凸轮机构动力性能及接触强度分析

1、凸轮机构动力性能及接触强度分析作者：暂无来源：智能制造2014年第5期凸轮机构是一种应用非常广泛的高副机构，分析凸轮机构的动力性能和接触强度时，需要 同时考虑运动副和接触。本文使用ANSYS WORKBENCH对某凸轮机构进行了动力性能分析和强度 分析，得到了该凸轮机构的运动特征和接触强度，所使用的方法对多数机械设计问题具有一定 的参考价值。青岛远洋船员职业学院员亚杰大连海事大学商庆彬本文使用ANSYS WORKBENCH中的Rigid Dynamics分析了某凸轮机构的运动特性，接着使用 Transient Structural分析了该凸轮机构的接触强度，分析结果与凸轮机构的实际运动特性和

2、结构强度相吻合。具体分析过程如下。一、导入凸轮机构模型相对来说，ANSYS WORKBENCH的建模功能不太强大，所以本文使用SolidWorks建立了凸轮 机构实体模型并导入ANSYSWORKBENCH中。凸轮模型如图1所示，由机架、机架2、凸轮、摆杆 和推杆组成，凸轮绕机架上的轴做等速回转运动，最终带动推杆做y轴方向的往复运动。二、分析凸轮机构的运动特性导入凸轮机构模型后，分别添加Rigid Dynamics和Transient Structural两个项目，并 按照图2所示的方式将三个项目连接起来，然后双击Rigid Dynamics 下的Model打开Rigid Dynamics分析程

3、序，打开后会发现connections下的contacts已被自动定义接触，这些接触 大部分是我们不需要的，所以先删除全部接触，然后自己定义新的接触。右键单击contacts弹出快捷菜单一InsertManual ContactRegion，分别定义凸轮与摆杆、 推杆与摆杆之间的接触，接触类型定义为无摩擦(Frictionless)。注意在定义接触时，如果 是一个凸面与一个平面接触，一般定义平面为target面。定义好的接触如图4中的A、B所示。1在进行凸轮动力性能分析时，除了定义接触外，还需要定义合适的运动副。定义运动副前， 需要先点选connections （图3中蓝色方框所示位置），此时

4、工具栏中会出现Body-Ground和 Body-Body两个按钮，如图5所示。两个按钮均包含下拉列表。Body-Ground按钮用来定义体与 “地面”之间的运动副，Body-Body按钮用来定义体与体之间的运动副。对于本文所分析的凸轮机构来说，机架与机架2固定，所以需要添加Fixed （固定）运动 副，选择机架与机架2上的任意表面并通过Body-Ground按钮定义为Fixed即可。定义好的机 架运动副如图4中的C、D所示。凸轮与摆杆绕机架2上的轴转动，所以为转动副（Revolute）。推杆可以相对于机架做y 轴方向的往复运动，所以为移动副（Translational），如果考虑到推杆即能相

5、对于机架做y方 向的相对滑动又能相对于机架绕y轴转动，也可以使用类似于活塞与气缸之间的运动副 （Cylindrical）。另外，本文所分析的凸轮机构中有一弹簧（Spring），作用于机架与推杆之 间。这些运动副需要在Body-Body （而不是Body-Ground）按钮的下拉列表中定义，定义运动副 时需要分别选择组成运动副的两个构件之间相互接触的面，选择面的先后顺序无需考虑。定义 好的运动副及弹簧如图4中的E、F、G、H所示。定义完接触及运动副以后，需要划分网格。在RigidDynamics中，只有定义了运动副和接 触的表面才划分网格。划分完网格后，需要添加载荷并设置分析数据。对于凸轮机构的

6、运动学 分析来说，载荷就是凸轮的角速度。右键单击Transient（B5），如图6中第一个蓝色方框所 示，选择快捷菜单中的InsertJoint Load，此时出现Detail of “JointLoad”窗口，点击 Joint后黄色方框后面的黑色小三角，选择下拉列表中的“Revolute-机架2 To凸轮”，此时 窗口变为图6所示的形式，单击Type后面的黄色方框后面的黑色小三角，在下拉列表中选择 Rotational Velocity，并在其下面的黄色方框内输入数值即可。本文设置的角速度值为 3.14rad/s，逆时针旋转（旋转方向以实际旋转方向为准）。载荷定义完成后，点选Analysis

7、 Settings，如图7所示，设置分析终止时间、初始时间 步、最小时间步和最大时间步即可。本文设置终止时间为2s，即凸轮旋转一周。最小时间步和 最大时间步可以等于初始时间步，也可小于和大于初始时间步，因为启用7Auto Time Stepping，所以软件在分析过程中会自动调整时间步，合理的最大时间步可以使精度不至于太 低，合理的最小时间步可以使分析时间不至于过长。最后，在solution （B6）中添加关心的结果即可。本文添加了推杆沿y方向的位移、速度 和加速度曲线（右键一InsertProbePosition），计算结果如图8所示。三、分析凸轮机构的接触强度一般情况下，机构中的机架强度较

8、大，不易发生破坏，所以我们更关注机构中活动构件的 强度。因此在分析凸轮机构的接触强度时，抑制掉机架和机架2,仅考虑凸轮、摆杆和推杆的 运动和强度。s Al 卜心Jovi t - Rets Effl 钾土 U 烙ICiTn fayCoorlrTate 凸 Ee TWF GtTnettwrtf：分析凸轮机构的接触强度时，要打开T r a n s i e n tStructural分析模块。按照 前面（Rigid Dynamics中）所述的方法添加凸轮机构的接触、运动副、弹簧和凸轮的角速度， 定义好后如图9所示。由图8可知凸轮机构在时间为0.20.9s范围内，推杆才发生运动，其余 时间推杆处于近停程

9、状态，凸轮运动不影响推杆的运动，也不产生接触应力，因此在计算凸轮 机构接触强度时，计算1.5s就足够了。弹簧刚度定义为50KN/m，其他设置均与上述分析相同。Li:二- f Ip，Mua.Bja - aSi| v*：二;, -.hZ1-二二二H 1 AX 母，.亍4 - - r需要注意的是，由于未考虑机架，所以所有运动副均在Body-Ground 下拉列表中添加，添 加时只需要选择一个面即可。添加弹簧时，只有一个面供选择作为弹簧的一个端点，因此另一 个端点只能靠坐标值来确定，需要在Detail窗口中的相应位置输入弹簧另一端点的坐标值（需 要输入坐标值的地方显示为黄色）。接触、运动副和载荷全部定义完成后划分网格，并计算结 果。计算完成后，得到了凸轮机构的动态应力、应变云图和应力、应变随时间的变化曲线。截 取了 0.66s时刻的等效应力云图和0.5s时刻的等效应变云图，如图10、图11所示。当凸轮位 于图10所示的位置时，推杆沿y轴负方向运动，弹簧压缩，弹力最终传递到凸轮与摆杆相互接 触的位置，并产生了接触应力。由于接触应力随时间不断变化，容易产生疲劳破坏。hl a-9 r laaii - Iff? TaliDitl 阮 LMjEalli 艮Hl AC*产 3J1Ru dJloi di eltjC T