含弹性橡胶连杆的平行四边形机构振动机理分析

程寿国 苏春芳 刘毅 刘洪斌

摘要：针对橡胶材料构件对机体的振动力问题，利用有限元方法构建了含橡胶连杆的刚柔耦合平行四边形机构动力学模型。对比分析了在曲柄匀转速运转下机构对机体振动力的变化规律。研究结果表明，相对全刚体平行四边形机构而言，含橡胶材料连杆机构对机体的振动力变化剧烈，根据现场应用条件应该采用合理的减震措施。

关键词：橡胶材料;振动力;刚柔耦合

中图分类号：TU399                                      文献标识码：A                                      文章编号：1674-957X（2020）20-0051-02

0  引言

橡胶材料往往应用于机构的减震层或者轴承减震环中。王超等研究了水润滑橡胶轴承的摩擦磨损性能[1]。赵敏提出了一种耐磨耐老化减震橡胶材料[2]。张晓林等研究对橡胶减震材料动态阻尼性能与硫化体系的关系[3]。陈锋等对橡胶轴承的静态和冲击刚度特性进行了研究[4]。本文主要对含橡胶材料构件的机构对机体的振动力进行分析。

1  含弹性连杆的平行四边形机构简介

图1是含弹性连杆的平行四边形机构简图，其中OA=BC=100mm，AB=OC=220mm，OA是驱动曲柄。BC如果视机构为全刚体模型，构件OA、AB、BC、OC不论静止还是运动，其长度均不变，OA的转速与BC的转速始终相同。当AB是橡胶材料时，就不可以简单认为AB运动的时候长度不变，因为橡胶材料变形大，当受力以后AB会发生变形且变形量很大。只有在静止时AB杆的长度与OC杆的长度是相等的。

平行四边形机构对机体的作用力可以用图2等效表示。Fxo与Fyo是作用在铰中心O点的X方向和Y方向的作用力。Fxc与Fyc是作用在铰中心C点的X方向和Y方向的作用力。Fxo、Fyo、Fxc与Fyc可通过力与力矩的平衡方程组求解。对于全刚性构件机构在求解时相对容易，因为各个杆的角加速度比较容易计算。当AB杆为橡胶材料时，运动过程中受到力的作用产生的变形比较大，也就使得列方程求解很困难。

2  全刚体构件平行四边形机构对机体的振动力分析

图3和图4分别是曲柄旋转三个周期铰O处全刚体机构运动对机体振动力和铰C处全刚体机构运动对机体振动力响应图。从图3中可以看出转速越高，振动力越大。振动力曲线形是“正弦”曲线。对比图3（a）和图4（a）、图3（b）和图4（b）可以看出，铰O处与铰C处的振动力峰值相同，且峰值时曲柄的转动位置相同。

3  含弹性橡胶连杆的平行四边形机构对机体的振动力分析

本文通过NASTRAN接口计算橡胶连杆的15阶模态，并生成*.mnf文件，在动力学仿真时激活柔性体做刚柔耦合分析。图5和图6分别是曲柄转动三周时铰O处刚柔耦合机构运动对机体振动力和铰C处刚柔耦合机构运动对机体振动力响应。从图5和图6中已经不能看出像图3和图4那样的周期曲线，不管是X方向振动力还是Y方向振动力都是时刻变化的，数值上比全剛体构件大得多，对机构的基础冲击非常大。

4  结论

本文通过有限元法分析了含橡胶连杆的平行四边形机构运转时对机体的振动力响应。对比全刚体情况下的振动力响应可以得知刚柔耦合分析的振动力冲击力很大，看似无规律，当曲柄分别以90rpm和120rpm旋转时很多时间段内前者的响应甚至大于后者的响应。在利用橡胶连杆作为机构构件时，应该采用合理的减震措施。

参考文献：

[1]王超，周新聪，况福明，黄健，王昊.不同维度碳纳米材料对水润滑橡胶轴承摩擦磨损性能的影响[J].润滑与密封，2020，45（02）：35-39.

[2]赵敏.一种耐磨耐老化减震橡胶材料[J].橡胶工业，2018，65（12）：1438.

[3]张晓林，梁栋，赵树高.硫化体系对橡胶减震材料动态阻尼性能的影响[J].合成橡胶工业，2018，41（01）：45-50.

[4]陈锋，谌勇，华宏星.橡胶轴承静态和冲击刚度特性研究[J].兵工学报，2015，36（S1）：189-194.