基于偏心輪機構有限元分析的研究

張瑞欽 李增超

摘? 要：偏心輪機構是完成曲柄搖桿機構的另一種形式，是一種可以把旋轉運動變為直線運動的主要形式，應用十分廣泛。但是由于偏心輪機構的轉動軸連接處的特殊性，會在運動過程中出現局部最大應力現象，大大增加生產制造的難度與進程。文章中是對一種按摩槍中的偏心輪機構進行研究，通過有限元分析對其受力、應變等進行分析，可以對偏心輪機構進行校核改進，同時反過來可以對電機的選擇有一定的參考。

關鍵詞：偏心軸;最大應力;ANSYS;校核改進

中圖分類號：TH133.2 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0071-03

引言

在進行由旋轉運動變為直線運動結構設計時，設計人員通常會想到使用偏心輪機構來對其進行運動形式的變換，但在設計結構的時候，設計者往往會根據數據計算以及經驗來對其進行設計驗證，既耗費時間和精力，又阻礙了生產制造的進程。如今有限元分析技術應用很廣泛，有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解，故在對其結構生產制造之前會對其進行受力分析已成為必要;在進行受力分析時如果出現部位受力過大或應力集中導致運動失真甚至失效，其對于偏心輪結構的設計時不能被接受，因此要考慮結構整體的應力應變分布情況，提前了解結構在施加載荷之后整體可能出現應力分布不均的部位，可對其有問題的部位進行結構優化及改進，或可知此結構能承受的最大載荷，更有效地選擇驅動機構。通過對結構進行有限元分析，有效的解決了在生產制造過程中無法快速精確設計參數的問題，提高設計成功率，極大地改善了設計的成本與時間。

1 結構設計分析

本文對一款震動按摩槍產品中的偏心輪運動結構進行有限元分析，對其進行施加載荷，查看其應力應變云圖，可以看出機構在工作過程中的應力應變分布情況，通過分析結果可以對其出現失效的部位進行結構優化，極大的降低了設計的周期，降低生產成本。

1.1 三維模型介紹

圖1所示為按摩槍傳動部分，圖2為偏心機構的結構簡圖。圖1為震動按摩槍產品，圖中只標注出偏心輪機構，其它部件暫不標出，其主要用于康復訓練和肌肉放松，在此產品中偏心輪機構的任務是將電機的旋轉運動轉變為槍頭的直線往復運動，故偏心輪機構的可靠性極其重要;圖2是用于連接電機與執行元件之間改變傳動方式的機構，結構的整體是由偏心軸，電機軸和電機軸承組成，在本機構輸出軸與偏心輪為一體，偏心輪的一側砍掉一部分主要是為了避免機構在運行過程中出現運動死點，防止機構被卡死。

結合圖1與圖2對產品的整體的尺寸和裝配的分析，偏心機構的主要尺寸為：電機軸的直徑為8mm，軸長為39mm，偏心輪的直徑為24mm，砍掉部分的徑長為6mm，輸出軸的直徑為8mm。偏心輪的材料選為鋁合金，電機軸為45鋼，能減輕產品的重量，同時能降低產品成本。

2 機構的有限元分析

有限元分析利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬。利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。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，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件（如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。但是，這對我們進行偏心軸的可靠性和穩定性分析是十分有用的。

2.1 ANSYS靜力學分析

對偏心軸傳動機構使用ANSYS對其進行靜力學分析，在以上進行了結構的理論受力分析和所受力的因素，在對模型分析時暫不考慮其機構所產生的摩擦等其它的損傷，對電機軸的扭矩數值為此上算出的101N·m。下圖3和圖4分別為偏心輪與電機軸的應力分布云圖。

上圖3為偏心輪的應力分布云圖，如圖所示偏心輪在受到電機軸的轉動扭矩后所承受的應力分布，云圖紅色為應力分布的最大部位，最大應力大約為26MPa，最大應力集中分布在孔的邊緣處，其中在孔的平面接觸部分應力尤其過大，有可能在機構的傳動工作中會出現這些部位崩潰失效，應在設計時對這些部位進行結構的優化，避免出現一些部位應力過大。

上圖4為軸的應力分布云圖，電機軸為機構的驅動機構，其重要性不可言喻，雖電機軸是和電機是為一體的，但可通過對其所受應力分布情況可知此電機軸能否承受其傳動工況，如圖所示最大應力大約為7.2×103MPa，整體的受力分布較成階梯型，沒出現應力急劇變化部位，可根據電機軸的材料屬性知是否滿足工作需求。

2.2 模態分析

做模態分析使用工程分析軟件ANSYS，進入此軟件的模態分析模塊，在之前模型的構建中使用Solidworks進行其三維建模，在軟件中的步驟和參數設置就不再詳說，對此模型進行前7階模態的分析，表1為分析數據。

結構振動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結構的振動影響較大，低階振型對結構的動態特性起決定作用，因此進行結構振動特性分析計算時提取了軸的前階頻率。如圖5所示，給出了第4階到第7階頻率下對應的振型圖。

模態分析的好處：使結構設計避免共振或以特定頻率進行振動;使工程師可以認識到結構對于不同類型的動力載荷是如何響應的;有助于在其它動力分析中估算求解控制參數。其用于確定設計結構或機器部件的震動特性（固有頻率和振型）。固有頻率和振型是承受動態載荷結構設計中的重要參數，也是模態分析、諧響應分析和瞬態動學分析中必要的參數;并且可通過此分析得到對坎貝爾云圖，得此構件的固有頻率或者旋轉的臨界轉速，以避免實際中，機械由于振動而出事故或者出現重大損壞。這可留作讀者或者本人對其做進一步的研究與分析。

3 結論

通過對偏心輪傳動機構進行ANSYS的有限元分析，得到了其應力分布情況和模態分析所求的低階振型圖。

（1）通過對機構的ANSYS靜力學分析，可得到此機構在工作時的最大應力分布情況，并對其機構進行優化與改進提供了證據支撐。

（2）通過對機構的ANSYS的模

態分析，可得偏心軸的固有振型，可預防發生共振等不良現象，并為此后做瞬態分析及諧響應分析做準備。

（3）ANSYS已成為產品設計中及其重要的仿真分析軟件，可對產品安全與可靠性提供巨大的保障。

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