1、第4章 高彈性聯(lián)軸器動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含電動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇、帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)、曲柄搖桿激振機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、各支撐軸及軸承座設(shè)計(jì)、機(jī)架設(shè)計(jì)等部分。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容是根據(jù)激振機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果以及試驗(yàn)扭矩，分析各構(gòu)件受力情況，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)計(jì)算，并用有限元的方法對(duì)初算結(jié)果加以優(yōu)化，最后再進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算，最終確定各零部件的具體結(jié)構(gòu)尺寸。4.1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇在方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中已經(jīng)確定電動(dòng)機(jī)的類型為具有優(yōu)異低頻調(diào)速性能的直流電動(dòng)機(jī)，本環(huán)節(jié)主要對(duì)電動(dòng)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(yàn)臺(tái)拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。電動(dòng)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(dòng)機(jī)

2、欠載運(yùn)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(dòng)機(jī)過載運(yùn)行，導(dǎo)致電動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇涉及工作機(jī)的轉(zhuǎn)速及傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比。對(duì)于額定功率相同的電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速越高 ,則電機(jī)體積越小、重量越輕、價(jià)格越低；但過高的額定轉(zhuǎn)速將增大傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比，導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)效率低，增加傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的制造及維護(hù)費(fèi)用。因而需綜合分析電動(dòng)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(dòng)角速度估算負(fù)載功率。已知搖桿振幅為，試驗(yàn)頻率，取最大試驗(yàn)頻率計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)搖桿平均擺動(dòng)角速度為：已知最小試驗(yàn)扭矩,最大試驗(yàn)扭矩

3、，計(jì)算平均試驗(yàn)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(dòng)試驗(yàn)扭矩下試驗(yàn)頻率的穩(wěn)定，應(yīng)選擇電動(dòng)機(jī)的功率大一些，使原動(dòng)機(jī)提供的扭矩比維持機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的要求大。選擇Z4-225-11（Z4-200-21）型直流電動(dòng)機(jī)，額定功率為，額定轉(zhuǎn)速為。計(jì)算電動(dòng)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(dòng)。4.2 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于降低轉(zhuǎn)速，將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(yàn)頻率，確定帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)如下。傳遞功率：；主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速：；從動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速：；選取傳動(dòng)比：；傳動(dòng)帶型：。 取傳動(dòng)工況系數(shù)，確定帶傳動(dòng)計(jì)算功率為：根據(jù)計(jì)算功率及主動(dòng)帶

4、輪轉(zhuǎn)速查V帶選型圖，初選主動(dòng)帶輪的基準(zhǔn)直徑為。驗(yàn)算帶速為： 帶速在推薦的范圍內(nèi)，主動(dòng)帶輪基準(zhǔn)直徑選擇合理。取彈性滑動(dòng)率，計(jì)算從動(dòng)帶輪基準(zhǔn)直徑為： 按V帶輪基準(zhǔn)直徑系列圓整主從動(dòng)帶輪基準(zhǔn)直徑為 帶傳動(dòng)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(jì)算帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度為：則選取標(biāo)準(zhǔn)帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度，計(jì)算實(shí)際中心距為： 驗(yàn)算主動(dòng)帶輪包角為： 大于的許用包角，滿足要求?？紤]傳動(dòng)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(zhǎng)度系數(shù)，計(jì)算傳動(dòng)帶根數(shù)為：元整取傳動(dòng)帶根數(shù)為查單位長(zhǎng)度V帶質(zhì)量，計(jì)算單根V帶的預(yù)緊力為：計(jì)算帶傳動(dòng)作用在帶輪軸上的壓軸力為： 計(jì)算有效拉力為： 計(jì)算緊邊拉力及松邊拉力為：

5、帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)帶輪基準(zhǔn)直徑較小，故設(shè)計(jì)為實(shí)心式結(jié)構(gòu)。從動(dòng)帶輪可選用腹板式、孔板式及輪輻式，初選為孔板式。主從動(dòng)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(dòng)帶輪在整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中，除了具有傳動(dòng)的作用，還兼有飛輪的功能。即可以存儲(chǔ)電動(dòng)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(dòng)扭矩的均勻性。因此，必須合理地設(shè)計(jì)從動(dòng)帶輪的結(jié)構(gòu)形狀，保證從動(dòng)帶輪在盡可能下的質(zhì)量下具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高其儲(chǔ)能密度。4.3 激振機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)曲柄搖桿激振機(jī)構(gòu)為試驗(yàn)臺(tái)的核心部分，試驗(yàn)件所受的基本扭矩及變動(dòng)扭矩均可由不同的

6、機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)加以定義。激振機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是在優(yōu)化設(shè)計(jì)所提供的桿長(zhǎng)基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)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(qiáng)度、剛度以及疲勞條件并且能夠方便可靠地對(duì)實(shí)驗(yàn)扭矩進(jìn)行調(diào)整。 激振機(jī)構(gòu)靜力分析對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，是對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的先決條件。一般對(duì)于靜止或低速的機(jī)構(gòu)采用靜力學(xué)分析方法，而對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)應(yīng)采用動(dòng)力學(xué)分析方法。對(duì)于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的激振機(jī)構(gòu)來說，沒有采用動(dòng)力學(xué)分析方法的原因是目前僅各桿件的長(zhǎng)度已知，而質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等動(dòng)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(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算以獲得各零部件尺寸的初值，然后基于初值對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，求解各件實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的受力情

7、況，校核各件在動(dòng)載荷下的強(qiáng)度，與靜載荷情況相比較，對(duì)初值進(jìn)行修正優(yōu)化以獲得最終結(jié)果。而且，試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)之前，須裝夾試驗(yàn)件并將搖桿拉離安裝時(shí)的鉛垂位置，調(diào)節(jié)連桿長(zhǎng)度調(diào)整絲杠以設(shè)定連桿長(zhǎng)度，此時(shí)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(qiáng)度。因此，首先對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力分析并按靜強(qiáng)度對(duì)試驗(yàn)臺(tái)各構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)是合理的、是動(dòng)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(zhǎng)度分別為、，機(jī)構(gòu)傳動(dòng)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(diǎn)支反力、及負(fù)載阻力矩（即

8、試驗(yàn)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(diǎn)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(duì)搖桿列靜力及力矩平衡方程有：對(duì)曲柄列靜力平衡方程有：根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，搖桿左、右極限位置所對(duì)應(yīng)的最小、最大試驗(yàn)扭矩分別為：根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果以及式2.21得曲柄、連桿、搖桿、機(jī)架的長(zhǎng)度分別為：、則計(jì)算左右極限位置對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)角最小及最大值分別為：根據(jù)靜力平衡方程？，計(jì)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(jì)計(jì)算1. 桿件結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)各桿件結(jié)構(gòu)形式時(shí)，有如下兩點(diǎn)需要說

9、明：第一，由激振機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)度，即可根據(jù)試驗(yàn)扭矩要求相應(yīng)地計(jì)算出另外兩桿的長(zhǎng)度；第二，為滿足試驗(yàn)扭矩調(diào)整的需要，必須有兩桿的長(zhǎng)度無極可調(diào)。在激振機(jī)構(gòu)的四桿件中，機(jī)架的長(zhǎng)度由曲柄和搖桿固定鉸鏈點(diǎn)的相對(duì)位置決定，機(jī)構(gòu)裝配完畢后即固定。如要對(duì)機(jī)架長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)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(qiáng)度，應(yīng)避免設(shè)置復(fù)雜的長(zhǎng)度調(diào)整機(jī)構(gòu)。因此，選取機(jī)架及搖桿長(zhǎng)度固定不變，根據(jù)試驗(yàn)扭矩計(jì)算曲柄及連桿長(zhǎng)度，并將曲柄及連桿設(shè)計(jì)為長(zhǎng)度無極可調(diào)的結(jié)構(gòu)以滿足試驗(yàn)扭矩調(diào)整的

10、要求。曲柄長(zhǎng)度較短，應(yīng)設(shè)計(jì)為偏心軸，加之曲柄長(zhǎng)度須進(jìn)行無極調(diào)整，故將其設(shè)計(jì)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(duì)位置來調(diào)整兩伸出軸端的偏心量，從而定義曲柄的長(zhǎng)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(jì)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(gè)左旋一個(gè)右旋，則可通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母調(diào)整連桿長(zhǎng)度。同時(shí)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(jì)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(jì)計(jì)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(duì)關(guān)鍵的受力件進(jìn)行靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)，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(xiǎn)截面面積為：則滑塊端危險(xiǎn)軸頸為，框架空心軸端危險(xiǎn)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(jì)計(jì)算連桿的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括桿長(zhǎng)調(diào)整絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算以及連桿危險(xiǎn)截面的設(shè)計(jì)計(jì)算。（1）調(diào)整絲杠螺紋設(shè)計(jì)取調(diào)整絲杠材料為，承受軸向靜載荷時(shí)許用拉

12、伸應(yīng)力為，取螺紋相對(duì)剛度為，估算絲杠螺紋危險(xiǎn)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(xiǎn)截面設(shè)計(jì)取連桿材料為，許用拉伸應(yīng)力為，估算連桿危險(xiǎn)截面面積為：取連桿截面形狀為矩形，則危險(xiǎn)截面邊長(zhǎng)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(qiáng)度，故估選連桿截面尺寸時(shí)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(jì)計(jì)算搖桿實(shí)際受力狀況為壓彎組合受力，危險(xiǎn)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(jì)為矩形，并取抗彎截面系數(shù)最大的寬高比。記搖桿危險(xiǎn)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(xiǎn)截面正應(yīng)力應(yīng)滿足解得搖桿危險(xiǎn)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(jì)中，零部件的各個(gè)具體結(jié)構(gòu)尺寸是參考強(qiáng)度設(shè)計(jì)校核得出的危險(xiǎn)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(yàn)因素，有可能導(dǎo)致構(gòu)件的某些部位無法滿足強(qiáng)度要求而某些部位強(qiáng)度過于安全而造成材料的浪費(fèi)。因而初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)階段及詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。其中拓?fù)鋬?yōu)化方法可以在不清楚結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畹那疤嵯拢鶕?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(yàn)臺(tái)的重量，減少材料和能源的消耗，在滿足強(qiáng)度、剛度要求的前提下，對(duì)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(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。實(shí)體單元類型均選擇8節(jié)點(diǎn)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(duì)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(shí)節(jié)點(diǎn)與孔壁全部節(jié)點(diǎn)之間。剛性單元可以方便地施加載荷以及約束，并且在計(jì)算過程中不會(huì)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