武殿棖，趙連玉，王成林

（天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院a.天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.機(jī)電工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津300384）

聯(lián)軸器作為機(jī)械傳動(dòng)不可缺少的基礎(chǔ)部件，起著傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩的重要作用[1]，隨著動(dòng)力機(jī)械不斷向高速大功率方向發(fā)展，具有緩沖減震、和降噪作用的聯(lián)軸器越來越得到廣泛的應(yīng)用[2].近年來，隨著精密傳動(dòng)的普及和應(yīng)用，對(duì)高性能聯(lián)軸器的需求越來越大，對(duì)聯(lián)軸器具體工作參數(shù)和性能指標(biāo)也提出了更高的要求[3].但據(jù)有關(guān)資料顯示，國(guó)內(nèi)專用于聯(lián)軸器綜合性能高精度檢測(cè)的設(shè)備發(fā)展相對(duì)滯后.國(guó)內(nèi)的一些聯(lián)軸器測(cè)試儀主要以臥式結(jié)構(gòu)為主，臥式結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)通常需要通過導(dǎo)軌的移動(dòng)來安裝不同型號(hào)的聯(lián)軸器[4]，由于導(dǎo)軌與滑塊之間存在側(cè)隙，導(dǎo)致聯(lián)軸器在軸向和徑向產(chǎn)生偏移[5]，這樣會(huì)使得在檢測(cè)過程中出現(xiàn)誤差，還會(huì)導(dǎo)致測(cè)試精度降低，而且電機(jī)輸出的扭矩最終會(huì)傳遞到滑塊，滑塊與導(dǎo)軌在長(zhǎng)期負(fù)荷狀態(tài)下間隙會(huì)逐漸增大，誤差也會(huì)越來越大.針對(duì)此現(xiàn)狀，本文開發(fā)了一種立式結(jié)構(gòu)聯(lián)軸器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)在聯(lián)軸器高頻正反轉(zhuǎn)的情況下通過檢測(cè)扭矩以及擺角來了解其使用性能，聯(lián)軸器由伺服電機(jī)帶動(dòng)使其扭轉(zhuǎn)，進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試.然而，在高頻正反轉(zhuǎn)的情況下，如果直接使電機(jī)帶動(dòng)聯(lián)軸器正反轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生電機(jī)發(fā)熱現(xiàn)象，還會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部線圈瞬間逆流，損壞線圈，減小電機(jī)使用壽命.對(duì)于此問題，我們利用曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的原理設(shè)計(jì)了一種偏心裝置，利用偏心來使導(dǎo)桿往復(fù)擺動(dòng)一個(gè)角度，這樣就實(shí)現(xiàn)了聯(lián)軸器的正反轉(zhuǎn).

盧學(xué)玉等人提出利用磁粉制動(dòng)器作為加載裝置，便于調(diào)節(jié)控制，提高控制精度.設(shè)計(jì)了角向偏移機(jī)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)軸向和徑向的微量調(diào)節(jié)[6].馬玉強(qiáng)等人設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)偏擺裝置，能實(shí)現(xiàn)單向或雙向的靜態(tài)偏移，驗(yàn)證聯(lián)軸器的最大位移補(bǔ)償能力[7].黃燦超等人利用正交實(shí)驗(yàn)法在不同轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩，擺角的情況下對(duì)籠式萬向聯(lián)軸器進(jìn)行多組試驗(yàn)，通過極差分析法得出隨著轉(zhuǎn)速增大，球籠溫度明顯提高.隨著扭矩、擺角的的增加，增加的趨勢(shì)不如溫度明顯[8]，楊孟濤等人設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)矩加載機(jī)構(gòu)，對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行打滑力矩的標(biāo)定[9]，青克爾等人設(shè)計(jì)兩種偏擺機(jī)構(gòu)，經(jīng)過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，兩種結(jié)構(gòu)均能模擬聯(lián)軸器軸向徑向偏移工況[10].張吉瑞等人結(jié)合機(jī)器視覺、傳感技術(shù)；將現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)與計(jì)算機(jī)技術(shù)有效地結(jié)合在一起，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的智能化檢測(cè)[11].

1 立式結(jié)構(gòu)聯(lián)軸器試驗(yàn)臺(tái)總體方案

當(dāng)聯(lián)軸器應(yīng)用于較大干擾力矩的傳動(dòng)軸系中，這時(shí)就要求聯(lián)軸器具有較好的使用性能，一般都要進(jìn)行靜態(tài)扭矩實(shí)驗(yàn)[12]，因此就必須有一套檢測(cè)儀器來對(duì)其進(jìn)行檢測(cè).現(xiàn)有聯(lián)軸器檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)多數(shù)采用臥式結(jié)構(gòu)，但是這種檢測(cè)方式存在許多不足：安裝麻煩、間隙較大、精度不易控制，對(duì)于高性能聯(lián)軸器，不能滿足檢測(cè)需求[13].本文開發(fā)了一種立式結(jié)構(gòu)聯(lián)軸器試驗(yàn)臺(tái)來對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行檢測(cè).如圖1所示.

圖1試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the test bench

立式結(jié)構(gòu)聯(lián)軸器試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)主要包括聯(lián)軸器卡緊機(jī)構(gòu)、支撐套筒、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、扭矩傳感器、光柵、偏心裝置等.支撐套筒側(cè)端開口，便于不同型號(hào)聯(lián)軸器的安裝，電機(jī)通過絲杠來驅(qū)動(dòng)偏心機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌上移動(dòng)，偏心軸帶動(dòng)彈簧柱往復(fù)擺動(dòng)，從而使聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)多個(gè)不同的角度.扭轉(zhuǎn)角和扭矩分別通過光柵和扭矩傳感器來讀取.這樣就實(shí)現(xiàn)了多組聯(lián)軸器的疲勞測(cè)試.試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of the test bench

2 立式機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)組成結(jié)構(gòu)

2.1 聯(lián)軸器卡緊機(jī)構(gòu)

卡緊機(jī)構(gòu)分為7部分，1為加緊軸、2為剛度標(biāo)定軸、3為被測(cè)聯(lián)軸器、4為光柵轉(zhuǎn)盤、5為壓緊塊、6為扭矩傳感器、7為蓋板該機(jī)構(gòu)中加緊軸通過與壓緊塊抱住剛度標(biāo)定軸，剛度標(biāo)定軸一端內(nèi)徑與加緊軸內(nèi)徑相同，另一端根據(jù)不同聯(lián)軸器的型號(hào)來確定軸徑，因此在測(cè)試多種聯(lián)軸器時(shí)，需要更換不同的剛度標(biāo)定軸.從而實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)聯(lián)軸器的裝卡.扭矩傳感器一側(cè)與加緊軸通過法蘭連接，另一側(cè)與蓋板通過螺栓固定，光柵安裝在光柵轉(zhuǎn)盤上，用于檢測(cè)聯(lián)軸器角度.卡緊機(jī)構(gòu)如圖2所示.

圖2聯(lián)軸器卡緊機(jī)構(gòu)Fig.2 Coupling clamping mechanism

2.2 偏心裝置

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)要求，施加給聯(lián)軸器的最大扭矩為200 N·m，而且聯(lián)軸器要以20 Hz頻率的幅度正反轉(zhuǎn)，還要在0.013 9°到0.139°之間扭轉(zhuǎn)多個(gè)角度，以此來檢測(cè)聯(lián)軸器的疲勞特性，如果用電機(jī)直接給聯(lián)軸器施加扭矩，就必然對(duì)電機(jī)額定扭矩有了更高要求，如果在電機(jī)輸出端加行星減速器，電機(jī)輸出扭矩通過減速器會(huì)使力矩放大，這樣可以給聯(lián)軸器傳遞一個(gè)大扭矩，從而降低電機(jī)額定扭矩，但是在減速器輸出端會(huì)產(chǎn)生背隙問題，使得精度不容易得到控制，誤差加大.而且電機(jī)在20 Hz的頻率下正反轉(zhuǎn)，對(duì)電機(jī)壽命以及工作效率也會(huì)產(chǎn)生不良影響.針對(duì)這個(gè)問題，設(shè)計(jì)了一種偏心裝置，如圖3所示，偏心裝置分為6部分，1為伺服電機(jī)，2為偏心軸，3為壓輪，4為彈簧柱，5為壓輪安裝框，6為偏心軸連接快，壓輪安裝在壓輪安裝框內(nèi)，壓輪將兩根彈簧柱壓緊，伺服電機(jī)通過偏心軸帶動(dòng)壓輪安裝框往復(fù)擺動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了彈簧柱的往復(fù)擺動(dòng).

圖3偏心機(jī)構(gòu)Fig.3 Eccentric mechanism

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置

由于要在0.013 9°到0.139°之間檢測(cè)聯(lián)軸器多個(gè)角度，為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)了一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，如圖4所示，1為驅(qū)動(dòng)偏心機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)，2為絲杠，3為絲杠連接板，4為加緊軸支座，5為彈簧柱，6為電機(jī)固定支架，7為帶動(dòng)偏心軸的伺服電機(jī)，8為導(dǎo)軌.

圖4電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置Fig.4 Motor drive

彈簧柱兩端分別與加緊軸支座，固定支座采用螺栓預(yù)緊，加緊軸支座與聯(lián)軸器在同一軸線上，可以轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了利用在彈簧柱不同位置的大變形，來使聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度.驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過絲杠帶動(dòng)偏心機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌上移動(dòng)，從而得到聯(lián)軸器多組不同的角度.

3 彈簧柱與剛性桿比較

如果彈簧柱不產(chǎn)生變形，視為剛性桿，就可以根據(jù)聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)的角度以及桿的力臂來算出偏心軸的偏心距.根據(jù)正弦公式

式中，b為偏心距；l為力臂；θ為聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)角度.

當(dāng)θ為最大值時(shí)，算得在不同力臂的情況下，偏心距大小以及在對(duì)應(yīng)θ為最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的力臂大小.如表2所示，以l=30 mm為例，當(dāng)θ=0.139°時(shí)，帶入式（1）中，算得偏心距b=7.2×10-1mm，如表所示為在多組不同力臂情況下得對(duì)照表.

表2對(duì)照表Tab.2 Comparison table

從該表可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聯(lián)軸器最小角度對(duì)應(yīng)的力臂為2 000 mm時(shí)，偏心距為0.48 mm.在實(shí)際使用時(shí)，桿會(huì)發(fā)生微小的變形，桿長(zhǎng)太長(zhǎng)可能會(huì)將偏心距抵消掉，以至于達(dá)不到聯(lián)軸器所需要的轉(zhuǎn)動(dòng)角度.因此采用彈簧柱大變形的原理來解決此問題.如圖5所示為彈簧柱與剛性桿對(duì)比示意圖.θ1，θ2，θ3，θ4分別對(duì)應(yīng)剛性桿在A、B、C、D處對(duì)聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)的角度，θ1′θ2′θ3′θ4′，分別對(duì)應(yīng)彈簧柱在A′，B′，C′，D′，處對(duì)聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)的角度，a與a′分別是剛性桿與彈簧柱對(duì)應(yīng)偏心軸的偏心距.

圖5對(duì)比示意圖Fig.5 Comparison diagram

從圖中可以看出，a′＞a，θ1，θ2，θ3，θ4是在桿不發(fā)生變形的情況下聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)的理論值，利用彈簧柱的變形來使得聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)的角度等于理論值，即

θ1=θ1′，θ2=θ2′，θ3=θ3′，θ4=θ4′

這樣就滿足了聯(lián)軸器需要扭轉(zhuǎn)的角度.

4 有限元仿真

本文將采用abaqus軟件對(duì)聯(lián)軸器卡緊機(jī)構(gòu)以及彈簧柱進(jìn)行有限元仿真，在仿真分析之前，首先對(duì)聯(lián)軸器卡緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，忽略倒角、圓角對(duì)力學(xué)性能影響較小的特征.將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入abaqus軟件中，以一種聯(lián)軸器為例，其材料為S45C，額定扭矩為210 N·m，彈簧柱材料為65 Mn，其余部件材料均是45號(hào)鋼.然后對(duì)其設(shè)置邊界條件，將加緊軸A處以及彈簧柱的末端B處做固定約束，并約束聯(lián)軸器的3個(gè)平移自由度以及Y軸、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，釋放X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度.如圖6（a）所示，在彈簧柱上距聯(lián)軸器軸線方向285 mm處施加力，以聯(lián)軸器承受最大扭矩200 N·m為例，在不考慮變形的情況下，需要在285 mm處施加701 N的力，然后對(duì)其劃分網(wǎng)格，主要采用四面體網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)為830 060，單元數(shù)為565 489，有限元網(wǎng)絡(luò)如圖6（b）所示，

圖6設(shè)置邊界條件與劃分網(wǎng)格圖Fig.6 Set the convenience boundary conditions and divide the gird graph

定義材料相應(yīng)的彈性模量、泊松比、密度.得到整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形分布云圖，如圖7所示.從圖7（a）中可以看出聯(lián)軸器最大應(yīng)力為306.8 MPa，小于S45C的許用應(yīng)力366 MPa.可見聯(lián)軸器滿足強(qiáng)度要求.

圖7整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形云圖Fig.7 Overall structural stress and deformation nephogram

圖8彈簧柱與聯(lián)軸器位移曲線圖Fig.8 Spring column and coupling displacement curve

提取彈簧柱載荷位置位移曲線圖以及聯(lián)軸器位移曲線圖，如圖8所示，從圖8（a）中可以看出在彈簧柱在285 mm處施加701N的力，其變形量為2.45 mm.偏心軸偏心距需要與彈簧柱變形量一致，如果偏心距小于2.45 mm，則不能傳遞給聯(lián)軸器所需的轉(zhuǎn)動(dòng)角度.從圖8（b）可以看出聯(lián)軸器最大位移為0.045 mm.經(jīng)過換算得出聯(lián)軸器偏移角度為0.13°，偏移角度在技術(shù)要求的角度范圍內(nèi)并接近技術(shù)要求的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)偏心機(jī)構(gòu)在彈簧柱的不同位置施加載荷，即可得到其它多個(gè)角度值.但是最終真實(shí)的扭矩和角度值還要從扭矩傳感器和光柵來讀取.

5 結(jié)論

通過對(duì)聯(lián)軸器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的研究，并對(duì)卡緊機(jī)構(gòu)以及彈簧柱進(jìn)行有限元仿真，得出以下結(jié)論：

1）結(jié)合聯(lián)軸器的檢測(cè)參數(shù)要求，本試驗(yàn)臺(tái)采用了穩(wěn)定可靠的立式結(jié)構(gòu)、來對(duì)聯(lián)軸器扭矩、角度進(jìn)行檢測(cè).以此來測(cè)試聯(lián)軸器的使用性能.

2）考慮在檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行立式裝卡，為聯(lián)軸器的安裝提供了一種新方法.

3）利用彈簧柱大變形的原理可以看出，彈簧柱與剛性桿相比較，可以更好的控制精度要求.

4）偏心軸偏心距數(shù)值與彈簧柱施加載荷位置變形量一致，以此來滿足聯(lián)軸器需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，為聯(lián)軸器試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了一種新型的設(shè)計(jì)理念.