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三叉杆滑块式等角速万向联轴器的理论研究

杨福芹  
【摘要】: 三叉杆滑块式等角速万向联轴器是新发展起来的一种高效能万向联轴器。该联轴器结构简单、紧凑,制造装配不需要专用设备,加工简单,便于热处理,制造成本低;在性能上传动平稳,同步性能好,传输能力强。对该联轴器从理论上进行深入的分析和研究,有助于对其设计、生产提供有效的指导和支持,从而加快产业化进程。 本文从三叉杆滑块式万向联轴器的结构入手,以方向余弦矩阵为工具,采用坐标变换方法建立了联轴器的运动学模型和动力学模型,并采用MATLAB软件进行了数值求解。理论研究结果表明:(1)三叉杆滑块式万向联轴器实质上是一种非定心式准等角速万向联轴器;(2)联轴器的运动参数、各构件的受力随输入轴的回转呈周期性变化;(3)该联轴器的径向尺寸越小、输出轴越长、偏转角越小,同步性越好,运动越平稳;(4)摩擦系数越小、输入转矩越小、构件质量和转动惯量越小以及转速越低,联轴器各构件受力越小;(5)减小滑块回转半径、减小偏转角有利于减小联轴器各构件受力波动的幅值,而输入轴和输出轴长度对其影响较小。 在运动学和动力学理论分析的基础上,结合密炼机混炼橡胶的实际工况,确定了x(s)M-1.7L实验密炼机用三叉杆滑块式万向联轴器的主要尺寸。基于多体动力学理论,建立该联轴器的虚拟样机,运用ADAMS软件进行动力学仿真研究。无间隙理想机构的仿真结果与理论分析结果较好的一致性,表明理论分析中建立的运动学模型、动力学模型是正确的,同时也表明所建立的虚拟样机的正确性。含间隙机构的仿真结果表明,运动副间隙对三叉杆滑块式万向联轴器的运动学特性和动力学特性均有影响。内球与三叉杆间圆柱副间隙较小时,有利于联轴器的等速性传动,但此时两构件的分离-碰撞频繁,接触碰撞强烈,运动构件的速度、加速度振荡得越厉害,构件受到的冲击力越大,因此合理选择运动副间隙,有利于三叉杆滑块式万向联轴器传动的稳定性,也有利于减小冲击损失。 结合已建立的三维几何模型,建立起有效的动态有限元分析模型,利用大型通用有限元分析软件ANSYS Workbench对三叉杆滑块式万向联轴器从整体上进行了动态性能模拟分析和疲劳寿命分析。其中模态分析主要是确定联轴器的固有频率和振型等固有振动特性,预测联轴器激励载荷作用下的实际振动响应情况。谐响应分析主要是研究联轴器的幅频响应特性,分析其可能的共振峰值频率以及峰值频率下的应力应变情况。瞬态动力学分析通过考察联轴器传递转矩过程中的最大应力、最大位移及其发生部位来分析联轴器的动态刚度和强度状况。疲劳寿命分析中,选取基于S-N曲线的全寿命分析方法,预测了三叉杆与输出轴的不同连接形状和尺寸时对应的联轴器寿命。仿真结果表明:设计的x(s)M-1.7L实验密炼机用三叉杆滑块式万向联轴器切实可行,能够满足动态强、刚度要求,通过合理选择构件形状和尺寸,可以适当延长联轴器的疲劳寿命。 总之,论文从理论研究到仿真分析,对三叉杆滑块式万向联轴器进行了运动学、动力学、动态特性和疲劳特性等多方面的深入研究,得到了一些有价值的结论,为该联轴器的开发应用奠定了良好的基础。


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