空間曲柄滑塊的球鉸磨損試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)【含4張CAD圖-獨(dú)家】.zip
空間曲柄滑塊的球鉸磨損試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)【含4張CAD圖-獨(dú)家】.zip,含4張CAD圖-獨(dú)家,空間,曲柄,磨損,試驗(yàn)臺(tái),設(shè)計(jì),CAD,獨(dú)家
空間曲柄滑塊的球鉸磨損試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
摘 要：球鉸是常用的機(jī)構(gòu)連接副，其磨損問題和間隙問題是常見的工程失效問題。本文針對(duì)球鉸的磨損試驗(yàn)研究目的，設(shè)計(jì)了包含球鉸的空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，采用了UG軟件建立了該機(jī)構(gòu)零部件和整體裝配的三維模型，并通過多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行了仿真模擬，得到了球鉸在不同工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。最后分析了球鉸磨損過程，初步研究了球鉸的磨損計(jì)算方案，為下一次繼續(xù)研究提供了參考。此次設(shè)計(jì)及分析對(duì)機(jī)械鉸接副磨損計(jì)算領(lǐng)域具有重要的工程實(shí)際價(jià)值。
關(guān)鍵詞：球鉸磨損；曲柄滑塊；試驗(yàn)臺(tái)；鉸接；建模；仿真
Design of Spherical Hinge Wear Test Bench for Space Crank Slide Block
Abstract: The content of this paper is to design the ball bearing hinge ball bearing wear test bench design modeling and simulation experiment analysis to test the dynamic response of the ball hinge in different lubrication conditions to obtain the ball hinge wear condition including clearance hinge machinery System dynamics and other results. Then by analyzing and optimizing the experimental parameters of the ball hinge the purpose of improving the stability reliability fatigue strength load capacity and environmental adaptability of the ball hinge structure with clearance is achieved. Because the hinge clearance between mechanical system components is unavoidable this design and analysis has important engineering practical value for the mechanical articulation subfield.
Key words: Ball joint wear；Crank slider；Test stand；Articulation；Modeling；Simulation
目 錄
1 緒 論 1
1.1 設(shè)計(jì)背景 1
1.2 設(shè)計(jì)問題 1
1.3 設(shè)計(jì)意義 2
1.4 理論基礎(chǔ)及現(xiàn)狀 2
1.5 設(shè)計(jì)內(nèi)容步驟 3
2 空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的球鉸磨損試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 4
2.1空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì) 4
2.1.1 試驗(yàn)臺(tái)基座 4
2.1.2 電機(jī)及導(dǎo)軌 5
2.1.3 曲柄連桿 6
2.1.4 可調(diào)球鉸球及連桿和導(dǎo)軌與基座連接部分 7
2.1.5 滑塊與球鉸的類活塞連接件 8
2.2 NX 10.0 (UG)建模 10
2.2.1 試驗(yàn)臺(tái)基座及電機(jī)建模 10
2.2.2 導(dǎo)軌建模 11
2.2.3 曲柄連桿建模 12
2.2.4 可調(diào)球鉸球及連桿和導(dǎo)軌與基座連接部分建模 12
2.2.5 滑塊與球鉸的類活塞連接件建模 14
2.2.6 裝配圖 14
3 球鉸不同工況下的虛擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn) 17
3.1 ADAMAS建模 17
3.2運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析 18
3.3磨損實(shí)驗(yàn)設(shè)想及分析 19
3.3.1磨損、摩擦的聯(lián)系與不同 19
3.3.2產(chǎn)生磨損的基本階段 20
3.3.3建立磨損的數(shù)學(xué)模型 21
3.3.4 設(shè)計(jì)磨損試驗(yàn)流程 21
4 總結(jié)與分析 23
4.1 總結(jié) 23
參考文獻(xiàn) 24
致 謝 26
IV
1 緒 論
1.1 設(shè)計(jì)背景
隨著當(dāng)今社會(huì)的高速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)也如雨后春筍般蓬勃生長著，尤其是機(jī)械行業(yè)，在人們的需求下變得越來越精密化、智能化，人們對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的復(fù)雜成度、人工智能化、功能多樣性要求也越來越多。因此，需要考慮的影響因素也越來越多，而其中的高可靠性，高精密，高智能化，適應(yīng)情況的高多樣性和疲勞強(qiáng)度就自然而然的成為了設(shè)計(jì)者和制造者的研究方向。
對(duì)于此次研究對(duì)象來說，空間球鉸接的磨損、潤滑、疲勞強(qiáng)度、可靠性、精密度、使用材料、高適應(yīng)性就極其重要了！現(xiàn)在常用的鉸接副有球鉸、鉸鏈，其中球鉸是三維的，自由度較高，常用于建筑的鋼結(jié)構(gòu)、球鉸式萬向連軸器、抗震建筑結(jié)構(gòu)等，而鉸鏈?zhǔn)嵌S的，自由度較低，家中的門上用的合頁，火車之間的鏈接，建筑結(jié)構(gòu)，常見的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)都有用到。但是在機(jī)械系統(tǒng)中，要完成機(jī)械所要達(dá)到的功能、動(dòng)力傳遞、運(yùn)動(dòng)方式必須要通過機(jī)構(gòu)來完成，而機(jī)構(gòu)由構(gòu)件和鉸鏈約束來構(gòu)成，一個(gè)構(gòu)件與另一個(gè)構(gòu)件的鉸鏈鏈接是一組運(yùn)動(dòng)副，機(jī)構(gòu)越復(fù)雜運(yùn)動(dòng)副也就越多，而鉸接時(shí)一定存在間隙，運(yùn)動(dòng)副越多，間隙必然越多，這樣就對(duì)機(jī)械系統(tǒng)來說影響越大，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至可能造成事故，因此有必要對(duì)鉸鏈間隙進(jìn)一步分析研究。
1.2 設(shè)計(jì)問題
對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)來說：⑴設(shè)計(jì)相鄰連接副的移動(dòng)性；⑵接頭部分之間的間隙是否具有合適值；⑶潤滑、摩擦對(duì)間隙的影響；⑷機(jī)構(gòu)的一些制造，裝配和工作特性；（5）隨著時(shí)間環(huán)境對(duì)設(shè)備的腐蝕。這是一些機(jī)械問題的主要來源。一般來說，除了基于振動(dòng)加工、負(fù)載加工的機(jī)器外，機(jī)械系統(tǒng)中的振動(dòng)和摩擦是不期望的，振動(dòng)是不良因素的結(jié)果。在間隙鉸接中，鉸接部件之間有一些可能的運(yùn)動(dòng)模式。其中之一是接觸模式，它發(fā)生在球窩部分，在球窩邊界內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)的終止處，而且該模式還可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)振動(dòng)的幅度和頻率增加。為了防止這些結(jié)果，球鉸懸架特性，鏈接和關(guān)節(jié)的靈活性可以用作解決方案。柔性機(jī)構(gòu)不是完全鉸接的機(jī)構(gòu)，所以是機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題的良好解決方案。在這種機(jī)制類型中，相鄰鏈接之間存在最小的靈活連接，而不是經(jīng)典的關(guān)節(jié)類型。相鄰鏈接的相對(duì)運(yùn)動(dòng)由連接部分的靈活性來執(zhí)行的，以減少重量和磨損，消除關(guān)節(jié)間隙，節(jié)點(diǎn)間無摩擦，減少噪音和振動(dòng)，消除潤滑。這是機(jī)械設(shè)計(jì)問題中柔性接頭的一些優(yōu)點(diǎn)， 另一方面，它也會(huì)減少疲勞壽命。
在此基礎(chǔ)上，本文主要以球鉸運(yùn)動(dòng)副間隙、摩擦、潤滑三方面進(jìn)行研究和分析，以解決和優(yōu)化在機(jī)械系統(tǒng)中球鉸運(yùn)動(dòng)副的穩(wěn)定性，可靠性，疲勞強(qiáng)度等問題。
1.3 設(shè)計(jì)意義
球鉸運(yùn)動(dòng)副的間隙主要有以下幾點(diǎn)構(gòu)成：⑴ 運(yùn)動(dòng)副是機(jī)械系統(tǒng)中兩個(gè)構(gòu)件的鉸接部份，要到達(dá)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的目的，裝配間隙必定是有的；⑵ 在工廠制造中為了降低成本采用低精度運(yùn)動(dòng)副鉸合，并且設(shè)計(jì)，制造時(shí)都會(huì)有誤差，導(dǎo)致理想配合不存在；⑶ 機(jī)械工作時(shí)間越長，運(yùn)動(dòng)副之間的鉸合也就磨損的越厲害，即間隙在不停的擴(kuò)大。
除間隙本身外，運(yùn)動(dòng)副兩構(gòu)件之間的接觸情況不僅有理想的面面接觸，而且還有點(diǎn)接觸和線接觸，導(dǎo)致低副鏈接變成高副鏈接，從而造成鉸接元素之間容易產(chǎn)生沖擊和碰撞，影響載荷的傳遞，從而造成機(jī)器震動(dòng)和失效。故在實(shí)際生產(chǎn)制造中理想的鉸鏈模型不存在，一般表現(xiàn)為非線性動(dòng)力學(xué)特性。而碰撞和噪音，以及彈性形變讓磨損繼續(xù)增大，磨損的過程中產(chǎn)生的碎屑也會(huì)進(jìn)一步加劇問題，造成機(jī)械失效，甚至演變成事故。
故此，考慮鉸鏈的間隙、磨損、潤滑等問題對(duì)機(jī)械行業(yè)的制造、生產(chǎn)、研究和發(fā)展具有里程碑式的意義和理論實(shí)際價(jià)值。
1.4 理論基礎(chǔ)及現(xiàn)狀
相對(duì)來說，建模，模擬關(guān)節(jié)間隙的問題在機(jī)制領(lǐng)域內(nèi)是一個(gè)對(duì)學(xué)者來說有很大興趣的不同領(lǐng)域，并引起了許多研究者的注意。在過去二十年里，這種興趣致使了人們發(fā)展相關(guān)工作并且出版了一些研究潤滑的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，平移關(guān)節(jié)間隙，間隙的圓柱形接頭文章，以及實(shí)驗(yàn)論文。大多數(shù)這些研究致力于平面機(jī)構(gòu)，如四連桿機(jī)構(gòu)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和機(jī)器人操縱器，其中一個(gè)、兩個(gè)或更多接頭具有間隙特征。對(duì)主題建模具有間隙縫的三維系統(tǒng)，研究工作主要涉及間隙球形關(guān)節(jié)，表面順應(yīng)性和間隙尺寸。一些典型的帶有間隙的球形關(guān)節(jié)機(jī)械起著關(guān)鍵作用的系統(tǒng)是車輛系統(tǒng)和組件，例如：轉(zhuǎn)向懸架和套管接頭，機(jī)器人和平行操縱器，空間可展開系統(tǒng)，自然和人造人的關(guān)節(jié)，即髖關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)肩包等。
事實(shí)上，許多專門研究球形關(guān)節(jié)的作品過去幾年已經(jīng)進(jìn)行了許可。其中一些專注于只有一個(gè)關(guān)節(jié)的系統(tǒng)建模實(shí)現(xiàn)。例如，基于關(guān)于非線性柔性機(jī)器人的有限元?jiǎng)恿W(xué)分析多體系統(tǒng)、帶有間隙的旋轉(zhuǎn)和球形接頭的機(jī)制配方、影響結(jié)構(gòu)阻尼和行駛速度的調(diào)查等。如今奧登提出了一種研究在多體系統(tǒng)中的典型平滑關(guān)節(jié)間隙的方法（建議的方法利用了材料的分析從而定義間隙的表面，導(dǎo)致配方差距不起重要作用的標(biāo)準(zhǔn)接觸模型）。 這種方法已被證明作為求解方程的一種有效而且有力的方法在此類研究中使用。如今，進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)建模的方法有：凱恩方法、拉格朗日法、牛頓——?dú)W拉法。不過都是采用間隙鉸鏈建模，進(jìn)行力學(xué)分析計(jì)算，然后和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而得出結(jié)論的。
1.5 設(shè)計(jì)內(nèi)容步驟
空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和球鉸機(jī)構(gòu)是機(jī)械系統(tǒng)常見的機(jī)構(gòu)之一，同時(shí)因?yàn)閷?shí)際設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、負(fù)載、環(huán)境的影響，造成球鉸機(jī)構(gòu)元素之間的間隙問題，從而導(dǎo)致機(jī)械系統(tǒng)的不穩(wěn)定，甚至影響到可靠性、精密性、安全、壽命等一系列的問題。所以，針對(duì)球鉸鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)磨損、潤滑研究是極具有實(shí)際價(jià)值和深遠(yuǎn)意義的。本文以球鉸鏈為基礎(chǔ)建立空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析和仿真實(shí)驗(yàn)，從而得出結(jié)論和預(yù)測(cè)。目錄安排如下：
第一章：根據(jù)本題目的研究方向及內(nèi)容，闡述了設(shè)計(jì)的背景、遇到的問題、設(shè)計(jì)的意義、理論基礎(chǔ)和研究現(xiàn)狀和參考文獻(xiàn)。
第二章：建立空間曲柄滑塊的球鉸模型，并對(duì)其進(jìn)行分析，研究，以判斷是否適合模型研究，從而得出其理想狀態(tài)，為下一步仿真建立理論基礎(chǔ)。同時(shí)包括針對(duì)所有試驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)建，如基座、電機(jī)、空間曲柄滑塊、特殊螺栓等的UG建模。
第三章：球鉸不同潤滑工況下的空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，即基于三維軟件UG建立含間隙空間曲柄滑塊球鉸機(jī)構(gòu)模型，然后利用三維仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證并優(yōu)化鉸鏈參數(shù)，從而進(jìn)一步分析間隙鉸鏈的動(dòng)力學(xué)特性。
第四章：結(jié)論及展望，對(duì)比分析第二，第三章的結(jié)果，從而得出結(jié)論。并對(duì)其發(fā)展做以構(gòu)想。
2 空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的球鉸磨損試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
在機(jī)械研究中，理想狀態(tài)一直是研究者、設(shè)計(jì)者、制造者一致想達(dá)到的最佳機(jī)械工作狀態(tài)。但是，在實(shí)際中機(jī)械系統(tǒng)往往由于生產(chǎn)、環(huán)境、制造、設(shè)計(jì)、工作狀態(tài)等因素，致使機(jī)械系統(tǒng)難以達(dá)到這種完美狀態(tài)。而球鉸中的接觸一般是三種：點(diǎn)、面、線。并且，球鉸球在球窩中的運(yùn)動(dòng)一般為，碰撞，接觸，分離三種運(yùn)動(dòng)，理想與現(xiàn)實(shí)差距較大，故此要建立正確的模型，以便實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效。
2.1空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)
2.1.1 試驗(yàn)臺(tái)基座
由于在實(shí)際生活中，球鉸很常見，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)同樣也是如此，故此，在選用其基座的材料方面，我選擇使用常見的45鋼。45型鋼材具有良好的延展性，適宜彎曲，同時(shí)其密度，剛度保證了在實(shí)驗(yàn)過程中不易形變，保證了實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。
考慮到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)產(chǎn)生沖撞，使試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)，噪音，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性這些問題，除了需要試驗(yàn)臺(tái)材料需要一定的密度，剛度，重量，必須要采用螺栓將試驗(yàn)臺(tái)固定在實(shí)驗(yàn)所在的基座上，故此需要在底板上沖孔（螺栓）具體見圖2.1。
圖2.1 基座及電機(jī)俯視圖
同時(shí)，考慮到在實(shí)驗(yàn)中必須盡可能的讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近理想狀態(tài)，故此除了曲柄連桿、球鉸中的球窩的接觸為彈性接觸，其余皆為剛體。需滿足以下條件：
（1）系統(tǒng)負(fù)載工作的情況下，保證整體機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)；
（2）具有足夠的硬度，且具有一定的延展性、剛度，不易形變；
（3）結(jié)構(gòu)簡單，易操作，能將所有機(jī)構(gòu)完美容納。
如圖2.1，該結(jié)構(gòu)能將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)完美容納，且簡單易制造，全結(jié)構(gòu)采用5mm鋼板進(jìn)行剪裁，彎曲，焊接，打孔制成，無需耗費(fèi)大量人力物力，且便宜實(shí)在。后期裝配時(shí)采用5個(gè)的螺栓進(jìn)行固定，省時(shí)省力。
2.1.2 電機(jī)及導(dǎo)軌
（1）電機(jī)
由于電機(jī)要帶動(dòng)整個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)，其功率必須足夠，經(jīng)多方查閱資料，采用500W的調(diào)速電機(jī)提供系統(tǒng)`動(dòng)力。同時(shí)，調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)給實(shí)驗(yàn)帶來了極大的方便，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可控制性，給予了整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)豐富的數(shù)據(jù)參考。由于電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)較麻煩，故此建模時(shí)采用簡圖描繪（如圖2.2）。
圖2.2 電機(jī)模型圖
（2）導(dǎo)軌
如圖2.3所示，導(dǎo)軌采用工字鋼型結(jié)構(gòu)，簡單實(shí)用，考慮到滑塊機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)有上下位移，工字鋼型設(shè)計(jì)能較好的限制滑塊的自由度，將其緊緊的固定在導(dǎo)軌上。同時(shí)，由于此導(dǎo)軌在機(jī)構(gòu)中是活動(dòng)的，電機(jī)要能帶動(dòng)起來，所以自身重量不能太重，故采用鋁合金結(jié)構(gòu)并對(duì)其表面進(jìn)行打磨拋光，保證滑塊在上面有良好的移動(dòng)性，減少摩擦力。
圖2.3 滑塊固定導(dǎo)軌
具體要求如下：
（1）良好的硬度及抗拉、抗壓、抗變形強(qiáng)度；
（2）具有良好的表面光潔度；
（3）材質(zhì)輕便以減小系統(tǒng)負(fù)載。
（4）導(dǎo)軌長540mm，壓鑄件，材料使用合金材料，質(zhì)輕，易加工。
2.1.3 曲柄連桿
如圖2.4所示，此曲柄連桿為電機(jī)軸承連接球鉸及連桿的部分，由上下兩部
圖2.4 曲柄連桿
分組成，分別為上部分曲柄球鉸球端蓋和下部分曲柄球鉸球球窩組成，另一端采用螺釘固定到電機(jī)軸承上，以限制其在工作時(shí)的相對(duì)位移，螺釘采用螺釘，固定時(shí)只需上緊螺絲就好，較為簡單。
但是，主要部分在球窩部分，要實(shí)現(xiàn)球鉸球的靈活性運(yùn)動(dòng)，球窩需進(jìn)行拋光打磨，同時(shí)進(jìn)行淬火和滲碳處理，以保證其硬度，和光滑性，材料選定為45鋼。球鉸球端蓋上有4顆固定螺絲，尺寸為M3x8。上蓋厚度7mm，下蓋厚度5mm，具有通孔。左端電機(jī)軸承固定部分厚10mm，R13通孔。
2.1.4 可調(diào)球鉸球及連桿和導(dǎo)軌與基座連接部分
如圖2.5所示，連桿與球鉸球是完全不同的兩個(gè)零件，由于實(shí)際尺寸差異以及精度的影響，考慮到整個(gè)球鉸的配合問題，故將球鉸球連桿做成可調(diào)的，以滿足機(jī)構(gòu)的微調(diào)，以防出現(xiàn)配合過盈的情況出現(xiàn)。
圖2.5 可調(diào)球鉸球及連桿
如圖2.6所示，球鉸球與連桿之間采用螺紋連接，利用螺紋的可調(diào)性使得球鉸球裝配時(shí)的適應(yīng)能力大大增強(qiáng)，連接上以后采用螺帽進(jìn)行夾緊固定，保證其在工作時(shí)不易松動(dòng)。由于球鉸球時(shí)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的重要部件，研究也是從此開始，所以，球的質(zhì)量就極為關(guān)鍵了。
圖2.6 可調(diào)球鉸球放大部分
在機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，不僅有摩擦力，球鉸球還有彈性形變，沖擊，碰撞，會(huì)導(dǎo)致球鉸球的非正常工作，故此要求其材料要有極高的硬度和光潔度，不易形變，保證其在負(fù)載中運(yùn)作正常。在此，我選擇用45鋼進(jìn)行滲氮處理，同時(shí)打磨，拋光。至于連桿部分則選用不銹鋼進(jìn)行制作，在左斜面上打螺紋孔，右端面打螺紋孔。不銹鋼價(jià)格便宜，材質(zhì)輕盈，不會(huì)給系統(tǒng)增加額外的負(fù)擔(dān)。
如圖2.7 所示，導(dǎo)軌一端用螺栓固定在基座上，另一端固定在圖示連接件上，通過此鏈接件與底座連接，形成可做空間內(nèi)圓弧形移動(dòng)軌跡的空間移動(dòng)導(dǎo)軌。其表面做打磨拋光處理，尤其直角面上的類似鍵槽的孔，加工工藝一定要精確，保證其負(fù)載時(shí)的正常運(yùn)作。
圖2.7 導(dǎo)軌與基座連接部分
此部件需要兩個(gè)螺栓進(jìn)行裝配連接，大小為M4x10,；螺栓中部光滑無螺紋，螺紋從6mm出開始導(dǎo)出，采用車削工藝制造。
2.1.5 滑塊與球鉸的類活塞連接件
此部件是由三個(gè)零件組成，分別為滑塊，滑塊球窩，球窩上端蓋。其中滑塊部分與導(dǎo)軌連接，球窩部分固定并連接滑塊，球窩與球鉸球連接再通過球鉸球連接連桿，至此，所有試驗(yàn)臺(tái)零件以基本闡述清楚。三個(gè)部件尺寸如圖2.8所示；
圖2.8 滑塊與球鉸的類活塞連接件
此零件滑塊部分采用鋁合金制造以減輕整體重量，球窩部分和球鉸球端蓋部分采用45鋼進(jìn)行制造，同樣，球窩部分采用打磨、拋光、滲氮工藝進(jìn)行處理，保證球鉸球的靈活性。部件采用4個(gè) 的螺栓使滑塊與球窩固定，球鉸球蓋上采用4個(gè) 的螺栓固定。此外還有機(jī)構(gòu)的幾何，質(zhì)量，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特性見表2.1；
表2.1模型機(jī)構(gòu)的幾何，質(zhì)量和慣性特征（*：鉸接，＃：兼容）
鏈接構(gòu)件
長度[mm]
質(zhì)量[kg]
質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特性[kg mm2 ]
6.64
57.11
52.51
連桿*
329
0.455
15.31
3489.75
3490.43
活塞*
-
0.553
148.12
225.14
209.02
連桿#
306
0.441
14.97
3144.02
3144.63
活塞#
-
0.584
174.01
235
223.25
2.2 NX 10.0 (UG)建模
由于具體建模過程太復(fù)雜，文字性語言描繪過于繁雜，故此我直接用圖片進(jìn)行替代，除試驗(yàn)臺(tái)基座建模詳細(xì)外，其他一律用圖描繪建模過程。具體建模模型圖樣見下文。
2.2.1 試驗(yàn)臺(tái)基座及電機(jī)建模
如圖2.9，首先打開UG1.0 界面，選擇新建，建模，單位選擇毫米，點(diǎn)擊確定打開新建模型頁面；點(diǎn)擊插入，草圖，點(diǎn)擊需要建立的草圖平面，點(diǎn)擊確定。開始創(chuàng)建草圖，草圖繪制完成后，選擇拉伸，選擇區(qū)域邊界線進(jìn)行草圖拉伸建模，經(jīng)歷，拉伸，打孔，陣列，等一系列操作后（圖2.10），草圖成為了模型，如圖2.11（由于電機(jī)結(jié)構(gòu)圖太復(fù)雜，故模型中用圓柱體進(jìn)行代替）。
圖2.9 基座及電機(jī)草圖
圖2.10 拉伸、求和、倒角等操作
圖2.11 成品基座及電機(jī)模型圖曲柄連桿
2.2.2 導(dǎo)軌建模
導(dǎo)軌建模較為簡單，由于是工字型鋼，只需進(jìn)行草圖（圖2.12）繪制其截面形狀及尺寸，然后通過拉伸一步得到模型圖，然后打孔得到成品圖（圖2.13）就好了。
圖2.12 導(dǎo)軌草圖
圖2.13 導(dǎo)軌成品圖
2.2.3 曲柄連桿建模
曲柄連桿分兩個(gè)部件，一是曲柄連桿上端蓋，另一個(gè)是曲柄連桿球窩。其中，曲柄連桿上端蓋由兩部拉伸、一個(gè)設(shè)計(jì)特征和求差完成（圖2.14）。曲柄連桿球窩是由五個(gè)拉伸、一個(gè)設(shè)計(jì)特征、一個(gè)求和完成。（圖2.15）
圖2.14 曲柄連桿上端蓋 圖2.15 曲柄連桿球窩
2.2.4 可調(diào)球鉸球及連桿和導(dǎo)軌與基座連接部分建模
可調(diào)球鉸球連接有兩個(gè)部分，一是可調(diào)球鉸球（圖2.16），二是可調(diào)球鉸球連桿（圖2.17）；在裝配中連桿（圖2.18）是連接球鉸球連桿和球鉸球的部分；導(dǎo)軌與基座的連接部分（圖2.19）是由鋼板剪裁和彎曲出來的的，打有鍵型通孔；
圖2.16 可調(diào)球鉸球 圖2.17 可調(diào)球鉸球連桿
圖2.18 導(dǎo)軌與基座的連接部分
由于螺釘太多，不能一一列舉，這里只提到曲柄連桿固定傳動(dòng)軸螺釘（圖2.20）。
圖2.19導(dǎo)軌與基座的連接部分 圖2.20 曲柄連桿固定傳動(dòng)軸螺釘
2.2.5 滑塊與球鉸的類活塞連接件建模
滑塊與球鉸的類活塞連接件（圖2.21 ）其實(shí)是一個(gè)整體，它是由三部分組成的，分別為滑塊（圖2.22）、球鉸連接件球窩（圖2.23）、球鉸連接件上端蓋（圖2.24）。這個(gè)連接件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，建模用時(shí)較長，不過的確為這個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)最重要的機(jī)構(gòu)之一。
圖2.21 滑塊與球鉸的類活塞連接件 圖2.22 滑塊
圖2.23 球鉸連接件球窩 圖2.24 球鉸連接件上端蓋
2.2.6 裝配圖
總裝配圖見圖2.25；局部曲柄連桿部分放大圖見圖2.26；
a圖
b圖
圖2.25 曲柄滑塊球鉸試驗(yàn)臺(tái)
圖2.26 曲柄連桿局部放大圖
3 球鉸不同工況下的虛擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn)
虛擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn)是基于三維仿真軟件ADAMS建立含間隙鉸鏈曲柄滑塊機(jī)構(gòu)并行進(jìn)仿真分析。物理實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)為搭建曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，用實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果和理論分析所得結(jié)果對(duì)比，以驗(yàn)證理論分析的正確性，同時(shí)利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)一步分析含間隙鉸鏈機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。得到滑塊的位移速度加速度，鉸接副接觸力。
3.1 ADAMAS建模
由于在第二章我已通過UG建模，并進(jìn)行裝配過了，所以只需將建好的模型直接導(dǎo)入到ADAMAS里進(jìn)行仿真分析就好了。
將建好的曲柄滑塊三維模型導(dǎo)入ADAMS仿真軟件中，同時(shí)將其構(gòu)件材料設(shè)置如下：連桿設(shè)為不銹鋼、曲柄設(shè)為45鋼、滑塊上半部分設(shè)為鋼、球窩部分設(shè)為鋁合金。曲柄的固定端與電機(jī)軸承形成轉(zhuǎn)動(dòng)約束，而另一端球窩部分則設(shè)置為接觸力。
其大致數(shù)據(jù)可設(shè)置為：正交力： 碰撞 ；剛性：7.981E+10；強(qiáng)制指數(shù)： 1.5； 減震系數(shù)：7.981E+6； 滲透深度： 1.0E-4.其中剛度是根據(jù)公式（3.1）（3.2）計(jì)算得出，減震系數(shù)為剛度值的0.1％。 還有，在仿真開始時(shí)分別將摩擦力設(shè)為沒有和庫倫。其參數(shù)設(shè)置為：靜態(tài)系數(shù)：0.17；動(dòng)態(tài)系數(shù)：0.1。上面的設(shè)置是為了曲柄滑塊間隙球鉸在是否有融化條件下對(duì)整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響程度。在連桿與滑塊上部分球窩處添加轉(zhuǎn)動(dòng)約束，方向?yàn)樽杂啥确较?，在與導(dǎo)軌連接的滑塊處添加水平方向的移動(dòng)約束，保證實(shí)驗(yàn)?zāi)茼樌M(jìn)行。同時(shí)需要在連桿、滑塊和曲柄三者之間添加屬于自身的自由度方向。其次，為研究在不同轉(zhuǎn)速下曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)力情形，在曲柄上先后添加600和900的驅(qū)動(dòng)。在仿真時(shí)采用動(dòng)力學(xué)仿真，步長設(shè)值0.00001。
（3.1）
其中為球鉸球球窩的半徑，為球鉸球的半徑，為泊松比，為彈性模量。
3.2運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析
根據(jù)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)原理，在運(yùn)動(dòng)開始時(shí)，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的固定件和連桿安置在同一平面上，以確保小的彎曲樞軸處無彈性形變。 為了反映關(guān)節(jié)間隙的確切貢獻(xiàn)，首先測(cè)量了沒有關(guān)節(jié)間隙的加速度狀態(tài)，然后在考慮關(guān)節(jié)間隙后，再次實(shí)施案例研究的測(cè)量。
首先考慮沒有關(guān)節(jié)間隙情況，圖3.1表示了曲柄轉(zhuǎn)速150rpm下的搖桿質(zhì)心的加速度動(dòng)態(tài)，圖3.2描繪曲柄轉(zhuǎn)速在250rpm時(shí)搖桿質(zhì)心的加速度動(dòng)態(tài)曲線。
圖3.1 無間隙情況下150rpm的響應(yīng)
圖3.2無間隙情況250rpm的響應(yīng)
由于常見球鉸都是有間隙的，因此，接下來考慮關(guān)節(jié)含間隙的情況。圖3.3和 圖3.4表示了考慮間隙后曲柄轉(zhuǎn)速150rpm和250rpm下的搖桿質(zhì)心的加速度動(dòng)態(tài)。
圖3.3 有間隙情況下150rpm的響應(yīng)
圖3.4 有間隙情況下250rpm的響應(yīng)
3.3磨損實(shí)驗(yàn)設(shè)想及分析
3.3.1磨損、摩擦的聯(lián)系與不同
20世紀(jì)以來人們?cè)絹碓綄?duì)機(jī)械因?yàn)槟Σ翆?dǎo)致的問題予以重視，而在這一領(lǐng)域在大量人力物力的投入下也取得了一些成果。由于摩擦的不可避免性，同樣磨損也是不可避免的，針對(duì)磨損問題只能以潤滑來減小摩擦力來達(dá)到延長機(jī)械壽命的目的。相對(duì)來說，磨損的情況較為復(fù)雜，由于含間隙鉸鏈結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)負(fù)載時(shí)一定會(huì)有彈性碰撞和沖擊產(chǎn)生，同時(shí)其滑動(dòng)摩擦也有點(diǎn)、線、面三種形式，致使其并不是單一的摩擦力模型，涉及到彈性力，以及塑性形變方面的材料及力學(xué)知識(shí)。
對(duì)于摩擦來說，只需研究靜摩擦，滑動(dòng)摩擦這些力學(xué)模型就好了，形式較為單一，較磨損來說較為簡單，但其實(shí)兩者是相輔相成的，缺一不可，磨損里面包含摩擦，摩擦是磨損的一部分。
3.3.2產(chǎn)生磨損的基本階段
零件的磨損分為三個(gè)階段，磨合、磨損穩(wěn)定、磨損加劇階段。
磨合包含兩種情況，分別為機(jī)械構(gòu)件的表面輪廓變化和接觸面上的復(fù)加工，即表面由于高溫形成二次處理。不可避免的，加工成型的構(gòu)件表面總是由粗糙度的，絕對(duì)光滑的理想狀態(tài)也不可能出現(xiàn)，同時(shí)由于在輪廓表面上構(gòu)件之間的接觸只占了很小的一部分，所以在運(yùn)動(dòng)中表面接觸產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力應(yīng)該非常大。這就導(dǎo)致了構(gòu)件的設(shè)計(jì)輪廓被磨損和碰撞完全改變，產(chǎn)生不可修復(fù)的塑性形變。摩擦生熱，導(dǎo)致工件表面變脆，在碰撞中更易變形。在機(jī)械的磨合期，工件之間的表面接觸要進(jìn)行一個(gè)磨合期的負(fù)載使用才能讓機(jī)械各構(gòu)件達(dá)到最完美的狀態(tài)，此時(shí)構(gòu)件的表面粗糙度應(yīng)該是最理想的。這也就是為什么新機(jī)器并不一定有老機(jī)器好用的原因，當(dāng)然，這肯定在構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度期限內(nèi)，由此可見磨合狀態(tài)應(yīng)該算是較短的期限了，而大量時(shí)間耗損在磨損穩(wěn)定器。
磨損逐漸穩(wěn)定的情況下，機(jī)械鉸接副內(nèi)構(gòu)件在以一個(gè)慢性過程磨損著，這表明它正處于恒穩(wěn)狀態(tài)。同時(shí)，由此狀態(tài)的情況可以推測(cè)零件的疲勞壽命的大致狀況，從而取得其最佳規(guī)律情況。經(jīng)歷過此階段后零件的磨損加劇，由面接觸向線 接觸甚至點(diǎn)接觸靠攏，由于其單位時(shí)間內(nèi)在單位面積上的負(fù)載急速提升，會(huì)造成強(qiáng)力的沖擊和碰撞，導(dǎo)致機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)噪音和振動(dòng)等情況，嚴(yán)重的話會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的不和修復(fù)。這種情形之下，潤滑是不大有作用的，構(gòu)件之間的溫度在摩擦和碰撞下急速升高，磨損程度也急速加劇。如圖3.5簡要表示零件磨損規(guī)律曲線：
圖3.5 磨損規(guī)律曲線
通過圖3.5不難看出磨損的大部分時(shí)間都在穩(wěn)定磨損期，在這期間磨損規(guī)律也呈線性分布，故此只需以這期間作為研究對(duì)象就好了。
3.3.3建立磨損的數(shù)學(xué)模型
建立數(shù)學(xué)模型的原因是相對(duì)實(shí)際來說，理想狀態(tài)需要以一個(gè)公式來衡量，以便針對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，讓其更接近理想模型，從而優(yōu)化整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)。而對(duì)于理想模型，國內(nèi)外許多研究者的公式并不具有通用性，Archard模型則具有良好的通用性，且結(jié)構(gòu)簡單易于我們研究計(jì)算。
Archard磨損模型計(jì)算公式（3.2）如下：
（3.2）
式中，V:磨損的體積；s：球鉸球球窩與球鉸球之間的相對(duì)滑動(dòng)間隙；k：磨損系數(shù)；H:鉸鏈結(jié)構(gòu)中材料硬度最低的硬度；F:球鉸球與球鉸球球窩的法向接觸力；
從公式3.2可知，鉸鏈的磨損體積和球鉸球與球窩的法向接觸力成正比；鉸鏈的磨損體積與鉸鏈中材料硬度最低的元素成反比；鉸鏈的磨損體積和鉸鏈球鉸球與球窩在磨損情況下的間隙大小成正比。
由 可將公式（3.2）簡化為：
（3.3）
H: 磨損深度；A：球鉸球與球窩的接觸面積；
由公式可以將公式(3.3)簡化為：
（3.4）
其中，P:鉸鏈元素表面所受壓強(qiáng)；
3.3.4 設(shè)計(jì)磨損試驗(yàn)流程
（1）建立接觸力和彈性模量的力學(xué)模型；
（2）建立磨損的數(shù)學(xué)模型；
（3）通過力學(xué)模型何所建磨損模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真，仿真流程如圖3.2；
（4）通過理想情況和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論并進(jìn)行分析研究；
圖3.2 動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真流程圖
4 總結(jié)與分析
4.1 總結(jié)
空間球鉸在生產(chǎn)或裝配時(shí)存在間隙，在使用過程中進(jìn)行及時(shí)的零件更換，都有間隙，它對(duì)機(jī)械整體的不良影響，甚至影響整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的壽命和精度需求。磨損會(huì)加劇間隙，并讓整個(gè)機(jī)械的不穩(wěn)定性提高，整個(gè)機(jī)械的加速度呈不規(guī)則化發(fā)展加劇，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)械振動(dòng)加劇，振幅加大。本文就是對(duì)空間機(jī)械球鉸的磨損問題做一研究，主要從試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)和仿真研究兩個(gè)方面進(jìn)行，最終設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)球鉸磨損實(shí)驗(yàn)臺(tái)。
為了研究空間球鉸的磨損試驗(yàn)問題，以空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為模型，通過查閱試驗(yàn)臺(tái)中所需底盤、電機(jī)、輪帶、軸、軸承等系列機(jī)構(gòu)的所需材料、尺寸要求等設(shè)計(jì)了球鉸磨損試驗(yàn)臺(tái)，并通過UG三維建模來進(jìn)行實(shí)體模擬。然后，通過將UG建立曲柄滑塊機(jī)構(gòu)三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。
最后研究了空間球鉸的磨損計(jì)算方法，也就是結(jié)合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和Archard模型可一步一步的計(jì)算出球鉸的磨損量。
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致 謝
四年的大學(xué)生活轉(zhuǎn)眼即逝，在這幾年時(shí)間里，各位老師和同學(xué)都給予我莫大的幫助，讓我能順利完成大學(xué)生生涯，并學(xué)習(xí)了許多關(guān)于機(jī)械行業(yè)的知識(shí)，在此我要對(duì)致以最誠摯的祝福和感謝。
首先，我要感謝我的導(dǎo)師宿月文，在撰寫論文的過程中從頭到尾一直不辭辛勞的給予我指導(dǎo)，從選題，到完成，這些過程中無一不體現(xiàn)老師的心血，不僅交給了我許多專業(yè)新知識(shí)，而且鼓勵(lì)我獨(dú)立思考，讓我在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)氛圍中熏陶，是我大學(xué)論文寫作的領(lǐng)路人。在私下里，老師待我們?nèi)缤笥岩粯?，平易近人，可敬可親。在撰寫論文上，及時(shí)指出我的錯(cuò)誤，認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)格深深的影響到了我，這種風(fēng)格也將激勵(lì)我的一生。他是我的榜樣，在此，我向老師致以崇高的敬意和感謝，感謝他在近一年里的教誨和幫助！
其次我要感謝我周圍的同學(xué)們。不是他們對(duì)我問題的指出，我也不可能這么快的完成論文，不僅幫我拓寬了知識(shí)層面和視野，更提供了一個(gè)良好討論學(xué)習(xí)氛圍，感謝他們的鼓勵(lì)和幫助，有他們我真的很開心。
最后，特別感謝能在百忙之中參與答辯的各位老師，謝謝你們！
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