基于ANSYSWorkbench對凸輪結構動力學分析

王飛 黃志鵬 劉興

【摘 要】本文以凸輪上的應力變化和桿的末端輸出力為研究對象，進行了剛柔耦合的凸輪傳動過程應力分布分析，最后觀察計算結果發現，在整個過程中最大應力出現在小圓與桿接觸的時候，但小于凸輪材料的屈服強度，所以結構在傳動過程中，并不會因為應力過大而導致凸輪的損壞。通過研究桿末端輸出力的過程曲線，發現在凸輪與桿剛接觸進行傳動的時候，力有出現上下震蕩的情況。最后對于該結構傳動結果，本文還提出了改善的方案。

【關鍵字】凸輪結構；應力分布；有限元分析

中圖分類號：G642 文獻標識碼： A 文章編號： 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

凸輪結構在機械設計中常被用于儲能結構出現在鍛壓或者模具機器之中。當凸輪用于控制機構時，可以有效的控制執行機構的自動循環工作，其具有構建數量少，空間體積小的優點。此外，由于其為將旋轉運動轉化為直線運動的過程可以通過改變凸輪的外輪廓而實現，所以被運用的非常廣泛。但是凸輪傳動機構屬于高副機構，其在傳動過程中也有很多的不確定性。本文對于某型號的機械手中的凸輪機構機械傳動過程的分析，從而來了解凸輪在傳動過程中的應力分布與力的傳遞情況。

1 凸輪有限元模型建立

1.1 凸輪結構介紹

在本文中，將機械手中的凸輪結構簡化為如圖所示的凸輪傳動結構。圖中1為凸輪結構，其圍繞偏心圓旋轉，圖中3機構被視為固定在地面上的機構，來引導桿2在被凸輪1撞擊之后的上下運動。在凸輪的偏心圓出安裝電機，電機以固定的轉矩對凸輪進行輸出。對于該機構中的材料采用的是結構鋼，其屈服強度為930MPa。

1.2 網格劃分

在凸輪的旋轉傳動過程中，主要的應力應變一般都是出現在凸輪1與桿2的接觸部位，而且在本文中只分析凸輪在傳動過程中的應力應變情況，所以在畫網格的過程中將

凸輪內部的網格劃分的較為粗略一點，而在凸輪與桿接觸表面的網格劃分的需要密集一些，這樣可以使在計算過程中所得到的結果更加符合實際情況[3]。具體網格劃分如圖2所示，最終等到單元數為218310個，節點數為387761個。

1.3 施加邊界條件和載荷

根據現有的文獻了解到凸輪的傳動過程中，凸輪屬于容易磨損的機械元件，所以在分析過程中應將凸輪設置為柔性機構，而桿設置為剛性機構，這樣的設置可以使得后續的有限元分析的結果更加符合實際傳動結構。具體設置如圖2、3所示。

此外，為了更好的探索到在固定轉矩下的凸輪機構的桿末端所輸出的力的變化規律，在原來的模型中又加入了彈簧，彈簧的一端連接桿的末端，另一端則與大地相連。這樣就可以在傳動過程中，通過觀察彈簧的伸長量變化來獲得桿末端的輸出力的大小。

2 結果分析

2.1 瞬態動力學理論

在ANSYS中有兩種求解運動平衡方程的方法： Newmark積分方法與LS-DYNA 模塊中的中央差分法。LS-DYNA 采用顯式數值積分；Newmark 積分屬于隱式數值積分， 為常用的一般動力荷載作用下結構響應的分析方法。

在 Newmark 列式中，假定最終速度和位移的基本積分如下所示：

2.2 有限元計算結果分析

如圖4為凸輪機構在整個傳動過程中在凸輪上的應力分布情況。從圖中可以看出在凸輪上有兩處位置的應力云圖顏色比較深。分別是凸輪與桿接觸的位置和凸輪的偏心圓邊緣。其中最大的應力出現在了凸輪與桿接觸的位置，其值為132MPa。出現在這樣的現象是由于凸輪與桿之間的相對運動導致的內應力增加。未來防止這樣的現象持續出現，可以在凸輪的接觸表面涂上潤滑油，從而減小凸輪與桿之間的摩擦系數。

如圖5為凸輪機構在傳動過程中凸輪上的應力的變化過程圖。凸輪在0～0.125s內，其上的應力幾乎為零，這是因為凸輪與桿剛接觸到，兩構件之間還沒有產生相對的運動。而凸輪在0.125～0.45s內，凸輪上的應力突然增加到了38MPa，且在這段時間內，應力值一直在38MPa上下浮動，出現這樣的現象的原因是由于凸輪與桿已經完全接觸，且桿已經進入上升階段，所以兩構件之間有了相互的擠壓。而在該階段剛結束的時候，應力值突然增大到了132MPa，在該點應該為凸輪的小圓與邊的相切處，由于在該處的設計并沒有很光滑，所以就出現了應力集中點，在通過該點之后應力值又開始緩緩下降，一直到仿真結束的位置時，應力固定在15MPa。這整個過程中，由于凸輪機構屬于高副傳動機構，接觸處為線接觸，所以傳動過程有不穩定的情況，所以在應力的變化也是成鋸齒狀上下跳動。

如圖為安裝在桿末端的彈簧所測出力的變化曲線圖，與之前的凸輪應力曲線圖相對應，在0.125s時，凸輪與桿相接觸，開始進行傳動。剛開始時，由于凸輪與桿的接觸面幾乎垂直，所以力的傳遞并不平緩，而是出現了上下浮動的現象，等到0.45s之后，桿與小圓接觸，所以傳動力開始變得平緩且逐漸變小為零。

3 結論

本文首先通過對凸輪結構進行有限元模型的建立，對其在有限元軟件中的邊界條件進行了合理的設置，然后以凸輪上的應力變化和桿的末端輸出力為研究對象，進行了剛柔耦合的凸輪傳動過程應力分布分析，最后觀察計算結果發現，在整個過程中最大應力出現在小圓與桿接觸的時候，但小于凸輪材料的屈服強度，所以結構在傳動過程中，并不會因為應力過大而導致凸輪的損壞。通過研究桿末端輸出力的過程曲線，發現在凸輪與桿剛接觸進行傳動的時候，力有出現上下震蕩的情況，這樣可以在凸輪的表面涂抹潤滑油，從而減小傳動過程中的振動情況。

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