机械传动系统扭转振动的有限元分析探讨

动力传动系统扭转振动的分析及控制任丽丽;施善;刘友波【摘要】随着国内汽车企业对车辆质量要求的升级，噪声振动的控制技术备受重视，来自系统设计相关的噪声振动需要靠实车测试及计算机模拟的配合来解决。

动力传动系统的扭转共振就是一个这样的噪声振动问题，利用系统化步骤解决这个问题的优点是它适用于各种类型的车辆，仿真模拟是解决这个问题的核心技术。

首先根据发动机到车桥整个动力系各单元部件的转动惯量、扭转刚度及阻尼来建振动力学模型，然后分析系统的自然频率、模态及频响，进行数模的开发过程与测试对比，这种方法对车辆性能优化问题非常有效。

%Vehicle NVH control has gained increasing attention of domestic auto makers in an effort to promote vehicle’s quality. To solve the problem, the integrated product testingand simulation modeling are necessary. One example of system NVH problem that can be benefited by this approach is the powertrain torsional vibration. The key technology in this approach is the development of an effective simulation model. First of all, dynamic parameters such as the torsional stiffness, moment of inertia and torsional damping of individual parts are measured or calculated. Then, these parameters are used to simulate the powertrain torsional vibration for its natural frequencies, mode shapes and frequency responses. With this method, the vehicle’s performance can be optimized easily.【期刊名称】《噪声与振动控制》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】6页(P20-25)【关键词】振动与波;扭转振动;动力传动系统;频率;频响;阻尼【作者】任丽丽;施善;刘友波【作者单位】北汽福田汽车股份有限公司乘用车设计院，北京 102206;北汽福田汽车股份有限公司乘用车设计院，北京 102206;北汽福田汽车股份有限公司乘用车设计院，北京 102206【正文语种】中文【中图分类】U467.4+92近年来，随着生活水平的提高，选择车辆时，人们更注重车辆的各种性能，如NVH、操控性、舒适性等。

旋转机械的固有振动模态分析旋转机械是指转子在运行过程中产生旋转运动的机械设备，如发动机、泵、电机等。

由于旋转机械的工作环境和工作方式的不同，其内部会存在各种振动模式，这些振动模态的研究对于机械的设计和维护至关重要。

首先，我们需要了解什么是固有振动模态。

固有振动模态指的是物体在没有受到外力作用时，仅由于其结构形状和材料特性而产生的自由振动形式。

旋转机械的固有振动模态分析可以帮助我们了解机械的振动特性，进而判断机械是否存在结构强度不足、材料疲劳等问题。

旋转机械的固有振动模态分析通常通过模态分析方法来进行。

模态分析是指通过求解机械系统的动力学方程，得到机械系统的固有频率和振型。

常用的模态分析方法有有限元法、边界元法等。

在进行固有振动模态分析之前，我们首先需要建立旋转机械的运动模型。

对于简单的旋转机械，可以将其简化为质点和弹簧系统。

通过建立旋转机械的动力学方程，可以得到机械系统的固有频率和振型。

在实际的固有振动模态分析中，我们需要进行数值计算。

通过将机械系统建立为有限元模型，利用有限元分析软件进行计算，可以得到机械系统的固有频率和振型。

在进行有限元计算时，需要注意选择合适的网格划分和元素类型，以保证计算结果的准确性。

通过固有振动模态分析，我们可以得到机械系统的固有频率和振型。

固有频率是指机械系统在自由振动时的振动频率，其大小与机械系统结构和材料特性有关。

振型则是机械系统在自由振动时的形变形式，可以揭示机械系统的振动分布情况。

对于旋转机械而言，其固有振动模态分析还可以帮助我们了解机械系统在不同转速下的振动特性。

通过改变转速，我们可以观察机械系统固有频率的变化。

如果存在与机械系统转速相匹配的固有频率，则可能产生共振现象，导致机械系统的振动增大，甚至引发破坏。

除了固有振动模态分析，我们还可以通过实验手段来研究旋转机械的振动特性。

利用振动传感器和数据采集系统，我们可以获取机械系统的振动数据，并对其进行分析。

通过实验和分析，可以验证模态分析的结果，并进一步了解机械系统的振动特性。

机械结构的振动模态分析与优化设计引言机械结构的振动问题一直是工程领域的研究热点之一。

振动问题主要影响结构的安全性、可靠性和性能。

因此，在机械结构设计过程中，振动模态分析和优化设计显得尤为重要。

本文将探讨机械结构振动模态分析和优化设计的方法与实践。

一、振动模态分析振动模态分析是研究结构振动特性的一种方法。

通过振动模态分析，可以获取结构的固有频率、振型形态和模态的阻尼特性等信息。

振动模态分析的目的是为了了解结构的振动特性，为优化设计提供依据。

在进行振动模态分析时，首先需要使用有限元分析（FEA）的方法建立结构的有限元模型。

然后，通过求解结构的特征值问题，可以得到结构的固有频率和模态形态。

振动模态分析的结果可以通过模态分析软件进行可视化展示，更加直观地观察结构的振动行为。

二、振动模态的影响因素振动模态的特性受到多个因素的影响。

首先，结构的几何形状和材料性质是影响振动模态的主要因素。

例如，结构的尺寸和形状会影响固有频率和振型形态。

材料的弹性模量和密度也会影响结构的固有频率。

其次，结构的边界条件和约束条件也会影响振动模态的特性。

边界条件是指结构与周围环境的约束关系，例如结构的支座条件。

约束条件是指结构内部各部件之间的连接关系。

边界条件和约束条件会影响结构的振动自由度，并且改变结构的固有频率和振型。

最后，结构的质量分布和强度分布也会对振动模态产生影响。

质量分布是指结构各部件的质量分布情况，不同的质量分布会导致结构的固有频率不同。

强度分布是指结构各部件的强度和刚度分布情况，不同的强度分布会导致结构的振动行为不同。

三、振动模态优化设计在振动模态优化设计中，目标是通过调整结构的参数，使得结构的振动模态满足设计要求。

优化设计可以分为两个层次：一是基于结构的几何参数和材料参数的优化设计；二是基于结构的边界条件和约束条件的优化设计。

在第一个层次的优化设计中，可以使用参数化建模的方法，通过改变结构的几何参数和材料参数，来调整结构的固有频率和振型。

汽车结构有限元分析研究报告姓名：班级：学号：盐城工学院汽车工程学院传动轴有限元分析研究报告盐城工学院汽车工程学院车辆工程专业江苏，盐城226000摘要：ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如,Alogor, I－DEAS,CAD等。

ANSYS 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。

因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。

传动轴是最常件的零件，该零件结构较为简单，操作方便，加工精度高，价格低廉，因此得到了广泛的使用。

目前很多传动轴都做了适当的改进，使其适用性得到了更大的提高。

本设计是基于 ANSYS软件来汽车曲柄连杆机构行分析。

与传统的计算相比，借助于计算机有限元分析方法能更加快捷和精确的得到结果。

设置正确的模型、划分合适的网格，并合理设置求解过程，能够准确的获得分析模型各个部位的应力、变形等结果。

对零件的设计和优化有很大的参考作用。

关键词：三维建模，曲柄连杆机构，有限元，ANSYS，动静态分析引言随着发动机强化指标的不断提高，曲柄连杆机构的工作条件更加复杂。

在多种周期性变化载荷的作用下，如何在设计过程中保证曲柄连杆机构中的主要部件曲轴具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为机构设计中的关键性问题[3]。

由于在实际工况中曲轴承受活塞、连杆传递的爆发压力的交变载荷作用，受力情况极其复杂。

采用传统的单纯有限元分析方法，很难完成对曲轴运行过程中动态变化边界条件的描述[4-5]。

为了真实全面地了解曲轴在实际运行工况下的力学特性，本课题通过运用CAD软件建立曲柄连杆机构各组成零件的几何模型，确定机构的质量特性参数，通过有限元分析软件Hyperworks和MSC.Nastran的联合仿真，对曲轴和连杆进行自由模态分析，输出振型和频率，将生成的模态中性文件导入ADAMS/View中建立曲柄连杆机构的多柔体动力学模型，应用durability 模块仿真分析曲轴和连杆在爆发压力和惯性力作用下的疲劳应力，由此可以清楚地了解曲轴和连杆在工作过程中各部分的应力，应变，迅速找到危险部位，为机构的优化设计奠定基础。

机械实验减速机轴的扭转分析的分析与思考
减速器中断裂部位拉应力较大，装配后基本不变。

而扭转产生的剪应力随工况脉动变化，疲劳断裂就是在这样的脉动载荷下产生的，脉动应力随着设备的启停、不对中等环向变化。

然而在实际拉应力大处没有出现断裂，断裂位置是一对圆锥滚子轴承背靠背安装，扭矩通过轴传递，同时通过螺母从外轴承端面及内轴承与外轴承截面的摩擦力矩传递。

显然安装的不同心造成了轴承的极限四点接触并造成偏磨损。

内外轴承端面传递的扭矩，“全”交给了轴。

胶带减速机液力偶合器悬挂于减速器轴端。

偶合器的自重及偶合器的自身不平衡量产生的径向力大部分集中于悬臂较长，轴颈较细的减速机轴端。

电机轴虽然较粗，却只承担了少量的径向力。

更为不利的是由于安装的不同心产生的附加径向力作用在远离减速机轴的位
置（联轴器靠近电机轴），假定由于不同心安装引起的附加径向力。

断轴是在较高的静态拉应力下叠加由于不同心产生的脉动扭转
剪应力造成的，断口为典型的扭转疲劳断口。

终断裂区域较小，说明其交变应力并不高，这与应力计算结果一致。

断口多达数十条裂纹前沿线，说明载荷经过多次波动或起停，这也是交变应力加大的原因。

安装的不同心造成的非设计性的附加应力，不同心安装导致的轴承极限接触、偏磨导致了输入轴后从两个圆锥滚子轴承中间断裂。

消减扭振的措施引言在工程设计和制造过程中，扭振问题是一个十分常见且重要的挑战。

扭振是指在机械系统中由于扭转频率与系统的固有频率相接近或共振而产生的振动问题。

扭振不仅会降低机械系统的工作效率，影响产品寿命，还会造成噪音污染和设备损坏等严重后果。

因此，为了保证机械系统的正常运行和提高产品的可靠性，采取合适的措施来消减扭振问题是非常必要的。

什么是扭振？扭振是指在转子系统中，由于扭转频率与系统固有频率相接近或共振而引起的振动问题。

扭振可以分为自激振动和外激振动。

自激振动是指在没有外界扰动的情况下，系统内部由于非线性特性而产生的振动；而外激振动是指由外界扰动引起的振动。

扭振产生的原因扭振的产生是由于机械系统自身固有的结构特性以及工作条件等多种因素综合作用的结果。

以下是一些常见的扭振产生原因：1.机械系统的固有频率与外界激励频率相接近或共振。

2.非线性元件的存在，如齿轮副等，在特定工况下容易引起扭振。

3.机械系统的结构刚度不足或不均匀，容易引起扭振的发生。

4.转子系统的中心偏心，也是扭振的一个常见原因。

消减扭振的措施为了消减扭振问题，可以采取以下措施：1. 优化机械系统的设计在设计机械系统时，应该注重减小系统的自然频率与外界激励频率的接近度。

可以通过增加系统的质量、改变结构参数和优化传动比等方式来实现。

此外，还可以采用降低机械系统刚度的方法，来减小其固有频率，从而消减扭振问题。

2. 优化材料的选择选择合适的材料可以降低材料的阻尼率，从而减小扭振问题。

通常情况下，使用高阻尼率的材料能够有效地消减扭振振动。

同时，在选用给定材料时，应该考虑其弹性模量和密度的比值，以避免固有频率与外界激励频率相接近或共振。

3. 安装动平衡装置在装备的制造和装配过程中，安装动平衡装置是非常重要的一步。

动平衡可以使得机械系统在高速工作时减小振动强度，并消减扭振问题。

常见的动平衡装置包括平衡块、调整螺钉等。

4. 加装阻尼器在机械系统中加装阻尼器可以有效地减小扭振问题。