机械系统的静态与动态刚度分析

第６期　２０１５年６月　机械设计与制造　

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　１６５　

多间隙平面机械系统动态性能分析　

王肖烨　

（宝鸡文理学院机械工程学院，陕西宝鸡７２１０１６）　

摘要：在考虑多间隙的条件下，对机械系统的动态性能进行了分析。首先，建立了转动副考虑间隙时的运动学　

模型，其次，选取了Ｆｌｏｒｅｓ接触力模型建立了间隙关节元素之间的法向接触力，并利用修正的“Ｃｏｕｌｏｍｂ”摩擦力　

模型计算了摩擦力。最后，以平面曲柄滑块机构为例，在机械系统中分别考虑单个间隙和多间隙进行了对比分　

析，并对不同尺寸的间隙关节进行了分别仿真，数值结果证明机械系统中引入间隙关节越多且间隙尺寸越大其　

动力学性能越恶化。　

关键词：多间隙；接触力模型；“Ｃｏｕｌｏｍｂ”摩擦力模型；间隙尺寸　

中图分类号：ＴＨ１６；ＴＨ１１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—３９９７（２０１５）０６—０１６５—０４　

Ｄｙｎａｍｉｃ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　Ｐｌａｎａｒ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ｗｉｔｈ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｃｌｅａｒａｎｃｅ　Ｊｏｉｎｔｓ　

ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｙｅ　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂａｏｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｒｔｓ　ａｎｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｂａｏｊｉ　７２１０１６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｓｅ　ｏｆ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｃｌｅａｒａｎｃｅ　ｊｏｉｎｔｓ，ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｆｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　

Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ　ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｒｅｖｏｌｕｔｅ　ｊｏｉｎｔ　ｗｉｔｈ　ｃｌｅａｒａｎｃｅ　ｉｓ　ｆｏｒｍｕｌａｔｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ　Ｆｌｏｒｅｓ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｆｏｒｃｅ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　

大型矿车发动机橡胶悬置静、动态刚度特性研究

胡启国;周亨;罗天洪;彭涛;田振勇

【摘 要】大型矿车的发动机质量巨大、安装方式独特,对其发动机悬置的静、动态刚度特性进行研究具有重要意义.采用显式有限元计算方法对大型矿车的发动机橡胶悬置进行了静、动态刚度特性分析,并在试验台上进行试验来检测数值仿真的精度,结果表明:大型矿车发动机悬置的静刚度仿真测试相对误差在8％以内、动刚度仿真测试相对误差在15％以内,这说明仿真与测试结果较为吻合,可以在结构设计阶段通过数值模拟的方式预测其静、动态刚度特性.研究结果对大型装备悬置系统的结构设计、缩短研发周期以及预防振动噪声具有参考价值.

【期刊名称】《机械设计与制造》

【年(卷),期】2015(000)012

【总页数】4页(P213-215,220)

【关键词】大型矿车;橡胶悬置;静、动态刚度;显式有限元法

【作 者】胡启国;周亨;罗天洪;彭涛;田振勇

【作者单位】重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆 400074;重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆 400074;重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆 400074;重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆 400074;重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆 400074

【正文语种】中 文

【中图分类】TH16;TH114 摘.：大型矿车的发动机质量巨大、安装方式独特，对其发动机悬置的静、动态刚度特性进行研究具有重要意义。采用显式有限元计算方法对大型矿车的发动机橡胶悬置进行了静、动态刚度特性分析，并在试验台上进行试验来检测数值仿真的精度，结果表明：大型矿车发动机悬置的静刚度仿真测试相对误差在8%以内、动刚度仿真测试相对误差在15%以内，这说明仿真与测试结果较为吻合，可以在结构设计阶段通过数值模拟的方式预测其静、动态刚度特性。研究结果对大型装备悬置系统的结构设计、缩短研发周期以及预防振动噪声具有参考价值。

随着矿用自卸车的不断发展，人们对其平顺性和舒适性的要求不断提高，因此矿用自卸车的NVH性能就显得尤为重要，它是衡量平顺性和舒适性的重要指标之一。大型矿车的发动机质量重达10 t以上，通过安装支架与车架相连接，这种结构造成其悬置系统与传统轿车的结构形式不一样，很有必要对发动机橡胶悬置的静、动态刚度特性进行研究。但是市面上鲜有关于这种重量级别发动机悬置性能的研究资料，目前对橡胶悬置系统进行静、动态刚度研究工作主要是针对中小型汽车，相关研究有：

机械系统的冲击响应与动态特性分析

引言：

在工程应用中，机械系统的冲击响应和动态特性分析是一个重要的研究领域。机械系统遭受外部冲击或振动时，其响应行为如何，涉及到系统的稳定性、振动幅度、能量传递等方面的问题。本文将围绕机械系统的冲击响应与动态特性进行探讨，重点分析其相关机理和影响因素。

一、冲击响应的基本原理与现象

冲击响应是指机械系统在受到外部冲击或振动时所发生的运动变化。冲击响应的基本原理是机械系统受到冲击或振动时，系统内部的质量、弹簧、阻尼等元件之间相互作用，从而引起系统的振动。冲击响应的现象通常包括系统的位移、速度、加速度等指标的变化。

二、冲击响应的特点与分析方法

1. 冲击响应的特点：

冲击响应具有瞬时性、非线性和非稳定性的特点。冲击响应通常是短暂的，持续时间很短，并且幅度剧烈。由于受到系统内部元件的相互作用，冲击响应往往呈现非线性和非稳定的特性。

2. 冲击响应的分析方法：

针对冲击响应的特点，研究者们提出了多种分析方法。其中，有限元法是一种常用的数值分析方法，通过建立数学模型，对机械系统的受力、位移等进行计算和仿真。频域分析法则是一种基于频谱分析的方法，通过分析系统在不同频率下的响应情况，揭示系统的动态特性。此外，还有时域分析法、模态分析法等，可以根据具体的问题选择合适的方法进行分析。 三、机械系统动态特性的影响因素

机械系统的动态特性受到多种因素的影响，主要包括质量、刚度、阻尼、激励力等。

1. 质量：质量越大，机械系统的惯性越大，对外界冲击的响应越迟缓。质量的分布也会影响系统的动态特性。

2. 刚度：刚度是指机械系统对力的抵抗能力，刚度越大，机械系统的振动幅度越小。

3. 阻尼：阻尼对机械系统的冲击响应特性起到重要作用。适当的阻尼能够减小系统振动的幅度，并增加系统的稳定性。可以通过调节阻尼来控制系统的冲击响应特性。

4. 激励力：外部激励力对机械系统的冲击响应影响较大。激励力的幅度和频率可以改变机械系统的响应特性，包括位移、速度、加速度等。

工业技术　２０ｌ４年第３期ｌ科技创新与应用　机床主轴动静态性能实验研究　

王丹　董应明　张敏明　（１、云南省机械研究设计院，云南昆明６５００３１　２、昆明理工大学机电学院，云南昆明６５００９３）　

摘要：主轴刚度是机床主轴系统重要性能指标，它反映了主轴单元抵抗静态外载荷的能力，与负荷能力及抗振性密切相关。现　对某型高精度数控卧式坐标镗床主轴刚度进行试验测试，验证理论模型的正确性，为进一步的理论分析及仿真提供可靠性依据。　关键词：主轴刚度；坐标镗床；试验分析　

引言　主轴作为机床的主要组成部分，其性能的好坏直　接决定了机床的性能的高低。主轴单元的动静态特性　包括主轴的变形、共振频率、临界转速和动态响应等，　其对主轴的速度和精度性能有极大的影响，主轴性能　测试实验ｆ　堤研究主轴动力学特性及工作性能的重要　组成部分，在理论研究的基础上，通过实验测试验证　理论模型的正确性和精确性，对于完善理论模型，进　而使理论仿真结果可以直接指导主轴的设计计算以　及推广理论仿真的应用研究具有重要意义。　１主轴静刚度测试实验　主轴静刚度是主轴轴承和主轴刚度的综合反映，　在高速运转过程中，机床主轴在静刚度值低的情况　下，会出现挠度增加，变形加大，影响加工精度等问　题。掌握准确的主轴静刚度值是提高机床加工精度的　前提条件之一，而对主轴进行静刚度测试是获得静刚　表１主轴静态变形测试数据　（第一次测试）　刀柄前端位移　加载次数　裁力刀柄前端位移卸貔撇　卸戟力　【Ⅳ）　（ｕｍ）　（ＬＬ　ｍ）　初始值　０　０　初始值　０　＿２　９　１　１０７　２　８　１　１ｃ２　３　１　２０１　８　３　２　８　９　３ｏ７　１３　１　３　２ｃ２　１４　９　４０１　１９　１　４　∞０　５。６　斟１　５　翻７　∞ｌ　凰８　６　７０５　３５　７　３８　５　８　８。３　４ｌ＿９　８　８ｃ２　４４　９　９　９００　４７　５　９　螗８　１Ｏ　ｌ０１３　５５　２　１０　１Ｏ１３　５５　２　度最直接，最有效的方法。本文先后进行了主轴静刚度测试实验、模　态测试实验、动态响应测试实验、频率响应函数测试实验　Ｉ．１实验内容和目的　主轴静刚度口是指在切削力的作用下主轴抵抗变形的能力，通　常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力来表　示。现对某机床厂生产的ＴＧＫ４６１００高精度数控卧式坐标镗床主轴　进行静刚度测试，采用加载装置对主轴垂直方向进行加载，并利用　千分表测量刀杆前端位移。根据静刚度定义对测量数据进行拟合得　到加载力与变形拟合曲线，其斜率即主轴系统的静刚度。　当在机床主轴与工作台之间，沿与ｘ轴、Ｙ轴和ｚ轴夹角为　３００的方向施加静载荷时，分别测量主轴相对工作台在ｘ向、Ｙ向、　ｚ向的位移，以得到主轴部件相对于机床工作台的径向静刚度和轴　向刚度。　在工作台和主轴系统之间施加作用力，测量主轴系统相对于工　作台面的变形，寻找机床的受力薄弱环节。　机床在承受切削力作用下抵抗变形的能力，直接影响到机床的　加工效率，间接反映了机床抵抗切削颤振能力，同时也反映了机床　结构设计，机床各主要部件的刚度强弱和刚度分配是否合理，材料　的选用是否达到最佳等。　１．２试验条件　实验仪器包括：力加载装置，用于径向力加载；力传感器，型号　为中国航天科技集团公司ＹＦＦ一６—１０８，通过数显装置即可读取力的　大小；千分表，精度为０．Ｏ０１ｒｎｍ，用于测量主轴在力负载下的变形　量。　（１）在主轴上安装专用夹具，在专用夹具上紧固加力装置，作用　力通过加力装置直接作用在主轴和工作台上；作用力Ｆ在空间与ｘ　轴、Ｙ轴、ｚ轴之间的夹角为３０。。（２）试验时将主轴锁定不旋转，工　作台在ｘ向、Ｙ向处于待运动状态，不锁紧。（３）正式读数前加载一卸　荷重复三次，取其算术平均值。（４）ｉ贝０量指示器均为千分表，指示器　读数增加时记为正，指示器读数减少时记为负。　２实验结果