基于ANSYS机械增压器主动轴的动态特性分析

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1、第33卷第3期基于ANSYS机械增压器主动轴的动态特性分析文章编号：1004—2539{2009)03—0001—03基于ANSYS机械增压器主动轴的动态特性分析(中南大学机电工程学院，湖南长沙410075)赵厚继刘厚根王宇奇朱晓东摘要利用有限元分析软件ANSYS建立了机械增压器主动轴系统的三维有限元模型，采用了Sub-space模态提取法对主动轴系统进行模态分析，计算主动轴前4阶固有频率和振型，并获得了其在正常工作下的位移频率响应曲线，最后分析了支撑刚度对主动轴固有频率的影响，为机械增压器降噪和控制共振提供了理论依据。

2、关键词机械增压器有限元模态分析谐响应分析固有频率刀槽、倒角、螺纹等局部特征。由于叶轮和带轮的材质。引言为铝，前端轴和叶轮轴的材质为合金钢。在单独划分机械增压器在工作状态可使汽车发动机输出功率网格前进行了面的结合。根据结构的实际情况，为了提升20％～40％，通常发动机～脱离怠速区即能带动提高运算速度，选择源面用solide45单元划分网格，见机械增压器产生增压效果，并延续至发动机最高转图3。速l1j，它的这种低速增压的特性被越来越多的应用在中小型发动机上。机械增压器工作原理上是容积式的回转压缩机——罗茨鼓风机，它在机壳内装

3、有两个转子，由发动机的曲轴通过皮带驱动两个同步齿轮使转子互相啮合反向旋转_2J，如图1所示。由于增压器的叶轮和墙板及其壳体的间隙要求小于0．1mm，而且增压器的工作速度可高达每分钟14000转，通过研究其主动轴系统动态特性，对其进行合理、科学的计算，是1．带轮2．前支承轴承3．齿轮4．中部支承轴承5．尾部支承轴承6．前端轴7．主动叶轮轴8．叶轮其动态优化设计的重要部分。我们以研制的一台扭叶图2主动轴部分的结构简图机械增压器为例，运用有限元软件ANSYS，对其主轴系统动力学特性进行了分析，探讨了在正常工作时的抗振性能，为增

4、压器的设计改进提供了方法和依据。l机械增压器主轴系统简介机械增压器主动轴系统主要由前端轴、叶轮轴、叶轮、齿轮和轴承几部分组成。前端轴和叶轮轴靠螺栓连图3主轴系统的有限元模型接。在前端轴上装有皮带轮，而叶轮轴和叶轮通过过简化的主动轴系统为前端中段滑动固定，后端固盈配合固定在一起。主动轴定，前支承处约束自由度Ux==0；中部支承约束自通过3个轴承支撑在壳体由度Ux==O；后支承处自由度Ux===0。上，其前部为滚珠轴承图1罗茨式增压器三维模型另外，关于材料本身的性能参数，文中对合金钢取其弹16003，中部为单列圆柱滚子轴承N

5、U型202，后部为双性模量E=2．06×1o5MPa，密度fD=7．8×10kg／帆3，列向心球推力轴承5202。图2为增压器主动轴系统部泊松比=0．3。对铝合金取E=0．7×104MPa，p：件的结构简图。2．7×10—6kg／唧3，v=0．33。2有限元模型的建立3主动轴系统的动态特性有限元分析为了方便有限元分析，对模型进行了简化，忽略退主动轴的动态特性是指它抵抗受迫振动和自激振2机械传动2OO9经动的能力。我们利用ANSYS强大的动力学分析功能，合度，斜齿轮旋向和叶轮相反，可抵消气体对叶轮的轴对主轴系统进行模态分析

6、和谐响应分析。向力，提高了传动的平稳性。3．1主轴系统的模态分析我们使用Subspace子空间迭代法对其进行模态分析求解，子空间法适应于提取大模型少数阶模态，对内存的要求较低，需要大量的硬盘空间。它采用完整的质量矩阵[]和质量矩阵[M]，因此计算精度很高[引。考虑到其中轴承的弹性对主轴的固有频率的影图51阶振型图图62阶振型图响，假设每个弹性的支承轴承均有4个均布的弹簧组成。在ANSYS中每个弹簧用一个弹簧阻尼单元com—binl4模拟，为了限制主动轴在轴向方向的移动，在主轴上放置3个轴承的截面处与弹簧相连接的4个主轴一

7、一上的节点施加约束(即图4中的、、、4个节图73阶振型图图84阶振型图点)限制其轴向移动。在弹簧的另外一端，也是轴承的外径圆周上(即图4中的、、713、4个节点)为完3．2主轴系统的谐响应分析动力响应是评价机械增压器主动轴动态特性的一全固接[4l。个重要指标。因此必须通过研究主动轴系统的动力响由于Combinl4的刚度应来避免发生共振这种情况。系统的动力响应可表示是难以确定，它与轴承的材为料、结构、形状等因素有关。参照文献[5]取弹簧的刚度[^f]*{(t)}+[c]*{(t)}+[]*{(t)}为K=5x106N／mm

8、，前轴承={P(t)}的阻尼为1170N·s／m，中部其中，矩阵[]、[C]和[]分别是质量矩阵、阻尼矩和后部轴承阻尼为765阵和刚度矩阵；{(t)}、{(t)}和{(f)}为系统中节N"s／m。主轴系统的模态分点的加速度、速度和位移向量，它们均为时间的函数；析结果如表l，机械增压器图4主动轴支承简化模型图{P(t)