机械动力学综合振动实验台的研制

1 引 言

机械动力学是研究机械在运动中产生的力和机械在力的作用下运动的科学，而线性振动力学、非线性振动力学等则是机械动力学的重要组成部分［1-2］。机械动力学在很多工科专业的本科生以及研究生教学中都是重要的专业基础或者专业课程，其主要工程应用之一就是振动实验［3］。目前在机械动力学课程里，振动实验装置主要为连续体的悬臂梁装置以及简支梁装置，鲜见有关组合结构振动实验装置的文献报道。然而组合结构是工程上更为常见的结构，例如连杆机构、凸轮机构等，因而研制包含离散质量、连续梁、轴和组合结构的综合振动实验装置是十分必要的。该类综合振动实验台可以进一步加强学生所学理论与实际工程问题的结合，进一步提高学生的动手和创新能力。

2 综合振动实验台的研制

弹性连杆机构动力学是机械动力学的一个重要组成部分［2］。当连杆机构作回转运动时，其构件就会产生自激惯性力，由于构件的自激惯性力与其转速的平方成正比，因而随着转速的提高，其自激惯性力也越来越大，构件在自激惯性力的作用下其变形也越来越大。随着对弹性连杆机构动态特性研究的不断深入，人们发现连杆机构动力学中存在一些非线性因素，例如运动副的间隙［4-5］、构件的大变形等［6-7］，且在这些非线性因素的作用下，连杆机构还会出现非线性共振现象［8-11］。

连杆机构是由电机驱动的，因而将连杆机构与驱动电机作为一个整体集成分析，则其研究结果将能更好地反映其真实情况［10］。同时，根据电动机-弹性连杆机构系统的特点，此时曲柄可视为悬臂梁，连杆和摇杆可视为简支梁［2］。基于电动机-弹性连杆机构系统的上述特点，这里将电动机-弹性连杆机构系统作为综合振动实验台的主要实验对象。

综合振动实验台如图 1 所示，实验对象包括两部分:YS8024 型微型电动机和连杆机构。该系统固定在一个 1. 5 × 1 m2的 A3 钢工作台面上。在实验台上固定 2 个轴承支座，分别用来安装曲柄轴和摇杆轴。曲柄和连杆及连杆与摇杆之间通过联接销连接，一端通过螺钉固定在连杆上，另一端装上一个滚动轴承，摇杆或曲柄通过一个夹块与轴承外圈配合。轴承型号为608。连杆机构的主要几何参数为:曲柄、连杆、摇杆的长分别为 210 mm、590 mm、430 mm，宽均为 30 mm，高均为 4 mm，机架长为 600 mm;曲柄与连杆间轴承座的质量和连杆与摇杆间轴承座的质量分别为 0. 094 kg。电动机的主要几何参数为:铁芯的长度 L01= 80 mm;定子内径 D1= 75 mm;电机轴直径 d:轴伸端 d1=ø19+ 0. 009+ 0. 004mm，铁芯档 d2= ø26+ 0. 062+ 0. 041mm，轴承位 d3=ø20+ 0. 015+ 0. 002mm; 轴总长 274 mm; 轴肩 1440－ 0. 25mm; 电机轴左端面到转子左侧端面的长度 l1= 33 mm; 电机轴右端面至转子右侧端面(输出端)的长度 l2= 31 mm;转子质量 m0= 3. 5 kg，转子轴为 0. 9 kg;转子的转动惯量 J0= 0. 021 kg·m2。