聯軸器試驗臺結構設計與研究

武殿棖，趙連玉，王成林

（天津理工大學機械工程學院a.天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室；b.機電工程國家級實驗教學示范中心，天津300384）

聯軸器作為機械傳動不可缺少的基礎部件，起著傳遞運動和扭矩的重要作用[1]，隨著動力機械不斷向高速大功率方向發展，具有緩沖減震、和降噪作用的聯軸器越來越得到廣泛的應用[2].近年來，隨著精密傳動的普及和應用，對高性能聯軸器的需求越來越大，對聯軸器具體工作參數和性能指標也提出了更高的要求[3].但據有關資料顯示，國內專用于聯軸器綜合性能高精度檢測的設備發展相對滯后.國內的一些聯軸器測試儀主要以臥式結構為主，臥式結構試驗臺通常需要通過導軌的移動來安裝不同型號的聯軸器[4]，由于導軌與滑塊之間存在側隙，導致聯軸器在軸向和徑向產生偏移[5]，這樣會使得在檢測過程中出現誤差，還會導致測試精度降低，而且電機輸出的扭矩最終會傳遞到滑塊，滑塊與導軌在長期負荷狀態下間隙會逐漸增大，誤差也會越來越大.針對此現狀，本文開發了一種立式結構聯軸器性能檢測試驗臺，該試驗臺在聯軸器高頻正反轉的情況下通過檢測扭矩以及擺角來了解其使用性能，聯軸器由伺服電機帶動使其扭轉，進行靜態測試.然而，在高頻正反轉的情況下，如果直接使電機帶動聯軸器正反轉，會產生電機發熱現象，還會導致內部線圈瞬間逆流，損壞線圈，減小電機使用壽命.對于此問題，我們利用曲柄導桿機構的原理設計了一種偏心裝置，利用偏心來使導桿往復擺動一個角度，這樣就實現了聯軸器的正反轉.

盧學玉等人提出利用磁粉制動器作為加載裝置，便于調節控制，提高控制精度.設計了角向偏移機構，來實現軸向和徑向的微量調節[6].馬玉強等人設計了一種動態偏擺裝置，能實現單向或雙向的靜態偏移，驗證聯軸器的最大位移補償能力[7].黃燦超等人利用正交實驗法在不同轉速，轉矩，擺角的情況下對籠式萬向聯軸器進行多組試驗，通過極差分析法得出隨著轉速增大，球籠溫度明顯提高.隨著扭矩、擺角的的增加，增加的趨勢不如溫度明顯[8]，楊孟濤等人設計了一種轉矩加載機構，對聯軸器進行打滑力矩的標定[9]，青克爾等人設計兩種偏擺機構，經過計算和實驗，兩種結構均能模擬聯軸器軸向徑向偏移工況[10].張吉瑞等人結合機器視覺、傳感技術；將現有試驗臺與計算機技術有效地結合在一起，利用計算機實現對參數的智能化檢測[11].

1 立式結構聯軸器試驗臺總體方案

當聯軸器應用于較大干擾力矩的傳動軸系中，這時就要求聯軸器具有較好的使用性能，一般都要進行靜態扭矩實驗[12]，因此就必須有一套檢測儀器來對其進行檢測.現有聯軸器檢測試驗臺多數采用臥式結構，但是這種檢測方式存在許多不足：安裝麻煩、間隙較大、精度不易控制，對于高性能聯軸器，不能滿足檢測需求[13].本文開發了一種立式結構聯軸器試驗臺來對聯軸器進行檢測.如圖1所示.

圖1試驗臺總體結構Fig.1 Overall structure of the test bench

立式結構聯軸器試驗臺總體結構主要包括聯軸器卡緊機構、支撐套筒、電機驅動裝置、扭矩傳感器、光柵、偏心裝置等.支撐套筒側端開口，便于不同型號聯軸器的安裝，電機通過絲杠來驅動偏心機構在導軌上移動，偏心軸帶動彈簧柱往復擺動，從而使聯軸器扭轉多個不同的角度.扭轉角和扭矩分別通過光柵和扭矩傳感器來讀取.這樣就實現了多組聯軸器的疲勞測試.試驗臺的主要技術參數如表1所示.

表1試驗臺主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of the test bench

2 立式機構試驗臺組成結構

2.1 聯軸器卡緊機構

卡緊機構分為7部分，1為加緊軸、2為剛度標定軸、3為被測聯軸器、4為光柵轉盤、5為壓緊塊、6為扭矩傳感器、7為蓋板該機構中加緊軸通過與壓緊塊抱住剛度標定軸，剛度標定軸一端內徑與加緊軸內徑相同，另一端根據不同聯軸器的型號來確定軸徑，因此在測試多種聯軸器時，需要更換不同的剛度標定軸.從而實現不同型號聯軸器的裝卡.扭矩傳感器一側與加緊軸通過法蘭連接，另一側與蓋板通過螺栓固定，光柵安裝在光柵轉盤上，用于檢測聯軸器角度.卡緊機構如圖2所示.

圖2聯軸器卡緊機構Fig.2 Coupling clamping mechanism

2.2 偏心裝置

根據試驗臺技術要求，施加給聯軸器的最大扭矩為200 N·m，而且聯軸器要以20 Hz頻率的幅度正反轉，還要在0.013 9°到0.139°之間扭轉多個角度，以此來檢測聯軸器的疲勞特性，如果用電機直接給聯軸器施加扭矩，就必然對電機額定扭矩有了更高要求，如果在電機輸出端加行星減速器，電機輸出扭矩通過減速器會使力矩放大，這樣可以給聯軸器傳遞一個大扭矩，從而降低電機額定扭矩，但是在減速器輸出端會產生背隙問題，使得精度不容易得到控制，誤差加大.而且電機在20 Hz的頻率下正反轉，對電機壽命以及工作效率也會產生不良影響.針對這個問題，設計了一種偏心裝置，如圖3所示，偏心裝置分為6部分，1為伺服電機，2為偏心軸，3為壓輪，4為彈簧柱，5為壓輪安裝框，6為偏心軸連接快，壓輪安裝在壓輪安裝框內，壓輪將兩根彈簧柱壓緊，伺服電機通過偏心軸帶動壓輪安裝框往復擺動，這樣就實現了彈簧柱的往復擺動.

圖3偏心機構Fig.3 Eccentric mechanism

2.3 電機驅動裝置

由于要在0.013 9°到0.139°之間檢測聯軸器多個角度，為了解決這個問題，設計了一種電機驅動裝置，如圖4所示，1為驅動偏心機構的伺服電機，2為絲杠，3為絲杠連接板，4為加緊軸支座，5為彈簧柱，6為電機固定支架，7為帶動偏心軸的伺服電機，8為導軌.

圖4電機驅動裝置Fig.4 Motor drive

彈簧柱兩端分別與加緊軸支座，固定支座采用螺栓預緊，加緊軸支座與聯軸器在同一軸線上，可以轉動，這樣就實現了利用在彈簧柱不同位置的大變形，來使聯軸器轉動一個小角度.驅動電機通過絲杠帶動偏心機構在導軌上移動，從而得到聯軸器多組不同的角度.

3 彈簧柱與剛性桿比較

如果彈簧柱不產生變形，視為剛性桿，就可以根據聯軸器扭轉的角度以及桿的力臂來算出偏心軸的偏心距.根據正弦公式

式中，b為偏心距；l為力臂；θ為聯軸器轉動角度.

當θ為最大值時，算得在不同力臂的情況下，偏心距大小以及在對應θ為最小值時對應的力臂大小.如表2所示，以l=30 mm為例，當θ=0.139°時，帶入式（1）中，算得偏心距b=7.2×10-1mm，如表所示為在多組不同力臂情況下得對照表.

表2對照表Tab.2 Comparison table

從該表可以發現，當聯軸器最小角度對應的力臂為2 000 mm時，偏心距為0.48 mm.在實際使用時，桿會發生微小的變形，桿長太長可能會將偏心距抵消掉，以至于達不到聯軸器所需要的轉動角度.因此采用彈簧柱大變形的原理來解決此問題.如圖5所示為彈簧柱與剛性桿對比示意圖.θ1，θ2，θ3，θ4分別對應剛性桿在A、B、C、D處對聯軸器扭轉的角度，θ1′θ2′θ3′θ4′，分別對應彈簧柱在A′，B′，C′，D′，處對聯軸器扭轉的角度，a與a′分別是剛性桿與彈簧柱對應偏心軸的偏心距.

圖5對比示意圖Fig.5 Comparison diagram

從圖中可以看出，a′＞a，θ1，θ2，θ3，θ4是在桿不發生變形的情況下聯軸器轉動的理論值，利用彈簧柱的變形來使得聯軸器轉動的角度等于理論值，即

θ1=θ1′，θ2=θ2′，θ3=θ3′，θ4=θ4′

這樣就滿足了聯軸器需要扭轉的角度.

4 有限元仿真

本文將采用abaqus軟件對聯軸器卡緊機構以及彈簧柱進行有限元仿真，在仿真分析之前，首先對聯軸器卡緊機構進行模型簡化，忽略倒角、圓角對力學性能影響較小的特征.將簡化后的模型導入abaqus軟件中，以一種聯軸器為例，其材料為S45C，額定扭矩為210 N·m，彈簧柱材料為65 Mn，其余部件材料均是45號鋼.然后對其設置邊界條件，將加緊軸A處以及彈簧柱的末端B處做固定約束，并約束聯軸器的3個平移自由度以及Y軸、Z軸的轉動自由度，釋放X軸的轉動自由度.如圖6（a）所示，在彈簧柱上距聯軸器軸線方向285 mm處施加力，以聯軸器承受最大扭矩200 N·m為例，在不考慮變形的情況下，需要在285 mm處施加701 N的力，然后對其劃分網格，主要采用四面體網格，節點數為830 060，單元數為565 489，有限元網絡如圖6（b）所示，

圖6設置邊界條件與劃分網格圖Fig.6 Set the convenience boundary conditions and divide the gird graph

定義材料相應的彈性模量、泊松比、密度.得到整體結構的應力和變形分布云圖，如圖7所示.從圖7（a）中可以看出聯軸器最大應力為306.8 MPa，小于S45C的許用應力366 MPa.可見聯軸器滿足強度要求.

圖7整體結構應力和變形云圖Fig.7 Overall structural stress and deformation nephogram

圖8彈簧柱與聯軸器位移曲線圖Fig.8 Spring column and coupling displacement curve

提取彈簧柱載荷位置位移曲線圖以及聯軸器位移曲線圖，如圖8所示，從圖8（a）中可以看出在彈簧柱在285 mm處施加701N的力，其變形量為2.45 mm.偏心軸偏心距需要與彈簧柱變形量一致，如果偏心距小于2.45 mm，則不能傳遞給聯軸器所需的轉動角度.從圖8（b）可以看出聯軸器最大位移為0.045 mm.經過換算得出聯軸器偏移角度為0.13°，偏移角度在技術要求的角度范圍內并接近技術要求的最大轉動角度，通過電機驅動裝置帶動偏心機構在彈簧柱的不同位置施加載荷，即可得到其它多個角度值.但是最終真實的扭矩和角度值還要從扭矩傳感器和光柵來讀取.

5 結論

通過對聯軸器性能檢測試驗臺的研究，并對卡緊機構以及彈簧柱進行有限元仿真，得出以下結論：

1）結合聯軸器的檢測參數要求，本試驗臺采用了穩定可靠的立式結構、來對聯軸器扭矩、角度進行檢測.以此來測試聯軸器的使用性能.

2）考慮在檢測試驗臺對聯軸器進行立式裝卡，為聯軸器的安裝提供了一種新方法.

3）利用彈簧柱大變形的原理可以看出，彈簧柱與剛性桿相比較，可以更好的控制精度要求.

4）偏心軸偏心距數值與彈簧柱施加載荷位置變形量一致，以此來滿足聯軸器需要轉動的角度，為聯軸器試驗臺的設計與優化提供了一種新型的設計理念.