光电编码器联轴器结构设计

1、光电编码器联轴器结构设计光电编码器联轴器结构设计答 辩 人 ：答 辩 人 ：2015.1.8杜广升杜广升校内导师：校内导师：王德伦王德伦 教授教授实践导师：实践导师：马传锋马传锋主要内容主要内容 212343课题研究领域及背景课题研究领域及背景第一部分第一部分t 课题研究领域课题研究领域光电编码器联轴器结构设计属于结构设计领域t 课题背景课题背景41 . 课题研究领域、背景及应用价值课题研究领域、背景及应用价值更高精度的光电编码器航空航天飞速发展更高性能的联轴器5国内外研究概况国内外研究概况第二部分第二部分2 .国内外研究概况国内外研究概况6l 理论力学、材料力学、振动力学等传统设计方法 A.

2、S.Sekhar 和 B.S.Prabhu考虑了柔性联轴器不对中产生的反力和弯矩，通过有限元法模拟了谐振情况。 F.K.LANDON 对金属柔性联轴器的轴向振动性能进行了分析。 H.Birkholz 等研究了弹簧片联轴器在涡轮机械中的应用，他认为弹簧片联轴器非常适合在高速同时又要补偿轴向、径向和角向偏移环境中传递高扭矩，并描述了这种联轴器的结构和性能。2 .国内外研究概况国内外研究概况7l 有限元法或优化设计等现代设计方法 华军利用有限元方法和薄板弯曲理论建立弹簧片应力计算模型 丁雪兴等用 ANSYS 有限元分析软件对金属弹簧片联轴器中圆环式弹簧片进行了应力计算 申屠留芳等对链板式叠片联轴器在

3、扭矩和轴向载荷作用下的应力进行了计算，并着重分析比较了传递不同的功率以及叠片组不同的轴向位移对应力的影响及其影响程度8第三部分第三部分93 .已完成研究内容已完成研究内容p 弹簧片联轴器有限元分析弹簧片联轴器有限元分析p 弹簧片联轴器结构优化弹簧片联轴器结构优化103 .已完成已完成t 弹簧片联轴器有限元分析弹簧片联轴器有限元分析对弹簧片进行轴向（Z向）、径向（X向和Y向）三个方向加载，观察变形、应力，绘制XYZ三个方向的刚度曲线。改变弹簧片固定螺栓孔的个数，轴向加载观察变形、应力，分析螺栓孔个数对联轴器轴向刚度的影响。计算联轴器整体沿各方向10*g加速度冲击下弹簧片的变形、应力。计算联轴器整

4、体在径向存在安装误差时弹簧片的变形、应力。计算联轴器整体在轴向存在安装误差时弹簧片的变形、应力。113 .已完成已完成 对弹簧片进行轴向（Z向）、径向（X向和Y向）三个方向加载，观察变形、应力，绘制XYZ三个方向的刚度曲线。载荷：载荷：在两端耳朵内环面，分别沿XYZ三个方向施加载荷，总载荷从5N25N等间距变化。约束：约束：选择螺钉孔内环区域（共8个），做位移全约束。位移分布云图应力分布云图计算结果：计算结果：123 .已完成已完成结论：结论：1）联轴器各方向刚度：Y向向X向向Z向向2）应力集中区域：最外侧螺钉孔的长圆孔处长圆孔处、耳朵与圆弧连接的圆角处圆角处3）最大变形区域：耳朵的最外沿最外

5、沿刚度曲线：刚度曲线：133 .已完成已完成 改变弹簧片固定螺栓孔的个数，轴向加载观察变形、应力，分析螺栓孔个数对联轴器轴向刚度的影响。载荷：载荷：在两端耳朵内环面，分别沿XYZ三个方向施加载荷，总载荷从5N25N等间距变化。约束：约束：选择螺钉孔内环区域（共8个），做位移全约束。应力分布云图计算结果：计算结果：143 .已完成已完成结论：结论：约束螺钉个数越多，约束位置越靠近外侧耳朵，联轴器的轴向刚度越大。153 .已完成已完成 计算联轴器整体沿各方向10*g加速度冲击下弹簧片的变形、应力。载荷：载荷：整体沿X Y Z三个方向分别加惯性加速度；约束：约束：在两端耳朵的上表面做位移全约束整体位

6、移云图最大4.37mm计算结果：计算结果：1) X方向10g 惯性力整体应力云图最大604.609MPa163 .已完成已完成整体位移云图最大0.163mm2) Y方向10g 惯性力整体应力云图最大604.609MPa3) Z方向10g 惯性力整体位移云图最大1.680mm整体应力云图最大1050.9MPa结论：结论：Z向刚度差，在Z向承受10*g的惯性加速度后，弹簧片承受了很大的应力。但是由于上端盖和底座各留有0.2mm的变形间隙，弹簧片变形将不会达到图中1.68mm之大，弹簧片的应力也将有所改善。173 .已完成已完成 计算联轴器整体在径向存在安装误差时弹簧片的变形、应力。载荷：载荷：整体

7、沿Z方向重力加速度1*g约束：约束：在两端耳朵上表面做位移全约束；码盘中间环面分别沿X、Y 方向加位移，位移大小从0.004mm0.024mm等间距变化。 利用给编码器施加沿X、Y 方向的位移量，模拟安装时的径向偏心量；通过有限元静力分析，得到弹簧片在X、Y方向的性能曲线。计算结果：计算结果：结论：结论：弹簧片的变形和应力随径向偏心量增大而增大。183 .已完成已完成 计算联轴器整体在轴向存在安装误差时弹簧片的变形、应力。载荷：载荷：整体沿Z方向重力加速度1*g约束：约束：在两端耳朵上表面做位移全约束；码盘中间环面分别沿Z方向加位移，位移大小从0.02mm0.2mm等间距变化。 利用给码盘施加

8、沿Z方向的位移量，模拟安装时的轴向偏心量；通过有限元静力分析，得到弹簧片在Z方向的性能曲线。计算结果：计算结果：结论：结论：弹簧片的变形和应力随轴向偏心量增大而增大。193 .已完成已完成t 弹簧片联轴器结构优化设计弹簧片联轴器结构优化设计 增大连接圆角 中部加宽 扩大弹簧片自由区域面积 增大连接圆角同时中部加宽 增大连接圆角同时扩大弹簧片自由区域面积 扩大弹簧片自由区域面积、增大连接圆角并中部加宽根据前面有限元计算的结果对原型联轴器的薄弱环节进行改进。203 .已完成已完成 增大连接圆角由于连接圆角处易出现应力集中现象，将原结构的R2圆角增大至R5。计算结果：计算结果：沿X向偏心0.04mm

9、，轴向0.2mm 应力云图沿Y向偏心0.04mm，轴向0.2mm 应力云图约束条件原结构（MPa）改进后（MPa）应力减小量X 偏0.04，轴向0.2559.169467.66816.36 %Y 偏0.04，轴向0.2371.648319.5814.01 %213 .已完成已完成 中部加宽增加弹簧片的XY向刚度，将原结构在中部加宽，长度为60，按同样的方式加载。计算结果：计算结果：沿X向偏心0.04mm，轴向0.2mm 应力云图沿Y向偏心0.04mm，轴向0.2mm 应力云图约束条件原结构（MPa）改进后（MPa）应力减小量X 偏0.04，轴向0.2559.169557.1690.357 %Y

10、 偏0.04，轴向0.2371.648362.532.45 %223 .已完成已完成 扩大弹簧片自由区域面积将上端盖及下部码盘体的0.2mm切槽宽度加大，从原设计的70mm增大到80mm，从而扩大弹簧片自由区域的面积。计算结果：计算结果：沿X向偏心0.04mm，轴向0.2mm 应力云图沿Y向偏心0.04mm，轴向0.2mm 应力云图约束条件原结构（MPa）改进后（MPa）应力减小量X 偏0.04，轴向0.2559.169473.08715.39 %Y 偏0.04，轴向0.2371.648300.06319.26 %233 .已完成已完成 增大连接圆角同时中部加宽将连接圆角从R2增大到R5，同时

11、进行中部加宽计算结果：计算结果：沿X向偏心0.04mm，轴向0.2mm 应力云图沿Y向偏心0.04mm，轴向0.2mm 应力云图约束条件原结构（MPa）改进后（MPa）应力减小量X 偏0.04，轴向0.2559.169461.40617.48 %Y 偏0.04，轴向0.2371.648303.42218.35 %243 .已完成已完成 增大连接圆角同时扩大弹簧片自由区域面积将连接圆角从R2增大到R5，同时将弹簧片的自由区域宽度从70mm扩大到80mm计算结果：计算结果：沿X向偏心0.04mm，轴向0.2mm 应力云图沿Y向偏心0.04mm，轴向0.2mm 应力云图约束条件原结构（MPa）改进后

12、（MPa）应力减小量X 偏0.04，轴向0.2559.169405.40727.50 %Y 偏0.04，轴向0.2371.648247.27233.47 %253 .已完成已完成 扩大弹簧片自由区域面积、增大连接圆角并中部加宽将连接圆角从R2增大到R5，同时将中部加宽，并将弹簧片的自由区域宽度从70mm扩大到80mm计算结果：计算结果：沿X向偏心0.04mm，轴向0.2mm 应力云图沿Y向偏心0.04mm，轴向0.2mm 应力云图约束条件原结构（MPa）改进后（MPa）应力减小量X 偏0.04，轴向0.2559.169456.11718.43 %Y 偏0.04，轴向0.2371.648243.

13、32634.53 %263 .已完成已完成各方案比较：各方案比较：约束条件应力减小量方案一增大连接圆角方案二中部加宽方案三扩大弹簧片自由区域面积方案四增大连接圆角、中部加宽方案五增大连接圆角、扩大弹簧片自由区域方案六扩大弹簧片自由区域、增大连接圆角、中部加宽X 偏0.04轴向0.216.36 %0.357 %15.39 %17.48 %27.50 %18.43 %Y 偏0.04轴向0.214.01 %2.45 %19.26 %18.35 %33.47 %34.53 %结论：结论：1）中部加宽对弹簧片最大应力改善情况并不明显，只能改善Y向刚度，因此不予采用。2）最好的改善应力方法是对增大连接处圆

14、角，同时扩大弹簧片的自由区域。273 .已完成已完成 确定最佳的弹簧片自由区域确定最佳的弹簧片自由区域将切槽宽度作为变量， 进行有限元计算，观察弹簧片的最大应力组号组号1 12 23 34 45 56 6冲击方向X向6gX向6gY向6gY向6gZ向6gZ向6g径向偏心同时沿X方向偏移0.04mm，沿Y方向偏移0.04mm轴向窜动Z向0.2mmZ向-0.2mmZ向0.2mmZ向-0.2mmZ向0.2mmZ向-0.2mm载荷：载荷：整体在X Y Z三个方向分别承受6g的重力加速度；约束：约束：在两端耳朵的上表面做位移全约束；转轴中心沿Z方向偏移0.2mm，同时沿X方向偏移0.04mm，沿Y方向偏移0.04mm。283 .已完成已完成计算结果：计算结果：沿X向冲击6g，轴向位移0.2mm沿X向冲击6g，轴向位移 -0.2mm沿Y向冲击6g，轴向位移 0.2mm沿Y向冲击6g，轴向位移 -0.2mm沿Z向冲击6g，轴向位移 0.2mm沿Z向冲击6g，轴向位移 -0.2mm结论：结论：弹簧片最大应力随槽宽增大而下降，且下降逐渐平缓。说明槽宽增加到一定程度的时候，继续增大槽宽，弹簧片的最大应力并不能有很大改善。为使弹簧片的最大应力小于疲劳强度的一半，槽