基于ANSYSWorkbench對凸輪結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析

王飛 黃志鵬 劉興

【摘 要】本文以凸輪上的應(yīng)力變化和桿的末端輸出力為研究對象，進(jìn)行了剛?cè)狁詈系耐馆唫鲃舆^程應(yīng)力分布分析，最后觀察計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在整個過程中最大應(yīng)力出現(xiàn)在小圓與桿接觸的時候，但小于凸輪材料的屈服強(qiáng)度，所以結(jié)構(gòu)在傳動過程中，并不會因?yàn)閼?yīng)力過大而導(dǎo)致凸輪的損壞。通過研究桿末端輸出力的過程曲線，發(fā)現(xiàn)在凸輪與桿剛接觸進(jìn)行傳動的時候，力有出現(xiàn)上下震蕩的情況。最后對于該結(jié)構(gòu)傳動結(jié)果，本文還提出了改善的方案。

【關(guān)鍵字】凸輪結(jié)構(gòu)；應(yīng)力分布；有限元分析

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)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(jié)構(gòu)在機(jī)械設(shè)計(jì)中常被用于儲能結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在鍛壓或者模具機(jī)器之中。當(dāng)凸輪用于控制機(jī)構(gòu)時，可以有效的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動循環(huán)工作，其具有構(gòu)建數(shù)量少，空間體積小的優(yōu)點(diǎn)。此外，由于其為將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動的過程可以通過改變凸輪的外輪廓而實(shí)現(xiàn)，所以被運(yùn)用的非常廣泛。但是凸輪傳動機(jī)構(gòu)屬于高副機(jī)構(gòu)，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(jī)械手中的凸輪機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動過程的分析，從而來了解凸輪在傳動過程中的應(yīng)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(jié)構(gòu)介紹

在本文中，將機(jī)械手中的凸輪結(jié)構(gòu)簡化為如圖所示的凸輪傳動結(jié)構(gòu)。圖中1為凸輪結(jié)構(gòu)，其圍繞偏心圓旋轉(zhuǎn)，圖中3機(jī)構(gòu)被視為固定在地面上的機(jī)構(gòu)，來引導(dǎo)桿2在被凸輪1撞擊之后的上下運(yùn)動。在凸輪的偏心圓出安裝電機(jī)，電機(jī)以固定的轉(zhuǎn)矩對凸輪進(jìn)行輸出。對于該機(jī)構(gòu)中的材料采用的是結(jié)構(gòu)鋼，其屈服強(qiáng)度為930MPa。

1.2 網(wǎng)格劃分

在凸輪的旋轉(zhuǎn)傳動過程中，主要的應(yīng)力應(yīng)變一般都是出現(xiàn)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(yīng)力應(yīng)變情況，所以在畫網(wǎng)格的過程中將

凸輪內(nèi)部的網(wǎng)格劃分的較為粗略一點(diǎn)，而在凸輪與桿接觸表面的網(wǎng)格劃分的需要密集一些，這樣可以使在計(jì)算過程中所得到的結(jié)果更加符合實(shí)際情況[3]。具體網(wǎng)格劃分如圖2所示，最終等到單元數(shù)為218310個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為387761個。

1.3 施加邊界條件和載荷

根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)了解到凸輪的傳動過程中，凸輪屬于容易磨損的機(jī)械元件，所以在分析過程中應(yīng)將凸輪設(shè)置為柔性機(jī)構(gòu)，而桿設(shè)置為剛性機(jī)構(gòu)，這樣的設(shè)置可以使得后續(xù)的有限元分析的結(jié)果更加符合實(shí)際傳動結(jié)構(gòu)。具體設(shè)置如圖2、3所示。

此外，為了更好的探索到在固定轉(zhuǎn)矩下的凸輪機(jī)構(gòu)的桿末端所輸出的力的變化規(guī)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(jié)果分析

2.1 瞬態(tài)動力學(xué)理論

在ANSYS中有兩種求解運(yùn)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(shù)值積分；Newmark 積分屬于隱式數(shù)值積分， 為常用的一般動力荷載作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)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(jì)算結(jié)果分析

如圖4為凸輪機(jī)構(gòu)在整個傳動過程中在凸輪上的應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出在凸輪上有兩處位置的應(yīng)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(yīng)力出現(xiàn)在了凸輪與桿接觸的位置，其值為132MPa。出現(xiàn)在這樣的現(xiàn)象是由于凸輪與桿之間的相對運(yùn)動導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力增加。未來防止這樣的現(xiàn)象持續(xù)出現(xiàn)，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(shù)。

如圖5為凸輪機(jī)構(gòu)在傳動過程中凸輪上的應(yīng)力的變化過程圖。凸輪在0～0.125s內(nèi)，其上的應(yīng)力幾乎為零，這是因?yàn)橥馆喤c桿剛接觸到，兩構(gòu)件之間還沒有產(chǎn)生相對的運(yùn)動。而凸輪在0.125～0.45s內(nèi)，凸輪上的應(yīng)力突然增加到了38MPa，且在這段時間內(nèi)，應(yīng)力值一直在38MPa上下浮動，出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象的原因是由于凸輪與桿已經(jīng)完全接觸，且桿已經(jīng)進(jìn)入上升階段，所以兩構(gòu)件之間有了相互的擠壓。而在該階段剛結(jié)束的時候，應(yīng)力值突然增大到了132MPa，在該點(diǎn)應(yīng)該為凸輪的小圓與邊的相切處，由于在該處的設(shè)計(jì)并沒有很光滑，所以就出現(xiàn)了應(yīng)力集中點(diǎn)，在通過該點(diǎn)之后應(yīng)力值又開始緩緩下降，一直到仿真結(jié)束的位置時，應(yīng)力固定在15MPa。這整個過程中，由于凸輪機(jī)構(gòu)屬于高副傳動機(jī)構(gòu)，接觸處為線接觸，所以傳動過程有不穩(wěn)定的情況，所以在應(yīng)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(yīng)力曲線圖相對應(yīng)，在0.125s時，凸輪與桿相接觸，開始進(jìn)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(xiàn)了上下浮動的現(xiàn)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(jié)論

本文首先通過對凸輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模型的建立，對其在有限元軟件中的邊界條件進(jìn)行了合理的設(shè)置，然后以凸輪上的應(yīng)力變化和桿的末端輸出力為研究對象，進(jìn)行了剛?cè)狁詈系耐馆唫鲃舆^程應(yīng)力分布分析，最后觀察計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在整個過程中最大應(yīng)力出現(xiàn)在小圓與桿接觸的時候，但小于凸輪材料的屈服強(qiáng)度，所以結(jié)構(gòu)在傳動過程中，并不會因?yàn)閼?yīng)力過大而導(dǎo)致凸輪的損壞。通過研究桿末端輸出力的過程曲線，發(fā)現(xiàn)在凸輪與桿剛接觸進(jìn)行傳動的時候，力有出現(xiàn)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。

【參考文獻(xiàn)】

[1]葉秉良，李麗，俞高紅.蔬菜缽苗移栽機(jī)取苗臂凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，8（4）：254-257.

[2]柏淑紅.采用伺服電機(jī)的電子凸輪控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程，2012，6：52-55.

[3]張宏獻(xiàn)，林祖正，丁偉.一種基于柔性凸輪的噴灑區(qū)域任意可調(diào)的灑水器設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2018，3：17-20.

[4]蔣蘭，曹成茂，謝承健.山核桃破殼機(jī)敲擊臂凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2018，6：33-37.

[5]蘇志勇.噴水織機(jī)織造雙層織物組織的開口凸輪設(shè)計(jì)[J].紡織機(jī)械，2018，3：41-43.