Google+ 機動學論壇(TALKING MECHANISMS): 劉昶志
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2007年6月16日 星期六

油壓傳動車

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b94611005劉昶志
在尋找有關傳動系統的資料時,發現了一篇有趣的資料,它是在說過去機械式的傳動系統,可以以油壓的系統來取代,這篇文章好像應該在油氣壓的課提出,不過看到許多人有張貼這過去傳動系統的資料,就忍不住想將這個可能是未來新趨勢的設計想法給大家看看。

它是運用內燃機以穩定的方式產生能量,有別於過去的系統因車速的不同而造成內燃機在效能上的大打折扣,以穩定的能量產生高壓油,再由油壓系統來控制速度,這除了可以讓內燃機穩定運作的好處外,它在煞車時,也可以將能量重新存回油流中,整體能源的運用效能提升許多,尤其是針對在市區行駛,常要走走停停的車輛來說。


這項技術與汽電混合動力皆無法完全解決石化能源日漸枯竭與汙染問題,不過在其他如氫動力或是太陽能技術尚未純熟時,這不失為過渡時期的一項選擇。

以下為網路上的原文:

新的汽車環保選擇-油壓傳動車

國際油價飆漲,加上京都議定書正式生效,節能、環保是最近當紅的議題。就汽車科技的發展來說,內燃機引擎走入歷史,改採電能,甚至氫能源,應該是必然的趨勢。

然而您也知道,電動車在實用上仍然有許多缺點,像是充電慢、續航力差,消費者的接受度一直很低。所謂「油電混合動力車 (gas-electric hybrid vehicle)」則被視為內燃機引擎車進化到完全電動車之前的過渡技術,車上同時具有內燃機引擎和電瓶、電動馬達兩種動力源,起動及低速行駛時使用電力驅動,長途、高速巡航時則使用汽油引擎輔助,引擎還可以為電瓶充電。

這幾年來油電混合動力車似乎成為各大汽車公司研發競爭的熱點,而且成果早已不只是概念車、原型車之類的,本田的 Civic Hybrid四門轎車、豐田的Prius 四門轎車、福特也推出Escape Hybrid 休旅車,在市場都有非常好的反應,銷售都是以十萬輛計算,已經是實用、商品化的技術。

噢,這個月的史丹福專欄不是要談油電混合動力車。二月中在紐約時報看到一條汽車相關新聞,頗引起我的注意,油電混合動力車似乎有個新對手了。美國環保署和聯合包裹服務公司(就是大家熟悉的 UPS啦!)二月份宣布一項合作研究計畫,發展一種新型的「油壓傳動 (hydraulic transmission)車」,可以大幅節省油耗並且降低污染。

油壓傳動?像是自動排檔傳動系統嗎?

不不不,「油壓傳動」這個詞有點兒誤導,重點不在排檔系統,重點在於內燃機引擎的動力不是由機械方式驅動車輪,而是透過油壓系統驅動車輪。

您熟不熟悉一般的油壓系統或氣壓系統?以油壓系統、像是您在馬路上常看到的怪手為例,怪手的動作都是靠油壓缸內的液壓油推動活塞伸長縮短來達成,油壓系統的動力源也是怪手車上的引擎,然而引擎並不直接驅動怪手的油壓缸,而是對液壓油加壓,將能量儲存在高壓的液壓油中,經過管路和各種控制閥,再用來推動怪手的油壓缸。高壓液壓油做完「功」,釋放了所儲存的能量,又成為低壓液壓油,流回儲油槽中,等待再次循環加壓。

同樣道理,美國環保署要發展的這種「油壓傳動車」也有一具內燃機引擎,但是引擎的動力並不直接用來驅動車輪,而是用來建立並且維持液壓油的高壓,將能量輸入、儲存在高壓的液壓油中。高壓的液壓油推動一個渦輪,產生旋轉動力,才用來驅動車輪。

Mmmm,這個概念有點兒像油電混合動力車,卻又不完全一樣。油電混合動力車中內燃機引擎和電動馬達基本上還是兩個獨立的動力系統,在不同的駕駛狀況下兩個動力系統互相補償。油壓傳動車則是一套動力系統,只是內燃機引擎不直接驅動車輪,而是透過油壓系統作能量轉換與傳遞。

多一個油壓系統在中間有什麼好處呢?內燃機引擎在起步、低轉速時最沒有效率,也最容易造成污染(因此油電混合動力車起動及低速行駛時使用電力驅動),然而在中高轉速定速運轉的話,還是能有很好的效率(像在高速公路定速巡航會非常省油)。內燃機引擎直接驅動車輪,一定免不了停停走走、引擎轉速忽快忽慢,油壓傳動車的想法,就是讓內燃機引擎「任務單純化」,只是在對油槽中的液壓油加壓,引擎便能一直保持以定速運轉,停停走走的路況就完全交由油壓系統來負責。

在這個計畫中UPS 成為美國環保署的合作伙伴,最主要的原因就是UPS 有一大批您所熟悉的棕色送件車,在全世界的道路上跑,而這些送件車最典型的駕駛狀況,您可以想像,就是停停走走到處送東西,最符合油壓傳動車所設定的改進方向。除了UPS 外,美國陸軍也是這項計畫的贊助者之一(不知道是不是要把這項技術用在坦克車、裝甲車上)。

目前這項計畫正在著手改裝UPS 的棕色送件車,拆掉原有機械式傳動,改成一系列油槽和油壓傳動,以高壓油儲存及傳輸能量。美國本土的UPS 大型棕色送件車上裝的是一具標準的6.0升柴油引擎,改裝成油壓傳動後柴油引擎將會維持定速運轉,用來產生 5000psi的高壓液壓油。一個大氣壓是14.7psi ,5000psi是340 大氣壓,可是非常高的壓力,如此高壓的液壓油會驅動一個渦輪,產生的旋轉扭矩足以驅動UPS大型棕色送件車的車輪。這種傳動方式初期測試結果顯示,燃料效率提升 60%到70% 。

小引擎、汽油引擎也同樣能使用這項技術,能用在更省油的小型車上,不過這個系統比較合適在停停走走的送件車上,如果是經常以巡航速度長途行駛的車子,引擎大部分時間已經維持中高速定速運轉了,油壓傳動車隊燃料效率的提升可能就沒那麼大。

油壓傳動車另外一個系統省油的方法,是將能量流向倒轉,當車子減速煞車時,反而是用車輪反相帶動渦輪旋轉,提高液壓油的壓力,把能量存回液壓油。這種由煞車重新回存能量的方式,也常被應用在汽油電力混和車,像是 Toyota Prius就有這種設計。但是在電力系統中電瓶無法在煞車瞬間如此快速充電,因此大部分的能量沒有辦法被重新回存,只能回收 35~40%左右,然而在液壓系統中便沒有這個問題,大約可以把四分之三的煞車能量回收回來。

除了降低油耗外,您常看到卡車開始起步時,柴油引擎在低轉速、高扭力運轉時會冒黑煙。但是在油壓傳動車柴油引擎是以中高轉速定速運轉,污染控制裝置也可以調整在此轉速時作最佳操作

油壓傳動車這個初步發展成果,讓美國環保署和其他研究計畫贊助者都興奮不已,急著要作世界性的展示。美國環保署擁有這項技術好幾項專利,他們認為這項研究極具潛力,可能帶來巨大的環境利益,不但降低汽車油耗及二氧化碳排放,廢氣排放也有可能大幅降低。 UPS之類的計畫贊助者則是從商業利益的角度來看這件事。油電混合動力車有兩個不同的動力系統,額外增加的電力驅動系統讓汽車製造成本要增加好幾千元美金。油壓傳動車只有一個傳動系統,油壓系統完全取代了機械式的傳動系統,因此預估成本的提升比油電混合動力車要低,系統也簡單許多。像是 UPS這部油壓傳動車如果量產的話,美國環保署估計每部汽車的成本將增加美金 5000元,但是同時每年省下的柴油燃料成本估計在美金2500 元。

將油壓系統用在汽車傳動上,也不是第一次被提出,福特汽車公司 2001年便曾宣布和美國環保署合作進行油壓傳動車開發計畫,當時預計應用在SUV 上,並且具體規劃了開發時程,宣稱將在2010年以前推出量產車。不過福特這項油壓傳動車開發計畫似乎沒有繼續,而被汽油電力混和車取代了。紐約時報的新聞中,也提到一位住在曼婓斯的獨立發明家,也有一個發明作品,將一部小卡車改裝成油壓傳動車,使用一具不到一百匹馬力的船用柴油引擎,每加侖柴油可以跑上 100英里,而且報導中說加速性還不錯哩!

在學校教機械設計的課,剛好上到油氣壓系統應用這一段。不管油壓傳動車最後未來如何,也許只是成千上萬最後沒被實現的「研究計畫」之一,這中間也沒有很炫的科技,不過的確是個很好的概念,下禮拜上課時又多個例子可以提一提…

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肘節機構

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b94611005 劉昶志
連桿那章,我們都學到「肘節機構」,它是一個可以運用較小的力,來產生一個大的作用力的機構,也就是一種省力的機構。在網路上閱讀到一篇文章,它是利用此機構的特性,結合油壓的運用,設計出一組機具,用來處理製作模具中「合模」的步驟。

文中設計出兩種肘節機構,第一種是比較基本的,就是一組連桿,油壓裝置直接由中間位置,以油壓桿施加外力,感覺設計沒有很精良,第二種看起來就比較有可行性,由兩組肘節機構構成,油壓缸的桿頭同時連接兩組機構,感覺起來機構在運作時會比較穩定,模具在成形過程中的受力也會比較均勻。


文章將此設計與沒有肘節機構的「直壓式合模裝置」做比較,發現加入肘節機構的設計,其運轉成本明顯較低,不過其運轉的調整〈如速度等〉就較為麻煩。

以下為原文,供大家做個參考:

合模裝置除了用以開閉模具外,最主要是用以對抗射出於模內之熔融材料的高壓力,以充分的強力閉鎖。

1-3.1 直壓式合模裝置
1.升壓滑塊式
此形式是最常用的射出成形機合模裝置,如圖1.12所示 ,其固定於合模缸底部的細徑升壓滑塊插入合模滑塊,使模具的開閉高速化。

圖1.12升壓滑塊式合模裝置


升壓滑塊裝置的作用,如圖1.13
所示,因(a)為開模狀態,合模滑塊在後退位置,自動控制閥(可自動吸入排出)閉住,如圖(b)箭頭所示,經升壓滑塊中央的貫通孔供給高壓油,則合模滑塊以高速前進,開始閉模。此時,自動控制閥開著,隨著合模滑塊前進生成的缸內空間都吸入油。合模滑塊再前售而將閉模之前,如圖(b)所示,閉住自動控制閥,來自油壓泵的高壓油流入。合模滑塊變低速前進,徐徐閉模,再以高壓合模。
開閉模具的速度變換是藉著隨合模滑塊移動的控制桿的擋塊使限制開關作動,以控制閥變換油壓回路。

圖1.13升壓滑塊式合模裝置作用

2.補助缸式
補助缸式合模裝置,如圖1.14所示,合模滑塊兩側設有二組補助缸,使模具的開閉高速化。

圖1.14補助缸式合模裝置


在閉模行程,先將高壓油送到補助缸,使連結於此的成形機可動盤高速前進而開始閉模,此時,油壓.淮醣過自動控制閥,從油槽流入合模缸內。在即將閉模終了之前,受換油壓油的流路,使高壓油送往合模缸,則模具以抵速閉合,再高壓施加於合模缸及二組補助滑塊的全面積,模具以高壓合模。在此形式合模裝置中,合模消塊如圖所示,成為單動形,以補助缸進行開模行程的動作。
3.增壓缸式
增壓缸式合模裝置如圖1.15所示,由串列約二組油壓缸裝置而成,閉模時,先將油壓油送往合模缸,藉合模滑塊以低壓閉模,其次將高壓油送往增壓缸,藉增壓滑塊的作用,增大合模缸內的油壓,以高壓合模。

圖1.15增壓缸式合模裝置


1-3.2肘節式合模裝置
1.肘節裝置的作用
肘節式合模裝置是以肘節接頭將油壓缸或電動機產生的力放大,使合模力增大,如圖1.16所示 。

圖1.16肘節式合模裝置

肘節機構中,力的放大率與速度因連桿位置而大有變化,在閉模行程的最初階段,力的放大率小而速度快,接近閉模行程終了時,力的放大率大而速度慢。在肘節連桿將近完全伸直之前,發生很大約合模力,如圖1.17所示。

圖1.17肘節式合模裝置原理

但是,連桿若在末合模完成時就已100%伸長,則無合模壓力的產生。所以在肘節連桿100%伸直之前約數mm~數分之一mm閉合模子,則在連桿充份伸直時,相對拉張繫桿,藉繫桿伸長發生的彈性力來合模。如圖1.18所示為肘節連桿的行程與合模力的關係。

圖1.18肘節連桿的行程與合模力的關係


肘節式合模裝置的基本形式有一組肘節連桿構成的單連桿肘節式合模裝置,如圖1.19所示。

圖1.19單連桿肘節式合模裝置

亦有由二組肘節連桿所構成的雙連桿肘節式合模裝置,如圖1.20所示。前者隨肘節連桿的移動,油壓缸進行擺動,適合於小型成形機。

圖1.20雙連桿肘節式合模裝置


2.模厚調整方法
(1) 用繫桿螺帽的方法
組合齒輪或鏈條等,使合模繫桿的四個螺帽運動,同時移動相同的行程。也有的利用手把來調整模厚的方法,如圖1.21
所示。不過,通常以電動機驅動,連預先設定的位置後自動停止。

圖1.21合模力及模厚調整方法

(2)用中央螺絲的方法
如圖1.22
之虛線圓所示,在成形機可動盤與肘節連桿之間,另有一吋節板,以中心部的大螺絲(中央螺絲)直接連結於肘節板與可動盤。在調整模厚時,以手動或電動旋轉中央螺絲的大螺帽部來調整肘節伸長時的可動盤位置以調整模厚。

圖1.22利用中央螺絲的肘節機構之模厚調整裝置


3.肘節式合模裝置的特色
肘節式合模裝置須依模厚來調整,但油壓裝置比直壓式合模裝置小型化且運轉成本低。表1.2
為直壓式與肘節式合模裝置的比較。

表1.2為直壓式與肘節式合模裝置的比較

1-3.3 肘節直壓式合模裝置
肘節直壓式合模裝置是組合肘節機構與直壓式合模缸裝置,外觀為肘節式的一種,但合模力的發生方式接近於直壓式。其動作是肘節機構使模具的開閉高速化,而直壓式合模缸產生合模力,容易調整模厚與調整合模力。 圖1.23所示為肘節直壓式合模裝置,合模缸裝入可動盤,在圖1.24中,肘節機構承盤直接連結於合模缸的滑塊。這些裝置在肘節連桿100%伸直後,合模缸作動,發生合模力。

圖1.23肘節直壓式合模裝置

圖1.24肘節直壓式合模裝置


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2007年6月14日 星期四

Stewart-Platform平台(劉智鴻介紹過)

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b94611005 劉昶志
在尋找萬向接頭相關資料時,無意間發現了這個東西─「史都華平台」了解到這個機構其功能非常強大,運用層面廣泛,其中非常具前景的機器人科學許多的設計上也是運用它 ,提供以下資料給大家做個參考
Stewart-Platform
基本原理

史都華平台為一封閉式工作平台,其由一固定的底板 ( base ) ,接有六個 joints 可動板上也有六個 joints ,而六個可變桿長之桿子,上接在一可動板之 joints ,下接板上之 joints ,而由六個桿長的變化此結構,史都華平台擁有可操作的六個自由度,適合高精密度或 3D 曲面的加工。

史都華平台每一根桿子都是二力構件,只承受軸向力(張力或壓力),比起傳統懸臂樑之結構剛性高。

而由於史都華平台的可動板是由六根腳(即桿子)支撐,所以工具機業叫它做「六足 (HEXPOD) 工具機」,另外因為其並聯式的結構,在機械人學中把史都華定位平台叫做「並聯式機械人」


Stewart Platform 發展史

1948 年法國人 V.E.Gough 首創史都華平台,用於輪胎的測試。

1965年史都華氏發表並聯式六軸機械人的設計,並用來製作飛行模擬器後,史都華平台逐漸成為飛行模擬器之標準機構。

1979年 MacCallion 根據史都華平臺機構設計出第一架作為機械手臂的並聯式機械人,將其應用在自動化裝配上。從此以後史都華平臺機構又稱並聯式機械人。

1983年Hunt提出另一類型的並聯式六軸機械人,並首度對並聯式機械人展開系統性的機構學分析。此後,從實用觀點著眼的研究人員,利用美國的太空計畫與尖端醫療技術研究的經費,為這型機構在90年代急速地開發出相當廣泛的應用領域:車輛模擬定位平台,主動式防振平台、自動組裝、精密定位╱指向、手術機械人、自動塗裝等。

但是,由於該機構為具有六個自由度的空間機構,分析困難,因此機構學界對該機構的研究進展一直相當有限。

直到法國國家科學院的J. P. Merlet 博士從1985年引入幾何學分析法後,奇異行為、工作空間與順向運動學等研究才開始順利展開。

不過,1985-1994年間,學界(以J. P. Merlet博士為主)對該平臺機構的興趣主要在於特殊用途的平行式機械人。

1994年英國 Geodetic 公司在芝加哥工具機展展出 HEXAPOD 五軸加工機(由史都華平臺機構提供三個平移自由度,外加五軸頭提供兩個旋轉自由度),美國Giddings & Lewis 公司也同時展出 Variax 三軸工具機。於是史都華平臺機構一實在工具機業聲名大噪。

次年(1995年)Machinery 雜誌元月號兩篇專文介紹 HAXEPOD 工具機,標題是「Machines for the 21st centry」。工具機業對 HAXEPOD 工具機的狂熱,可以從德國 Fraunhofer IWU 的研究群的下述結論清楚看出來[22]:未來模具工業需要大量高精度(精度50微米以內),高切削速度(1000 M/min),高進給(5 - 10M/min)的自由曲面加工,這些工件必須用五軸加工機進行加工才符合經濟原則。


Stewart Platform 的各種應用案例


由於史都華定位平台其高精密度、高剛性、相對體積較小的特性,其應用範圍也極為廣泛,如

飛行模擬訓練器 旋轉運動
電動玩具 旋轉運動
銑床、鑽床、立式與臥式三軸切削中心 平移運動
天文台觀測平台的結構應用
力與力距量測儀 風動測試
機械起重機 由於其二力構件的特性,可用來作需要高剛性的起重機
快速成型機 由於其能夠在高加速的情況下提供高精度,可降低開發的時間
輪胎測試 旋轉及平移運動
坦克車駕駛訓練台 旋轉與平移運動
管道噴漆機械人 旋轉及平移運動
精密組立機械人 旋轉及平移運動
手術用微型機械人 利用其結構簡單、剛性高的原理,可做出精巧的微型機械人
牙醫手術用平台 可利用一個小的踏板平台來操控大的平台運動
遠距操作機械手臂
飛機引擎軸承安裝定位 由於其需要瞭解其安裝上的各方向的力均平衡,使安裝的位置最適當,可利用史都華平台二力構件的原理,由其桿子上應變規的變化來作修正

無數種其他應用的可能性



◎ Stewart platform 做為一般運動平臺的優勢

隨著高速切削的不斷發展,傳統串聯式機構構造平台的結構剛性與移動台高速化逐漸成為技術發展的瓶頸,而並聯式平台便成為最佳的候選對象,而相對於串聯式工具機來說,並聯式工作平台具有下列的特性:

  1. 其封閉性的結構 (closed-loop structure) 使其具有高剛性和高速化的優點,其結構負荷流線短,而負荷由六隻連桿同時以拉伸和壓縮承受,以材料力學的觀點來說,在外力一定時,懸臂量的應力與變形都最大,兩端插入(build-in)次之,再來是兩端簡支撐(simply-supported),其次是受壓的二力結構,應力與變形都最小的是受張力的二力結構,故其擁有高剛性。
  2. 如果結構所承受的力會改變方向,(介於張力與壓力之間),兩力構件將會是最節省材料的結構,而它的移動件重量減至最低且同時由六個致動器驅動,因此機器很容易高速化,且擁有低慣性。
  3. 其擁有熱對稱性結構設計,因此熱變形較小;運動軸位置感測和實際位置之Abbe Offset較小,故受機器幾何誤差影響較小;由於並聯結構之故,各項幾何誤差不僅不會有累積和放大的現象,甚至還有平均化效果(averaging effect),故它具有高精度的優點。
  4. 具有六個自由度,適合於 3D 複雜曲面的場合。
  5. Stewart 平台由支架組成,構造簡單,機械零組件數目較串聯構造平台大幅減少,製造和庫存成本較低,容易組裝和搬運。
  6. Stewart 平台適合於模組化生產,對於不同的機器加工範圍,只需改變連桿長度和接點位置,維護也容易,無須進行機件的再製和調整,只需將新的機構參數輸入。
史都華平台應用於工具機與機械人時,可以降低靜態誤差(因為高剛性),以及動態誤差(因為低慣量)

而史都華平台的劣勢在於其工作空間較小,且其在工作空間上有著奇異點的限制,而串聯工作平台,控制器遇到奇異點時,將會計算出驅動裝置無法達成的驅動命令而造成控制誤差,但史都華平台在奇異位置會失去支撐部分方向的力或力矩的能力,無法完成固定負載物件,而沿著奇異曲面以線性或旋轉運動垮下。


◎ 潛在優勢

以往學界對工作平台的研究重點,明顯偏向串聯式工作平台。但是對於工業界高精度的切削與組裝的工作要求,所需要的是高剛性的特質,若進一步要求工作平台有較好的反應速度,則會需要低慣性的特性,因此兩點恰為串聯式工作平台先天所無法克服的困難。因此,近年來學術界與工業界對並聯式工作平台的研究與開發興趣明顯地在提高,其主要原因即是它比串聯式工作平台有剛性高、慣性低的優點。
Stewart platform 和傳統串聯式機械人的動力學方程式都是非線性耦合方程式(coupled nonlinear ODE),因此要獲得準確的動態循跡精度,都需要多變元非線性控制系統 (本實驗室已歸納出各設計參數對系統耦合量的敏感度,選擇參數的最佳值,令系統慣性耦合效應降至最低) 。但是, Stewart platform 的慣性較低,同樣馬達下可以具有較高的控制頻寬。而且, 因為Stewart platform六軸平行而非串聯, 因此藕合程度與非線性程度都比傳統串聯式工作平台不明顯。因為這個優勢,所以 Stewart platform 的動態響應特徵有很大的機會做得比傳統串聯式工作平台好。關鍵問題在於,設計馬達控制的人有沒有能力善用這些優勢。

◎ 串並聯式工具平台優缺點比較

大體上來說,並聯式和串聯式的優缺點可列表如下:


並聯式 串聯式
分析方式 逆向運動學(答案唯一)
若使用順向運動學則答案不唯一且計算過程複雜
順向運動學(答案唯一)
若使用逆向運動學則答案不唯一且計算過程複雜
奇異點型態 當奇異點發生時,End effector將不能受力 當奇異點發生時,End effector將不被控制
空間描述 利用角度及向量描述 卡式座標描述
主要特性 剛性 靈敏度
優點
  1. 結構質量輕,慣性(interial)小
  2. 慣性質量與轉動慣性低,在相同驅動馬力下,可達較快加速度
  3. 剛性高,質量低振動頻率較高,動態剛性高
  4. 機構運動控制需要逆向運動學,使控制器所需計算負荷及記憶容量都比較小
  5. 不會累積誤差,且誤差會平均化
  6. 具有六個自由度的操作性
  1. 採開迴路結構,工作區間大而跨越障礙較容易
  2. 可伸入小空間工作
缺點
  1. 相對於串聯式工具平台,其工作空間較小
  2. 奇異點上無法達成驅動的目的
  3. 既有萬向接頭和球窩接頭剛性低而成本高
  4. 望遠鏡筒式連桿製造不易
  1. 需負載驅動器,結構負載加重,轉動慣量高
  2. 在高負載及高速運作的情況下容易產生震動
  3. 各關節的誤差會累積在輸出端,使精度難以提昇
  4. 負載能力受到限制
適合情況 精密的定位 整體的運動

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雙曲柄機構

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b94611005劉昶志(介紹你懂的比抄寫你不懂的好-馮老師)
下面文章是討論雙曲柄機構應用在柴油引擎時,其效能的表現情形,其中運用到了許多熱力學的知識與機動學的機構分析,有滿多艱深的推衍過程。
不過其結論清晰表達雙曲柄機構應用在此效能的優勢。

雙曲柄機構高速柴油機工作循環熱力學模擬研究

姚喜貴 賈元華 王 宇 段群傑 鄭殿旺 任成君 劉巽俊

  【摘要】 用熱力學模型對採用大偏心雙曲柄連桿機構高速柴油機的工作循環進
行了對比計算。結果表明,大偏心雙曲柄連桿機構由於燃燒期間活塞從上止點下移較
慢,燃燒過程的及時性較好,使指示效率比常規發動機提高了3%左右。這進一步揭示
了雙曲柄連桿機構高速柴油機
[1] 具有較好性能的原因。

  敘詞: 雙曲柄機構 高速柴油機 熱力學模擬

前言

圖1 具有大偏心雙曲柄連桿機構的SLG195型臥式單缸柴油機

  為了提高小型高速柴油機的性能,文獻[1]曾開發了一種具有大偏心雙曲柄連桿機
構的單缸柴油機SLG195型(圖1和圖2b)。試驗證明,這種發動機(下面簡稱新機型)的燃
油消耗率比常規同類柴油機S195低15 g/kW
·h,即6%左右[2] 。其原因之一是新機型機械
摩擦損失較小;另外,由於雙曲柄連桿機構採用的是偏心率極大的偏心曲柄連桿機構,
燃燒期間活塞從上止點下移較慢,燃燒過程的及時性較好,能改善這種柴油機的指示
指標[2]。本文利用熱力學模型,對SLG195型柴油機的工作循環進行模擬,並與相應的
常規柴油機S195作了對比,證實了原先的設想。

1 活塞運動規律對柴油機燃燒過程的影響

1.1 熱力學燃燒模型
  把熱力學第一定律用于柴油機燃燒室內的壓縮燃燒和膨脹過程,假定工質為理想
氣體,有

    (1)

式中   燃料燃燒放熱規律,J/(°)    燃燒室壁面散熱規律,J/(°)
    P 燃燒室內工質壓力,Pa       V 燃燒室容積,m3
    γ 工質比熱比, ,可根據溫度和混合氣成分計算
[4]
    θ 與時間成正比的曲軸轉角,(°)

  因為我們的目的只是研究活塞運動規律,通過 對柴油機燃燒室內熱力過程的影
響,假定SLG195與S195柴油機是有相同的放熱規律,且可用維貝函數表達
[4]

  (2)

式中 Hu 柴油低熱值,J/kg  gf 每循環供油量,kg
   
m 燃燒品質指數     θc 燃燒開始角,(°)
  Δθ
c 燃燒持續角,(°)

  上述
m、θc、Δθc三個經驗參數根據S195柴油機模擬結果與實測結果的一致性
選擇,然後把選定的值用于SLG195機型的計算。

  通過燃燒室壁面的散熱率

       (3)

式中 K 傳熱係數,可用于伏希尼公式[4]計算

  A=Ac+πdx       (4)

式中 Ac 活塞在上止點時燃燒室的總表面積,m2 d 氣缸直徑,m
   
Tw 燃燒室壁面溫度,K,可分區分別設定  x 活塞位移,m
   
T 氣缸內工質溫度,K            n 轉速,r/min

            (5)

式中 m 氣缸內工質質量,kg   R 工質氣體常數,J/kg·K

  燃燒室或氣缸容積為

        (6)

式中 Vs 氣缸工作容積,m3 εc 發動機壓縮比
   r 曲柄半徑,m  

r=S/2              (7)

式中 S 活塞行程,m

  氣缸燃燒室容積變化率

  (8)

1.2 活塞運動規律的對比

圖2 曲柄連桿機構基本參數
(a) S195型柴油機 (b) SLG195型柴油機

  具有大偏心雙曲柄連桿機構(見圖2b)與用中心曲柄連桿機構(見圖2a)的常規S195
型柴油機相比,在曲柄機構方面有很大不同,前者具有很大的偏心率ε(圖2b),
ε=e/r2=1.216。為了保證活塞行程S=115 mm,中心曲柄機構要求曲柄半徑
r1=S/2=57.5 mm。連桿長度選L1 =210 mm,於是連桿長度比λ1=r1/L1=0.273 8。對
同樣的S,偏心曲柄機構只需曲柄半徑為r2=51 mm和儘可能短的連桿L2=146 mm,因
為不存在活塞側向力,連桿與缸套干涉的可能性也很小(見圖1),於是λ2=r2/L2=0.349 3。

  偏心曲柄連桿機構的上止點對應曲柄轉角

下止點轉角

  中心曲柄連桿機構當然有θTDC1=0,θBDC! =180°。

  對S195型柴油機

   (9)

  對SLG195型柴油機

  (10)

 

於是,有

     (11)

   (12)

  兩種機型的活塞運動規律如圖3所示,可見偏心機構壓縮過程只佔曲柄轉角157.6°,
即壓縮過程進展較快,而膨脹過程佔曲柄轉角202.4°,即膨脹過程進展較慢。

圖3 中心曲柄機構的活塞位移x1(θ)和偏心曲柄機構的活塞位移x2(θ)

2 模擬結果及其分析

  以曲柄轉角間隔Δθ=1°CA,用Runge-kutta法求微分方程組(1)、(2)、(3)、(8),
就可得出氣缸內工質壓力的變化規律。因為主要是進行不同機型的對比,求解的初始
壓力和溫度均對應標準大氣狀態。部分計算結果如下頁表及圖4所示。

  可以看出,在相同的曲柄轉角下,新機型的缸內壓力在壓縮過程後期和整個膨脹
過程均比常規機型(S195)高。當然,必須注意到,對不同機型來說,相同的θ對應不
同的氣缸(燃燒室)容積V。在壓縮過程中,新機型的V比同一θ下的常規機型大,而在
膨脹過程中正好相反(見圖3)。因此,在上止點前60
°CA以前,新機型壓縮壓力低於常
規機型,主要是容積因素起作用。但在壓縮後期(θ=-60
°CA以後),新機型壓縮壓
力超過常規機型,這是因為此時兩者壓縮容積差別越來越小,而新機型由於壓縮過程
總的來說進行得較快(在157.6
°CA完成而不是常規機型的180 °CA),散熱損失較小造
成壓力略為高些。

表 兩種柴油機的V(θ)和P(θ)

相對燃燒上止點角度 θp2max θp1max
θ/(°) -80 -60 -40 -20 -10 0 5 6 10 20 40 60 80
S195型 V1╱L 0.435 0.289 0.161 0.074 0.051 0.043
0.048 0.051 0.074 0.161 0.289 0.435
  P1max  
P1/MPa 0.257 0.445 0.972 2.730 4.466 6.450
7.202 6.832 5.270 2.609 1.431 0.904
SLG195型 V2╱L 0.492 0.318 0.171 0.075 0.051 0.043 0.045
0.050 0.073 0.152 0.265 0.389
  P2max  
p2/MPa 0.221 0.447 0.986 2.834 4.652 6.616 7.434
6.950 5.545 2.924 1.634 1.086

圖4 兩種柴油機的P(θ)圖

  在燃燒和膨脹過程中,新機型缸內壓力到達峰值較早,數值比常規機型高出較多,
這一方面是由於對應同一曲柄轉角θ,新機型的氣缸容積V2比常規機型的V1小(見圖3),
另一方面,在燃燒持續期內,新機型 小於常規機型,造成較高的缸內壓力。

  新機型由於膨脹線較高,導致平均指示壓力P mi較大。實際計算結果是新機型
Pmi2
=0.929 MPa,而常規機型Pmi1=0.902 MPa,即前者比後者高3%。從根據試驗得出的
實際節油率6%
[2]推斷,新機型的機械效率也要比常規機型大3%左右。這項結果證實
了文獻
[2] 中的測試結果。

3 結論

  (1) 熱力學模型可以成功地用于對具有不同結構的內燃機工作過程進行對比研究,
儘管計算的絕對值可能有些誤差,但能較精確地預測它們的性能差別。

  (2) 雙曲柄連桿機構發動機所用的大偏心率曲柄連桿機構,活塞由上止點到下止點對
應的曲柄轉角大於180
° ,由下止點到上止點對應的曲柄轉角小於180°,即壓縮過程快,
膨脹過程慢,這有利於降低壓縮過程的傳熱損失,有利於改善燃燒過程的及時性,減少
時間損失,這些均通過本模擬計算得到證實。

  (3) 雙曲柄連桿機構柴油機的指示效率和機械效率均比類似的常規機型高3%左右,
與文獻[2]的測試結果十分吻合。

參考文獻

1 任成君 等. 雙曲柄連桿機構高速柴油機的研製. 內燃機學報, 1993, 11(3) 255∼260
2 任成君 等. 提高農用小型柴油機效率的研究. 農業機械學報, 1997, 28(1) 20
∼23
3
Hee Keun Ch, Kwi Young Lee. Time loss analysis of an unconventional piston engine. Proceeding
  of the Fifth International Pacific Conference on Automotive Engineering. Beijing, China, 1989.
4 齋藤孟. 自動車工學全書. "  " . 日本 山海堂, 1980.

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扭力轉換器

1

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下面文章是介�有�自��速箱的�料
�大家做��考

一、 扭力轉換器 (torque converter)

甲、 扭力��器的�成
i.
(pump Impeller )




乙、 扭力��器的作�


照片中是一��易的行星��
家庭五金工具中很多有���置, 照片中的��是由��起子中拆下�的
照片中由左至右分�是����,
行星��(3 �)及行星��座, 太���(�接在����上)








1










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2007年6月13日 星期三

機動學課堂心得

5
我是劉昶志
以下是我對學習matlab以及ㄧ本教學matlab使用書籍的一點心得
ㄧ學期的機動學課程下來,收穫最多的,要算是對matlab這套軟體的認識,在老師的強力作業海攻勢下,原本完全不認識的matlab,現在已對它有些許的了解,當然,這對一個想要以此來作為研究工具或是寫作實用程式的人而言,這或許只是matlab最皮毛粗淺的部份而已,但這總是個開始。在接觸了一些已在實驗室多時的學長姊後,從他們那得知了matlab是將來走機電整合、控制等相當重要的工具,很高興在大二時就有這個機會接觸並學習到這套語言的一些語法與基本邏輯架構,相信對下學期開始的大三專題會有一定的幫助(前提是跟的教授是做控制、機電或程式等方面的)。

在一次與電機所學姐聊天時,學姐向我推薦了一本不錯的matlab教學的書籍,作者是張智星,但她說現在坊間好像只剩下較精簡的版本。在一次空堂的優閒下午,我在學校附近的那種專門賣大學用書的書店,發現了這本「MATLAB程式設計─入門篇」,作者張智星,由於可作為課程上學習與參考資料的輔助,我沒經過太多的思索,當下便將之買下。

 回到家後,稍稍翻讀一下,發現,這果然是入門篇,作者在每一個部分,皆沒有講的太深入,不過將
matlab可能運用的許多層面,都做了算是滿詳盡的介紹,其中當然有很多事我現在還沒接觸到的部分,這讓我真正的體認到,為什麼學工程的人,甚至是做經濟學研究的人,會將matlab視為重要的工具。

matlab有強大的矩陣運算功能以及繪圖功能,這些都是在做數據分析以及系統控制時所需倚重的部分,這也是我們機動學課堂中,matlab程式最常用到的地方,書本中還教到許多3D製圖的方法,如等高線圖、向量圖,甚至是曲面圖及上面的所有單位法向量,這讓我可以清晰看到工程數學所教的東西到底長怎樣,這是我們在課堂中較少用到的,另外,還有一些影像、音訊檔案的處理,發現matlab以其強大的運算能力,可以對讀入的訊號進行處理和擷取等多方面的功能,這裡我才真的了解到為什麼學訊號處理的,需要學習matlab的應用,以及GUI介面的設計與應用,這是有點像visual basic的工具,它可以快速產生使用者介面,使程式設計者可以輕鬆寫出讓使用者簡易操作的圖形繪製程式,看來matlab可以用到的層面真的很廣,真的值得好好去學習它,只可惜大二下課程較繁重,再加上參與一些系上的活動籌畫,一直沒能真的好好將這本書細讀一番,都是遇到困難後再去向書求救,希望在即將到來的大二升大三這個暑假,可以研讀此書,增加對matlab的掌握度,也為自己將來多增添一份實力。

最後,還是要感謝老師利用機動學的課堂,教授我們matlab的使用,學習到一位優秀工程師所應具備的一項強大工具。
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機器人相關網站

2
學號:b93611053

以下是我知道幾個很不錯的機器人相關網站
不管是資訊還是內容都非常豐富
也有很多有趣的影片連結

robo garage (可愛的機器忍有些小影片)
http://www.robo-garage.com/english/robo/index.html

engadget 癮科技 (有機器人的新資訊)
http://chinese.engadget.com/category/robots/

機器人世界情報網 (比較像是政府架的網站 資訊滿豐富)
http://www.robotworld.org.tw/

ROBOT 英文的ROBOT資訊 還有link可以連結到很多有關機器人的網站
http://www.botmag.com/

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