十字轴式万向联轴器的动力学特性仿真分析

摘要

十字轴式万向联轴器是用来联接轴线相交或平行的两轴，以传递运动和转矩，在机械传动系统中具有重要地位。主要运用于轧机与汽车领域。实践中，十字轴最易磨损和失效，其主要原因是制造误差、装配误差以及在工作过程中产生的正常磨损，造成相连构件间的运动副的间隙增大，这种变化会使运动副间发生严重碰撞甚至猛烈的冲击，从而使联轴器机械系统内各元素间动应力增加，进而加剧磨损、增大弹性变形，引起系统的振动，产生噪声，使系统的整体传动效率下降，故障发生的概率变大，降低十字轴万向联轴器的使用寿命，进而带来不必要的经济损失。因此，研究分析十字轴式万向联轴器系统的动力学性能获得的结果可为设计和制造该系统提供理论基础。
　　本文的研究对象是某型号十字轴式万向联轴器，通过有限元分析软件ANSYS Workbench进行仿真获得应力结果，可直观的发现十字轴式万向联轴器系统的关键零部件——十字轴的危险部位，结合动力学仿真软件ADAMS,进行分析十字轴的磨损寿命。
　　首先，介绍了十字轴式万向联轴器的结构及工作原理，建立了十字轴式万向联轴器的零部件的有限元模型，进行有限元静力学分析并进行了十字轴式万向联轴器的模态分析。获得了各零部件的静力学分析结果以及系统的模态结果。
　　然后，研究了间隙、构件柔性对十字轴式万向联轴器系统的动力学性能的影响，使用ANSYS和ADAMS进行联合仿真分析，根据Hertz理论，选取非线性的等效弹簧阻尼模型并考虑库仑摩擦的影响，在ADAMS中设置与实际情况比较接近的接触力参数，建立了不同间隙的以十字轴和中间轴为柔性构件的刚柔耦合系统，在ADAMS软件中，对十字轴式万向联轴器系统的角速度、角加速度和接触力的变化情况进行了分析，将动力学仿真分析的结果进行对比分析，并结合实践，发现仿真结果可以较好地反映间隙和柔性体对万向联轴器系统动力学性能的影响。
　　最后，介绍了磨损的分类和机理，确定了十字轴的磨损类型。然后给出了磨损寿命的分析方法以及材料的磨损率。结合磨损量计算方法和ANSYS Workbench以及ADAMS的分析结果，对十字轴的磨损寿命进行了估算。
　　本文使用ANSYS和ADAMS进行联合仿真分析，对十字轴式万向联轴器模型进行有限元静力学分析，找出关键零部件的危险位置，并考虑了间隙和构件柔性对系统的动力学性能的影响，结合摩擦学与动力学行为的耦合性进行磨损分析。仿真结果可以为十字轴式万向联轴器的设计提供理论基础，从而来提高机构的稳定性和可靠性，同时仿真方法也体现了虚拟仿真技术的优越性。

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第一章 绪论

1.1课题的提出及研究意义

1.2 国内外研究动态

1.3 本文主要研究内容

第二章 十字轴式万向联轴器模型的有限元静力学分析

2.1 十字轴式万向联轴器的结构及运动学分析

2.2 十字轴式万向联轴器的有限元静力学分析

2.3模态分析

2.4 本章小结

第三章 十字轴式万向联轴器动力学分析

3.1 多体系统动力学基本理论

3.2 考虑间隙接触碰撞的多体系统动力学理论

3.3多刚体系统动力学模型的建立

3.4 十字轴式万向联轴器刚柔耦合体动力学建模与仿真

3.5本章小结

第四章 十字轴的磨损分析

4.1磨损分析的基本理论

4.2 十字轴的磨损分析

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文