光電編碼器聯(lián)軸器結構設計PPT課件

1、1課題研究領域及背景課題研究領域及背景第一部分第一部分第1頁/共30頁t 課題研究領域光電編碼器聯(lián)軸器結構設計屬于結構設計領域t 課題背景21 . 課題研究領域、背景及應用價值課題研究領域、背景及應用價值更高精度的光電編碼器航空航天飛速發(fā)展更高性能的聯(lián)軸器第2頁/共30頁3國內(nèi)外研究概況國內(nèi)外研究概況第二部分第二部分第3頁/共30頁2 .國內(nèi)外研究概況國內(nèi)外研究概況4l理論力學、材料力學、振動力學等傳統(tǒng)設計方法 A.S.Sekhar 和 B.S.Prabhu考慮了柔性聯(lián)軸器不對中產(chǎn)生的反力和彎矩，通過有限元法模擬了諧振情況。 F.K.LANDON 對金屬柔性聯(lián)軸器的軸向振動性能進行了分析。 H

2、.Birkholz 等研究了彈簧片聯(lián)軸器在渦輪機械中的應用，他認為彈簧片聯(lián)軸器非常適合在高速同時又要補償軸向、徑向和角向偏移環(huán)境中傳遞高扭矩，并描述了這種聯(lián)軸器的結構和性能。第4頁/共30頁2 .國內(nèi)外研究概況國內(nèi)外研究概況5l有限元法或優(yōu)化設計等現(xiàn)代設計方法 華軍利用有限元方法和薄板彎曲理論建立彈簧片應力計算模型 丁雪興等用 ANSYS 有限元分析軟件對金屬彈簧片聯(lián)軸器中圓環(huán)式彈簧片進行了應力計算 申屠留芳等對鏈板式疊片聯(lián)軸器在扭矩和軸向載荷作用下的應力進行了計算，并著重分析比較了傳遞不同的功率以及疊片組不同的軸向位移對應力的影響及其影響程度第5頁/共30頁6第三部分第三部分第6頁/共30頁

3、73 .已完成研究內(nèi)容已完成研究內(nèi)容p 彈簧片聯(lián)軸器有限元分析p 彈簧片聯(lián)軸器結構優(yōu)化第7頁/共30頁83 .已完成已完成t 彈簧片聯(lián)軸器有限元分析對彈簧片進行軸向（Z向）、徑向（X向和Y向）三個方向加載，觀察變形、應力，繪制XYZ三個方向的剛度曲線。改變彈簧片固定螺栓孔的個數(shù)，軸向加載觀察變形、應力，分析螺栓孔個數(shù)對聯(lián)軸器軸向剛度的影響。計算聯(lián)軸器整體沿各方向10*g加速度沖擊下彈簧片的變形、應力。計算聯(lián)軸器整體在徑向存在安裝誤差時彈簧片的變形、應力。計算聯(lián)軸器整體在軸向存在安裝誤差時彈簧片的變形、應力。第8頁/共30頁93 .已完成已完成 對彈簧片進行軸向（Z向）、徑向（X向和Y向）三個方

4、向加載，觀察變形、應力，繪制XYZ三個方向的剛度曲線。載荷：在兩端耳朵內(nèi)環(huán)面，分別沿XYZ三個方向施加載荷，總載荷從5N25N等間距變化。約束：選擇螺釘孔內(nèi)環(huán)區(qū)域（共8個），做位移全約束。位移分布云圖應力分布云圖計算結果：第9頁/共30頁103 .已完成已完成結論：1）聯(lián)軸器各方向剛度：Y向X向Z向2）應力集中區(qū)域：最外側螺釘孔的長圓孔處、耳朵與圓弧連接的圓角處3）最大變形區(qū)域：耳朵的最外沿剛度曲線：第10頁/共30頁113 .已完成已完成 改變彈簧片固定螺栓孔的個數(shù)，軸向加載觀察變形、應力，分析螺栓孔個數(shù)對聯(lián)軸器軸向剛度的影響。載荷：在兩端耳朵內(nèi)環(huán)面，分別沿XYZ三個方向施加載荷，總載荷從5

5、N25N等間距變化。約束：選擇螺釘孔內(nèi)環(huán)區(qū)域（共8個），做位移全約束。應力分布云圖計算結果：第11頁/共30頁123 .已完成已完成結論：約束螺釘個數(shù)越多，約束位置越靠近外側耳朵，聯(lián)軸器的軸向剛度越大。第12頁/共30頁133 .已完成已完成 計算聯(lián)軸器整體沿各方向10*g加速度沖擊下彈簧片的變形、應力。載荷：整體沿X Y Z三個方向分別加慣性加速度；約束：在兩端耳朵的上表面做位移全約束整體位移云圖最大4.37mm計算結果：1) X方向10g 慣性力整體應力云圖最大604.609MPa第13頁/共30頁143 .已完成已完成整體位移云圖最大0.163mm2) Y方向10g 慣性力整體應力云圖最

6、大604.609MPa3) Z方向10g 慣性力整體位移云圖最大1.680mm整體應力云圖最大1050.9MPa結論：Z向剛度差，在Z向承受10*g的慣性加速度后，彈簧片承受了很大的應力。但是由于上端蓋和底座各留有0.2mm的變形間隙，彈簧片變形將不會達到圖中1.68mm之大，彈簧片的應力也將有所改善。第14頁/共30頁153 .已完成已完成 計算聯(lián)軸器整體在徑向存在安裝誤差時彈簧片的變形、應力。載荷：整體沿Z方向重力加速度1*g約束：在兩端耳朵上表面做位移全約束；碼盤中間環(huán)面分別沿X、Y 方向加位移，位移大小從0.004mm0.024mm等間距變化。 利用給編碼器施加沿X、Y 方向的位移量，

7、模擬安裝時的徑向偏心量；通過有限元靜力分析，得到彈簧片在X、Y方向的性能曲線。計算結果：結論：彈簧片的變形和應力隨徑向偏心量增大而增大。第15頁/共30頁163 .已完成已完成 計算聯(lián)軸器整體在軸向存在安裝誤差時彈簧片的變形、應力。載荷：整體沿Z方向重力加速度1*g約束：在兩端耳朵上表面做位移全約束；碼盤中間環(huán)面分別沿Z方向加位移，位移大小從0.02mm0.2mm等間距變化。 利用給碼盤施加沿Z方向的位移量，模擬安裝時的軸向偏心量；通過有限元靜力分析，得到彈簧片在Z方向的性能曲線。計算結果：結論：彈簧片的變形和應力隨軸向偏心量增大而增大。第16頁/共30頁173 .已完成已完成t 彈簧片聯(lián)軸器

8、結構優(yōu)化設計 增大連接圓角 中部加寬 擴大彈簧片自由區(qū)域面積 增大連接圓角同時中部加寬 增大連接圓角同時擴大彈簧片自由區(qū)域面積 擴大彈簧片自由區(qū)域面積、增大連接圓角并中部加寬根據(jù)前面有限元計算的結果對原型聯(lián)軸器的薄弱環(huán)節(jié)進行改進。第17頁/共30頁183 .已完成已完成 增大連接圓角由于連接圓角處易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，將原結構的R2圓角增大至R5。計算結果：沿X向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖沿Y向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖約束條件原結構（MPa）改進后（MPa）應力減小量X 偏0.04，軸向0.2559.169467.66816.36 %Y 偏0.04，軸向0.23

9、71.648319.5814.01 %第18頁/共30頁193 .已完成已完成 中部加寬增加彈簧片的XY向剛度，將原結構在中部加寬，長度為60，按同樣的方式加載。計算結果：沿X向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖沿Y向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖約束條件原結構（MPa）改進后（MPa）應力減小量X 偏0.04，軸向0.2559.169557.1690.357 %Y 偏0.04，軸向0.2371.648362.532.45 %第19頁/共30頁203 .已完成已完成 擴大彈簧片自由區(qū)域面積將上端蓋及下部碼盤體的0.2mm切槽寬度加大，從原設計的70mm增大到80mm，從而擴

10、大彈簧片自由區(qū)域的面積。計算結果：沿X向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖沿Y向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖約束條件原結構（MPa）改進后（MPa）應力減小量X 偏0.04，軸向0.2559.169473.08715.39 %Y 偏0.04，軸向0.2371.648300.06319.26 %第20頁/共30頁213 .已完成已完成 增大連接圓角同時中部加寬將連接圓角從R2增大到R5，同時進行中部加寬計算結果：沿X向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖沿Y向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖約束條件原結構（MPa）改進后（MPa）應力減小量X 偏0.04，軸

11、向0.2559.169461.40617.48 %Y 偏0.04，軸向0.2371.648303.42218.35 %第21頁/共30頁223 .已完成已完成 增大連接圓角同時擴大彈簧片自由區(qū)域面積將連接圓角從R2增大到R5，同時將彈簧片的自由區(qū)域寬度從70mm擴大到80mm計算結果：沿X向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖沿Y向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖約束條件原結構（MPa）改進后（MPa）應力減小量X 偏0.04，軸向0.2559.169405.40727.50 %Y 偏0.04，軸向0.2371.648247.27233.47 %第22頁/共30頁233 .已完

12、成已完成 擴大彈簧片自由區(qū)域面積、增大連接圓角并中部加寬將連接圓角從R2增大到R5，同時將中部加寬，并將彈簧片的自由區(qū)域寬度從70mm擴大到80mm計算結果：沿X向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖沿Y向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖約束條件原結構（MPa）改進后（MPa）應力減小量X 偏0.04，軸向0.2559.169456.11718.43 %Y 偏0.04，軸向0.2371.648243.32634.53 %第23頁/共30頁243 .已完成已完成各方案比較：約束條件應力減小量方案一增大連接圓角方案二中部加寬方案三擴大彈簧片自由區(qū)域面積方案四增大連接圓角、中部加寬方

13、案五增大連接圓角、擴大彈簧片自由區(qū)域方案六擴大彈簧片自由區(qū)域、增大連接圓角、中部加寬X 偏0.04軸向0.216.36 %0.357 %15.39 %17.48 %27.50 %18.43 %Y 偏0.04軸向0.214.01 %2.45 %19.26 %18.35 %33.47 %34.53 %結論：1）中部加寬對彈簧片最大應力改善情況并不明顯，只能改善Y向剛度，因此不予采用。2）最好的改善應力方法是對增大連接處圓角，同時擴大彈簧片的自由區(qū)域。第24頁/共30頁253 .已完成已完成 確定最佳的彈簧片自由區(qū)域將切槽寬度作為變量， 進行有限元計算，觀察彈簧片的最大應力組號組號1 12 23 3

14、4 45 56 6沖擊方向X向6gX向6gY向6gY向6gZ向6gZ向6g徑向偏心同時沿X方向偏移0.04mm，沿Y方向偏移0.04mm軸向竄動Z向0.2mmZ向-0.2mmZ向0.2mmZ向-0.2mmZ向0.2mmZ向-0.2mm載荷：整體在X Y Z三個方向分別承受6g的重力加速度；約束：在兩端耳朵的上表面做位移全約束；轉軸中心沿Z方向偏移0.2mm，同時沿X方向偏移0.04mm，沿Y方向偏移0.04mm。第25頁/共30頁263 .已完成已完成計算結果：沿X向沖擊6g，軸向位移0.2mm沿X向沖擊6g，軸向位移 -0.2mm沿Y向沖擊6g，軸向位移 0.2mm沿Y向沖擊6g，軸向位移 -0.2mm沿Z向沖擊6g，軸向位移 0.2mm沿Z向沖擊6g，軸向位移 -0.2mm結論：彈簧片最大應力隨槽寬增大而下降，且下降逐漸平緩。說明槽寬增加到一定程度的時候，繼續(xù)增大槽寬，彈簧片的最大應力并不能有很大改善。為使彈簧片的最大應力小于疲勞強度的一半，槽寬可設計在90mm左右。第26頁/共30頁27下階段工作計劃下階段工作計劃第四部分第四部分第27頁/共30頁4