期推动扭矩平衡技术的工程应用。本文首次提出将扭矩平衡功能与减速功能集成设计为一独立整体的设计思路,构建了相应的研究框架,并进行了深入的理论分析和系统的设计方法研究。根据扭矩平衡部件与减速部件的位置以及共用元件数量的不同,提出了四种集成度依次递进的新概念装置。此系列新型装置在结构上具有独立性,能方便地安装和拆卸,且可在不影响原机器运动特性的前提下实现扭矩平衡和减速的目的。首先提出输出轴式伺服差动轮系主动扭矩平衡装置(OATBD)。此装置由两自由度的差动轮系和提供可控功能的伺服电机组成,安装于工作机构的输出轴上。因其在结构上独立于减速器,故集成度为第一级,也即最低级。本文对此装置的设计理念进行了具体的描述；通过深入分析扭矩补偿原理,提出了独立设计伺服电机输入函数和集成设计差动轮系结构参数与伺服电机输入函数两种优化方法；采用学习控制算法进行了控制伺服电机实现扭矩波动补偿的仿真；建立了相应的设计步骤和流程,并通过算例对设计方案的可行性和设计方法的有效性进行了验证。然后提出输入轴式伺服差动轮系主动扭矩平衡装置(IATBD)。此装置也是由两自由度的差动轮系和提供可控功能的伺服电机组成,安装于工作机构的输入轴上。因其在结构上与减速器共用同一轴,故集成度为第二级。本文对此装置设计理念进行了具体的描述；通过分析扭矩补偿原理,提出了独立设计差动轮系结构参数、独立设计伺服电机输入函数以及集成设计结构参数与输入函数三种优化方法；采用学习控制算法进行了控制伺服电机实现扭矩波动补偿的仿真；建立了相应的设计步骤和流程,并通过算例对设计方案的可行性和设计方法的有效性进行了验证；完成了相应实验平台硬件部分的搭建和软件部分的初步调试。随后提出伺服差动轮系减速平衡集成装置(SDGT)。此装置由扭矩补偿单元和减速单元组成。其中,扭矩补偿单元是由差动轮系与伺服电机组成,用于实现扭矩平衡功能；减速单元是由两级行星齿轮传动组成,用于实现减速功能。因减速单元与扭矩补偿单元集成于同一独立整体中,故集成度为第三级。本文对此装置的设计理念进行了具体的描述；通过分析扭矩补偿单元的平衡原理,提出了独立设计差动轮系结构参数、独立设计伺服电机输入函数以及集成设计结构参数与输入函数三种优化方法；采用学习控制算法进行了控制伺服电机实现扭矩波动补偿的仿真；建立了相应的设计步骤和流程,通过算例对设计方案的可行性和设计方法的有效性进行了验证。最后提出非圆齿轮减速平衡集成装置(NGD)。此装置通过利用两对可产生变化传动比函数的非圆齿轮,将减速功能与扭矩平衡功能融合为一体,故其集成度为第四级,也即最高级。本文对此装置的设计理念进行了具体的描述；通过分析扭矩平衡原理,提出了独立设计两级非圆齿轮传动的传动比函数和集成设计非圆齿轮传动比函数与变速轴转动惯量两种优化方法；建立了相应的设计步骤和流程,通过算例对设计方案的可行性和设计方法的有效性进行了验证；完成了两对非圆齿轮的设计加工和整个装置的样机研制,并进行了初步的调试。与减速器类似,本文所提出的新型装置具有结构独立,安装拆卸方便的特点,且可在不影响机器正常工作的情况下平衡系统的扭矩,其中SDGT和NGD两种方案还可同时满足机器减速的需求。在此系列装置中,OATBD、IATBD和SDGT三种方案均引入了伺服控制系统,且都具有通用性,可实现扭矩波动的柔性补偿,当工作机发生改变或机器外部工况和内部参数发生变化时,所提出装置仍可主动地平衡机器的扭矩波动。NGD方案则是纯机械式的装置,可在满足机器减速比设计需求的同时,利用非圆齿轮传动所主动产生的转速波动效应来平衡机器的输入扭矩。综合而言,本论文提出一种新概念的集扭矩平衡功能与减速功能于一体的设计思想,并据此进行了系统的主动扭矩平衡装置与减速器集成设计研究,所提出的新型装置为推进扭矩平衡方法的工程应用提供了一个新的技术途径。

论文目录

• ACKNOWLEDGMENTS
• 中文摘要
• ABSTRACT
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• NOMENCLATURES
• LIST OF ABBREVIATIONS
• 1 INTRODUCT10N
• 1.1 Literature Review
• 1.1.1 Input Torque Balancing
• 1.1.2 Non一Circu1ar Gears
• 1.2 Motivation，Objeetive and Contribution
• 1.2.1 Motivation
• 1.2.2 Objective
• 1.2.3 Contributi0n
• 1.3 Outiine and Organization
• 1.3.1 Outiine
• 1.3.2 Organization
• 2 OUTPUT SHAFT TYPE ACTIVE TORQUE BALANCING DEVICE USNG SERVO一CONTROLLED DIFFER卫NTIAL GEARTRA1N
• 2.1 Configurati0n
• 2.2 Analytical P10cess
• 2.2.1 Input TorqueofthesystemwithoutOAI，BD
• 2.2.2 InPut Torque 0fthe System With OAT，BD
• 2.3 optimization Process
• 2.3.1 Input Function Design
• 2.3.2 Iniegrated Designof Structure Parametersand InPutFunetion
• 2.4 Leaming Cont10l
• 2.5 Design Examples
• 2.5.1 Example 1
• 2.5.2 Example 2
• 2.5.3 Example 3
• 2.6 Summary
• 3 NIPUT SHAFT TYPE ACTIVE TORQUE BALANCNIG DEVICE USNIG SERVO一CONTROLLED DIFFER五NTIAL GEAR TRAIN
• 3.1 Configuration
• 3.2 Analytical Process
• 3.2.1 InPut Torque of the System Without IATBD
• 3.2.2 InPut Torque 0fthe System With IATBD
• 3.3 Optimization P10cess
• eters Design'>3.3.1 StrUcture P^eters Design
• 3.3.2 InPut Function Design
• 3.3.3 Iniegrated Designof StructUxe Parametersand InPut Funetion
• 3.4 Learning Control
• 3.5 Design Exam Ples
• 3.5.1 Exam Ple1
• 3.5.2 Example2
• 3.5.3 Example3
• 3.5.4 Exam Ple4
• 3.6 Comparison of the OATBD and the IATBD
• 3.7 Stlnlrnary
• 4 SERVO一CONTORLLED DIFFERENTIAL GEAR TRAING TORQUE BALANCIN G AND SPEED REDUCTION
• 4.1 Configuration
• 4.2 Analytical Process
• 4.2.1 The SDGTWithoutthe Torque C0mpensation Unit
• 4.2.2 The SDGT With the Torque Com Pensation Unit
• 4.3 Optimization P10cess
• 4.3.1 Structure Parameters Design
• 4.3.2 InPut Function Design
• 4.3.3 Integrated Designof StructUre Parametersand InPut Funetion
• 4.4 Learlling Control
• 4.5 Design Examples
• 4.5.1 Example 1
• 4.5.2 Example2
• 4.5.3 Example3
• 4.6 Comparison of Differeni hitegrated StructUIes
• 4.7 Summary
• 5 NON-CIRCULAR GEAR DEVICE INTEGRATEING TORQUE BALANCINE AND SPEED REDUCTION
• 5.1 Configuration
• 5.2 Analytical Process
• 5.2.1 InPutTorqueofthesystemwithordinary Cireular Gear Redueer
• 5.2.2 Input Torque 0fthe System With NGD
• 5.3 Optimization Process
• 5.3.1 Transmission Function Design
• 5.3.2 Integrated Design of Transmission Funetion and Momeni of Inertia of the variable一sPeedshaft
• 5.4 Design Exaxnples
• 5.4.1 Example 1
• 5.4.2 Example 2
• 5.4.3 Example 3
• 5.4.4 Example 4
• 5.4.5 Example 5
• 5.4.6 Example 6
• 5.5 Comparisonofthe NGDandthe F1yWheel
• 5.5.1 Speed F1uctuation Parameter
• 5.5.2 Moment oflnertia0f F1ywheel
• 5.5.3 Comparative Example
• 5.6 Summary
• 6 PROTOTYPE
• 6.1 Prototype of NGD
• 6.1.1 Design Process 0fthe Tooth Profile
• 6.1.2 Design and MallufactUre 0fthe Non一Circular Gears
• 6.1.3 Manufacture 0fthe Prototype
• 6.2 Prototype of IATBD
• 6.2.1 Setup of the Hardware
• 6.2.2 Setup of the Software
• 6.3 Summary
• 7 CONCLUSIONS AND SUGGESTIONS
• 7.1 Conclusions and Diseussions
• 7.2 Suggestions and Future Work
• REFERENCES
• APPENDIX:EXTENDED ABSTRACT（in Chinese）
• CUIUUCULUM VITAE
• 作者简历
• 学位论文数据集