机械毕业设计23大功率偏心摆振试验机偏心机构设计

*大学本科学生毕业设计（论文） 大功率偏心摆振试验机偏心机构设计 学 生： 学 号： 指导教师： 专 业： 机械设计制造及自动化 *机械工程 学院 2OO9 年 6 月 Graduation Design (Thesis) of Chongqing University Design of the Eccentric Mechanism of High-power Shimmy eccentric testing machine Undergraduate: Zeng Yuhao Supervisor: Prof. Gong Xiansheng Major: Mechanical Design Manufacturing and Automation June 2009 中文摘要 I 摘 要 大功率偏心摆振试验机是为验证大型弹性联轴器性能而设计的。该试验机的模型主要有 三种，一种是曲柄摇杆机构， 一种是滚珠丝杆机构 ，另一种是齿轮齿条机构 1。本论文选择的是 第一种 ，主要设计任务是确定机构各 构件详细尺寸，满足设计 的 要求。 试验机 偏心机构在 工作过 程中承受的最大扭矩是 25 KN.m，摇杆摆角范围为 10 度，在范围内无极可调，曲柄为有级可调的几组偏心量不同的偏心轴，连杆在一定尺寸范围内可以无级调定杆长。机构的尺寸包括长度尺寸和截面尺寸。长度尺寸主要有机构摇杆摆角范围来确定，截面尺寸由机构承受的最大扭矩来确定。 本论文从摇杆摆角范围出发，利用 Matlab软件中的优化工具箱进行尺寸优化，得到各个构件的长度，再通过 Matlab 中的 Sumulink 工具进行动态仿真 2，验证尺寸是否满足设计要求，通过多次验证修改，得到最优长度尺寸。再根据机构承受的最大扭矩，利 用机构的静力学模型和零件的的强度条件，选定各构件的截面尺寸。尺寸定下来后，用 ProE3为各个构件建立实体模型，并进行装配，再利用ProE 仿真功能，获得机构的运动动画。最后，用 Ansys 软件 4对摇杆和连杆应力应变分析，验证构件的强度。通过验证，设计的机构满足运动和强度要求。 关键词 : 大功率偏心摆振试验机，曲柄摇杆机构， Matlab,ProE,Ansys 重庆大学 本科学生毕业设计（论文） ABSTRACT II ABSTRACT High-power Shimmy eccentric testing machine is specifically designed for verifying the performance of flexible coupling. There are two models of the testing machine, the one is the crank-rocker mechanism, and the other is ball screw mechanism. In this paper, the author chooses the former, and the main task is to determine the detailed size of crank-rocker mechanism l to meet the design requirements. During the working Process, the maximum torque rolling in the testing machine is 25 KN.m. The angle range of rocker is 10 degrees with no limit to change the degree. The crank is the one of eccentric shafts with different amounts of eccentricity. In the range of a certain size, we could select the size of the link at discretion. The size of the testing machine includes the length and section size. The length is mainly determined by the scope of the rocker, and the section is mainly determined by the maximum torque rolling in the testing machine. In this paper, with the range of the rocker, using the Matlab Optimization Toolbox, the lengths of various components are obtained, then using the Matlab Sumulink Toolbox, to verify whether the sizes are meeting the design requirements. Through a number of validation modifications, the optimal lengths are obtained. Under the maximum torque， using the static model agencies and the strength condition of the component parts, to obtain the section size of component parts. Then using ProE to establish the solid model for every part of the machine, and using ProE Simulation Toolbox, the animation of the machine is obtained. Finally, verifying the Stress-strain of the link and the rocker with the Ansys. Through the last verification, the designed machine meets the requirements in movement and strength well. Key word: High-power Shimmy eccentric testing machine, crank and rocker mechanism, Matlab, ProE, Ansys 重庆大学 本科学生毕业设计（论文） 1 绪论 III 目 录 中文 摘要 . I ABSTRACT . II 1 绪论 . 1 1.1 本文背景 . 1 1.2 曲柄摇杆机构的特性 . 3 1.2.1 曲柄摇杆机构的条件 . 3 1.2.2 行程速比系数 . 3 1.2.2 压力角和传动角 . 4 1.3 论文主要工作和内容安排 . 4 2 基于 Matlab 的优化和仿真 . 6 2.1 概述 . 6 2.2 Matlab 简介 . 6 2.3 机构尺寸的优化 . 7 2.3.1 目标函数 . 7 2.3.2 约束条件 . 8 2.3.3 优化主函数 . 8 2.3.4 Matlab 编程求解 . 8 2.4 Matlab/Simulink 动态仿真 . 9 2.4.1 利 用 Simulink 进行系统仿真 9的步骤： . 9 2.4.2 曲柄摇杆机构数学模型的建立 . 9 2.4.2 计算函数的编制 . 10 2.4.3 仿真模型初值的确定 . 10 2.4.4 仿真模型的构建 . 11 2.4.5 动态仿真 . 12 2.5 本章小结 . 19 3 基于静力学的截面选取 . 20 3.1 概述 . 20 3.2 机构的静力分析 . 20 3.2.1 曲柄摇杆机构静力学 10模型 . 20 3.2.2 利用 Matlab 求解 . 21 3.2.3 构件模型的转化 . 23 3.3 构件截面选取 . 23 3.3.1 连杆的截面选取 . 23 3.3.2 连杆螺纹管截面的选取 . 24 3.3.3 摇杆的截面选取 . 24 3.3.4 圆柱销截面选取 . 27 重庆大学 本科学生毕业设计（论文） 1 绪论 IV 3.3.5 偏心轴的截面选取 12 . 28 3.3.6 偏心轴轴承的选取 . 30 3.4 本章总结 . 31 4 机构的三维实体建模 . 32 4.1 概述 . 32 4.2 Pro/Engineer 简介 . 32 4.2.1 相关性 (FullAssoeiativity) . 32 4.2.2 基于特征的参数化建模 (Feature 一 based parametrie Modeling) . 33 4.2.3 数据管理 (Data Management) . 33 4.2.4 装配管理 (Assembly Management) . 33 4.2.5 工程数据库重用 (Engineering ate Reuse EDR) . 33 4.2.6 易用性 (Ease fuse) . 33 4.2.7 硬件独立性 (Hardware Independence) . 34 4.3 三维实体建模 14 . 34 4.3.1 机构重要构件三维实体图 . 35 4.4 三维实体装配 . 39 4.4.1 三维实体装配简介 . 39 4.4.2 装配过程 . 40 4.4.3 机 构三维实体装配图 . 41 4.5 机构运动仿真和分析 . 42 4.5.1 Mechanism/Pro 简述 . 42 4.5.2 Mechanism/Pro 仿真过程 . 42 4.6 本章小结 . 45 5 基于 Ansys 的应力应变分析 . 46 5.1 本章概述 . 46 5.2 ansys 软件简介 . 46 5.2.1 Ansys 的主要技术特点 . 46 5.2.2 Ansys 有限元分析的流程 . 47 5.3 机构重要构件 Ansys 分析 . 47 5.3.1 摇杆的 Ansys 分析 . 48 5.3.2 偏心轴的 Ansys 分析 . 52 5.3.3 连杆的 Ansys 分析 . 54 5.4 本章小结 . 56 6 结论与展望 . 57 6.1 全文工作总结 . 57 6.2 后续工作展望 . 57 致谢 . 58 参考文献 . 59重庆大学 本科学生毕业设计（论文） 1 绪论 1 1 绪论 1.1 本文背景 近年来，重庆市船舶企业利用地理优势，一直在积极抢占国内市场，并逐步向国际市场延伸。去年，川东造船厂特种船舶产业化建设、东风船舶工业公司扩能技改、帝力游艇制造有限公司高档游艇制造等重点项目陆续推进，重庆市船舶工业不仅实现了从建造内河船舶到海洋船舶、出口船舶的历史性跨越，还成功研发生产出一批高技术含量、高附加值船舶产品。 2008 年重庆市船舶工业总产值首次突破百亿大关，达到 101。 19 亿元 。为了进一步加速重庆船舶装备制造业的发展，关键还是掌握关键核心技术，这些技术中，高弹性联轴器的性能研究是一项重要内容。 高弹性联轴器被广泛地应用在船用柴油机动力装置中 5。它设置在柴油机的输出端 ,其功能在于：传递扭矩；调整传动装置轴系扭转振动特性；补偿因振动、冲击引起的主、从动轴的中心位移；缓冲和吸振。因此，起到了减振降噪的目的，从而起到保护主、从动机和整个传动装置运行可靠性的目的。高弹性联轴器的性能主要包括如下几个方面 6。 额定转矩、最大转矩、许用变动转矩：额定转矩是指联轴器允许持续传递的转 矩 ,它应满足动力装置在持续工况下的平均转矩。最大转矩是指联轴器能够满足动力装置在瞬态工况下 (如 :启动、冲击、通过临界点等 )的工作转矩。许用变动转矩是指高弹性联轴器满足在动力装置持续工况下周期性扭转振动的允许扭转振动转矩幅值。该特性反映了高弹性联轴器承受振动的能力 ,也是高弹性联轴器的特征技术性能之一。 动态扭转刚度和阻尼系数：动态扭转刚度 C 以产生单位扭转变形所需的扭矩表示 ,动态扭转刚度可以调节轴系的自振频率以实现避开共振的目的。而阻尼系数反映联轴器衰减振动的能力。动态扭转刚度和阻尼系数是动力装置轴系扭振计算不可缺少的高弹性联轴器的重要特征技术性能参数。 许用轴向位移、许用径向位移、许用角向位移：许用轴向、径向、角向位移分别是允许高弹性联轴器主、从动端相对端面轴向、径向和角向 (两轴线成一定角度 )的偏移量。 弹性联轴器的性能要求提了出来，但 如何验证所开发出来的弹性联轴器动态减振特性是否合格，是否满足设计要求，一直困扰着众多设计人员，目前的试验重庆大学 本科学生毕业设计（论文） 1 绪论 2 机基本上处于理论状态，都是各自实验室开发的，功能具有针对性，不够全面，功能完善、被工程人员一致认可的试验机在市场上还未出现。本论文的主要任务就是在理论的指导下， 设计一台满足功能要求的大功率偏心摆振试验机。 弹性联轴器大功率偏心摆振试验机，其功能的实现的方式基本上是通过各种机构，产生一个偏振，通过该偏振的过程，将一个力矩传递到弹性联轴器上。简而言之，就是将一种运动方式转化为摆动。另外，由于弹性联轴器实际工作过程中，其承受的力矩是一个动态、不断变化的过程，所以要求该实验机能动态的施加不同的初始力矩。目前，针对如何实现该大功率偏心摆振试验机功能的理论，被大家普遍所接受的主要有三种方案，一是通过曲柄摇杆机构，二是通过滚珠丝杆机构，三是齿轮齿条机构。各种方案各具特色，现对三 种方案分析比较如下。 曲柄摇杆机构有以下几方面优点 ：由于运动副元素为圆柱面和平面而易于加工、安装并能保证精度要求，且因各构件之间为面接触而压强小，便于润滑，故其磨损小且承载能力大，两构件之间的接触是靠其本身的几何封闭来维系的，它不象凸轮机构有时需利用弹簧等力来保持接触；当主动件的运动规律不变时，仅改变机构中构件的相对长度，则可使从动件得到多种不同的运动规律；另外，也可利用连杆曲线的多样性来满足工程上的各种轨迹要求。然而，连杆机构也有其不足之处：连杆机构的运动综合较为繁难，一般情况下只能近似地实现给定的运动规 律与运动轨迹的要求；由于连杆机构的惯性力不能得到完全平衡，因而不宜用于高速传动中；连杆机构的性能受机构上繁多的几何参数的影响，呈复杂的非线性关系，无论从性能分析上还是性能综合上都是一个比较困难的工作。 滚珠丝杆机构是由丝杆 、 螺母 、 滚珠等零件组成，其作用是将转动转为直线运动或者将直线运动转为摆动，主要优点是高精度，高刚性，方便调节，低摩擦。缺点是使用的元件多，对元件性能要求高，尤其在润滑和摩擦和方面，控制不好，就会使能耗损失较大，容易造成性能稳定性不好。另外，效率不高，成本较高，装配比方案一要复杂。 齿轮齿条 机构结构简单，由一个齿轮和齿条构成，给齿条一个往复的直线运动传动，就可以实现齿轮的周期摆动，该机构的主要优点有：工作可靠、使用寿命长；瞬间传动比为常数；传动效率高；结构紧凑；传递扭矩大。缺点是：齿轮制造需专用机床和设备，成本较高；精度低时，震动和噪声较大；传动平稳性和准确度较低。 摆振试验机最高频率为 12HZ，曲柄转速低，再结合三种机构的各自优缺点，经过综合比较分析，方案一性价比最高，更具有实现意义，故试验机机构模型选方案一。 重庆大学 本科学生毕业设计（论文） 1 绪论 3 1.2 曲柄摇杆机构的特性 在具体讨论曲柄摇杆机构的运动性能 7之前，有必要 就与机构运动性能有关的一些基本知识做一简单介绍。 1.2.1 曲柄摇杆机构的条件 在铰链四杆运动链中，某一转动副为整转副的充分必要条件是组成该转动副的两构件中必有一个构件为最短构件，且四个构件的长度满足杆长之和条件。如果四个构件的长度不满足杆长之和条件，则四个转动副均为摆动副。从而无论取哪个构件为机架，均得双摇杆机构。如果铰链四杆运动链中四个构件的长度满足杆长之和条件，且其中一个构件的长度小于其他三个构件中任一构件的长度，则该最短构件所联接的两个转动副均为整转副，另两个转动副均为摆动副。此时，若取最短构件为 机架，则得双曲柄机构；而取最短构件的任一相邻构件为机架，则得曲柄摇杆机构；又若取最短构件的对边构件为机架，则得双摇杆机构。 1.2.2 行程速比系数 在图 1-1 所示的曲柄摇杆机构中，当主动件曲柄 AB 等速回转时，从动件摇杆CD 则往复变速摆动。由图可知，曲柄 AB 在回转一周中有两次与连杆共线，此时，摇杆 CD 分别位于极 左 1CD和极右 2CD两个极限位置。当曲柄 AB 由位置顺时针转过 1 到达位置 2AB 时，摇杆 CD 则由位置 1CD摆至位置 2CD，设 其所需的时间为t1，而 C 点的平均速度为 1；又当曲柄 AB 再由位置 2AB 继续顺时针转过 2 角到达位置 1AB 时，摇杆 CD 则由位置 2CD变速摆到位置 1CD，设其所需的时间为 t2，而 C 点的平均速度为 2。在以上两个极限位置即曲柄与连杆两次共线位置之间所夹锐角称为极位 -夹角。由于 1 2 ,所以 t1t2，而摇杆摆角不变；可见当曲柄 AB 等速回转时，摇杆 CD 往复摆动的平均速度是不同的，这种现象称为机构的急回特性。为反映机构急回特性的相对程度，引入从动件行程速度变化系数， 图 1 1 曲 柄摇杆机构的行程速比系数分析 重庆大学 本科学生毕业设计（论文） 1 绪论 4 用 K 表示，其值为 2 2 1 11 1 2 2/ 1 8 0/ 1 8 0ttK tt （ 1.1） 亦可由 1.1 可得极位夹角为 11801KK （ 1.2） 1.2.2 压力角和传动角 在图 1-2 所示的曲柄摇杆机中，若不考虑构件的惯性力和运动副中的摩擦力的影响，当曲柄 AB 为主动件时，则通过连杆 BC 作 用于从动件摇杆 CD 上的力 P即沿 BC 方向。该力 P 的作用线与其作用点 C 的绝对速度 c 之间所夹的锐角 称为压力角。 图 1 2 曲柄摇杆机构的压力角分析 由图可见，力 P 可分解为沿点 C 绝对速度 c 方向的分力 1P 及沿构件 CD 方向的分力 2P 。分力只能使铰链 C 及 D 产生径向压力，而分力 1P 才是推动从动件 CD 运动的有 效分力，其值 1 c o s s i nP P P。 显然，压力角 越小，其有效分力 1P 则越大，亦即机构的传动效益越高。为了便于度量，引入压力角 的余角 90 ，该角 称为传动角。显然，角 越大 ，则有效分力 1P 则越大而 2P 就越小，因此在机构中常用其传动角 的大小及其变化情况来表示机构的传力性能。 传动角 的大小是随机构位置的不同而变化的。为了保证机构具有良好的传动性能，综合机构时，通常应使 min 40。尤其对于一些具有短暂高峰载荷的机构，可利用其传 动角接近最大值 max 时进行工作，从而节省动力。 1.3 论文主要工作和内容安排 重庆大学 本科学生毕业设计（论文） 1 绪论 5 本论为在已有的研究成果的基础上，从工程实际应用的角度出发，基于曲柄摇杆机构的运动特性，利用各软件进行尺寸优化，三维实体建模，动态仿真，应力应变分析，设计出合理的机构。各章节的主要内容如下。 第二章 ： 利用 Matlab 软件对曲柄摇杆机构长度尺寸进行优化，并借助软件的Sumulink工具动态仿真，使曲柄摇杆机构摇杆摆角满足设计要求，速度、加速度曲线尽量平滑。 第三 章 :利用材料力学和理论力学知识，选取曲柄摇杆机构合理的截面尺寸，并进行强度刚度验证。 第四章：用 ProE软件对机构各个零件三维实体建模，建模后装配为完整的机构，进行动态仿真。 第五章 :用 Ansys 软件对机构受力较大的几个构件进行应力应变分析，验证构件是否满足强度刚度要求。 第六章 :结论与展望。对全文的工作进行了概括总结，并对今后的工作中所需深入研究的问题给予了展望 。 重庆大学 本科学生毕业设计（论文） 2 基于 Matab 优化和仿真 6 2 基于 Matlab 的优化和仿真 2.1 概述 本章主要任务就是确定曲柄摇杆机 构长度尺寸，初步确定曲柄为三组偏心量不同的偏心轴，偏心轴的偏心量即为曲柄的长度，连杆长度能够在一定范围内无级可调，最终的机构的摇杆的摆角要在 10 度范围之内。为了得到曲柄，连杆，摇杆，机架的最优长度值，首先根据实际情况，初步选定机架的长度，结合目前的生产工艺水平，确定各组偏心轴偏心量的范围，然后利用 Matlab 软件的优化工具，得到曲柄，连杆，摇杆的最有长度，最后利用 Matlab 软件 Simulink 工具，对机构进行角度和角速度仿真，验证所得到的机构尺寸是否满足设计的要求。 2.2 Matlab 简介 MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业 数学软件 ，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。 MATLAB 是 矩阵实验室 （ Matrix Laboratory）的简称，和 Mathematica、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在 数值计算 方面首屈一指。 MATLAB 可以进行 矩阵 运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、 图像处理 、 信号检测 、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 来解算问题要比用 C， FORTRAN 等语言完相同的事情简捷得多，并且 mathwork 也吸收了像 Maple 等软件的优点 ,使MATLAB 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对 C， FORTRAN，C+， JAVA 的支持。可以直接调用 ,用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用，此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进 行下载就可以用。 以下是 Matlab 一些主要特性： 2.2.1 Matlab 特点 此高级语言可用于技术计算 重庆大学 本科学生毕业设计（论文） 2 基于 Matab 优化和仿真 7 此开发环境可对代码、文件和数据进行管理 交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题 数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等 二维和三维图形函数可用于可视化数据 各种工具可用于构建自定义的图形用户界面 各种函数可将基于 MATLAB 的算法与外部应用程序和语言（如 C、C+、 Fortran、 Java、 COM 以 及 Microsoft Excel）集成 本章节所用到的 MATLAB 工具主要为优化模块和 Simulink 仿真模块。 2.3 机构尺寸的优化 为确定尺寸的大致范围，在用 MATLAB 进行优化 8时，用作图法，先试探性的选几组数据，在 CAD 软件中做出摆杆的规矩曲线，将尺寸的大致范围确定一下。经过试探， 初步选定连杆的长度的为 750 mm，偏心量范围分别为 510mm,11 30 mm, 31 40 mm，选摇杆摆角的最大范围 20 度进行尺寸优化，具体优化过程如下。 2.3.1 目标函数 图 2 1 为一普通曲柄摇杆机构的简图，摇杆摆角 4 的左右极限位置的夹角，即为摇杆的摆角范围，如图所示，摇杆右极限 图 2 1 曲柄摇杆机构摇杆的摆角 位置的摆角为： 重庆大学 本科学生毕业设计（论文） 2 基于 Matab 优化和仿真 8 2 2 21 4 3 20 13()2 * *L L L LP I a r c LL (2.1) 左极限位置的摆角为： 2 2 21 4 3 213()2 * *m L L L LP I a r c LL .(2.2) 根据摇杆摆角范围为 10 度，则目标函 数可以可写成： F(x)= m