含旋轉(zhuǎn)鉸間隙機構(gòu)運動對機體振動的影響分析

摘要：本文研究了兩個鋁材料構(gòu)件相連鉸存在間隙時機構(gòu)運動對機體振動影響。通過ADAMS軟件建立含鉸間隙的曲柄搖桿機構(gòu)動力學模型。通過接觸碰撞力模型建立存在間隙的兩個構(gòu)件之間的相互作用力。通過不同間隙尺寸大小和不同曲柄旋轉(zhuǎn)速度比較研究間隙和曲柄轉(zhuǎn)速對機體振動的影響。結(jié)果表明：間隙增大運動機構(gòu)的對機體的振動影響不一定增大，曲柄轉(zhuǎn)速越高對運動機構(gòu)對機體的振動影響越嚴重。

Abstract： The influence of mechanism motion on the vibration of two aluminum members is investigated when the clearance is existed. The dynamic model of crank rocker mechanism with joint clearance is established through ADAMS software. The interaction force between two components with clearance is established through contact impact model. The influence of clearance and crank speed on the vibration of body is discussed by comparing different clearance sizes and crank rotation speed. The results show that the vibration effect of the moving mechanism does not necessarily increase with the increase of the clearance， and the higher the crank speed， the more serious the vibration impact of the moving mechanism on the body.

關鍵詞：接觸力;鉸間隙;碰撞;振動

Key words： contact force;joint clearance;collision;vibration

中圖分類號：V229? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0051-03

0? 引言

由于制造、安裝和潤滑等原因，存在相對運動的兩個構(gòu)件一定存在一定的間隙。運動的機構(gòu)的不斷摩擦、磨損使得間隙越來越大。間隙的增大使得相連接的兩個構(gòu)件不斷地進行接觸碰撞，減少設備的使用壽命并對機體產(chǎn)生振動等不利影響。文獻[1]研究了汽車發(fā)動機氣門間隙、主軸承磨損等故障機理并利用小波包分解等信號處理方法對振動信號進行分析。文獻[2]軟件建立了有限元模型和多體動力學模型分析了間隙對機體振動及潤滑的作用。文獻[3]對柴油機的進氣門間隙、排氣門間隙等不同狀態(tài)進行了分析處理。文獻[4]建立了活塞動力學模型和整機多體動力學模型，研究了配缸間隙對機體振動噪聲的作用。文獻[5-6]利用ADAMS軟件對含間隙運動副的往復壓縮機傳動機構(gòu)動力學行為進行了分析。

本文利用ADAMS軟件對含旋轉(zhuǎn)鉸間隙的曲柄搖桿機構(gòu)進行動力學建模和分析，研究間隙大小和曲柄轉(zhuǎn)速對機構(gòu)機體振動的影響。

1? 含旋轉(zhuǎn)鉸間隙的曲柄搖桿機構(gòu)簡介

圖1為含旋轉(zhuǎn)鉸間隙的曲柄搖桿機構(gòu)簡圖。桿OA為曲柄，桿AB為連桿（鋁材料），桿BC為搖桿（鋁材料），B鉸存在間隙，大小為C=R-r。鉸A，鉸O，鉸C為理想旋轉(zhuǎn)鉸連接（不存在間隙），其中，桿OA長度為30cm，桿AB長度為181cm，桿BC長度為117.5cm，OC長度為200cm。在間隙B處建立接觸碰撞約束，利用ADAMS軟件中的彈性阻尼力模型建立桿AB和桿BC的相互作用。碰撞參數(shù)設置：Stiffness：3.5×107N/m，Exponent：1.5，Damping：3500kg/s。運動的機構(gòu)通過鉸O和鉸C將振動傳遞到機體，本文通過研究鉸O和鉸C受力的變化進而發(fā)現(xiàn)間隙機構(gòu)對機體的作用規(guī)律。

2? 曲柄不同轉(zhuǎn)速下運動機構(gòu)對機體的振動力分析

圖2為鉸O處全剛體機構(gòu)運動對機體振動力響應圖，圖3為鉸C處全剛體機構(gòu)運動對機體振動力響應圖，此處鉸間隙為1mm。為了方便觀察，每幅圖都進行了局部放大。從圖2和圖3都可以看出隨著曲柄轉(zhuǎn)速從5r/s，20r/s增加到50r/s振動力的波動逐漸增大。曲柄轉(zhuǎn)速越大，對機構(gòu)機體的作用力也越大。如圖2（a）和圖2（b）所示，曲柄50r/s轉(zhuǎn)速時在130.7°和662.4°時出現(xiàn)較大的沖擊力。

3? 間隙不同時運動機構(gòu)對機體的振動力分析

圖4為曲柄轉(zhuǎn)速10r/s時鉸O處不同間隙時的機構(gòu)運動對機體振動力響應圖。圖4（a）為X方向振動力，圖4（b）為Y方向振動力。鉸間隙從0.5mm、1mm增加到2mm，從圖4中可以看出鉸O處的振動力在間隙2mm時最大，發(fā)生最大沖擊時曲柄轉(zhuǎn)角的大致位置為281.5°、641.2°和1032°，在這三個位置附近，間隙為0.5mm和1mm時也發(fā)生了較大的沖擊。雖然間隙大小不同，但是發(fā)生較大沖擊的位置接近。這一特征可以為磨損間隙過大的故障診斷提供參考。

圖5為曲柄轉(zhuǎn)速10r/s時鉸C處不同間隙時的機構(gòu)運動對機體振動力響應圖。圖5（a）為X方向振動力，圖5（b）為Y方向振動力。與圖4觀察結(jié)果類次，圖5上發(fā)生較大沖擊的位置也是曲柄轉(zhuǎn)角大致位置為281.5°、641.2°和1032°。與圖5不同的是間隙是0.5mm時鉸C處振動沖擊更加明顯，分別位于曲柄為74.16°和423°位置時。從圖4和圖5還可以看出間隙為1mm時的沖擊很多時刻沒有間隙0.5mm沖擊大。所以不能簡單的認為間隙越大，沖擊越大。

4? 結(jié)論

本文通過利用ADAMS軟件對含間隙的曲柄搖桿機構(gòu)進行建模和動力學分析，討論了間隙大小和曲柄轉(zhuǎn)速對運動機構(gòu)對機體作用力的影響進行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)曲柄轉(zhuǎn)速越高，對機體的振動沖擊越大;間隙增加，沖擊在某些情況下并不一定變得更加嚴重。

參考文獻：

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