两级扭杆式平衡机设计及优化

    1　前　言

    某俯仰运动装置其起落部分质量较大,造成其质心与耳轴转动中心的重力矩也较大。若不采取适当措施,将会造成其俯仰运动启动困难、运行精度低和振动剧烈等不利结果。为了避免上述现象的出现,通过设计适当的平衡装置来达到平衡重力矩、减小驱动扭矩、提高平稳性的目的。

    笔者根据俯仰装置工作需求,设计了两级串联式扭杆式平衡机[1],为提高结构的安全可靠性,利用通用有限元分析软件ANSYS对某两级扭杆式平衡机进行了参数化建模,分析了扭杆的应力与位移分布,并利用优化技术对扭杆的主要尺寸进行了优化,在满足设计要求的前提下提高了扭杆的使用寿命。

    2　平衡机的设计

    扭杆式平衡机是由弹性杆件的扭转变形产生平衡力矩的平衡装置,弹性杆件采用圆截面的整体式扭杆弹簧。扭杆弹簧的端部采用花键形、细齿形或六边形连接于支撑部件,另一端通过连杆构件与俯仰部分铰接。起落部分俯仰时,通过连杆机构使扭杆弹簧两端产生相对转动,扭转变形随仰角的变化而变化,并通过连杆机构向起落部分提供一个随仰角而变化的平衡力矩,从而可以达到降低启动扭矩,减小振动的效果^[2]。

    根据俯仰装置的运行要求,扭杆平衡机应能提供最少±20的转角输出,再通过连接四杆机构提供更大的俯仰角度。经分析,单根扭杆无法满足输出角度需求,为增大扭转角度,将实心扭杆与空心扭力筒串联使用,设计成为两级串联式扭杆平衡机。其最终模型如图1所示。

    3　平衡机的有限元分析

    3.1　扭杆有限元模型

    为了得到高质量的网格以提高分析精度,利用有限元前处理软件HyperWorks对几何模型进行前处理。将Pro/E中建立的两级扭杆弹簧结构导入Hy-perWorks中,根据结构的拓扑关系进行分割,然后对形状相对理想的各体进行网格划分,期间要保证体内网格的连通性,单元类型选择Solid95并设置材料属性。最后得到的有限元模型如图2所示。

    3.2　计算结果及分析

    两级扭杆在俯仰运动过程中反复受到周期载荷的作用,是一种典型的恒定振幅,对称循环载荷情况,产生的最大等效应力虽然比材料的极限强度低,但在长期使用后载荷的循环次数高,属于高周疲劳情况,因此有必要对其进行疲劳分析,预测其循环寿命,为其使用提供依据。

    采用S-N法预测疲劳寿命。该方法以零件的名义应力为参数,计入有效应力集中因数、零构件尺寸因数、表面因数和平均应力影响因数等因素,用材料的S-N曲线和Miner损伤累积理论进行疲劳寿命估算^{[3, 4]}。