高彈性聯(lián)軸器動態(tài)特性試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、第4章 高彈性聯(lián)軸器動態(tài)特性試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計包含電動機(jī)參數(shù)選擇、帶傳動設(shè)計、曲柄搖桿激振機(jī)構(gòu)設(shè)計、各支撐軸及軸承座設(shè)計、機(jī)架設(shè)計等部分。主要設(shè)計內(nèi)容是根據(jù)激振機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果以及試驗扭矩，分析各構(gòu)件受力情況，進(jìn)行強度、剛度設(shè)計計算，并用有限元的方法對初算結(jié)果加以優(yōu)化，最后再進(jìn)行疲勞強度校核計算，最終確定各零部件的具體結(jié)構(gòu)尺寸。4.1 電動機(jī)參數(shù)的選擇在方案設(shè)計環(huán)節(jié)中已經(jīng)確定電動機(jī)的類型為具有優(yōu)異低頻調(diào)速性能的直流電動機(jī)，本環(huán)節(jié)主要對電動機(jī)的額定功率和轉(zhuǎn)速兩關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行估算和選擇，目標(biāo)是保證試驗臺拖動系統(tǒng)運行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。電動機(jī)功率選擇的主要依據(jù)是負(fù)載功率。額定功率選擇過大，則電動機(jī)

2、欠載運行，導(dǎo)致系統(tǒng)效率低、經(jīng)濟(jì)性差；額定功率選擇過小，則電動機(jī)過載運行，導(dǎo)致電動機(jī)過熱，使用壽命短。因而必須準(zhǔn)確估算負(fù)載功率并合理選擇電機(jī)功率，使二者相匹配。電動機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇涉及工作機(jī)的轉(zhuǎn)速及傳動系統(tǒng)的傳動比。對于額定功率相同的電動機(jī)，額定轉(zhuǎn)速越高 ,則電機(jī)體積越小、重量越輕、價格越低；但過高的額定轉(zhuǎn)速將增大傳動系統(tǒng)的傳動比，導(dǎo)致傳動機(jī)構(gòu)復(fù)雜，傳動效率低，增加傳動機(jī)構(gòu)的制造及維護(hù)費用。因而需綜合分析電動機(jī)和工作機(jī)兩方面的特性來確定轉(zhuǎn)速。以搖桿承受的平均負(fù)載扭矩及平均擺動角速度估算負(fù)載功率。已知搖桿振幅為，試驗頻率，取最大試驗頻率計算一個周期內(nèi)搖桿平均擺動角速度為：已知最小試驗扭矩,最大試驗扭矩

3、，計算平均試驗扭矩為：以平均角速度及平均扭矩估算負(fù)載功率為：為了保證變動試驗扭矩下試驗頻率的穩(wěn)定，應(yīng)選擇電動機(jī)的功率大一些，使原動機(jī)提供的扭矩比維持機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)的要求大。選擇Z4-225-11（Z4-200-21）型直流電動機(jī)，額定功率為，額定轉(zhuǎn)速為。計算電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為：額定轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載的最大轉(zhuǎn)矩，電機(jī)可以啟動。4.2 帶傳動設(shè)計 帶傳動設(shè)計計算帶傳動機(jī)構(gòu)用于降低轉(zhuǎn)速，將電動機(jī)的動力傳遞給激振機(jī)構(gòu)，根據(jù)電機(jī)的額定功率、額定轉(zhuǎn)速以及試驗頻率，確定帶傳動設(shè)計參數(shù)如下。傳遞功率：；主動帶輪轉(zhuǎn)速：；從動帶輪轉(zhuǎn)速：；選取傳動比：；傳動帶型：。 取傳動工況系數(shù)，確定帶傳動計算功率為：根據(jù)計算功率及主動帶

4、輪轉(zhuǎn)速查V帶選型圖，初選主動帶輪的基準(zhǔn)直徑為。驗算帶速為： 帶速在推薦的范圍內(nèi)，主動帶輪基準(zhǔn)直徑選擇合理。取彈性滑動率，計算從動帶輪基準(zhǔn)直徑為： 按V帶輪基準(zhǔn)直徑系列圓整主從動帶輪基準(zhǔn)直徑為 帶傳動中心距應(yīng)滿足的范圍為，則在該范圍內(nèi)選取中心距為。計算帶的基準(zhǔn)長度為：則選取標(biāo)準(zhǔn)帶基準(zhǔn)長度，計算實際中心距為： 驗算主動帶輪包角為： 大于的許用包角，滿足要求?？紤]傳動比影響，取單根V帶基本額定功率、基本額定功率增量，取包角系數(shù)、長度系數(shù)，計算傳動帶根數(shù)為：元整取傳動帶根數(shù)為查單位長度V帶質(zhì)量，計算單根V帶的預(yù)緊力為：計算帶傳動作用在帶輪軸上的壓軸力為： 計算有效拉力為： 計算緊邊拉力及松邊拉力為：

5、帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)使其質(zhì)量盡可能小且質(zhì)量分布均勻，還要具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，避免過大的鑄造內(nèi)應(yīng)力。主動帶輪基準(zhǔn)直徑較小，故設(shè)計為實心式結(jié)構(gòu)。從動帶輪可選用腹板式、孔板式及輪輻式，初選為孔板式。主從動帶輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖？所示。帶輪結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化從動帶輪在整個試驗臺系統(tǒng)中，除了具有傳動的作用，還兼有飛輪的功能。即可以存儲電動機(jī)輸出的能量，以保證與之固連的激振機(jī)構(gòu)曲柄角速度及驅(qū)動扭矩的均勻性。因此，必須合理地設(shè)計從動帶輪的結(jié)構(gòu)形狀，保證從動帶輪在盡可能下的質(zhì)量下具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，提高其儲能密度。4.3 激振機(jī)構(gòu)設(shè)計曲柄搖桿激振機(jī)構(gòu)為試驗臺的核心部分，試驗件所受的基本扭矩及變動扭矩均可由不同的

6、機(jī)構(gòu)桿長加以定義。激振機(jī)構(gòu)設(shè)計的主要任務(wù)就是在優(yōu)化設(shè)計所提供的桿長基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步設(shè)計各桿件極其相關(guān)零部件的具體結(jié)構(gòu)尺寸，使激振機(jī)構(gòu)滿足強度、剛度以及疲勞條件并且能夠方便可靠地對實驗扭矩進(jìn)行調(diào)整。 激振機(jī)構(gòu)靜力分析對機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，是對機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的先決條件。一般對于靜止或低速的機(jī)構(gòu)采用靜力學(xué)分析方法，而對高速運轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)應(yīng)采用動力學(xué)分析方法。對于高速運轉(zhuǎn)的激振機(jī)構(gòu)來說，沒有采用動力學(xué)分析方法的原因是目前僅各桿件的長度已知，而質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等動力學(xué)相關(guān)參數(shù)均未知。故只能根據(jù)靜載荷做初步的靜強度設(shè)計計算以獲得各零部件尺寸的初值，然后基于初值對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)、動力學(xué)分析，求解各件實際運動中的受力情

7、況，校核各件在動載荷下的強度，與靜載荷情況相比較，對初值進(jìn)行修正優(yōu)化以獲得最終結(jié)果。而且，試驗臺運轉(zhuǎn)之前，須裝夾試驗件并將搖桿拉離安裝時的鉛垂位置，調(diào)節(jié)連桿長度調(diào)整絲杠以設(shè)定連桿長度，此時即屬于靜加載工況，機(jī)構(gòu)在這種工況下也必須具有足夠的強度。因此，首先對機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力分析并按靜強度對試驗臺各構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計是合理的、是動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。激振機(jī)構(gòu)各桿件位置及受力情況如圖4.3所示，曲柄、連桿、搖桿及機(jī)架長度分別為、，機(jī)構(gòu)傳動角為，搖桿左右極限位置與鉛垂方向夾角分別為、。以搖桿右極限位置為例，進(jìn)行靜力分析。連桿為二力桿，受力沿桿方向，為拉桿；搖桿受連桿拉力的反作用力、固定鉸鏈點支反力、及負(fù)載阻力矩（即

8、試驗扭矩），為壓彎組合桿；曲柄受連桿拉力的反作用力、固定鉸鏈點支反力、，為壓桿。（a）激振機(jī)構(gòu)極限位置 （b）激振機(jī)構(gòu)受力分析圖4.3 激振機(jī)構(gòu)靜力分析搖桿所受連桿拉力反作用力垂直于桿方向以及平行于桿方向的分力分別為、。對搖桿列靜力及力矩平衡方程有：對曲柄列靜力平衡方程有：根據(jù)實驗要求，搖桿左、右極限位置所對應(yīng)的最小、最大試驗扭矩分別為：根據(jù)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果以及式2.21得曲柄、連桿、搖桿、機(jī)架的長度分別為：、則計算左右極限位置對應(yīng)的傳動角最小及最大值分別為：根據(jù)靜力平衡方程？，計算各桿件所受靜力的最大及最小值分別為： 激振機(jī)構(gòu)設(shè)計計算1. 桿件結(jié)構(gòu)形式設(shè)計在設(shè)計各桿件結(jié)構(gòu)形式時，有如下兩點需要說

9、明：第一，由激振機(jī)構(gòu)運動分析結(jié)果可知，在激振機(jī)構(gòu)四桿件中，已知其中任意兩桿件的長度，即可根據(jù)試驗扭矩要求相應(yīng)地計算出另外兩桿的長度；第二，為滿足試驗扭矩調(diào)整的需要，必須有兩桿的長度無極可調(diào)。在激振機(jī)構(gòu)的四桿件中，機(jī)架的長度由曲柄和搖桿固定鉸鏈點的相對位置決定，機(jī)構(gòu)裝配完畢后即固定。如要對機(jī)架長度進(jìn)行調(diào)整，則必須調(diào)整兩固定鉸鏈支座以及相關(guān)聯(lián)的其他零部件，調(diào)整操作復(fù)雜。搖桿實現(xiàn)對試驗件的加載，承受彎矩及拉壓力，受載情況最為惡劣，為防止削弱其強度，應(yīng)避免設(shè)置復(fù)雜的長度調(diào)整機(jī)構(gòu)。因此，選取機(jī)架及搖桿長度固定不變，根據(jù)試驗扭矩計算曲柄及連桿長度，并將曲柄及連桿設(shè)計為長度無極可調(diào)的結(jié)構(gòu)以滿足試驗扭矩調(diào)整的

10、要求。曲柄長度較短，應(yīng)設(shè)計為偏心軸，加之曲柄長度須進(jìn)行無極調(diào)整，故將其設(shè)計為可調(diào)滑塊式偏心軸機(jī)構(gòu)，初步結(jié)構(gòu)示意圖如圖4.1所示。該機(jī)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)兩端調(diào)節(jié)絲杠來調(diào)整滑塊與曲柄體相對位置來調(diào)整兩伸出軸端的偏心量，從而定義曲柄的長度。（a）裝配圖（b）爆炸圖圖4.1 曲柄組件結(jié)構(gòu)連桿設(shè)計為兩段式結(jié)構(gòu)，中間由調(diào)節(jié)絲杠相連接。兩段連桿的聯(lián)接螺紋為一個左旋一個右旋，則可通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母調(diào)整連桿長度。同時為了保證連桿兩端連接銷軸孔軸心的平行，須在二者連接部位設(shè)置導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。連桿組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖4.2所示。圖 4.2 連桿組件結(jié)構(gòu)搖桿設(shè)計為整體式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4.3所示。圖4.3 搖桿結(jié)構(gòu)2. 曲柄組件設(shè)

11、計計算由已經(jīng)選定的曲柄機(jī)構(gòu)形式可知，曲柄為有若干零件組成的組件。各件間相互作用受力關(guān)系比較復(fù)雜，很難用靜力學(xué)方法來解決。故僅對關(guān)鍵的受力件進(jìn)行靜強度設(shè)計，其他件尺寸相應(yīng)選取。曲柄組件的主要受力件是兩連接軸端，受力狀態(tài)為剪切。選取材料為，許用剪切應(yīng)力為，估算危險截面面積為：則滑塊端危險軸頸為，框架空心軸端危險軸頸為、。取2.5倍的安全系數(shù)并元整，取滑塊端軸頸為，框架端空心軸頸為、。根據(jù)這些數(shù)據(jù)即可相應(yīng)地估取圖4.1所示的曲柄組件其他各件的尺寸。3. 連桿組件設(shè)計計算連桿的設(shè)計計算，包括桿長調(diào)整絲杠的設(shè)計計算以及連桿危險截面的設(shè)計計算。（1）調(diào)整絲杠螺紋設(shè)計取調(diào)整絲杠材料為，承受軸向靜載荷時許用拉

12、伸應(yīng)力為，取螺紋相對剛度為，估算絲杠螺紋危險截面直徑為：取1.6倍的安全系數(shù)并元整，取調(diào)整絲杠螺紋為。 （2）連桿危險截面設(shè)計取連桿材料為，許用拉伸應(yīng)力為，估算連桿危險截面面積為：取連桿截面形狀為矩形，則危險截面邊長為。分體式連桿的兩段連桿體之間需設(shè)置調(diào)整絲杠和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，為了便于這些輔助件的裝配和調(diào)整并保證其強度，故估選連桿截面尺寸時盡量取較大的值。選取連桿最小截面尺寸為，并據(jù)此相應(yīng)地估取圖4.2所示的連桿組件其他尺寸。4. 搖桿設(shè)計計算搖桿實際受力狀況為壓彎組合受力，危險截面上的正應(yīng)力可由壓應(yīng)力及彎曲正應(yīng)力疊加而成。 搖桿截面設(shè)計為矩形，并取抗彎截面系數(shù)最大的寬高比。記搖桿危險截面寬度為，高

13、度為，則抗彎截面系數(shù)為。選擇搖桿材料為，許用彎曲應(yīng)力，則危險截面正應(yīng)力應(yīng)滿足解得搖桿危險截面寬度、高度分別為：初選連桿最小截面尺寸為，安全系數(shù)為2.1，并據(jù)此相應(yīng)地估取圖4.3所示的搖桿其他部分尺寸。激振機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化在初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，零部件的各個具體結(jié)構(gòu)尺寸是參考強度設(shè)計校核得出的危險截面尺寸，按一定的比例類比得到的。然而，這種類比所得的尺寸含有一定的假設(shè)和經(jīng)驗因素，有可能導(dǎo)致構(gòu)件的某些部位無法滿足強度要求而某些部位強度過于安全而造成材料的浪費。因而初步結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果還存在著可以改進(jìn)優(yōu)化的空間。以有限元法為基礎(chǔ)的OptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工具提供了拓?fù)?、形貌、尺寸、形狀等多種優(yōu)化手段，廣

14、泛地應(yīng)用與產(chǎn)品的概念設(shè)計階段及詳細(xì)設(shè)計階段。其中拓?fù)鋬?yōu)化方法可以在不清楚結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畹那疤嵯?，根?jù)已知的邊界條件和載荷條件確定較為合理的結(jié)構(gòu)形式。為了盡量減輕試驗臺的重量，減少材料和能源的消耗，在滿足強度、剛度要求的前提下，對較大型的零部件進(jìn)行以質(zhì)量最小為目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化，以獲得最佳的形狀及材料分布。激振機(jī)構(gòu)中進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的關(guān)鍵件有：1. 曲柄調(diào)整滑塊；2. 曲柄框架；3. 與搖桿相連的半連桿；4. 與曲柄相連的半連桿；5. 搖桿。1. 曲柄調(diào)整滑塊拓?fù)鋬?yōu)化（1）有限元模型建立利用前處理軟件HyperMesh對實體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。實體單元類型均選擇8節(jié)點六面體CHEXA單元，并指定材料常數(shù)為彈性模量、泊松比，密度為。另外，對于上述待優(yōu)化件，有些還定義了剛性單元REB2。這類單元出現(xiàn)在待優(yōu)化構(gòu)件與其他構(gòu)件進(jìn)行孔軸連接的部位，定義在孔中心臨時節(jié)點與孔壁全部節(jié)點之間。剛性單元可以方便地施加載荷以及約束，并且在計算過程中不會發(fā)生變形。剛性單元準(zhǔn)確地描述了待優(yōu)化件與相連件之間的剛性連接關(guān)系。定義約束集SPC及載荷集FORCE。其中約束集內(nèi)定義了待優(yōu)化件所受的自由