光電編碼器聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、碩士論文中期考核答辯,光電編碼器聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),答辯人：,2015.1.8,杜廣升,校內(nèi)導(dǎo)師：,王德倫 教授,實(shí)踐導(dǎo)師：,馬傳鋒,,主要內(nèi)容,2,1,2,3,4,國(guó)內(nèi)外研究概況,課題研究領(lǐng)域及背景,已完成研究?jī)?nèi)容,下階段計(jì)劃,,3,課題研究領(lǐng)域及背景,第一部分,,,課題研究領(lǐng)域,《光電編碼器聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域,課題背景,4,1 . 課題研究領(lǐng)域、背景及應(yīng)用價(jià)值,更高精度的光電編碼器,航空航天飛速發(fā)展,更高性能的聯(lián)軸器

2、,,,,5,國(guó)內(nèi)外研究概況,第二部分,,2 .國(guó)內(nèi)外研究概況,6,,,理論力學(xué)、材料力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,A.S.Sekhar 和 B.S.Prabhu考慮了柔性聯(lián)軸器不對(duì)中產(chǎn)生的反力和彎矩，通過(guò)有限元法模擬了諧振情況。F.K.LANDON 對(duì)金屬柔性聯(lián)軸器的軸向振動(dòng)性能進(jìn)行了分析。H.Birkholz 等研究了彈簧片聯(lián)軸器在渦輪機(jī)械中的應(yīng)用，他認(rèn)為彈簧片聯(lián)軸器非常適合在高速同時(shí)又要補(bǔ)償軸向、徑向和角向偏移環(huán)境中傳遞高扭

3、矩，并描述了這種聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)和性能。,,2 .國(guó)內(nèi)外研究概況,7,,,有限元法或優(yōu)化設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法,華軍利用有限元方法和薄板彎曲理論建立彈簧片應(yīng)力計(jì)算模型丁雪興等用 ANSYS 有限元分析軟件對(duì)金屬?gòu)椈善?lián)軸器中圓環(huán)式彈簧片進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)算申屠留芳等對(duì)鏈板式疊片聯(lián)軸器在扭矩和軸向載荷作用下的應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，并著重分析比較了傳遞不同的功率以及疊片組不同的軸向位移對(duì)應(yīng)力的影響及其影響程度,,8,已完成研究?jī)?nèi)容,第三部分,,9,,3

4、 .已完成研究?jī)?nèi)容,彈簧片聯(lián)軸器有限元分析,彈簧片聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)優(yōu)化,,10,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,彈簧片聯(lián)軸器有限元分析,對(duì)彈簧片進(jìn)行軸向（Z向）、徑向（X向和Y向）三個(gè)方向加載，觀察變形、應(yīng)力，繪制XYZ三個(gè)方向的剛度曲線。改變彈簧片固定螺栓孔的個(gè)數(shù)，軸向加載觀察變形、應(yīng)力，分析螺栓孔個(gè)數(shù)對(duì)聯(lián)軸器軸向剛度的影響。計(jì)算聯(lián)軸器整體沿各方向10*g加速度沖擊下彈簧片的變形、應(yīng)力。計(jì)算聯(lián)軸器整體在徑向存在安裝誤差時(shí)彈簧片的變形、應(yīng)

5、力。計(jì)算聯(lián)軸器整體在軸向存在安裝誤差時(shí)彈簧片的變形、應(yīng)力。,,11,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,對(duì)彈簧片進(jìn)行軸向（Z向）、徑向（X向和Y向）三個(gè)方向加載，觀察變形、應(yīng)力，繪制XYZ三個(gè)方向的剛度曲線。,載荷：在兩端耳朵內(nèi)環(huán)面，分別沿XYZ三個(gè)方向施加載荷，總載荷從5N~25N等間距變化。,約束：選擇螺釘孔內(nèi)環(huán)區(qū)域（共8個(gè)），做位移全約束。,位移分布云圖,應(yīng)力分布云圖,計(jì)算結(jié)果：,,12,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,結(jié)論：1）聯(lián)軸器各方向剛

6、度：Y向>X向>Z向2）應(yīng)力集中區(qū)域：最外側(cè)螺釘孔的長(zhǎng)圓孔處、耳朵與圓弧連接的圓角處3）最大變形區(qū)域：耳朵的最外沿,剛度曲線：,,13,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,改變彈簧片固定螺栓孔的個(gè)數(shù)，軸向加載觀察變形、應(yīng)力，分析螺栓孔個(gè)數(shù)對(duì)聯(lián)軸器軸向剛度的影響。,載荷：在兩端耳朵內(nèi)環(huán)面，分別沿XYZ三個(gè)方向施加載荷，總載荷從5N~25N等間距變化。,約束：選擇螺釘孔內(nèi)環(huán)區(qū)域（共8個(gè)），做位移全約束。,應(yīng)力分布云圖,計(jì)算結(jié)果：,,14

7、,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,結(jié)論：約束螺釘個(gè)數(shù)越多，約束位置越靠近外側(cè)耳朵，聯(lián)軸器的軸向剛度越大。,,15,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,計(jì)算聯(lián)軸器整體沿各方向10*g加速度沖擊下彈簧片的變形、應(yīng)力。,載荷：整體沿X Y Z三個(gè)方向分別加慣性加速度；,約束：在兩端耳朵的上表面做位移全約束,整體位移云圖——最大4.37mm,計(jì)算結(jié)果：,1) X方向10g 慣性力,整體應(yīng)力云圖——最大604.609MPa,,16,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,整體位移云

8、圖——最大0.163mm,2) Y方向10g 慣性力,整體應(yīng)力云圖——最大604.609MPa,3) Z方向10g 慣性力,整體位移云圖——最大1.680mm,整體應(yīng)力云圖——最大1050.9MPa,結(jié)論：Z向剛度差，在Z向承受10*g的慣性加速度后，彈簧片承受了很大的應(yīng)力。但是由于上端蓋和底座各留有0.2mm的變形間隙，彈簧片變形將不會(huì)達(dá)到圖中1.68mm之大，彈簧片的應(yīng)力也將有所改善。,,17,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,計(jì)算聯(lián)軸器整體

9、在徑向存在安裝誤差時(shí)彈簧片的變形、應(yīng)力。,載荷：整體沿Z方向重力加速度1*g,約束：在兩端耳朵上表面做位移全約束；碼盤中間環(huán)面分別沿X、Y 方向加位移，位移大小從0.004mm~0.024mm等間距變化。,利用給編碼器施加沿X、Y 方向的位移量，模擬安裝時(shí)的徑向偏心量；通過(guò)有限元靜力分析，得到彈簧片在X、Y方向的性能曲線。,計(jì)算結(jié)果：,結(jié)論：彈簧片的變形和應(yīng)力隨徑向偏心量增大而增大。,,18,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,計(jì)算聯(lián)軸器整體在軸向

10、存在安裝誤差時(shí)彈簧片的變形、應(yīng)力。,載荷：整體沿Z方向重力加速度1*g,約束：在兩端耳朵上表面做位移全約束；碼盤中間環(huán)面分別沿Z方向加位移，位移大小從0.02mm~0.2mm等間距變化。,利用給碼盤施加沿Z方向的位移量，模擬安裝時(shí)的軸向偏心量；通過(guò)有限元靜力分析，得到彈簧片在Z方向的性能曲線。,計(jì)算結(jié)果：,結(jié)論：彈簧片的變形和應(yīng)力隨軸向偏心量增大而增大。,,19,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,彈簧片聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),增大連接圓角 中部

11、加寬 擴(kuò)大彈簧片自由區(qū)域面積 增大連接圓角同時(shí)中部加寬 增大連接圓角同時(shí)擴(kuò)大彈簧片自由區(qū)域面積 擴(kuò)大彈簧片自由區(qū)域面積、增大連接圓角并中部加寬,根據(jù)前面有限元計(jì)算的結(jié)果對(duì)原型聯(lián)軸器的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。,,20,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,增大連接圓角,由于連接圓角處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，將原結(jié)構(gòu)的R2圓角增大至R5。,計(jì)算結(jié)果：,沿X向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應(yīng)力云圖,沿Y向偏心0.04mm，軸向0.2mm

12、應(yīng)力云圖,,21,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,中部加寬,增加彈簧片的XY向剛度，將原結(jié)構(gòu)在中部加寬，長(zhǎng)度為60，按同樣的方式加載。,計(jì)算結(jié)果：,沿X向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應(yīng)力云圖,沿Y向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應(yīng)力云圖,,22,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,擴(kuò)大彈簧片自由區(qū)域面積,將上端蓋及下部碼盤體的0.2mm切槽寬度加大，從原設(shè)計(jì)的70mm增大到80mm，從而擴(kuò)大彈簧片自由區(qū)域的面積。,計(jì)算結(jié)果：,沿X向偏心0.04m

13、m，軸向0.2mm 應(yīng)力云圖,沿Y向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應(yīng)力云圖,,23,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,增大連接圓角同時(shí)中部加寬,將連接圓角從R2增大到R5，同時(shí)進(jìn)行中部加寬,計(jì)算結(jié)果：,沿X向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應(yīng)力云圖,沿Y向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應(yīng)力云圖,,24,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,增大連接圓角同時(shí)擴(kuò)大彈簧片自由區(qū)域面積,將連接圓角從R2增大到R5，同時(shí)將彈簧片的自由區(qū)域?qū)挾葟?0mm擴(kuò)大到8

14、0mm,計(jì)算結(jié)果：,沿X向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應(yīng)力云圖,沿Y向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應(yīng)力云圖,,25,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,擴(kuò)大彈簧片自由區(qū)域面積、增大連接圓角并中部加寬,將連接圓角從R2增大到R5，同時(shí)將中部加寬，并將彈簧片的自由區(qū)域?qū)挾葟?0mm擴(kuò)大到80mm,計(jì)算結(jié)果：,沿X向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應(yīng)力云圖,沿Y向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應(yīng)力云圖,,26,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,各

15、方案比較：,結(jié)論：,1）中部加寬對(duì)彈簧片最大應(yīng)力改善情況并不明顯，只能改善Y向剛度，因此不予采用。2）最好的改善應(yīng)力方法是對(duì)增大連接處圓角，同時(shí)擴(kuò)大彈簧片的自由區(qū)域。,,27,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,確定最佳的彈簧片自由區(qū)域,將切槽寬度作為變量， 進(jìn)行有限元計(jì)算，觀察彈簧片的最大應(yīng)力,載荷：整體在X Y Z三個(gè)方向分別承受6g的重力加速度；約束：在兩端耳朵的上表面做位移全約束；轉(zhuǎn)軸中心沿Z方向偏移±0.2mm，同時(shí)沿X方

16、向偏移0.04mm，沿Y方向偏移0.04mm。,,28,,3 .已完成研究?jī)?nèi)容,計(jì)算結(jié)果：,沿X向沖擊6g，軸向位移0.2mm,沿X向沖擊6g，軸向位移 -0.2mm,沿Y向沖擊6g，軸向位移 0.2mm,沿Y向沖擊6g，軸向位移 -0.2mm,沿Z向沖擊6g，軸向位移 0.2mm,沿Z向沖擊6g，軸向位移 -0.2mm,結(jié)論：彈簧片最大應(yīng)力隨槽寬增大而下降，且下降逐漸平緩。說(shuō)明槽寬增加到一定程度的時(shí)候，繼續(xù)增大槽寬，彈簧片的最大應(yīng)力并

17、不能有很大改善。為使彈簧片的最大應(yīng)力小于疲勞強(qiáng)度的一半，槽寬可設(shè)計(jì)在90mm左右。,,29,下階段工作計(jì)劃,第四部分,,4 . 下階段工作計(jì)劃,30,2015.01.01——2015.01.31：考慮編碼器的實(shí)際安裝情況，提出合理的試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)并搭建聯(lián)軸器的力學(xué)試驗(yàn)平臺(tái),2015.02.01——2015.02.20：力學(xué)試驗(yàn)。用應(yīng)變片測(cè)量聯(lián)軸器受載時(shí)變形較大處的應(yīng)變，校核聯(lián)軸器強(qiáng)度。,2015.02.21——2015.02.28：試驗(yàn)