開題報告本課題研究的目的、意義；20世紀(jì)90年代以來，中國的老齡化進(jìn)程加快。65歲及以上老年人口從1990年的6299萬增加到2000年的8811萬，占總?cè)丝诘谋壤?.57%上升為6.96%，目前中國人口已經(jīng)進(jìn)入老年型。性別間的死亡差異使女性老年人成為老年人口中的絕大多數(shù)。預(yù)計到2040年，65歲及以上老年人口占總?cè)丝诘谋壤龑⒊^20%。同時，老年人口高齡化趨勢日益明顯：80歲及以上高齡老人正以每年5%的速度增加，到2040年將增加到7400多萬人。

迅速發(fā)展的人口老齡化趨勢，與人口生育率和出生率下降，以及死亡率下降、預(yù)期壽命提高密切相關(guān)。目前中國的生育率已經(jīng)降到更替水平以下，人口預(yù)期壽命和死亡率也接近發(fā)達(dá)國家水平。隨著20世紀(jì)中期出生高峰的人口陸續(xù)進(jìn)入老年，可以預(yù)見，21世紀(jì)前期將是中國人口老齡化發(fā)展最快的時期。預(yù)估30年后，老年人口數(shù)量的占比將會高達(dá)34.9%，老年群體的人口數(shù)量增長很快，數(shù)量龐大。老年群體一大明顯的生理特點(diǎn)就是關(guān)節(jié)活動受限，無法完成長距離的行走，活動范圍受限，設(shè)計開發(fā)出一款可以幫助老年人行走的代步車在老齡產(chǎn)業(yè)中顯得十分必要。

由于汽車、摩托車等代步工具需要消耗燃油才能實現(xiàn)其功能，普遍存在著空氣污染和噪音等問題，隨著國際油價的不斷上漲，使機(jī)動車輛使用成本越來越高，另外隨著全球?qū)ζ嚺欧趴刂?、能源利用等問題的日益關(guān)注，清潔、環(huán)保、節(jié)能的新能源電動車已成為世界汽車工業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)。各種燃?xì)馄嚒㈦妱悠?、混合動力汽車技術(shù)在近幾年得到了快速發(fā)展。因此一種既有利于環(huán)境保護(hù)，而且可以減輕使用者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的新型的適宜的交通工具是人們普遍的愿望和需求2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；

由于能源短缺、環(huán)境污染和人口老齡化等問題的存在，世界上很多國家早已2開始了對老年代步車的研究。到目前為止，市場上出現(xiàn)了很多種類的老年代步車。按代步車的輪數(shù)分類，常見的有四輪和三輪代步車；按轉(zhuǎn)向形式分類，常見的有前輪轉(zhuǎn)向和后輪驅(qū)動差速轉(zhuǎn)向；按制動系統(tǒng)分類，可分為電磁制動、電子制動和機(jī)械制動三大類，現(xiàn)有代步車中帶有機(jī)械制動的較少；在近期，老年代步車的便攜性也被考慮到設(shè)計范圍內(nèi)，出現(xiàn)了可折疊和不可折疊以及快速拆裝式三類代步車，可折疊代步車又可分為自動折疊和手動折疊兩類。其中可折疊便攜式代步車更為人性化，可以在代步車不便行駛的場合，采用拖行或放置在汽車后備箱等運(yùn)輸空間內(nèi)的方式進(jìn)行運(yùn)輸，使得老年群體的活動空間可以得到進(jìn)一步的增大。并且現(xiàn)階段的該類成熟產(chǎn)品較少，具有研究意義。

老年代步車作為電動汽車的一個分支結(jié)構(gòu)，也伴隨電動汽車而迅速崛起，并取得長足的進(jìn)步。美國較高檔的老年代步車采用輪椅形式，配有電腦和機(jī)械雙重剎車系統(tǒng)，其易折疊、存放且轉(zhuǎn)彎半徑較小，乘坐舒適性較高。如：PrideJet3Scooters，InvacareProntoM51PowerWheelchair。法國的老年代步車起步較早，根據(jù)運(yùn)動和構(gòu)造方式不同，把電動代步車為A、B、C三類。A類為室內(nèi)使用，B類為室內(nèi)外兩用，C類為室外使用?，F(xiàn)在法國的老年代步車在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，安裝了支撐調(diào)節(jié)裝置，代步車可在長寬高三個方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且可以折疊，便于存放和攜帶。在操作控制方面引入智能操作系統(tǒng)，由傳感器、人機(jī)界面、控制主板組成，有手動、自動、半自動三種模式，方便操作。日本同中國一樣面臨老齡化的問題，因此老年代步車市場也比較廣闊。1994年雅馬哈公司首先推出商品名為"PAS0的電動自行車。1998年日本三洋電機(jī)公司成功開發(fā)了“塔溫帕特納”電動代步車，該車時速為6km/h，在平坦路面一次充電可連續(xù)行駛30公里，可以說是新型電動代步車的雛形。隨后幾年，日本在代步車的研發(fā)方面更側(cè)重從老年人的生理和心里特點(diǎn)出發(fā)，從環(huán)境安全角度出發(fā)，并借用汽車制造技術(shù)來設(shè)計老年代步車。老年代步車在日本發(fā)展很快，出現(xiàn)了種類繁多和功能各異的電動代步車。如便攜式電動代步車，太陽能電動代步車，越障四驅(qū)萬向電動代步車3.擬采取的研究路線針對老年人這一特殊群體，對便攜式代步車進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化。便攜式代步車有放置于汽車后備箱等云輸空間的需求，因此應(yīng)盡量減小其折疊后的尺寸，在實現(xiàn)折疊程度最高的情況下對折疊機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計是本文的關(guān)鍵問題之一。要滿足便攜式代步車的便攜性要求，整車的質(zhì)量應(yīng)在滿足剛度和強(qiáng)度的情況下最小，因此對折疊車架的靜力學(xué)分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計也是本文的關(guān)鍵問題之一。由于老年人具有腿部力量不足的特點(diǎn)，為了保證整車的安全性，制動機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)保持制動功能，制動機(jī)構(gòu)中的專用鎖緊裝置是實現(xiàn)保持制動功能的關(guān)鍵零部件，對鎖緊裝置進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化是本文的關(guān)鍵問題之一

本文根據(jù)實際項目需求對便攜代步車進(jìn)行了方案設(shè)計，基于多目標(biāo)優(yōu)化算法對折疊機(jī)構(gòu)采用的六連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了桿長優(yōu)化，得到了滿足折疊程度最大的最優(yōu)桿長尺寸；對折疊車架進(jìn)行了不同工況下的靜力學(xué)分析，針對折疊車架的多個特征尺寸，采用分步優(yōu)化的方式對折疊車架的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的質(zhì)量減輕；設(shè)計了代步車制動機(jī)構(gòu)中的鎖緊裝置，針對存在的沖擊問題，對鎖緊凸輪廓線進(jìn)行優(yōu)化，對優(yōu)化前后的鎖緊裝置進(jìn)行了運(yùn)動仿真分析并進(jìn)行了結(jié)果對比分析，優(yōu)化后加速度大幅減小，沖擊得到了改善4.進(jìn)度安排研究開發(fā)了一種面向老年人的便攜式代步車，對其中的折疊機(jī)構(gòu)和鎖緊裝置進(jìn)行了研究與優(yōu)化，本論文主要從以下幾個方面開展了工作：1）確定便攜式代步車的外形設(shè)計參數(shù)，對便攜式代步車的整體方案進(jìn)行選擇與確定。分別對便攜式代步車的折疊車架、折疊靠背、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動機(jī)構(gòu)進(jìn)行方案選擇以及初步結(jié)構(gòu)設(shè)計。2）對車架所用的六連桿折疊機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺寸綜合，為了滿足折疊程度最高的要求，建立了折疊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，通過對折疊機(jī)構(gòu)在折疊狀態(tài)和展開狀態(tài)的分析，確定優(yōu)化參數(shù)，運(yùn)用MATLAB軟件建立該優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的算法，求解出最10優(yōu)桿長尺寸。3）根據(jù)得到的最優(yōu)尺寸，經(jīng)圓整后建立折疊車架的三維模型，簡化該三維模型，基于AnsysWorkbench軟件對折疊車架進(jìn)行不同工況下的靜力學(xué)分析，根據(jù)分析結(jié)果可知折疊車架存在優(yōu)化空間，并基于遺傳算法對折疊車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后折疊車架質(zhì)量減輕。4）對鎖緊裝置進(jìn)行分析，對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真，根據(jù)解析法對鎖緊凸輪的理論廓線進(jìn)行優(yōu)化，對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真，分析對比優(yōu)化前后的仿真結(jié)果，凸輪機(jī)構(gòu)的沖擊得到改善，發(fā)現(xiàn)了該類鎖緊裝置存在的從動件運(yùn)動不確定的共性問題，并指出了出現(xiàn)運(yùn)動不確定現(xiàn)象的具體位置。5.文獻(xiàn)綜述隨著社會的不斷發(fā)展，人口老齡化的問題也隨之出現(xiàn)，并且越演越烈，同時，老年人對出行的要求也愈發(fā)高漲，應(yīng)運(yùn)而生的便是老年人代步車。由于國內(nèi)復(fù)雜的道路通行情況，老年人出行問題顯得尤其重要。一方面，國內(nèi)代步車受眾群體較大，我國60歲及以上的老年人已超過兩億；另一方面，國內(nèi)代步車質(zhì)量良莠不齊。雖然電動代步車出現(xiàn)在市場上在一定程度上緩解了老年人出行的壓力，但他們的里程少，沒有標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和完善的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得沒有足夠的安全性。另外，大多數(shù)代步車都沒有精確的模擬仿真，以上的因素導(dǎo)致了現(xiàn)有的代步車都無法更好的滿足老年人出行的要求。在過去的十多年里，外形酷似汽車、被譽(yù)為"老年人代步車"的低速電動車具有價格低、操作方便、駕駛"門檻低"等諸多消費(fèi)者優(yōu)勢，并已順利進(jìn)入中國許多城鄉(xiāng)區(qū)域中，為了我國人民早前的出行電動化作出了特別的貢獻(xiàn)。當(dāng)前來說，國內(nèi)的老年人代步車設(shè)計還處于起步階段，存在各種各樣的問題。比如，造型比較簡單，操作系統(tǒng)界面缺乏人性化，功能配置尚未完善；續(xù)航能力較弱，經(jīng)常因為電力不足而無法繼續(xù)使用；結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，行駛里程較短，穩(wěn)定性尚未足夠。老年人代步車在國外也依然存在，但是各自對它的稱呼皆有不同。在美國，老年人代步車只是簡單的定義為了“低速車輛”，在日本就稱呼這種代步車為“超小型交通工具”，在歐洲便叫“輕型四輪車”，雖然名字各有不同，但是都是一些行駛里程短，速度相對緩慢的車輛。國外代步車的數(shù)量普遍不多，但是這些國家都對這類代步工具做了一定的管理，如美國對老年人代步車的最高行駛速度建立限定標(biāo)準(zhǔn)以及明確規(guī)定準(zhǔn)入條件和產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)；歐盟和日本對代步車乘坐人數(shù)以及輸出功率有明確規(guī)定。在日本，也同樣有很出名的代步車。這是一部在早前開發(fā)的老年人代步車的基礎(chǔ)上研發(fā)出來的，靠燃料電車為主要的動力的電動輪椅。這是日本的鈴木公司研發(fā)出來的，該公司宣稱，這款代步車的設(shè)計會更加的人性化，讓使用者更加舒適，此外，這種電池也會比原本的鉛酸電池更加的耐用持久。隨著年齡的增長，身體各個部位的尺寸都會發(fā)生相對的變化，在設(shè)計便攜式代步車時，首先得著重設(shè)想老年人的身體需求，車輛車型的設(shè)計得讓老年人舒適和心情愉悅。老年人正坐時主要考慮尺寸有頸椎點(diǎn)高度，肘部高度，膝關(guān)節(jié)高度，臀寬和坐深。如圖2.1所示，頸椎點(diǎn)決定座椅靠背的高度，肘部高度決定座椅扶手的設(shè)計，膝高和坐深決定座椅的整體設(shè)計電動代步車由前輪、后輪、車架底板、座椅和車頭握把組成，通過市場調(diào)研，在進(jìn)行便攜式代步車的設(shè)計時采用分步設(shè)計，代步車整體可分為如下幾部分：驅(qū)動系統(tǒng)，折疊系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)采用的是輪轂電機(jī)。相對于其他電機(jī)，輪轂電機(jī)更加的環(huán)保和節(jié)能，這得益于輪轂電機(jī)不需要額外的傳動系統(tǒng)，最大幅度的減少了車輛整體的質(zhì)量，進(jìn)一步減少能耗，有利整體的空間布置，合理的確保了代步車驅(qū)動的靈活性，更大提高了操作的穩(wěn)定性。整車的靠背由兩個折疊機(jī)構(gòu)組成，為了提高便攜式代步車的舒適度整車靠背的角度可以自由調(diào)節(jié)，同時靠背也可以隨意折疊。整車的折疊車架包括前底盤，車輛握把部分以及座椅的拆卸折疊。整個折疊動作可以劃分為兩個步驟，第一個是整個車輛的折疊，第二個是靠背的折疊。整車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用握把式，這可以讓駕駛員覺得更加的舒適，明顯提高操作的靈敏度。老年人還可以通過旋轉(zhuǎn)前輪的角度對整車進(jìn)行控制，與以往的操作機(jī)構(gòu)比較而言這種轉(zhuǎn)向方式更加靈活。本文采用機(jī)構(gòu)組合這一方式對折疊車架進(jìn)行設(shè)計，來實現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動規(guī)律。本文通過四桿機(jī)構(gòu)以及凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)合來進(jìn)行便攜式代步車的折疊部分的設(shè)計，鑒于齒輪機(jī)構(gòu)的成本以及精度要求比較高，不對其加以考慮。因而本文主要采用的是四桿機(jī)構(gòu)。折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計過程如圖2.3所示，由座椅4，后底盤6，前底盤5組成。這種折疊方式結(jié)構(gòu)更為緊湊，能夠更好的利用空間電動式老年代步車除機(jī)構(gòu)設(shè)計之外，驅(qū)動部分的選擇也是老年電動車設(shè)計的的重點(diǎn)和難點(diǎn)。整車的驅(qū)動部分由電機(jī)和控制器兩部分組成。目前廣泛應(yīng)用于老年代步車的大多數(shù)為直流電機(jī)，其具有效率高、調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn)。而直流電動機(jī)又可以劃分為傳統(tǒng)的有刷電機(jī)和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)通過機(jī)械的方式交換相，機(jī)械部分存在著摩擦，這會大大的縮短電機(jī)的使用壽命。所以本文采用無刷直流電動機(jī)替代傳統(tǒng)的有刷電機(jī)，設(shè)計電動式老年代步車。其具有效率高、噪聲小和壽命長的優(yōu)點(diǎn)。由于無刷電機(jī)是一種非線性、變量之間相互耦合的系統(tǒng)，以往使用的PID控制已經(jīng)不能滿足使用要求，所以使用先進(jìn)的智能的控制算法已經(jīng)成為了一種趨勢。所以眾多科研人員將很對智能算法應(yīng)用于對電機(jī)的控制上，往往單一的控制算法不能夠滿足日常的使用要求，目前國內(nèi)的德州儀器公司推出C2000系類，相比于以往的控制方式，其結(jié)合了傳統(tǒng)控制方法的優(yōu)點(diǎn)，同時利用模糊控制規(guī)則對PID參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)整，可以充分的克服外界的干擾達(dá)到很好的控制效果。所以設(shè)計選用德州儀器公司推出的C2000系類。電動車的碟剎[14]，是通過上泵活塞擠壓制動液，制動液將壓力推動碟剎下泵的活塞，活塞推動剎車片“鉗緊”剎車碟片，從而達(dá)到制動的作用。碟剎并不同于杠桿式制動，而是采用液壓的原理，輸出的力足夠大，；所耗費(fèi)的力更小，因此哪怕老年人長時間握著握把也不會覺得很累；鼓剎經(jīng)常會因為輪胎發(fā)熱而發(fā)生爆炸事故（汽車就是一個例子，因而貨車需要滴水來降低剎車鼓剎的溫度），但碟剎不一樣，碟片接觸輪轂的程度很小，剎車導(dǎo)致的溫度升高也不會因此傳導(dǎo)過去輪轂，這對輪胎是一種很好的保護(hù)，況且碟片與外界空氣接觸面大，風(fēng)力也會對它的冷卻有效果……，綜上所述，碟剎是一個很好的制動方案。前輪還添加了制動防抱死系統(tǒng)（antilockbrakesystem）簡稱ABS[15]。ABS起作用的方式便是通過控制制動器的動力大小，防止車輪的抱死，旨在確保車輛輪胎與地面處于一種最大的附著力，以一種邊滾邊滑的狀態(tài)下進(jìn)行行駛。因此，ABS防抱死系統(tǒng)具有能夠避免在緊急剎車時車輪側(cè)滑以及方向難以控制、減少車輛的剎車損耗和延長車輛輪胎、輪轂等部件的使用壽命等優(yōu)點(diǎn)。便攜式代步車主要是以后輪驅(qū)動的，與一般電動車相同，這種電動車電瓶夠大，電機(jī)功率也足，動力很好，車速也很高。由于后輪是連接在車架上的，驅(qū)動時由車架受力。后輪驅(qū)動在電動代步車的電機(jī)功率足夠大的前提下驅(qū)動效率更高。并且后輪驅(qū)動力始終與車身一致，更穩(wěn)定。所參考用到的文獻(xiàn)有徐忠歌.老年代步車在我國的現(xiàn)狀及未來展望[J].湖北農(nóng)機(jī)化,2020(02):33.王凱.多用途代步車的情感化設(shè)計研究[D].長春工業(yè)大學(xué),2016.張立.便攜式代步車關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計與研究[D].湖北工業(yè)大學(xué),2019.冼力文.《中國成年人人體尺寸》標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用[J].中國標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)報,1994(06):22-23.章友京,劉琳,沙文瀚.電動汽車軸向輪轂電機(jī)的工作特性[J].時代汽車,2021(06):101-105.無為.握把式激光瞄具[J].輕兵器,2001(03):18.碟式剎車與鼓式剎車的差異等5篇[J].駕駛園,2003(1):43.張立,鄧援超,董陽,朱槐春.便攜式代步車折疊車架的輕量化設(shè)計[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2019,34(05):11-15.吳雙雙,徐偉.人體工程學(xué)在家具領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)據(jù)可視化分析[J].技術(shù)與創(chuàng)新管理,2021,42(01):64-68.張洪飛,閆守成.低速代步電動車驅(qū)動系統(tǒng)研究[J].汽車工業(yè)研究,2015(12):48-51.WeiXueli,vanderKampPeterH,ZhangDa-jun.Integrabilityofauto-B?cklundtransformationsandsolutionsofatorquedABSequation[J].CommunicationsinTheoreticalPhysics,2021,73(7).SeoyeonAhn,ChanhyukNam,SungjinChoi,DaekwonAn,IngiKim,KyungsooSeo,ChanghyunSohn.Astudyonsquealnoisereductionconsideringthepadshapeofthediscbrakesystemforurbanrailwayvehicles[J].JournalofMechanicalScienceandTechnology,2021(prepublish).WangYuan,YuanLiangxin,ChenHao,DuPeng,LianXiaomin.Acreepcontrolfordistributedrearwheeldrivebus[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,2020,234(14).6.外文翻譯將單目標(biāo)優(yōu)化方法與膠印機(jī)送紙系統(tǒng)凸輪從動件機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型相結(jié)合，提出了一種新的凸輪廓線設(shè)計與優(yōu)化方法。該方法主要包括從動件運(yùn)動特性的單目標(biāo)優(yōu)化和凸輪從動件機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型兩部分。第一部分用修正的梯形曲線描述從動件的加速度分布，分別推導(dǎo)了速度、沖動和位移函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，采用序列二次規(guī)劃（SQP）作為單目標(biāo)優(yōu)化算法，較好地處理了等式約束和不等式約束。第二部分建立了考慮夾持器扭轉(zhuǎn)柔度和阻尼、凸輪/滾子和夾持器/滑塊接觸柔度的兩自由度集中參數(shù)模型，研究了力封閉凸輪從動件機(jī)構(gòu)的動力學(xué)行為。為了綜合改善凸輪從動件機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性，引入了一個優(yōu)化循環(huán)迭代過程，實現(xiàn)了單目標(biāo)優(yōu)化和動態(tài)仿真的交替過程。文中給出的算例充分證明了新方法的有效性。最后，該方法為凸輪設(shè)計人員提供了設(shè)計和優(yōu)化凸輪廓線的有效工具，以減少殘余振動。凸輪從動件機(jī)構(gòu)要求以恒定的速度運(yùn)行以指定輸出運(yùn)動的變化，由于其運(yùn)動精確、設(shè)計簡單和相對較低的壽命成本，在機(jī)械工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1–3]。此外，凸輪從動件機(jī)構(gòu)最吸引人的特點(diǎn)之一是，它可以很容易地產(chǎn)生間歇運(yùn)動，在間歇運(yùn)動中，從動件在其循環(huán)的某些部分保持靜止[4]。由于凸輪輪廓應(yīng)用于輸送系統(tǒng)，稱為多停留曲線，通過確定開閉事件的時間來控制電樞的開閉位置。凸輪輪廓的幾何量，如位移、速度、加速度和沖擊，必須在精確時刻達(dá)到規(guī)定值。凸輪從動件機(jī)構(gòu)在高速膠印機(jī)傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得凸輪廓線的設(shè)計對高速膠印機(jī)的整體性能至關(guān)重要。凸輪設(shè)計與優(yōu)化中所采用的優(yōu)化方法主要包括凸輪輪廓的表示和優(yōu)化算法的選擇。事實上，有人建議用一些常規(guī)和發(fā)展曲線來表示凸輪設(shè)計中的凸輪輪廓，例如擺線曲線、修正正弦曲線、修正梯形曲線、多項式曲線和B樣條曲線[5–8]。一旦針對上述某種曲線生成輪廓，將檢查幾何特征和運(yùn)動特征的可行性，同時重復(fù)該過程，直到實現(xiàn)可行的設(shè)計。為了避免凸輪磨損和從動件跳動，F(xiàn)locker[9]提出了一種適用于單駐留凸輪從動件機(jī)構(gòu)的改進(jìn)梯形輪廓，使凸輪設(shè)計人員可以方便地選擇最大向前或最大向后加速度值。蔣等[10]提出了一種基于通用Hermite凸輪位移的組合優(yōu)化方法，在一定的速度范圍內(nèi)對高速凸輪從動件系統(tǒng)的振動進(jìn)行最小化和限制，形成了優(yōu)化問題的通用設(shè)計環(huán)境。Acharyya和Naskar[11]研究了分?jǐn)?shù)次多項式mod-trap樣條代替正弦加速度曲線，以最小化從動件沖擊和接觸應(yīng)力，并進(jìn)行了實驗分析，以驗證預(yù)測的加速度和沖擊峰值。另一方面，許多傳統(tǒng)的優(yōu)化算法和進(jìn)化優(yōu)化算法被研究者用于凸輪優(yōu)化設(shè)計。對于傳統(tǒng)的優(yōu)化算法，提出了黃金分割法[12]、拉格朗日乘子法[13]和克里格法[14]對凸輪廓線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。另外，近年來一些學(xué)者將研究熱點(diǎn)集中在遺傳算法[15]、粒子群算法[16]和多目標(biāo)優(yōu)化[17]上，稱為進(jìn)化優(yōu)化算法。Mermelstein和Acar[18]提出了一種基于分段多項式和重定義的二次規(guī)劃算法的凸輪廓線綜合方法，并對結(jié)果的有效性進(jìn)行了說明。以遺傳算法和模糊隸屬函數(shù)為基礎(chǔ)，采用6、7、8階經(jīng)典樣條和6、8階B樣條設(shè)計凸輪位移函數(shù)，使從動件的加速度和沖動最小[19]。作為開發(fā)新型凸輪驅(qū)動發(fā)動機(jī)的一項重要研究工作，應(yīng)用進(jìn)化多目標(biāo)優(yōu)化方法[20]研究了一個復(fù)雜的凸輪形狀優(yōu)化問題，優(yōu)化結(jié)果表明，與初始設(shè)計相比，進(jìn)化多目標(biāo)優(yōu)化方法顯著提高了發(fā)動機(jī)的整體性能。在高速凸輪從動件機(jī)構(gòu)中，凸輪廓線的運(yùn)動精度是影響整機(jī)性能的關(guān)鍵因素。幾十年來，人們提出了幾種方法[21–23]，通過減少從動件的非期望振動來改善凸輪從動件機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性。邱等[24]提出了一種通用的凸輪曲線優(yōu)化設(shè)計方法，包括分度凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型和動力學(xué)模型。Gatti和Mundo[25]通過建立四自由度動力學(xué)模型，對凸輪-從動件機(jī)構(gòu)中從動件振動的控制進(jìn)行了初步研究，該模型考慮了凸輪和凸輪軸的扭轉(zhuǎn)和平移柔性以及阻尼的重要影響。由于閉式凸輪機(jī)構(gòu)的動態(tài)效應(yīng)、間隙、制造誤差和裝配誤差等因素的影響，會產(chǎn)生從動件的跳動，因此，提出了一個三自由度動力學(xué)模型[26]，并利用一般廓線的赫茲理論研究了共軛凸輪廓線與從動件傳動系之間的過盈配合。Cardona等人[27]提出了一種自動保證位移函數(shù)連續(xù)性的程序，該程序采用非參數(shù)Bézier曲線，用于生成等寬凸輪輪廓。Zhou等人[28]提出了一種利用傅里葉級數(shù)對高速凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和分析的創(chuàng)新方法，數(shù)值結(jié)果表明該方法能有效地降低凸輪機(jī)構(gòu)的振動。Torrealba[29]發(fā)現(xiàn)了一種特殊的凸輪形狀，用于最大化新型可調(diào)柔順致動器的剛度變化范圍，該致動器采用差分進(jìn)化。迄今為止，將單目標(biāo)優(yōu)化方法與二自由度動力學(xué)模型統(tǒng)一起來，以改善凸輪從動件機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性的文獻(xiàn)很少。然而，凸輪從動件機(jī)構(gòu)的正、負(fù)加速度不合適會導(dǎo)致運(yùn)動不準(zhǔn)確和殘余振動嚴(yán)重，必須加以避免。因此，開發(fā)一種能夠解決這些問題的新方法對凸輪設(shè)計具有重要意義。將單目標(biāo)優(yōu)化方法與動力學(xué)模型相結(jié)合，提出了一種改善凸輪從動件機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性的新方法。此外，數(shù)值結(jié)果將在以下幾個方面進(jìn)行詳細(xì)說明：（i）從動件的運(yùn)動特性，（ii）振動對從動件位移、速度和加速度的影響，（iii）高速下原始優(yōu)化結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果的比較，剛度和阻尼對殘余振動的影響。為了描述數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化問題，考慮了偏置壓力機(jī)傳動系統(tǒng)中凸輪從動件機(jī)構(gòu)的CAD模型，如圖1（a）所示。實際上，圖1（b）所示的交付系統(tǒng)主要由凸輪、若干跟隨器（夾持桿）、導(dǎo)軌、兩個鏈輪、一個交付平臺和一個機(jī)架組成。如圖1（b）所示，凸輪用螺栓牢固固定在機(jī)架上，相反，從動件（夾持桿）以恒定速度在導(dǎo)軌上移動。輸送系統(tǒng)的典型工作流程如下：安裝在導(dǎo)軌上的鏈條由鏈輪驅(qū)動，同時稱為從動件的夾持桿沿導(dǎo)軌順時針方向移動，以完成收紙任務(wù)。當(dāng)夾持桿接觸凸輪時，打印色組的紙張被轉(zhuǎn)移到前者。最后，攜帶紙張的夾持桿保持移動到一定的位置，從而使紙張準(zhǔn)確地傳送到傳送平臺。如圖1（b）所示，凸輪用螺栓牢固固定在機(jī)架上，相反，從動件（夾持桿）以恒定速度在導(dǎo)軌上移動。輸送系統(tǒng)的典型工作流程如下：安裝在導(dǎo)軌上的鏈條由鏈輪驅(qū)動，同時稱為從動件的夾持桿沿導(dǎo)軌順時針方向移動，以完成收紙任務(wù)。當(dāng)夾持桿接觸凸輪時，打印色組的紙張被轉(zhuǎn)移到前者。最后，攜帶紙張的夾持桿保持移動到一定的位置，從而使紙張準(zhǔn)確地傳送到傳送平臺。夾具的開閉電樞位置由凸輪廓線控制，因此凸輪廓線的位移、速度、加速度和沖擊等運(yùn)動特性必須在開閉動作時達(dá)到規(guī)定值。然而，隨轉(zhuǎn)速的增加，從動件的振動增大，導(dǎo)致運(yùn)動不準(zhǔn)確，沖擊嚴(yán)重。另外，傳統(tǒng)的凸輪設(shè)計方法是一種試錯法，需要多次仿真，整個設(shè)計過程令人費(fèi)時費(fèi)力。因此，有必要發(fā)展一種優(yōu)化設(shè)計方法來確定最合適的凸輪廓線，以消除從動件跳變，以及減少殘余振動的峰值。為此，本文應(yīng)討論兩個主要問題：（1）凸輪輪廓的適當(dāng)表示(2）凸輪從動件機(jī)構(gòu)的動力學(xué)建模。接下來，我們將對上述兩大問題進(jìn)行詳細(xì)說明。文獻(xiàn)[7]指出，許多已知的曲線，如擺線運(yùn)動和簡諧運(yùn)動，只適用于低速凸輪從動件機(jī)構(gòu)，其動力學(xué)效應(yīng)可以忽略不計。然而，高速列車確實存在著較為復(fù)雜的動力學(xué)行為，在低速時明顯偏離了預(yù)定的運(yùn)動方向。據(jù)報道，[30]具有可調(diào)向前和向后加速度的改進(jìn)梯形凸輪輪廓特別適合于多停留凸輪和從動件應(yīng)用。此外，改進(jìn)型梯形凸輪廓線的一個顯著特點(diǎn)是設(shè)計簡單，制造方便。[31]由于修正梯形加速度曲線的最大值較低，斜率有限，因此它是一種很好的高速動作停升停降曲線。本文根據(jù)實際情況，采用了一種改進(jìn)的梯形曲線來表示從動件的加速度分布。正如多停留應(yīng)用中的習(xí)慣，只考慮下降部分，上升函數(shù)只是反向運(yùn)行的下降函數(shù)。另外，對于周期的下降段，足夠大的負(fù)加速度更容易導(dǎo)致跟隨跳躍，因此下降段成為研究的對象。在不喪失通用性的情況下，需要根據(jù)許多參數(shù)來定義加速度分布，以簡化設(shè)計過程，稱為歸一化參數(shù)。如上所述，從動件運(yùn)動曲線可以寫成其中t和th分別表示時間和參考時間。這個ψ以及ψH分別輸入從動件的擺角和總擺角。歸一化形式的時間、角位移、角速度、角加速度和角加速度分別表示為T、S（T）、V（T）、a（T）和J（T）。根據(jù)圖1，t表示滾子和凸輪的接觸時間，ψhre表示從動件上下停留部分的擺動角度。如圖2所示，應(yīng)用歸一化形式的修正梯形曲線來表示從動件加速度剖面的下降部分，并且相應(yīng)的函數(shù)可以描述為其中a1表示負(fù)加速度的振幅，a2表示正加速度的振幅。歸一化加速度曲線有8個節(jié)點(diǎn)（Ti，i=0,1，···7），將加速度函數(shù)分成7個部分。曲線上的時間間隔控制加速度從負(fù)向正的轉(zhuǎn)換速度，反之亦然為了簡化歸一化加速度函數(shù)的表達(dá)式，定義了與時間間隔相連的兩個中間變量將式（3）代入式（2），則不同形式的從動件角加速度函數(shù)可表示為通過微分方程（4）得到描述歸一化角沖動的方程，并由下式給出實際上，從動件V（T）的角速度函數(shù)是通過積分加速度函數(shù)得到的，歸一化角速度可以描述為式中，Ci（i=1,2，···7）表示角速度的積分系數(shù)同樣，從動件角位移S（T）由速度積分確定，歸一化位移可表示為其中Bi（i=1,2，···7）表示角位移的積分系數(shù)。要定義多個靜止輸出運(yùn)動，必須在輸出運(yùn)動曲線的初始節(jié)點(diǎn)和終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)處指定運(yùn)動約束。一些學(xué)者[10]認(rèn)為，對于高速凸輪從動件機(jī)構(gòu)的低殘余振動要求，速度連續(xù)性邊界條件是不必要的。因此，確定速度和位移函數(shù)所需的邊界條件如下：在運(yùn)動曲線（2）的初始節(jié)點(diǎn)處，在運(yùn)動曲線的終端節(jié)點(diǎn)處TSV=1，（1）=0，（1）=0除上述特殊邊界條件外，速度V（T）和位移S（T）在6節(jié)（Ti，i=1,2，··6）中的連續(xù)性條件也滿足要求。除上述特殊邊界條件外，速度V（T）和位移S（T）在6節(jié)（Ti，i=1,2，··6）中的連續(xù)性條件也滿足要求。在本節(jié)中，選擇了一條修正的梯形曲線來表示從動件加速度剖面的下降部分，然而，這并不是加速度函數(shù)的唯一選擇。為了滿足設(shè)計要求，凸輪設(shè)計人員可以選擇性能優(yōu)良的功能代替上述的加速功能。以往，絕大多數(shù)凸輪從動件機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型都被視為一個單自由度平移模型。然而，本文中等效質(zhì)量和剛度的計算過于繁瑣，而平移動力學(xué)模型不能揭示擺動從動件扭轉(zhuǎn)振動的本質(zhì)特征。為了說明加速度廓線的實用性，為優(yōu)化提供指導(dǎo)，引入了一個兩自由度扭轉(zhuǎn)模型，如圖3所示，描述了力閉凸輪從動件機(jī)構(gòu)在偏置壓力機(jī)輸送系統(tǒng)中的動態(tài)行為。集中參數(shù)模型在許多方面考慮到了重要影響，例如套筒和夾持器的扭轉(zhuǎn)柔韌性和阻尼、凸輪/滾子和夾持器/塊接口處的接觸柔順性、回位彈簧（扭桿彈簧）和預(yù)緊力以及機(jī)械部件的質(zhì)量和慣性。凸輪/滾柱接口接頭為在下降部分由回位彈簧保持，但如果負(fù)加速度足夠大，接口接頭分離，導(dǎo)致不良現(xiàn)象，稱為隨動件跳躍，或就夾持桿而言，夾持器打開。為了避免凸輪從動件機(jī)構(gòu)的不良振動，有必要建立精確的動力學(xué)模型來預(yù)測凸輪從動件機(jī)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)。圖3所示的兩自由度集總參數(shù)模型可由以下運(yùn)動微分方程表示其中，J1和J2分別表示夾持器和從動件的等效慣性矩。C1表示夾持器與缸體之間的等效粘性阻尼，C2表示夾持器與套筒之間的等效粘性阻尼，C3表示扭桿彈簧的等效粘性阻尼。K1表示夾持器與缸體之間的等效扭轉(zhuǎn)剛度，K2表示夾持器與套筒之間的等效扭轉(zhuǎn)剛度，k3表示扭桿彈簧的等效扭轉(zhuǎn)剛度。如圖4所示，夾持器和塊之間的接觸剛度實際上是分段函數(shù)。當(dāng)夾持器與塊體分離時，接觸剛度等于零，但如果夾持器接觸塊體，則接觸剛度被人為設(shè)置為恒定值。夾持器和擋塊之間的等效接觸剛度可計算為其中ft1表示夾持器和滑塊之間的接觸力，lt1表示套筒中心和接觸點(diǎn)之間的距離。αT1和δT1分別表示相對角和角變形。實際上，我們利用ANSYS軟件對有限元模型[32]進(jìn)行分析，得到了接觸剛度。等效接觸剛度kt1表示抗夾持器和塊之間的接觸變形的能力，與殘余振動和接觸力有關(guān)。等效扭轉(zhuǎn)剛度k2也是一個分段函數(shù)。實際上，螺旋彈簧的剛度和初始長度分別為ksh0和H0。套筒中心和螺旋彈簧之間的距離為ds。為了計算等效扭轉(zhuǎn)剛度k2，作了如下假設(shè)：（i）當(dāng)彈簧力達(dá)到Fs時，彈簧的長度、扭轉(zhuǎn)角和扭矩分別表示為Rs，δ砂Mds(ii）當(dāng)彈簧力變?yōu)镕*s時，彈簧長度、扭轉(zhuǎn)角和彈簧扭矩分別表示為R*s，δ*砂M*ds。螺旋彈簧的等效扭轉(zhuǎn)剛度ks2可定義為其中Ra和Rt表示固定長度，如圖4所示。等效扭轉(zhuǎn)剛度ks2表示提供螺旋彈簧預(yù)緊力的能力。其中ft2表示蓋柱和套筒之間的接觸力，lt2表示套筒中心和接觸點(diǎn)之間的距離。αt2和δt2分別表示相對角和角變形。等效接觸剛度kt2表示微調(diào)接觸力Ft1的能力。式中aris為帽柱半徑，d為埋深。E和Es分別表示帽柱和套筒的彈性模量。ν潘德ν分別記錄帽柱和套管的泊松比。除赫茲接觸理論外，Greenwood&Williamson[34]的線接觸理論還考慮了粗糙表面，可以用來評價接觸問題。一般情況下，凸輪從動件機(jī)構(gòu)的運(yùn)動行為通常采用最大位移、最大速度、最大加速度和最大脈動。根據(jù)[30]，選擇上述最大歸一化角加速度Amax作為目標(biāo)函數(shù)，歸一化時間Ti（i=1,2，···6）作為設(shè)計變量。此外，由于空間有限，一個完整的約束列表是不可行的，在[32]中可以找到等式約束和不等式約束的細(xì)節(jié)，如geomtrcandkinematicquireentsforhepr。為了減少工作量，提高效率，采用了一種比較實用的SQP[36]技術(shù)，該技術(shù)處理了等式約束和不等式約束，實現(xiàn)了優(yōu)化過程。由于圖2所示的歸一化加速度函數(shù)由粘貼在一起的七個獨(dú)立區(qū)域組成，因此它們的計算最適合于方程求解程序，例如二次規(guī)劃算法。為了最大限度地利用優(yōu)化算法和數(shù)學(xué)建模的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種自動實現(xiàn)