基于偏心轮机构有限元分析的研究

张瑞钦 李增超

摘  要：偏心轮机构是完成曲柄摇杆机构的另一种形式，是一种可以把旋转运动变为直线运动的主要形式，应用十分广泛。但是由于偏心轮机构的转动轴连接处的特殊性，会在运动过程中出现局部最大应力现象，大大增加生产制造的难度与进程。文章中是对一种按摩枪中的偏心轮机构进行研究，通过有限元分析对其受力、应变等进行分析，可以对偏心轮机构进行校核改进，同时反过来可以对电机的选择有一定的参考。

关键词：偏心轴;最大应力;ANSYS;校核改进

中图分类号：TH133.2 文献标志码：A     文章编号：2095-2945（2019）05-0071-03

引言

在进行由旋转运动变为直线运动结构设计时，设计人员通常会想到使用偏心轮机构来对其进行运动形式的变换，但在设计结构的时候，设计者往往会根据数据计算以及经验来对其进行设计验证，既耗费时间和精力，又阻碍了生产制造的进程。如今有限元分析技术应用很广泛，有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解，故在对其结构生产制造之前会对其进行受力分析已成为必要;在进行受力分析时如果出现部位受力过大或应力集中导致运动失真甚至失效，其对于偏心轮结构的设计时不能被接受，因此要考虑结构整体的应力应变分布情况，提前了解结构在施加载荷之后整体可能出现应力分布不均的部位，可对其有问题的部位进行结构优化及改进，或可知此结构能承受的最大载荷，更有效地选择驱动机构。通过对结构进行有限元分析，有效的解决了在生产制造过程中无法快速精确设计参数的问题，提高设计成功率，极大地改善了设计的成本与时间。

1 结构设计分析

本文对一款震动按摩枪产品中的偏心轮运动结构进行有限元分析，对其进行施加载荷，查看其应力应变云图，可以看出机构在工作过程中的应力应变分布情况，通过分析结果可以对其出现失效的部位进行结构优化，极大的降低了设计的周期，降低生产成本。

1.1 三维模型介绍

图1所示为按摩枪传动部分，图2为偏心机构的结构简图。图1为震动按摩枪产品，图中只标注出偏心轮机构，其它部件暂不标出，其主要用于康复训练和肌肉放松，在此产品中偏心轮机构的任务是将电机的旋转运动转变为枪头的直线往复运动，故偏心轮机构的可靠性极其重要;图2是用于连接电机与执行元件之间改变传动方式的机构，结构的整体是由偏心轴，电机轴和电机轴承组成，在本机构输出轴与偏心轮为一体，偏心轮的一侧砍掉一部分主要是为了避免机构在运行过程中出现运动死点，防止机构被卡死。

结合图1与图2对产品的整体的尺寸和装配的分析，偏心机构的主要尺寸为：电机轴的直径为8mm，轴长为39mm，偏心轮的直径为24mm，砍掉部分的径长为6mm，輸出轴的直径为8mm。偏心轮的材料选为铝合金，电机轴为45钢，能减轻产品的重量，同时能降低产品成本。

2 机构的有限元分析

有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。但是，这对我们进行偏心轴的可靠性和稳定性分析是十分有用的。

2.1 ANSYS静力学分析

对偏心轴传动机构使用ANSYS对其进行静力学分析，在以上进行了结构的理论受力分析和所受力的因素，在对模型分析时暂不考虑其机构所产生的摩擦等其它的损伤，对电机轴的扭矩数值为此上算出的101N·m。下图3和图4分别为偏心轮与电机轴的应力分布云图。

上图3为偏心轮的应力分布云图，如图所示偏心轮在受到电机轴的转动扭矩后所承受的应力分布，云图红色为应力分布的最大部位，最大应力大约为26MPa，最大应力集中分布在孔的边缘处，其中在孔的平面接触部分应力尤其过大，有可能在机构的传动工作中会出现这些部位崩溃失效，应在设计时对这些部位进行结构的优化，避免出现一些部位应力过大。

上图4为轴的应力分布云图，电机轴为机构的驱动机构，其重要性不可言喻，虽电机轴是和电机是为一体的，但可通过对其所受应力分布情况可知此电机轴能否承受其传动工况，如图所示最大应力大约为7.2×103MPa，整体的受力分布较成阶梯型，没出现应力急剧变化部位，可根据电机轴的材料属性知是否满足工作需求。

2.2 模态分析

做模态分析使用工程分析软件ANSYS，进入此软件的模态分析模块，在之前模型的构建中使用Solidworks进行其三维建模，在软件中的步骤和参数设置就不再详说，对此模型进行前7阶模态的分析，表1为分析数据。

结构振动可由每阶固有振型的线性组合表示，其中低阶固有振型较高阶固有振型对结构的振动影响较大，低阶振型对结构的动态特性起决定作用，因此进行结构振动特性分析计算时提取了轴的前阶频率。如图5所示，给出了第4阶到第7阶频率下对应的振型图。

模态分析的好处：使结构设计避免共振或以特定频率进行振动;使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的;有助于在其它动力分析中估算求解控制参数。其用于确定设计结构或机器部件的震动特性（固有频率和振型）。固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数，也是模态分析、谐响应分析和瞬态动学分析中必要的参数;并且可通过此分析得到对坎贝尔云图，得此构件的固有频率或者旋转的临界转速，以避免实际中，机械由于振动而出事故或者出现重大损坏。这可留作读者或者本人对其做进一步的研究与分析。

3 结论

通过对偏心轮传动机构进行ANSYS的有限元分析，得到了其应力分布情况和模态分析所求的低阶振型图。

（1）通过对机构的ANSYS静力学分析，可得到此机构在工作时的最大应力分布情况，并对其机构进行优化与改进提供了证据支撑。

（2）通过对机构的ANSYS的模

态分析，可得偏心轴的固有振型，可预防发生共振等不良现象，并为此后做瞬态分析及谐响应分析做准备。

（3）ANSYS已成为产品设计中及其重要的仿真分析软件，可对产品安全与可靠性提供巨大的保障。

参考文献：

[1]闻邦椿，等.振动机械的理论与动态设计方法[M].北京，机械工业出版社，2001.

[2]刘祚时，彭建云.基于ANSYS 的振动筛偏心轴模态分析[J].机械工业出版社，2010（2）.

[3]江东，张桐，陈鑫阳，等.直线式液压马达偏心轴的设计与分析[J].船舶工程，2017.

[4]童小冬，邱东峰.基于理论计算与有限元分析的偏心轴设计校核[J].凿岩机械气动工具，2014.

[5]沙乃旺，周亮.偏心轴类零件加工分析[J].机械工程师，2014（05）：222-223.

[6]樊學能，刘娜，田晋跃，等.基于ANSYS的变速器齿轮静力学强度及模态分析[J].机械制造，2014.

[7]杨慧勇，殷晨波，姚克恒.基于ANSYS的塔机起重臂静力学及模态分析[J].建筑机械化，2010.

[8]Tian Bing Ma，Jian Jun Zhang，Fei Du. Stiffened Panels Modal and Stress Analysis Based on ANSYS[J]. Applied Mechanics and Materials，2014，3468（644）.

[9]Xue Mei Qi，Jing Dong Zhang. ANSYS Workbench for Static Analysis of Excavator Arm[J]. Advanced Materials Research，2014，3181（926）.

[10]Zhang Li，Xi Zhe Zang，Lai Chun Suo，Yan He Zhu，Jie Zhao.Static Analysis and Modal Analysis of Heavy-Load Manipulator Based on ANSYS[J]. Applied Mechanics and Materials，2014，3207（556）.