RV减速器综合测试台架的静动态特性分析_万化云

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-6 线中最大振动位移为 3. 88 × 10 mm, 可为减速器综合测试台架的设计及制造提供技术支持并奠 定理论基础。
关键词: 测试台架; 特性分析; RV 减速器; 有限元分析 中图分类号: TH16 文献标识码: A 文章编号: 2095 - 509X( 2017 ) 03 - 0057 - 04 RV 减速器是由第一级渐开线圆柱齿轮行星 传动机构和第二级摆线针轮传动机构组成 , 属于曲 柄式封闭差动轮系。 作为一种高精度新型传动方 由于具有传动比和承载能力大、 体积小、 质量 式, 轻、 传动精度和传动效率高、 传动平稳和高刚度等 优点, 因而被广泛应用于高精度往复旋转装置 。目 RV 减速器的各性能指标成为了许多国内外学 前, , 而对 RV 减速器测试台架及其 装置的 研 究 则 较 少。 减 速 器 测 试 台 架 用 于 检 测 者的研究热点 RV 减速器的各项性能参数, 其测试装置精度会直 接影响到减速器测试结果, 因此有必要对测试台及 其装置进行深入研究。 减速器测试台架的骨架是 最为关键的受力构件, 其强度和刚度的好坏直接影 响 RV 减速器性能测试结果。 若是对测试台架采 用常规理论进行计算与设计, 则不容易得出准确的 结果, 并且无法了解测试台架各部位的受力和变形 情况, 导致测试台架质量增大, 却无法达到效果, 造 成材料的浪费, 难以提高产品的设计质量和水平 。 随着有限元方法的普及, 有限元仿真技术得到 了许多企业及科研人员的青睐, 其应用于产品制造 前期 的 设 计 中
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结束语
本文对 RV 减速器测试台架进行了布局分析 借助 Pro / ENGINEER 软件和 ANSYS 与结构设计, 软 件建立了 RV 减速器测试台架有限元模型 , 对台 · 59·
2017 年第 46 卷
机械设计与制造工程
架进行了静力学分析、 模态分析和谐响应分析。根 据有限元静力分析可知: 在加载的条件下, 台架的 最大应力发生在台架中间支撑柱上, 为 2. 07MPa; 台架最大总变形发生在加固横架处, 最大变形为 0. 01mm; 台 架 端 面 的 最 大 变 形 量 为 0. 003 ~ Y, Z 轴向的位移频响曲线 0. 004mm。 台架端面 X ,
RV 减速器综合测试台架的静动态特性分析
万化云, 张 杰, 成焕波
( 南京工程学院机械工程学院, 江苏 南京 211167 ) 摘要: 以高精度 RV 减速器测试台架为研究对象, 针对 RV 减速器测试台架的布局及其结构特点 , 利用 ANSYS 仿真平台建立测试台架的有限元模型 , 并分析了在工作载荷情况下的应力和应变大 得出测试台架端面各方向的位移频响曲线及前 6 阶模态。 研究结果显示: 测试台架整体最大 小, 应力为 2. 07MPa, 测试台架端面的受力最大形变位移为 0. 003 ~ 0. 004mm, 在前 6 阶位移频响曲
2 都是 n 阶方阵, 可得式( 5 ) 是关于 ω 的 n 次代数方 2 2 2 …, 程, 即可解得方程式 n 个特征根 ω1 , ω2 , ω n 以及
3. 2
谐响应分析
谐响应分析只计算结构系统的稳态受迫振动 , 并不考虑激励开始时的瞬态振动 , 常用于预测结构 系统的持续动力特性, 使设计人员能够验证结构系 统能否成功地克服疲劳、 共振及其他受迫振动引起 的有害影响。 周期载荷作用下的运动方程 下:
[4 ]
图2
测试台架初始有限元模型 图3 测试台架的受力与轴向位移变形云图
2. 1. 2
定位材料属性及网Biblioteka 划分测试台架主要选用的材料是 Q235 钢, 其性能 1 。 指标见表
表1
参数 弹性模量 E / MPa 泊松比 μ 屈服强度 σ s / MPa 抗拉强度 σ b / MPa 密度 ρ / ( g·cm - 3 )
图4 测试台架的前 6 阶振型云图
而对于弹性的自由振动方程可以分解为一系 列的简谐振动方程的叠加, 即: { s} = φcos( ωt) ( 3) 式中: φ 为节点的振幅, 表示结构的振动形态。 将式( 3 ) 代入式( 2 ) , 可得: 2 K] - ω [ M] ) { φ} = { 0 } ( 4) ([ 在自由振动时, 各节点振幅 φ 不可能全为 0 , 因此矩阵的行列式之值等于 0 , 由此可得频率方 程: | ([ K] - ω2[ M] ) | = 0 ( 5) [ K ] [ 由于振动系统刚度矩阵 和质量矩阵 M]
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2017 年第 3 期
万化云: RV 减速器综合测试台架的静动态特性分析
于对台架结构进行分析与改进。为此, 建立该测试 [5 - 7 ] : 台架振动微分方程为 M] { a} + [ C] { v} + [ K] { s} = { F( t) } [ ( 1) M]为振动系统的质量矩阵; [ C]为振动系 式中: [ K] 为振动系统的刚度矩阵; { s} 为 统阻尼矩阵; [ 结构的位移向量; { v} 为结构的速度向量; { a} 为 结构的加速度向量; { F ( t) } 为结构的外载荷力向 量。 在求解结构的自由振动固有频率和振型时 , 阻 尼对其结果的影响较小, 可以忽略。假设在无阻尼 以及无外载荷状态下求解结构自由振动的模态矢 量时, 式( 1 ) 的振动系统阻尼和外载荷均为零, 则 可以得出系统的无阻尼自由振动方程 : [ M] { a} + [ K] { s} = { 0 } ( 2)
图1
减速器测试台架装置的整体布局方案
测试台的设计 测试台的结构模型 考虑到人体工程学 , 为便于操作 , 测试台桌面
作者简介: 万化云( 1990 —) , 男, 江西鄱阳人, 南京工程学院硕士研究生, 主要研究方向为新型机械传动、 有限元分析及理论。
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2017 年第 46 卷
机械设计与制造工程
。 本 文 基 于 ANSYS Workbench 1. 2 1. 2. 1
14. 5 有限元分析软件分析 RV 减速器性能测试台 架, 为结构的合理设计与改进提供理论依据 。根据 建立其有限元模型, 减速器测试台架的结构特点, 通过有限元方法分析台架的应力 、 应变与模态 , 获
收稿日期: 2016 - 10 - 14
2017 年 3 月 第 46 卷 第 3 期
机械设计与制造工程 Machine Design and Manufacturing Engineering
Mar. 2017 Vol. 46 No. 3
DOI: 10. 3969 / j. issn. 2095 - 509X. 2017. 03. 011
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由于测试台架的总体尺寸较大, 考虑模型处理 的速度, 采用 Sweep 方式进行网格划分, 节点总数 为 22 262 , 单元总数为 34 744 。测试台架底柱的 6 个底面设置为固定链接面, 即固定约束, 测试台架 的骨架所受载荷为测试装置对台面的压力和测试 台架的自重。 2. 1. 3 施加载荷 该测试台架是用于 RV 减速器多功能性能测 试, 台架端面需要安装许多实验装置 。根据上述受 力分析得出所有实验装置对台架端面施加载荷为 1. 851 11 × 10 - 3 MPa。 2. 2 受力分析求解 在 2 . 1 对测试台架有限元模型进行求解前处 再对有限元模型进行加载和求解, 得出 理基础上, 的测试台架最大总变形在加固横架处为 0. 01mm; 在测试台架端面上的最大受力变形量为 0. 003 ~ 0. 004mm。该变形量在高精度测试台架结构允许 变形范围内。图 3 所示为该测试台架的受力与轴 向位移变形云图。
3
3. 1
减速器测试台动态特性分析
模态分析
材料的性能指标
数值 210 000 0. 3 235 407 7. 858
机械机构均有固有振动特性, 机械结构模态在 每一个阶段都具有固有的振动频率 、 阻尼比以及相 应模态振型。机械结构固有的模态参数是由材料 的固有特性和结构特点所决定的。 机械结构模型 同时该结构的位移和受力数值都 可视为线性系统, 是随时间变化而变化的。根据达朗贝尔原理, 分析 测试台架的固有频率和模态振型之间的关系有助
[3 ] [1 - 2 ]
得端面各方向的位移频响曲线及前 6 阶模态振型, 为减速器测试台架的制造及优化再制造提供了理 论基础, 保证了 RV 减速器测试台架的精度需求。
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1. 1
减速器测试台架的整体布局及结构设计
测试台架整体布局 RV 减速器测试台架的特性是保证其测试精
度的最重要因素之一。 RV 减速器测试台架可以 刚性 ( 扭转刚度 测试的项目有启停时的容许转矩、 和空程) 、 角度传递误差、 无载运动转矩、 增速启动 转矩、 温升等, 因此测试台架上需放置许多装置 , 如 移动滑台、 伺服电机、 角度编码器、 扭矩传感器、 制 动加载装置、 过渡座、 联轴器、 安装盘及安装法兰 等。图 1 为减速器测试台架装置的整体布局方案 。
与地面需要有合适的高度。 测试台架主要选用的 材料为 Q235 钢, 测试台架端面下两侧均用柱条形 Q235 钢支撑, 并有横架相互连接支撑柱。 1 . 2 . 2 测试台的受力分析 质量约为 340kg 的所有装置安装在测试台架 且测试台架支撑柱底端固定在地面 水平端面上, 上, 故测试台架受垂直于地面的外力。 但是, 对于 测试台架的结构来说, 自身质量也影响其使用效 果, 因此需要考虑测试台架端面所受压力和骨架的 自重。将测试装置对测试台架施加的力转换成压 强为:
表2
阶数 1阶 2阶 3阶 4阶 5阶 6阶
测试台架的前 6 阶模态振型描述
模态振型描述 测试台沿 ZOX 平面扭转 测试台沿 Z 向振动 测试台的横梁架沿 Z 向上下振动 测试台的横梁架沿 Z 上下弯曲 测试台沿 X 向左右振动 测试台的横架与支撑架沿 Z 向上下振动
频率 / Hz 162. 67 168 . 48 181 . 11 187 . 38 207 . 16 218 . 86