含旋转铰间隙机构运动对机体振动的影响分析

摘要：本文研究了两个铝材料构件相连铰存在间隙时机构运动对机体振动影响。通过ADAMS软件建立含铰间隙的曲柄摇杆机构动力学模型。通过接触碰撞力模型建立存在间隙的两个构件之间的相互作用力。通过不同间隙尺寸大小和不同曲柄旋转速度比较研究间隙和曲柄转速对机体振动的影响。结果表明：间隙增大运动机构的对机体的振动影响不一定增大，曲柄转速越高对运动机构对机体的振动影响越严重。

Abstract： The influence of mechanism motion on the vibration of two aluminum members is investigated when the clearance is existed. The dynamic model of crank rocker mechanism with joint clearance is established through ADAMS software. The interaction force between two components with clearance is established through contact impact model. The influence of clearance and crank speed on the vibration of body is discussed by comparing different clearance sizes and crank rotation speed. The results show that the vibration effect of the moving mechanism does not necessarily increase with the increase of the clearance， and the higher the crank speed， the more serious the vibration impact of the moving mechanism on the body.

关键词：接触力;铰间隙;碰撞;振动

Key words： contact force;joint clearance;collision;vibration

中图分类号：V229                                        文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0051-03

0  引言

由于制造、安装和润滑等原因，存在相对运动的两个构件一定存在一定的间隙。运动的机构的不断摩擦、磨损使得间隙越来越大。间隙的增大使得相连接的两个构件不断地进行接触碰撞，减少设备的使用寿命并对机体产生振动等不利影响。文献[1]研究了汽车发动机气门间隙、主轴承磨损等故障机理并利用小波包分解等信号处理方法对振动信号进行分析。文献[2]软件建立了有限元模型和多体动力学模型分析了间隙对机体振动及润滑的作用。文献[3]对柴油机的进气门间隙、排气门间隙等不同状态进行了分析处理。文献[4]建立了活塞动力学模型和整机多体动力学模型，研究了配缸间隙对机体振动噪声的作用。文献[5-6]利用ADAMS软件对含间隙运动副的往复压缩机传动机构动力学行为进行了分析。

本文利用ADAMS软件对含旋转铰间隙的曲柄摇杆机构进行动力学建模和分析，研究间隙大小和曲柄转速对机构机体振动的影响。

1  含旋转铰间隙的曲柄摇杆机构简介

图1为含旋转铰间隙的曲柄摇杆机构简图。杆OA为曲柄，杆AB为连杆（铝材料），杆BC为摇杆（铝材料），B铰存在间隙，大小为C=R-r。铰A，铰O，铰C为理想旋转铰连接（不存在间隙），其中，杆OA长度为30cm，杆AB长度为181cm，杆BC长度为117.5cm，OC长度为200cm。在间隙B处建立接触碰撞约束，利用ADAMS软件中的弹性阻尼力模型建立杆AB和杆BC的相互作用。碰撞参数设置：Stiffness：3.5×107N/m，Exponent：1.5，Damping：3500kg/s。运动的机构通过铰O和铰C将振动传递到机体，本文通过研究铰O和铰C受力的变化进而发现间隙机构对机体的作用规律。

2  曲柄不同转速下运动机构对机体的振动力分析

图2为铰O处全刚体机构运动对机体振动力响应图，图3为铰C处全刚体机构运动对机体振动力响应图，此处铰间隙为1mm。为了方便观察，每幅图都进行了局部放大。从图2和图3都可以看出随着曲柄转速从5r/s，20r/s增加到50r/s振动力的波动逐渐增大。曲柄转速越大，对机构机体的作用力也越大。如图2（a）和图2（b）所示，曲柄50r/s转速时在130.7°和662.4°时出现较大的冲击力。

3  间隙不同时运动机构对机体的振动力分析

图4为曲柄转速10r/s时铰O处不同间隙时的机构运动对机体振动力响应图。图4（a）为X方向振动力，图4（b）为Y方向振动力。铰间隙从0.5mm、1mm增加到2mm，从图4中可以看出铰O处的振动力在间隙2mm时最大，发生最大冲击时曲柄转角的大致位置为281.5°、641.2°和1032°，在这三个位置附近，间隙为0.5mm和1mm时也发生了较大的冲击。虽然间隙大小不同，但是发生较大冲击的位置接近。这一特征可以为磨损间隙过大的故障诊断提供参考。

图5为曲柄转速10r/s时铰C处不同间隙时的机构运动对机体振动力响应图。图5（a）为X方向振动力，图5（b）为Y方向振动力。与图4观察结果类次，图5上发生较大冲击的位置也是曲柄转角大致位置为281.5°、641.2°和1032°。与图5不同的是间隙是0.5mm时铰C处振动冲击更加明显，分别位于曲柄为74.16°和423°位置时。从图4和图5还可以看出间隙为1mm时的冲击很多时刻没有间隙0.5mm冲击大。所以不能简单的认为间隙越大，冲击越大。

4  结论

本文通过利用ADAMS软件对含间隙的曲柄摇杆机构进行建模和动力学分析，讨论了间隙大小和曲柄转速对运动机构对机体作用力的影响进行了研究。结果发现曲柄转速越高，对机体的振动冲击越大;间隙增加，冲击在某些情况下并不一定变得更加严重。

参考文献：

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[3]张应和，王苏娅.车用柴油机机体振动信号采集与分析[J].機械制造与自动化，2019，48（01）：176-178，181.

[4]张学文，毕玉华，吴礼民，吴彪，申立中，雷基林.配缸间隙对发动机机体振动噪声影响研究[J].机械设计，2019，36（12）：33-38.

[5]程寿国.往复压缩机十字头销与连杆小头磨损过大故障机理研究[J].计量与测试技术，2018，45（04）：96-98.

[6]赵海洋，纪彦东，王金东，刘耀芳.基于间隙运动副的往复压缩机传动机构动力学分析[J].流体机械，2013，41（03）：15-19，33.