含彈性橡膠連桿的平行四邊形機構振動機理分析

程壽國 蘇春芳 劉毅 劉洪斌

摘要：針對橡膠材料構件對機體的振動力問題，利用有限元方法構建了含橡膠連桿的剛柔耦合平行四邊形機構動力學模型。對比分析了在曲柄勻轉速運轉下機構對機體振動力的變化規律。研究結果表明，相對全剛體平行四邊形機構而言，含橡膠材料連桿機構對機體的振動力變化劇烈，根據現場應用條件應該采用合理的減震措施。

關鍵詞：橡膠材料;振動力;剛柔耦合

中圖分類號：TU399? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）20-0051-02

0? 引言

橡膠材料往往應用于機構的減震層或者軸承減震環中。王超等研究了水潤滑橡膠軸承的摩擦磨損性能[1]。趙敏提出了一種耐磨耐老化減震橡膠材料[2]。張曉林等研究對橡膠減震材料動態阻尼性能與硫化體系的關系[3]。陳鋒等對橡膠軸承的靜態和沖擊剛度特性進行了研究[4]。本文主要對含橡膠材料構件的機構對機體的振動力進行分析。

1? 含彈性連桿的平行四邊形機構簡介

圖1是含彈性連桿的平行四邊形機構簡圖，其中OA=BC=100mm，AB=OC=220mm，OA是驅動曲柄。BC如果視機構為全剛體模型，構件OA、AB、BC、OC不論靜止還是運動，其長度均不變，OA的轉速與BC的轉速始終相同。當AB是橡膠材料時，就不可以簡單認為AB運動的時候長度不變，因為橡膠材料變形大，當受力以后AB會發生變形且變形量很大。只有在靜止時AB桿的長度與OC桿的長度是相等的。

平行四邊形機構對機體的作用力可以用圖2等效表示。Fxo與Fyo是作用在鉸中心O點的X方向和Y方向的作用力。Fxc與Fyc是作用在鉸中心C點的X方向和Y方向的作用力。Fxo、Fyo、Fxc與Fyc可通過力與力矩的平衡方程組求解。對于全剛性構件機構在求解時相對容易，因為各個桿的角加速度比較容易計算。當AB桿為橡膠材料時，運動過程中受到力的作用產生的變形比較大，也就使得列方程求解很困難。

2? 全剛體構件平行四邊形機構對機體的振動力分析

圖3和圖4分別是曲柄旋轉三個周期鉸O處全剛體機構運動對機體振動力和鉸C處全剛體機構運動對機體振動力響應圖。從圖3中可以看出轉速越高，振動力越大。振動力曲線形是“正弦”曲線。對比圖3（a）和圖4（a）、圖3（b）和圖4（b）可以看出，鉸O處與鉸C處的振動力峰值相同，且峰值時曲柄的轉動位置相同。

3? 含彈性橡膠連桿的平行四邊形機構對機體的振動力分析

本文通過NASTRAN接口計算橡膠連桿的15階模態，并生成*.mnf文件，在動力學仿真時激活柔性體做剛柔耦合分析。圖5和圖6分別是曲柄轉動三周時鉸O處剛柔耦合機構運動對機體振動力和鉸C處剛柔耦合機構運動對機體振動力響應。從圖5和圖6中已經不能看出像圖3和圖4那樣的周期曲線，不管是X方向振動力還是Y方向振動力都是時刻變化的，數值上比全剛體構件大得多，對機構的基礎沖擊非常大。

4? 結論

本文通過有限元法分析了含橡膠連桿的平行四邊形機構運轉時對機體的振動力響應。對比全剛體情況下的振動力響應可以得知剛柔耦合分析的振動力沖擊力很大，看似無規律，當曲柄分別以90rpm和120rpm旋轉時很多時間段內前者的響應甚至大于后者的響應。在利用橡膠連桿作為機構構件時，應該采用合理的減震措施。

參考文獻：

[1]王超，周新聰，況福明，黃健，王昊.不同維度碳納米材料對水潤滑橡膠軸承摩擦磨損性能的影響[J].潤滑與密封，2020，45（02）：35-39.

[2]趙敏.一種耐磨耐老化減震橡膠材料[J].橡膠工業，2018，65（12）：1438.

[3]張曉林，梁棟，趙樹高.硫化體系對橡膠減震材料動態阻尼性能的影響[J].合成橡膠工業，2018，41（01）：45-50.

[4]陳鋒，諶勇，華宏星.橡膠軸承靜態和沖擊剛度特性研究[J].兵工學報，2015，36（S1）：189-194.