SolidWorks在机械平衡计算上的应用.pdf

A G R I C U P A L 农业E Q U I 装备P M E N 与T 亨辆工V E H I C 鑫E N C I N E E R N G I 删 比 N o82 0 1 n t a llyN d o i 1 3 9 6 9 j s n l6 7 33 1 4 22 0 1 10 80 1 5 S o lid W o r k s 在机械平衡计算上的应用 程娟 席久恒 兰翼 刘振 1 1J 东省农业机械科学研究所m 东济南2 5 0 1 0 0 摘要 月S o lid r k 杖 对机械章部件进行十衡 析 鼻 自 兢 手i 衡分析计算i 相m in 女提 高i程设计人自 I 作 率 减 分析计算量和设计误 有 地 导女m 产 关键词 S o lid w n r k s 4 自 析 静女分析 自 衡 静平衡 中围分类号 T H l2 3女鼓标m 码 B 文章螭号 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 1 0 8 J 1 0 4 2 0 5 A p 试ic a t lo n0 f S o lid W o r k sa tC a le u la f lo no f M e c h a n icB a lR ilc e C h e n gJ u X iJ iu h e 堞 t a nY i I a uZ h e n S h a n d o n gA e u h u dM a c h in e lyR e s e m hI n s lilu le j 2 5 0 1 0 0 C h in a A 埘r a e tB a la n c ea n a ly s isc a I c u la I l I lt oI h e h i ep a r isw it hS o t id W o r k sc o h ig r e a t lyim p r o v et h ew o r kt m c lc n t yo f e n g in n n gd e s ig o o m p a m d w mlm t lilio n a lm a n u a lc a lc o la t io nm t h o d sd e c ec a lc u la t io nq u a n t it y dd ig e f f f iv e lyin s 咖e le n t e r p 6 p M lu c llo n K e y w o r d s S o lid w v r k s lu o llo na n a ly s is s t f ic a ly s is d y n a m icb a la n c e s t a t icb 一 缩短设计时 日J 提高设计准确率 将节能减排 贯穿于整个产品生命周期等 越来越受到人们的 重视 本文以机械平衡在S o lid W o r k s 中的应用为 例 阐述信息化技术对现代工业设计的影响 1 格统静平衡的计算方法 J 于机槭平衡 一般指的是回转构件的平衡 由丁回转构件的几何形状各异 因此形成的不平 衡惯性力 力矩的原因也不同 要单独对待 有一 类 转件 其径向R 寸较大 轴向K 寸较小 D B 5 可以近似认为其质量分布在一个平面中 在传 统的设计汁算中 这类情况 我们可以将其简化成 平面扩交力系进行汁算 如图1 所示的凸轮 目I 凸轮 意田 已知 等价质量块与回转中心距离e f f i32 r a m 质量m 0 0 2 3 k g 角速度w 2 0 0 1 r 6 0 0 0 f r a in 则 轴承支座受刮的离心力公式为 n 日 2 0 I I 加6 者 目 1 9 8 0 女 I j E n 口s A 目 女I 肛m 1e lU 2 计算得 F 一2 9 N 是其一身质量的1 2 6 倍 这 将大大增加轴承的磨损 降低使用寿命 降低机械 效率 增大震动 噪声 传统的计算方法用公式很 容易箅m 但在实际设计过程中 面对各种复杂形 状 偏心距e 的计算非常繁琐 2 利用S o lid w o r k sM o t io n 分析静平衡 几乎所有的三维软件都能比较容易得到复杂 零件的重心 例如在S o lld W o r k s 中 可以扣开 评 估一质量属性 如图2 所币 圈2S o lm 岫评怙一质 性 以前文凸轮为例 利用S o lid w o r k s 设计工具 计算偏心距 在S o lid W o r k s 中有两种计算方式 1 运动分析 S o lid W o r k sM o t io n 2 静力分析 S o lid W o r k sS im u la t io n 先采用第一种方式 一J 一一 程蚺等 酬m w w k B 在机械平衡计算上的应用 ll 8 月 用M o t io n 进行分析时 所有的军部件都视为 刚体 当然单个零件无法分析 需要有一个 机 架 如图3 所示 轴 是固定的 与凸轮孔有 同 心 配合 凸轮端面与轴端面有 重合 配合 这样 凸轮只有一个回转自由度 圈3 凸艳运动分析 操作步骤 1 确认插件中 S o lid W o r k sM o t io n 插件是打 开的 界面如图4 所示 田4 插件界面 2 建立一个新运动算例或者应用一个已有 的 并保证算例类型为 M o t io n 分析 3 应用马达命令 见图5 右上角马达图标 设置凸轮转速为6 0 0 0 f lI lin 围5 应用马达膏专 4 运算 计算按钮图标画盈在M o t io n 工作 区左上角 计算过程中有可能会有 冗余 提示 发现有 冗余存在 是否用 套管 消除冗余 点击 是 计 算完毕 计算完毕后产生一系列数据 f 5 查看结果 在M o t io n 的命令工具中找到 结 果和图解 曰 运行后能打开结果自动属性 图 6 所示 依次选择 力一反作用力一幅值 在参 考下选择配合 同心1 点击左上角绿色对号确 定后 将得到如图7 所示的曲线 目6 壹看结 a 精度低或 幅值 的罔解结果 h 精度提高后曲线 现 特连 c 将图解拉长或较少电机旋转时间的图解 田7 蚺果曲蛙 这里列举的是 幅值 转速是恒定的 因此反 作用力就是一个定值 反应到图解中就是一条直 线 如果列举的是Y 方向的值 那么得到就是类似 正弦渡的曲线 需要注意的是 结果曲线是通过找点拟合的 本傍中凸轮的转速很高 6 0 0 0 f r a in M o t io n 分析 的默认精度为2 5 帧 B 由于找点太少 会出现拟 合曲线的失真 一条零值或非零的水平直线 此 时需要提高分析辅度 精度提高后有可能会得到 一片蓝色带 这是曲线太密造成的 可以减少电机 转动时问或是拉长结果图解 一4 3 蠢黜 M 隧熙 农业装备 车辆I 程 由图解可知 最大的反作用力为2 8 A N 手工 计算为2 9 N 两个结果差别在于小数精度 手工 1 算精确到小数位4 位 而计算机却是精确到1 2 8 位 显示为最多8 位 不管是手工计算还是用软件 计算 都没有考虑引力的影响 对于大型机械或精 密机械 这是不能忽略的 这无疑对手工计算又添 加了T 作量 只有有效利用各种信息化工具 才能 提高计算速度和精度 3 传统的动平衡计算方法 上文计算凸轮零件离心力不为0 可知静态 下一定不平衡 但是实际丁程中情况比较复杂 比 如曲轴 即使其结构是中心对称的 但是回转起来 轴承支座还是有较大的不平衡作用力 这是由于 曲轴本身轴向尺寸较大 径向尺寸较d D B 5 其质量分布不能认为是在一个平面中 对应的离 心力也就不能认为是在一个平面 曲轴转动过程 中各个质量中心不但会产生反作用力 而且还有 反作用力矩的产生 因此对于精密机械或轴向尺 寸较长 D B 5 的回转件要计算其动平衡 围8 简化的曲轴 图8 为简化的曲轴 用传统手工计算其动平 衡需要几个步骤 1 确定质量可以近似分布在一个平面中的结 构 每一部分都可认为是一个偏心质量块 并且计 算出每一个的偏心距 图8 中的垂线 2 转零件动平衡一般需要加两个平衡质量 块 选择两个垂直于轴线并且可以加质量的平面 简称平衡平面 3 1 在偏心距不变的情况下 将各处的偏心质 量块等效到刚才选定的 平衡平面 中 H 各个质量块都等效到了平衡平面中 在平 衡平面中加 平衡质量 要分别满足两个平衡平 面中的台力为0 质径积 质量块质量与偏心距的 乘积 总和为0 这样按质径积封闭图解法就能求出平衡质径 积的大小和方向 选定平衡质量的半径后 即能求 出其质量大小 这样就能将曲轴进行平衡了 传统手 计算动平衡的第一步 各等效质量 块和偏心距的计算都需要花费大量时间 精力 对 于复杂机构 计算更为庞杂 借助相关软件则很容 易实现 叮以将各个部分分割 分别列举分割实体 的质量中心和偏心距 不但计算省力而且准确 上述的第二步也存在具体问题 对于纯学术 计算 我们怎么加平衡质量都行 只要注明 这是 可以加质量的部分 即可 但是企业为了追求利润 最大化 一般不希望加质量 最好是在已有的结构 上去脒质量使之动平衡 传统手T 计算在这里显 得更加吃力 还要注意 传统的手1 计算先假设计算的零 件是剐体 没有变形 对十有些情况必须要考虑零 件变形的影咱 手下计算就更麻烦了 下文利用信 息化工具解决这些手下计算的不便之处 4 利用S o lid W O r k sS im u la t io n 分析动平衡 在S o lid W t 以sM o d o n 中计算的零件假设都是 刚体 如果考虑到变形的影响 则不能用M o t io n 而要用到S o lid W o r k s 的S im u la t io n 模块 对于动 平衡的计算只需S im u la t io n 的静力模块就足够 S im u la t io n 静力模块有几个假设条件 只有满足的 情况下才适用 I 材料是线性的 这里指的是应力应变曲线 呈现一条直线 也就是受力在比例极限以内 口 小变形 小变形不是变形尺寸的大小 而是 看变形是否显著改变其结构刚度 3 静态载荷 载荷施加的时间无穷长 换句话 说载荷与时问没有关系 也就是可以忽略惯性力 的情况 操作步骤 1 首先要打开S im u la t io n 插件 见图9 圈9 打开 iI u la li n 插件 2 新建一个静态算例 f 3 l添加边界条件 选掸图1 0 中3 个灰色面 堇一 罐 器 程娟等 S o lid W o r b 在机械平衡计算上曲 月 2 0 1 1 48 月 为 l雪面糊 夹具 约束 添加 窑I o 力 选择 基准轴l 为 参考 给定5 0 0 0 r m in 的转速 围1 0 曲界条件 4 1 加载网格 S o lid W o r k s 会根据模型的大小 自动匹配网格大小 在消耗时间和精度找到一个 均衡的值 也可以手动将关 0 的部分细化 图1 l 为自动划分的结果 圈1 1 同格显示 1 5 卅算 默认情况下在结果文件夹中显示三 种结果 应力应变和变形 见固1 2 U 田1 2 应力田屏 计算完成 点击 E 墒结果 右键 选择 列举台力 如图1 3 所示 可以看到关心的内 容 在选项中有两项可以选择 分别是 反作用力 和 自由实体力 这里选择第一个 反作用力 在 要列举的 面 边线或顶点 选择框中 选择上面添 加固定铰链的三个面 点击按钮 更新 这时在 反作用力 N 处能得到一个表格 里面列举了需 要的数据 表格末行是 合力 对于整个模型 合 力为1 2 8 6 4 N 我们发现 计算的曲轴为对称结构 忽略材料 变形因素的话只能有转矩 反作用力应该比较小 厦恫呐撕 田1 3 嚣择 举古 但是得到的合力为l3 N 这是由于网格的离散化 误差形成的 毕竟有限元分析是将模型离散化后 进行计算 必然会有误差存在 只要在允许范围即 可 如果想得到更精确的数值 可以提高网格的精 度 不过计算时间也会相应增加 把阿格调整到 5 一左右的时候 计算的反作用力为0 0 6 N 如果 网格继续细化 会发现得到的结果逐渐趋于一个 定值 这个值就是理论解 勰口霸藤 口1 4 图1 4 为支撑处反作用的图解 箭头的大小表 示作用力的大小 通过厢1 4 反作用图解可以得到表 裹1 三处支撑的 作月力 N 不难发现 虽然数值计算的 合反作用力 较 小 但是在每一扯支撑处的反作用力并不一定小 其中z 向的力是作用在一条直线上的 因此台力 为1 2 9 N 是正确的 而Y 方向上的力不在一条直 线上 这样就会产生反作用力矩 这也是为什么旋 转中不平衡的症结所在 只有将它控制好 才能实 现该零件的动平衡 要想抵消掉这个反作用力矩 有几种方法 1 两个力的作用线共线 但 用对等的反向力矩抵消 3 力的绝对值为零 农业装备q 车辆工程 第一种方法只有在轴向尺寸小的时候可以近 似实现 不过那就偏离了零件的外形结构 第二种 添加相反的力矩进行抵消 这种可吼在某些次要 平面上添加质量块的方法可以实现 不过在实际 设计中 很多情况并不适用 而且使重量增加 第 三种要实现力的绝对值为0 可以通过添加反力 的方法使其为0 这个反力可以通过修改零件结 构实现 在冈1 4 中可知 左右两边支撑处的反力绝对 值较大 可以在此处改变结构实现力的抵消 具体 方法 在反作用力的反方向 且在倒转中心另一 佣 添加材料质量 通过回转巾的 离心力 和支撑 处的 反作用力 相互抵消柬实现动平衡 a 原设计 b 进没计 田1 5 零件投影截面 图1 5 为产生反作用力处的零件投影截面 图 5 b 明显下部面积增大了 经计算 罔1 5 修改后的零件反作用力如表2 表2 恬醺 处支撑的反作用力 N 比较原设计计算的表格 可以发现Y 方向的 反作F H 力绝对值从3 6 0 0 多N 减小到8 7 0 多N 有 效抵消了反作用力矩的作用 用此法逐渐 修改一 计算一再修政 的方式 得到满足设计精度的零 件 5 结论 近些年来 由于计算机软硬件技术的不断发 展和有限元分析软件的高适应性 高准确性 高时 效性 越来越受到设计人员的重视 相信有限元分 析的平民化是未来设计的 个方向 也只有利用 好这些工具才能为设计添砖加瓦 为企业提高设 计水平 新能源汽车示范推广会议在