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        基于偏心輪機(jī)構(gòu)有限元分析的研究

        2019-03-13 13:00:16張瑞欽李增超
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2019年5期

        張瑞欽 李增超

        摘? 要:偏心輪機(jī)構(gòu)是完成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的另一種形式,是一種可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動的主要形式,應(yīng)用十分廣泛。但是由于偏心輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動軸連接處的特殊性,會在運(yùn)動過程中出現(xiàn)局部最大應(yīng)力現(xiàn)象,大大增加生產(chǎn)制造的難度與進(jìn)程。文章中是對一種按摩槍中的偏心輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究,通過有限元分析對其受力、應(yīng)變等進(jìn)行分析,可以對偏心輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行校核改進(jìn),同時反過來可以對電機(jī)的選擇有一定的參考。

        關(guān)鍵詞:偏心軸;最大應(yīng)力;ANSYS;校核改進(jìn)

        中圖分類號:TH133.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ?文章編號:2095-2945(2019)05-0071-03

        引言

        在進(jìn)行由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動結(jié)構(gòu)設(shè)計時,設(shè)計人員通常會想到使用偏心輪機(jī)構(gòu)來對其進(jìn)行運(yùn)動形式的變換,但在設(shè)計結(jié)構(gòu)的時候,設(shè)計者往往會根據(jù)數(shù)據(jù)計算以及經(jīng)驗來對其進(jìn)行設(shè)計驗證,既耗費(fèi)時間和精力,又阻礙了生產(chǎn)制造的進(jìn)程。如今有限元分析技術(shù)應(yīng)用很廣泛,有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解,故在對其結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造之前會對其進(jìn)行受力分析已成為必要;在進(jìn)行受力分析時如果出現(xiàn)部位受力過大或應(yīng)力集中導(dǎo)致運(yùn)動失真甚至失效,其對于偏心輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計時不能被接受,因此要考慮結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力應(yīng)變分布情況,提前了解結(jié)構(gòu)在施加載荷之后整體可能出現(xiàn)應(yīng)力分布不均的部位,可對其有問題的部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進(jìn),或可知此結(jié)構(gòu)能承受的最大載荷,更有效地選擇驅(qū)動機(jī)構(gòu)。通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,有效的解決了在生產(chǎn)制造過程中無法快速精確設(shè)計參數(shù)的問題,提高設(shè)計成功率,極大地改善了設(shè)計的成本與時間。

        1 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

        本文對一款震動按摩槍產(chǎn)品中的偏心輪運(yùn)動結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,對其進(jìn)行施加載荷,查看其應(yīng)力應(yīng)變云圖,可以看出機(jī)構(gòu)在工作過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布情況,通過分析結(jié)果可以對其出現(xiàn)失效的部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,極大的降低了設(shè)計的周期,降低生產(chǎn)成本。

        1.1 三維模型介紹

        圖1所示為按摩槍傳動部分,圖2為偏心機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖。圖1為震動按摩槍產(chǎn)品,圖中只標(biāo)注出偏心輪機(jī)構(gòu),其它部件暫不標(biāo)出,其主要用于康復(fù)訓(xùn)練和肌肉放松,在此產(chǎn)品中偏心輪機(jī)構(gòu)的任務(wù)是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)闃岊^的直線往復(fù)運(yùn)動,故偏心輪機(jī)構(gòu)的可靠性極其重要;圖2是用于連接電機(jī)與執(zhí)行元件之間改變傳動方式的機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)的整體是由偏心軸,電機(jī)軸和電機(jī)軸承組成,在本機(jī)構(gòu)輸出軸與偏心輪為一體,偏心輪的一側(cè)砍掉一部分主要是為了避免機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)運(yùn)動死點,防止機(jī)構(gòu)被卡死。

        結(jié)合圖1與圖2對產(chǎn)品的整體的尺寸和裝配的分析,偏心機(jī)構(gòu)的主要尺寸為:電機(jī)軸的直徑為8mm,軸長為39mm,偏心輪的直徑為24mm,砍掉部分的徑長為6mm,輸出軸的直徑為8mm。偏心輪的材料選為鋁合金,電機(jī)軸為45鋼,能減輕產(chǎn)品的重量,同時能降低產(chǎn)品成本。

        2 機(jī)構(gòu)的有限元分析

        有限元分析利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進(jìn)行模擬。利用簡單而又相互作用的元素,即單元,就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成,對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解,然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件),從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解,而是近似解,因為實際問題被較簡單的問題所代替。但是,這對我們進(jìn)行偏心軸的可靠性和穩(wěn)定性分析是十分有用的。

        2.1 ANSYS靜力學(xué)分析

        對偏心軸傳動機(jī)構(gòu)使用ANSYS對其進(jìn)行靜力學(xué)分析,在以上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的理論受力分析和所受力的因素,在對模型分析時暫不考慮其機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的摩擦等其它的損傷,對電機(jī)軸的扭矩數(shù)值為此上算出的101N·m。下圖3和圖4分別為偏心輪與電機(jī)軸的應(yīng)力分布云圖。

        上圖3為偏心輪的應(yīng)力分布云圖,如圖所示偏心輪在受到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動扭矩后所承受的應(yīng)力分布,云圖紅色為應(yīng)力分布的最大部位,最大應(yīng)力大約為26MPa,最大應(yīng)力集中分布在孔的邊緣處,其中在孔的平面接觸部分應(yīng)力尤其過大,有可能在機(jī)構(gòu)的傳動工作中會出現(xiàn)這些部位崩潰失效,應(yīng)在設(shè)計時對這些部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,避免出現(xiàn)一些部位應(yīng)力過大。

        上圖4為軸的應(yīng)力分布云圖,電機(jī)軸為機(jī)構(gòu)的驅(qū)動機(jī)構(gòu),其重要性不可言喻,雖電機(jī)軸是和電機(jī)是為一體的,但可通過對其所受應(yīng)力分布情況可知此電機(jī)軸能否承受其傳動工況,如圖所示最大應(yīng)力大約為7.2×103MPa,整體的受力分布較成階梯型,沒出現(xiàn)應(yīng)力急劇變化部位,可根據(jù)電機(jī)軸的材料屬性知是否滿足工作需求。

        2.2 模態(tài)分析

        做模態(tài)分析使用工程分析軟件ANSYS,進(jìn)入此軟件的模態(tài)分析模塊,在之前模型的構(gòu)建中使用Solidworks進(jìn)行其三維建模,在軟件中的步驟和參數(shù)設(shè)置就不再詳說,對此模型進(jìn)行前7階模態(tài)的分析,表1為分析數(shù)據(jù)。

        結(jié)構(gòu)振動可由每階固有振型的線性組合表示,其中低階固有振型較高階固有振型對結(jié)構(gòu)的振動影響較大,低階振型對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性起決定作用,因此進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動特性分析計算時提取了軸的前階頻率。如圖5所示,給出了第4階到第7階頻率下對應(yīng)的振型圖。

        模態(tài)分析的好處:使結(jié)構(gòu)設(shè)計避免共振或以特定頻率進(jìn)行振動;使工程師可以認(rèn)識到結(jié)構(gòu)對于不同類型的動力載荷是如何響應(yīng)的;有助于在其它動力分析中估算求解控制參數(shù)。其用于確定設(shè)計結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的震動特性(固有頻率和振型)。固有頻率和振型是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù),也是模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動學(xué)分析中必要的參數(shù);并且可通過此分析得到對坎貝爾云圖,得此構(gòu)件的固有頻率或者旋轉(zhuǎn)的臨界轉(zhuǎn)速,以避免實際中,機(jī)械由于振動而出事故或者出現(xiàn)重大損壞。這可留作讀者或者本人對其做進(jìn)一步的研究與分析。

        3 結(jié)論

        通過對偏心輪傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行ANSYS的有限元分析,得到了其應(yīng)力分布情況和模態(tài)分析所求的低階振型圖。

        (1)通過對機(jī)構(gòu)的ANSYS靜力學(xué)分析,可得到此機(jī)構(gòu)在工作時的最大應(yīng)力分布情況,并對其機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)提供了證據(jù)支撐。

        (2)通過對機(jī)構(gòu)的ANSYS的模

        態(tài)分析,可得偏心軸的固有振型,可預(yù)防發(fā)生共振等不良現(xiàn)象,并為此后做瞬態(tài)分析及諧響應(yīng)分析做準(zhǔn)備。

        (3)ANSYS已成為產(chǎn)品設(shè)計中及其重要的仿真分析軟件,可對產(chǎn)品安全與可靠性提供巨大的保障。

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