基于偏心輪機(jī)構(gòu)有限元分析的研究

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(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)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(dòng)軸連接處的特殊性，會(huì)在運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)其受力、應(yīng)變等進(jìn)行分析，可以對(duì)偏心輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行校核改進(jìn)，同時(shí)反過來可以對(duì)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(hào)：TH133.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）05-0071-03

引言

在進(jìn)行由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)想到使用偏心輪機(jī)構(gòu)來對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)形式的變換，但在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的時(shí)候，設(shè)計(jì)者往往會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算以及經(jīng)驗(yàn)來對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，既耗費(fèi)時(shí)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(jiǎn)單的問題代替復(fù)雜問題后再求解，故在對(duì)其結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造之前會(huì)對(duì)其進(jìn)行受力分析已成為必要;在進(jìn)行受力分析時(shí)如果出現(xiàn)部位受力過大或應(yīng)力集中導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)失真甚至失效，其對(duì)于偏心輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)。通過對(duì)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(jì)參數(shù)的問題，提高設(shè)計(jì)成功率，極大地改善了設(shè)計(jì)的成本與時(shí)間。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

本文對(duì)一款震動(dòng)按摩槍產(chǎn)品中的偏心輪運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，對(duì)其進(jìn)行施加載荷，查看其應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，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(duì)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(jì)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(dòng)部分，圖2為偏心機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖1為震動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闃岊^的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)死點(diǎn)，防止機(jī)構(gòu)被卡死。

結(jié)合圖1與圖2對(duì)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(zhǎng)為39mm，偏心輪的直徑為24mm，砍掉部分的徑長(zhǎng)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(shí)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(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。利用簡(jiǎn)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(shí)系統(tǒng)。有限元分析是用較簡(jiǎn)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(duì)每一單元假定一個(gè)合適的（較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)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(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡(jiǎn)單的問題所代替。但是，這對(duì)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(duì)偏心軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使用ANSYS對(duì)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(duì)模型分析時(shí)暫不考慮其機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的摩擦等其它的損傷，對(duì)電機(jī)軸的扭矩?cái)?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(dòng)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(dòng)工作中會(huì)出現(xiàn)這些部位崩潰失效，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)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(dòng)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(duì)其所受應(yīng)力分布情況可知此電機(jī)軸能否承受其傳動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響較大，低階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性起決定作用，因此進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析計(jì)算時(shí)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(duì)應(yīng)的振型圖。

模態(tài)分析的好處：使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或以特定頻率進(jìn)行振動(dòng);使工程師可以認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)對(duì)于不同類型的動(dòng)力載荷是如何響應(yīng)的;有助于在其它動(dòng)力分析中估算求解控制參數(shù)。其用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的震動(dòng)特性（固有頻率和振型）。固有頻率和振型是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)學(xué)分析中必要的參數(shù);并且可通過此分析得到對(duì)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(shí)際中，機(jī)械由于振動(dòng)而出事故或者出現(xiàn)重大損壞。這可留作讀者或者本人對(duì)其做進(jìn)一步的研究與分析。

3 結(jié)論

通過對(duì)偏心輪傳動(dòng)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(duì)機(jī)構(gòu)的ANSYS靜力學(xué)分析，可得到此機(jī)構(gòu)在工作時(shí)的最大應(yīng)力分布情況，并對(duì)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(duì)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(jì)中及其重要的仿真分析軟件，可對(duì)產(chǎn)品安全與可靠性提供巨大的保障。

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