基于ANSYSWorkbench对凸轮结构动力学分析

王飞 黄志鹏 刘兴

【摘 要】本文以凸轮上的应力变化和杆的末端输出力为研究对象，进行了刚柔耦合的凸轮传动过程应力分布分析，最后观察计算结果发现，在整个过程中最大应力出现在小圆与杆接触的时候，但小于凸轮材料的屈服强度，所以结构在传动过程中，并不会因为应力过大而导致凸轮的损坏。通过研究杆末端输出力的过程曲线，发现在凸轮与杆刚接触进行传动的时候，力有出现上下震荡的情况。最后对于该结构传动结果，本文还提出了改善的方案。

【关键字】凸轮结构；应力分布；有限元分析

中图分类号：G642 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）21-0037-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.017

【Abstract】In this paper， the stress on the cam and lever at the end of the output force as the research object， has carried on the coupled stress distribution analysis of cam transmission process， the last observation results found that the maximum stress appears in the whole process in a small circle in contact with the rod， but less than the yield strength of cam material， so the structure in the process of transmission， will not cause the damage of the cam because of the stress. By studying the process curve of the output force at the end of the rod， it is found that when the cam is in contact with the rod for transmission， the force will oscillate up and down. Finally， an improved scheme is proposed for the transmission results of the structure.

【Key words】Cam structure； Stress distribution； Finite element analysis

0 引言

凸輪结构在机械设计中常被用于储能结构出现在锻压或者模具机器之中。当凸轮用于控制机构时，可以有效的控制执行机构的自动循环工作，其具有构建数量少，空间体积小的优点。此外，由于其为将旋转运动转化为直线运动的过程可以通过改变凸轮的外轮廓而实现，所以被运用的非常广泛。但是凸轮传动机构属于高副机构，其在传动过程中也有很多的不确定性。本文对于某型号的机械手中的凸轮机构机械传动过程的分析，从而来了解凸轮在传动过程中的应力分布与力的传递情况。

1 凸轮有限元模型建立

1.1 凸轮结构介绍

在本文中，将机械手中的凸轮结构简化为如图所示的凸轮传动结构。图中1为凸轮结构，其围绕偏心圆旋转，图中3机构被视为固定在地面上的机构，来引导杆2在被凸轮1撞击之后的上下运动。在凸轮的偏心圆出安装电机，电机以固定的转矩对凸轮进行输出。对于该机构中的材料采用的是结构钢，其屈服强度为930MPa。

1.2 网格划分

在凸轮的旋转传动过程中，主要的应力应变一般都是出现在凸轮1与杆2的接触部位，而且在本文中只分析凸轮在传动过程中的应力应变情况，所以在画网格的过程中将

凸轮内部的网格划分的较为粗略一点，而在凸轮与杆接触表面的网格划分的需要密集一些，这样可以使在计算过程中所得到的结果更加符合实际情况[3]。具体网格划分如图2所示，最终等到单元数为218310个，节点数为387761个。

1.3 施加边界条件和载荷

根据现有的文献了解到凸轮的传动过程中，凸轮属于容易磨损的机械元件，所以在分析过程中应将凸轮设置为柔性机构，而杆设置为刚性机构，这样的设置可以使得后续的有限元分析的结果更加符合实际传动结构。具体设置如图2、3所示。

此外，为了更好的探索到在固定转矩下的凸轮机构的杆末端所输出的力的变化规律，在原来的模型中又加入了弹簧，弹簧的一端连接杆的末端，另一端则与大地相连。这样就可以在传动过程中，通过观察弹簧的伸长量变化来获得杆末端的输出力的大小。

2 结果分析

2.1 瞬态动力学理论

在ANSYS中有两种求解运动平衡方程的方法： Newmark积分方法与LS-DYNA 模块中的中央差分法。LS-DYNA 采用显式数值积分；Newmark 积分属于隐式数值积分， 为常用的一般动力荷载作用下结构响应的分析方法。

在 Newmark 列式中，假定最终速度和位移的基本积分如下所示：

2.2 有限元计算结果分析

如图4为凸轮机构在整个传动过程中在凸轮上的应力分布情况。从图中可以看出在凸轮上有两处位置的应力云图颜色比较深。分别是凸轮与杆接触的位置和凸轮的偏心圆边缘。其中最大的应力出现在了凸轮与杆接触的位置，其值为132MPa。出现在这样的现象是由于凸轮与杆之间的相对运动导致的内应力增加。未来防止这样的现象持续出现，可以在凸轮的接触表面涂上润滑油，从而减小凸轮与杆之间的摩擦系数。

如图5为凸轮机构在传动过程中凸轮上的应力的变化过程图。凸轮在0～0.125s内，其上的應力几乎为零，这是因为凸轮与杆刚接触到，两构件之间还没有产生相对的运动。而凸轮在0.125～0.45s内，凸轮上的应力突然增加到了38MPa，且在这段时间内，应力值一直在38MPa上下浮动，出现这样的现象的原因是由于凸轮与杆已经完全接触，且杆已经进入上升阶段，所以两构件之间有了相互的挤压。而在该阶段刚结束的时候，应力值突然增大到了132MPa，在该点应该为凸轮的小圆与边的相切处，由于在该处的设计并没有很光滑，所以就出现了应力集中点，在通过该点之后应力值又开始缓缓下降，一直到仿真结束的位置时，应力固定在15MPa。这整个过程中，由于凸轮机构属于高副传动机构，接触处为线接触，所以传动过程有不稳定的情况，所以在应力的变化也是成锯齿状上下跳动。

如图为安装在杆末端的弹簧所测出力的变化曲线图，与之前的凸轮应力曲线图相对应，在0.125s时，凸轮与杆相接触，开始进行传动。刚开始时，由于凸轮与杆的接触面几乎垂直，所以力的传递并不平缓，而是出现了上下浮动的现象，等到0.45s之后，杆与小圆接触，所以传动力开始变得平缓且逐渐变小为零。

3 结论

本文首先通过对凸轮结构进行有限元模型的建立，对其在有限元软件中的边界条件进行了合理的设置，然后以凸轮上的应力变化和杆的末端输出力为研究对象，进行了刚柔耦合的凸轮传动过程应力分布分析，最后观察计算结果发现，在整个过程中最大应力出现在小圆与杆接触的时候，但小于凸轮材料的屈服强度，所以结构在传动过程中，并不会因为应力过大而导致凸轮的损坏。通过研究杆末端输出力的过程曲线，发现在凸轮与杆刚接触进行传动的时候，力有出现上下震荡的情况，这样可以在凸轮的表面涂抹润滑油，从而减小传动过程中的振动情况。

【参考文献】

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