大转矩弹性橡胶联轴器高频减振特性分析.docx

大 转 矩 弹 性 橡 胶 联 轴 器 高 频 减 振 特 性 分 析丁春华 1 常 山 1 刘占生 2 张广辉 2(1 中 国 船 舶 重 工 集 团 公 司 第 703 研 究 所 , 黑 龙 江 哈 尔 滨 150078)(2 哈 尔 滨 工 业 大 学 能 源 科 学 与 工 程 学 院 , 黑 龙 江 哈 尔 滨 150001)摘要 针对以往弹性联轴器减振特性分析中高频 减 振 特 性 难 以 计 算 评 估 的 问 题 ,基 于 应 力 波 理 论对 弹性联轴器有限元模型进行高频激振作用下的弹性波分析 ,通过有 限 元 分 析 软 件 Abaqus 的 动 力 学 显 式 有限元方法求解该高频激振作用下的位移响应 结 果 , 通 过 FFT 变 换 并 计 算 获 得 了 各 不 同 高 频 激 振 力作用下的振级落差 ,比较分析不同高频段激振力作用下弹性橡胶联轴器的减振特性 研究结果表明 ,所提出的基于应力波的弹性联轴器高频减振特性计算 方 法 能 够 较 好 的 评 估 其 高 频 减 振 特 性 ,为 下 一 步 弹 性联轴器低噪声设计奠定了基础 。

关键词 大转矩弹性橡胶联轴器 高频激振 应力波 减振特性 振级落差Da mping Characteristic Analysis of the High - torqueFlexible Rubber Coupling in High Frequency VibrationDing Chunhua1 Chang Shan1 Liu Zhangsheng2 Zhang Guanghui2(1 CSIC No . 703 Research Institute , Harbin 150078 , China)(2 School of Power Machinery and Engineering , Harbin Institute of Technology , Harbin 150001 , China)Abstract For the damping characteristic of the flexible coupling in high frequency is difficult to calculate and e2valuate , based on the stress wave theory , the finite element analysis with the high frequency excitation for the flexible coupling model is carried out ,and the displacement response is solved by Abaqus. In different high frequency excita2 tion , the vibration level differences are calculated by FFT , and the damping characteristics of the flexible coupling are compared and analyzed. The result shows that , this method is effective to evaluate the damping characteristic of the flexible coupling in high frequency.Key words High - torque flexible coupling High frequency vibration Stress wave Damping characteristicsVibration level difference0 引 言大 转 矩 弹 性 橡 胶 联 轴 器 是 一 种 与 弹 性 安 装 的 动 力1 弹 性 联 轴 器 模 型 介 绍对图 1 所示的橡胶弹性联轴器进行高频减振 特 性装 置 相 适 应 的 动 力 传 输 设 备 ,其 安 装 于 动 力 系 统 与 轴 系之 间 ,由 外 鼓 轮 、 内 鼓 轮 、 轮 毂 、 橡 胶 金 属 环 组 件 等 零 部 件 组 成 (如 图 1 所 示 ) 。

其 利 用 橡 胶 金 属 环 组 件 置 于 两 半 联 轴 器 联 接 孔 内 以 实 现 两 半 联 轴 器 的 联 接 ,橡 胶 金 属 环 组 件 的 芯 轴 与 输 出 半 联 轴 器 的 联 接 孔 通 过 配 合 联 接 , 而 橡 胶 金 属 环 组 件 的 外 套 筒 与 输 入 半 联 轴 器 的 内 鼓 轮联 接 ,这 样 便 使 得 输 入 与 输 出 半 联 轴 器 并 不 是 通 过 刚 性 联 接 在 一 起 ,在 传 递 转 矩 时 需 通 过 弹 性 元 件 再 传 递 到 输 出 组 件 1 本 文 即 针 对 上 述 结 构 展 开 相 应 的 研 究 研究 ,我们取完整弹性联轴器的 1/ 36 切 片 橡 胶 弹 性 联轴器模型进行研究 (如图 2 所 示 ) 模型建立首先 使 用 三维造型软件将 Pro/ E 文件导出为 通 用 igs 文 件 ,接 下 来 应用网格划分软件 Ansa 划分网 格 ;然 后 将 网 格 文 件 导 入有限元软件 Abaqus ,设 置 材 料 属 性 、 接 触 关 系 、 边 界条件 、 载荷形式并提交计算 ;最后在 Matlab 软件中后处理 。

模 型的输入端 作 用 一 正 弦 激 振 力 P = A sin (ωt ) ,激 振力幅值 A = 0. 1MPa 周期激振力作用时间 ΔT = 0～ 0. 02s 在输入端和输出端 分 别 设 置 2 个 测 量 点 , 测第 35 卷 第 10 期 大转矩弹性橡胶联轴器高频减振特性分析 9量其轴向位移分量 随 时 间 的 变 化 使 用 FFT 变 换 , 获得 激振频率 范 围 为 f = 200～ 10000Hz 时 , 输 入 端 与 输 出端的振级落差 材料动态力学性能的实验研究又往往依赖于应力波的分析 应 力 波 波 速 的 描 述 与 参 考 坐 标 系 的 选 择 有 关 , 若 以 X 表 示 在 物 质 坐 标 中 波 阵 面 沿 其 传 播 方 向 的 位 置 , t 表 示 时 间 ,则 C = d X/ d t 称为物质波速或内禀波速 若以 x 表 示 在 空 间坐标中波阵面沿其传播方向的位置 , 则 c = d x/ d t 称 为 空 间 波 速 两 种 波 速 是 同 一 物 理 现 象 的 不 同 表 述 方 式 对 于 平 面 波 ,两 种 波 速 的 关 系 是c = v + (1 +ε) C式中 , v 为质点速度 ;ε为工程应变 。

对于本构关系不依赖于应变率的所谓速率无关材料 , 如弹性体 、 弹塑性体等 , 相应地有弹性波 、 弹塑性波 等 ; 对于本构关系依赖于应变率的所谓速率相关材料 , 如黏弹性体 、 黏弹塑 性 体 等 , 相 应 地 有 黏 弹 性 波 、 黏 弹 塑性波等 应力波按波阵面几何形状分为平面波 、 柱面波 、 球 面波等 ; 按质点速度 扰 动 与 波 传 播 方 向 的 关 系 分 为 纵 波和横波 ; 按介质受 力 状 态 分 为 拉 伸 波 、 压 缩 波 、 扭 转 波 、 弯曲波 、 拉扭复 合 波 等 ; 按 控 制 方 程 组 是 否 为 线 性 分为线性波和非线性波 按 介质连续性要求 , 质 点 位 移 u 在 波 阵 面 上 必 定 连 续 , 但其导数则可能间断 , 数学上称为 奇 异 面 若 u 的一阶导数间断 , 即 质 点 速 度 和 应 变 在 波 阵 面 上 有 突 跃变化 , 则称为一阶奇异面或强间断 , 这类应力波称为 激 波或冲击波 若 u 及 其 一 阶 导 数 都 连 续 , 但 其 二 阶 导数 ( 如加速度 ) 间断 , 则称为二阶奇异面 , 这类应力波 称为加速度波 。

依次类推 , 还可以有更高阶的奇异面 , 统 称弱间断 , 都 是 连 续 波 奇 异 面 理 论 在 应 力 波 研 究 中具有重要意义 图 1 弹 性 联 轴 器 基 本 结 构 原 理 图 图 2 弹 性 联 轴 器 的 有 限 元 模 型2 应 力 波 简 介我 们通过应力 波 的 方 法 进 行 了 计 算 , 获 得 了 不 同高 频激振力作用下 弹 性 联 轴 器 的 振 级 落 差 的 , 在 此 对应力波做些简单介绍 在可变形固体介质中机械扰动表现为质点速度的变化和相应的应力 、 应变状态的变化 应力 、 应变状态 的 变化以波的 方 式 传 播 , 称 为 应 力 波 通 常 将 扰 动 区 域 与未扰动区域的 界 面 称 为 波 阵 面 , 波 阵 面 的 传 播 速 度 称为波速 地震 波 、 固 体 中 的 声 波 和 超 声 波 等 都 是 常 见的应力波 应 力 波 的 研 究 同 地 震 、 爆 炸 和 高 速 碰 撞等动载荷条件下的各种实际问题密切相关 在运动 参 量不随时间变化 的 静 载 荷 条 件 下 , 可 以 忽 略 介 质 微 元体的惯性力 , 但在 运 动 参 量 随 时 间 发 生 显 著 变 化 的 动载荷条件下 , 介质 中 各 个 微 元 体 处 于 随 时 间 变 化 着 的动态过程中 , 特别是在爆炸或高速碰撞条件下 , 载荷 可 在极短历时 ( 毫 秒 、 微 秒 甚 至 纳 秒 量 级 ) 内 达 到 很 高 数 值 ( 1010 、 1011 甚 至 1012 帕 量 级 ) , 应 变 率 高 达 102 ～107 s - 1量 级 , 因 此 常 需 计 及 介 质 微 元 体 的 惯 性 力 , 由 此导致对应力波传播的研究 。

对 于一切具有 惯 性 的 可 变 形 介 质 , 当 在 应 力 波 传过物体所需的时间 内 外 载 荷 发 生 显 著 变 化 的 情 况 下 , 介 质的运动过程就 总 是 一 个 应 力 波 传 播 、 反 射 和 相 互 作用的过程 , 这个过程的特点主要取决于材料的特性 应 力波研究主要集 中 在 介 质 的 非 定 常 运 动 、 动 载 荷 对 介质产生的局部效应和早期效应以及载荷同介质的相 互影响 , 研究时需 要 考 虑 材 料 在 高 应 变 率 下 的 动 态 力 学 性能和静态力 学 性 能 的 差 别 问 题 的 复 杂 性 在 于 , 应 力波分析是以已 知 材 料 动 态 力 学 性 能 为 前 提 的 , 而3 动 力 学 显 式 有 限 元 方 法 求 解 设 置3. 1 材料属性橡 胶弹性联轴 器 中 采 用 了 钢 铁 和 橡 胶 两 类 材 料 , 它们的材料属性分别如表 1 和表 2 所示 其 中 橡 胶 材 料的本构模型使 用 了 Mooney - Rivlin 超 弹 性 材 料 本 构 关系 该模型定义应变势能为W = C10 ( I1 - 3) + C01 ( I2 - 3)其 中 , W 为 应 变 势 能 、 C10 和 C01 是 材 料 参 数 、 I1 和 I2是 变形张量 不 变 量 [2 - 4 ] 。

应 用 Mooney - Rivlin 超 弹 性 材料本构关系时 , 需要给定 C10和 C01 表 1 钢 铁 的 材 料 属 性密 度 ρ/ ( kg/ m3) 泊 松 比 μ 弹 性 模 量 E/ MPa7800 0. 3 210000动力传动国。