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大扭矩多功能扭转试验机结构设计与研究

作　者: 刘志强
导　师: 龚宪生
学　校: 重庆大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 螺旋传动试验机扭矩多功能滚珠
分类号: TH87
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

扭转疲劳试验机是材料科学试验和研究的关键设备之一,被广泛应用于船舶、汽车、航空、航天等工业部门。扭转疲劳试验机在各种类型的疲劳试验机中,具有结构简单、使用操作方便、效率高、耗能低等特点,可以用来测试各种金属材料和一些非金属材料抵抗疲劳断裂性能,绘制疲劳寿命曲线。电液伺服系统具有精度高、响应快、功率高的特点,所以目前国内外高性能扭转疲劳试验机大多采用电液伺服控制方式。目前国内的扭转疲劳试验机大体上采用电力传动,也有采用液压传动的,但是其试验量程较小,远远达不到±30kN·m的大扭矩疲劳试验要求。而国外少数几个发达国家的产品可以达到这个要求,他们对我国的技术封锁也比较严重,且价格一直居高不下。随着我国经济形势的蓬勃发展,工业(尤其是重工业)部门对该产品的需求日益增大,虽然在常规电液伺服标准材料试验机技术方面,我们有了一定的发展,但是在一些特殊的如大扭矩动态扭转疲劳试验机方面我们距国外某些发达国家的技术水平仍有很大的差距,因此尽快开展这方面的研究并快速形成产品显得十分迫切。本文正是从这一实际需求出发,设计一种可以对弹性联轴器、扭转减振器等弹性元件进行试验分析,检测其动、静态阻尼系数、刚度和耐久性(疲劳寿命)等相关参数的大扭矩多功能扭转试验机。该型试验机可对弹性元件进行静、动态扭转试验及轴向和径向拉压试验,其输出扭矩为0～30kN·m,输出力0～150kN,频率0~12Hz,其值均可控可调,试验机精度1%。本文研究主要包括以下几个方面:①以滚珠螺旋传动理论为基础,初步确定大扭矩多功能扭转试验机的各个参数,以此为基础设计试验机的基本结构;②按照初步的参数使用三维造型软件Pro/E建立大扭矩多功能扭转试验机的实体模型,对模型进行虚拟装配,通过对装配过程的模拟,分析观察各个零件的干涉情况;③使用ADAMS软件对Pro/E中建立的力(运动)转换机构模型进行动力学仿真分析,着重模拟机构中滚珠的运动情况,得到扭矩输出件、滚珠的运动曲线以及滚珠与轴和外套的接触力曲线,通过对曲线进行频谱分析,得到机构的动态响应特性;④使用ANSYS软件对力(运动)转换机构模型进行接触分析,着重分析滚珠与滚道之间的接触应力情况,得到滚珠与滚道之间的应力分布云图,从而推断出机构的主要失效形式;⑤根据仿真分析结果对模型进行修改,在满足试验机各参数的条件下对模型进行优化设计以最终确定各个参数。在优化设计过程中要尽量使试验机的成本最低、结构最简单、零件加工容易、装拆方便、外形美观。优化完成后造出测试样机进行各项测试。本文以滚珠螺旋传动理论为基础,设计一种大扭矩多功能扭转试验机,该型试验机具有结构简单、传动效率高、输出扭矩大、同步性能好等特点。通过对试验机的设计与研究,丰富了试验机的相关理论,如能开发成功,将弥补国内空白。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
1 绪论  10-15
  1.1 课题背景和来源  10-11
  1.2 国内外研究状况  11-13
    1.2.1 我国试验机的发展历史  11-12
    1.2.2 滚珠螺旋传动简介  12-13
  1.3 本论文的主要研究内容  13-14
  1.4 小结  14-15
2 大扭矩多功能扭转试验机的结构设计与实体造型  15-25
  2.1 方案选定  15
  2.2 力(运动)转换机构的主要结构和工作原理  15-16
  2.3 大扭矩多功能扭转试验机的基本结构及工作原理  16-20
  2.4 力(运动)转换机构承载能力的计算  20-22
  2.5 三维实体造型  22-24
  2.6 小结  24-25
3 力(运动)转换机构ADAMS 动力学仿真  25-34
  3.1 运动仿真基本理论概述  25-29
    3.1.1 机构运动原理  25
    3.1.2 机构运动仿真的基本原理  25-29
  3.2 力(运动)转换机构运动仿真分析  29-31
    3.2.1 定义运动副  29-30
    3.2.2 定义接触和摩擦  30
    3.2.3 求解器选择及仿真  30-31
  3.3 仿真结果与分析  31-33
  3.4 小结  33-34
4 力(运动)转换机构ANSYS 接触分析  34-43
  4.1 有限元的基本概念  34
  4.2 力(运动)转换机构接触问题的理论分析  34-36
  4.3 有限元分析前处理  36-41
    4.3.1 模型结构简化  36-37
    4.3.2 材料及单元选用  37-38
    4.3.3 边界条件分析  38-39
    4.3.4 计算方法及求解器选择  39-41
  4.4 计算结果与分析  41-42
    4.4.1 分析结果  41-42
    4.4.2 结果评价  42
  4.5 小结  42-43
5 大扭矩多功能扭转试验机计算及优化设计  43-64
  5.1 力(运动)转换机构各参数的设计计算  43-50
    5.1.1 螺旋升角  43-46
    5.1.2 滚道型面形状与接触角  46-47
    5.1.3 螺旋中径与滚道曲率半径  47
    5.1.4 滚珠直径，滚珠数，滚道数  47-50
  5.2 滚珠运动及滑移分析  50-58
    5.2.1 滚珠运动分析  50-52
    5.2.2 滚珠螺旋副的自锁效应  52-53
    5.2.3 滚珠滑移及自锁对高速性的影响  53-54
    5.2.4 滚珠滑移速度  54-57
    5.2.5 减小滚珠滑移及自锁的方法  57-58
  5.3 滚珠螺旋副的额定负载及工作寿命  58-62
    5.3.1 滚珠与滚道处的塑性变形  58-60
    5.3.2 滚珠螺旋副的额定负载  60-61
    5.3.3 工作寿命计算  61-62
  5.4 关键零件强度校核  62-63
    5.4.1 推力球轴承校核  62
    5.4.2 扭矩传感器连接螺栓校核  62-63
    5.4.3 轴与法兰连接花键校核  63
  5.5 小结  63-64
6 全文总结  64-66
  6.1 主要结论  64
  6.2 本文的创新点  64
  6.3 对今后研究提出的建议  64-66
致谢  66-67
参考文献  67-69
附录：A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文  69-70
  B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目  69-70
附图  70

大扭矩多功能扭转试验机结构设计与研究

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