單前轉(zhuǎn)向輪擺振機(jī)理研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、擺振是輪子行走機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究的重要問題之一。本文從簡單的單轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)入手，建立不同復(fù)雜程度單轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)的線性與非線性動(dòng)力學(xué)模型；搭建了參數(shù)可調(diào)的單轉(zhuǎn)向輪擺振實(shí)驗(yàn)裝置，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型的有效性；應(yīng)用線性常微分方程穩(wěn)定性理論與非線性動(dòng)力學(xué)Hopf 分岔理論，研究轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)的穩(wěn)定性；提出了防范擺振的方法；對實(shí)際輪椅車轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；解決了杠桿驅(qū)動(dòng)式輪椅車轉(zhuǎn)向輪的擺振問題。主要研究內(nèi)容如下：
　?、艔膯巫杂啥绒D(zhuǎn)向

2、輪系統(tǒng)出發(fā)，分別探討了單自由度垂直旋轉(zhuǎn)樞軸、非垂直旋轉(zhuǎn)樞軸轉(zhuǎn)向輪動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與穩(wěn)定性；建立了單自由度、二自由度典型單轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)的線性動(dòng)力學(xué)模型，分析了系統(tǒng)中阻尼參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)、幾何參數(shù)與陀螺儀效應(yīng)對穩(wěn)定性的影響；基于線性穩(wěn)定性理論對單輪、雙輪、單自由度和二自由度典型單轉(zhuǎn)向輪動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析；并從頻域角度對擺振的機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的解釋。
　　⑵以杠桿驅(qū)動(dòng)式輪椅車的轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)為研究對象，將系統(tǒng)適當(dāng)簡化，利用分析力學(xué)方法，

3、建立了轉(zhuǎn)向輪三自由度非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型，以及分解的兩種二自由度和單自由度轉(zhuǎn)向輪動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型。討論了轉(zhuǎn)向輪動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中主要參數(shù)對其穩(wěn)定性的影響。
　　⑶搭建了可調(diào)節(jié)主要參數(shù)的轉(zhuǎn)向輪擺振實(shí)驗(yàn)裝置，構(gòu)造了一種全新的轉(zhuǎn)向輪擺振實(shí)驗(yàn)臺(tái)。此外，通過對三個(gè)自由度以及分解的二自由度和單自由度轉(zhuǎn)向輪擺振實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)研究，用來檢驗(yàn)理論上所建立的轉(zhuǎn)向輪非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型的可靠性。
　　⑷在二自由度轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用非線性動(dòng)

4、力學(xué)Hopf 分岔理論和常微分方程穩(wěn)定性理論，對二自由度有、無阻尼轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)的自激型擺振分岔特性進(jìn)行了分析。闡明了，轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)在一組特定的參數(shù)組合下，會(huì)表現(xiàn)出自激型擺振的性質(zhì)，即自激型擺振是一種非線性動(dòng)力學(xué)Hopf 分岔后出現(xiàn)的穩(wěn)定極限環(huán)振動(dòng)現(xiàn)象；通過對擺振振幅及擺振發(fā)生時(shí)的速度的分析表明，由于轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)中質(zhì)量參數(shù)、幾何參數(shù)及阻尼參數(shù)的改變，能夠引起轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化，間接影響了擺振振幅和頻率的變化，而擺振的強(qiáng)烈程度也反映了輪子行走

5、裝置的穩(wěn)定性。
　?、赏ㄟ^研究轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)參數(shù)變化對擺振的影響規(guī)律，提出了預(yù)防擺振的方法，獲得了幾條新的具有實(shí)用價(jià)值的結(jié)論。例如，通過增加拖距長度、合理的選擇質(zhì)量參數(shù)或者增加系統(tǒng)的阻尼都可以減小甚至消除擺振。利用遺傳優(yōu)化算法對輪椅車轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，針對實(shí)驗(yàn)研究的轉(zhuǎn)向輪擺振實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并采用增加阻尼軸承的方法改善實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)的穩(wěn)定性。應(yīng)用穩(wěn)定性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法和結(jié)論，解決杠桿驅(qū)動(dòng)式輪椅車轉(zhuǎn)向輪擺振問題。