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,答辯人：,2015.1.8,杜廣升,校內(nèi)導師：,王德倫 教授,實踐導師：,馬傳鋒,,主要內(nèi)容,2,1,2,3,4,國內(nèi)外研究概況,課題研究領(lǐng)域及背景,已完成研究內(nèi)容,下階段計劃,,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》屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域,課題背景,4,1 . 課題研究領(lǐng)域、背景及應用價值,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,國內(nèi)外研究概況,第二部分,,2 .國內(nèi)外研究概況,6,,,理論力學、材料力學、振動力學等傳統(tǒng)設(shè)計方法,A.S.Sekhar 和 B.S.Prabhu考慮了柔性聯(lián)軸器不對中產(chǎn)生的反力和彎矩，通過有限元法模擬了諧振情況。F.K.LANDON 對金屬柔性聯(lián)軸器的軸向振動性能進行了分析。H.Birkholz 等研究了彈簧片聯(lián)軸器在渦輪機械中的應用，他認為彈簧片聯(lián)軸器非常適合在高速同時又要補償軸向、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 .國內(nèi)外研究概況,7,,,有限元法或優(yōu)化設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法,華軍利用有限元方法和薄板彎曲理論建立彈簧片應力計算模型丁雪興等用 ANSYS 有限元分析軟件對金屬彈簧片聯(lián)軸器中圓環(huán)式彈簧片進行了應力計算申屠留芳等對鏈板式疊片聯(lián)軸器在扭矩和軸向載荷作用下的應力進行了計算，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應力的影響及其影響程度,,8,已完成研究內(nèi)容,第三部分,,9,,3

4、 .已完成研究內(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 .已完成研究內(nèi)容,彈簧片聯(lián)軸器有限元分析,對彈簧片進行軸向（Z向）、徑向（X向和Y向）三個方向加載，觀察變形、應力，繪制XYZ三個方向的剛度曲線。改變彈簧片固定螺栓孔的個數(shù)，軸向加載觀察變形、應力，分析螺栓孔個數(shù)對聯(lián)軸器軸向剛度的影響。計算聯(lián)軸器整體沿各方向10*g加速度沖擊下彈簧片的變形、應力。計算聯(lián)軸器整體在徑向存在安裝誤差時彈簧片的變形、應

5、力。計算聯(lián)軸器整體在軸向存在安裝誤差時彈簧片的變形、應力。,,11,,3 .已完成研究內(nèi)容,對彈簧片進行軸向（Z向）、徑向（X向和Y向）三個方向加載，觀察變形、應力，繪制XYZ三個方向的剛度曲線。,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），做位移全約束。,位移分布云圖,應力分布云圖,計算結(jié)果：,,12,,3 .已完成研究內(nèi)容,結(jié)論：1）聯(lián)軸器各方向剛

6、度：Y向>X向>Z向2）應力集中區(qū)域：最外側(cè)螺釘孔的長圓孔處、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 .已完成研究內(nèi)容,改變彈簧片固定螺栓孔的個數(shù)，軸向加載觀察變形、應力，分析螺栓孔個數(shù)對聯(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），做位移全約束。,應力分布云圖,計算結(jié)果：,,14

7、,,3 .已完成研究內(nèi)容,結(jié)論：約束螺釘個數(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 .已完成研究內(nèi)容,計算聯(lián)軸器整體沿各方向10*g加速度沖擊下彈簧片的變形、應力。,載荷：整體沿X Y Z三個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,計算結(jié)果：,1) X方向10g 慣性力,整體應力云圖——最大604.609MPa,,16,,3 .已完成研究內(nèi)容,整體位移云

8、圖——最大0.163mm,2) Y方向10g 慣性力,整體應力云圖——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，彈簧片變形將不會達到圖中1.68mm之大，彈簧片的應力也將有所改善。,,17,,3 .已完成研究內(nèi)容,計算聯(lián)軸器整體

9、在徑向存在安裝誤差時彈簧片的變形、應力。,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，模擬安裝時的徑向偏心量；通過有限元靜力分析，得到彈簧片在X、Y方向的性能曲線。,計算結(jié)果：,結(jié)論：彈簧片的變形和應力隨徑向偏心量增大而增大。,,18,,3 .已完成研究內(nèi)容,計算聯(lián)軸器整體在軸向

10、存在安裝誤差時彈簧片的變形、應力。,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，模擬安裝時的軸向偏心量；通過有限元靜力分析，得到彈簧片在Z方向的性能曲線。,計算結(jié)果：,結(jié)論：彈簧片的變形和應力隨軸向偏心量增大而增大。,,19,,3 .已完成研究內(nèi)容,彈簧片聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,增大連接圓角 中部

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

12、應力云圖,,21,,3 .已完成研究內(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，長度為60，按同樣的方式加載。,計算結(jié)果：,沿X向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖,沿Y向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖,,22,,3 .已完成研究內(nèi)容,擴大彈簧片自由區(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)計的70mm增大到80mm，從而擴大彈簧片自由區(qū)域的面積。,計算結(jié)果：,沿X向偏心0.04m

13、m，軸向0.2mm 應力云圖,沿Y向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖,,23,,3 .已完成研究內(nèi)容,增大連接圓角同時中部加寬,將連接圓角從R2增大到R5，同時進行中部加寬,計算結(jié)果：,沿X向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖,沿Y向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖,,24,,3 .已完成研究內(nèi)容,增大連接圓角同時擴大彈簧片自由區(qū)域面積,將連接圓角從R2增大到R5，同時將彈簧片的自由區(qū)域?qū)挾葟?0mm擴大到8

14、0mm,計算結(jié)果：,沿X向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖,沿Y向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖,,25,,3 .已完成研究內(nèi)容,擴大彈簧片自由區(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，同時將中部加寬，并將彈簧片的自由區(qū)域?qū)挾葟?0mm擴大到80mm,計算結(jié)果：,沿X向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖,沿Y向偏心0.04mm，軸向0.2mm 應力云圖,,26,,3 .已完成研究內(nèi)容,各

15、方案比較：,結(jié)論：,1）中部加寬對彈簧片最大應力改善情況并不明顯，只能改善Y向剛度，因此不予采用。2）最好的改善應力方法是對增大連接處圓角，同時擴大彈簧片的自由區(qū)域。,,27,,3 .已完成研究內(nèi)容,確定最佳的彈簧片自由區(qū)域,將切槽寬度作為變量， 進行有限元計算，觀察彈簧片的最大應力,載荷：整體在X Y Z三個方向分別承受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，同時沿X方

16、向偏移0.04mm，沿Y方向偏移0.04mm。,,28,,3 .已完成研究內(nèi)容,計算結(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：彈簧片最大應力隨槽寬增大而下降，且下降逐漸平緩。說明槽寬增加到一定程度的時候，繼續(xù)增大槽寬，彈簧片的最大應力并

17、不能有很大改善。為使彈簧片的最大應力小于疲勞強度的一半，槽寬可設(shè)計在90mm左右。,,29,下階段工作計劃,第四部分,,4 . 下階段工作計劃,30,2015.01.01——2015.01.31：考慮編碼器的實際安裝情況，提出合理的試驗方案，設(shè)計并搭建聯(lián)軸器的力學試驗平臺,2015.02.01——2015.02.20：力學試驗。用應變片測量聯(lián)軸器受載時變形較大處的應變，校核聯(lián)軸器強度。,2015.02.21——2015.02.28：試驗