基于Workbench的弧面凸轮机构静力学分析

龙勇云,叶石华,吴汉阁

摘要：本文基于UG及其Open Grip二次开发工具对弧面凸轮进行三维实体建模，利用Workbench软件的静力学分析模块进行静力学分析，得到弧面凸轮机构的位移云图、应变云图和应力云图，为弧面凸轮机构的受力分析和强度校核提供依据，也揭示了弧面凸轮机构静力学特性内在规律。

关键词：弧面凸轮机构 静力学分析

0 引言

弧面分度凸轮机构已被广泛应用于高速高精度传动场合，在运动传递过程中承受着较大的载荷，其静力学特性影响着机构的工作性能，因此在工作过程中须对其静力学特性进行分析。在弧面凸轮静态研究方面，曹巨江[1]应用MATLAB软件、UG软件建立弧面凸轮三维实体模型并基于Workbench对其进行了相关分析。杨冬香[2]基于Marc软件研究弧面凸轮在啮合传动过程中的静力学变形。曹巨江[3]、田普建[4]使用ANSYS软件分析滚子曲率对滚子应力、应变的影响。赵雪妮[5]、方正代[6]对球锥滚子类型弧面凸轮机构压力角方面进行了一些研究。由于弧面凸轮机构的复杂性，进行有限元分析比较困难，在静力学研究方面的文献主要集中在曲率和压力角的分析。

因此本文基于Workbench软件对圆柱型弧面凸轮机构的应力、应变进行分析，为弧面凸轮机构的强度校核分析提供依据，为弧面凸轮机构的设计提供参考。

1 建立弧面凸轮机构三维模型

在弧面凸轮及从动盘上建立各自的局部坐标系和整体坐标系，然后推导出弧面凸轮廓面方程，然后再利用UG软件二次开发语言Open Grip编写弧面凸轮建模源程序如图1所示。执行Grip程序然后设置好相应的弧面凸轮参数，将生成弧面凸轮三维模型，其与分度盘的装配图如图2所示。

2 基于Ansys Workbench弧面凸轮静力学分析

将弧面凸轮机构三维模型以Parasolid格式导入到Workbench中，然后划分网格，施加边界条件及外载，然后进行静力学分析。在从动盘的旋转轴上添加“Cylindrical Support”圆柱面约束和“Fixed Support”固定约束；在弧面凸轮两端旋转轴施加“Cylindrical Support”圆柱面约束，并把“Cylindrical Support”的切向设置为“Free”，并在弧面凸轮旋转轴上施加模拟扭矩，最后进行求解，得到的结果如图3至图5所示。

3 弧面凸轮机构静力学分析结果

至此完成了圆柱滚子型弧面分度凸轮机构在弧面凸轮旋转轴施加1000的扭矩下的静力学分析，得到了其位移云图、应力云图和应变云图。圆柱滚子型弧面凸轮机构的最大位移、最大应力、最大应变数据如表1所示。

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4 结语

通过本文的研究，对弧面凸轮机构的静力学特性进行了分析，本文为弧面凸轮机构的设计、强度校核提供了一种新思路。

参考文献：

[1]曹巨江，吕凯归，李龙刚.圆锥滚子弧面凸轮减速器的研究与应用[C].上海：2010.

[2]杨冬香.弧面凸轮啮合过程中的弹性变形静力学分析[J].机械设计与制造，2009（2）：32-34.

[3]曹巨江，田普建，赵雪妮.点啮合弧面凸轮机构变形的分析与研究[C].上海：2007.

[4]田普建，曹巨江，赵雪妮.点啮合弧面凸轮机构变形分析[J].机械传动，2009，33（1）：71-72，92.

[5]赵雪妮，曹巨江，卢军.点啮合球锥滚子弧面分度凸轮机构的接触应力分析[J].机械传动，2003，27（4）：38-40.

[6]罗仁芝，胡自化.连续分度弧面凸轮的三维实体造型方法研究[J].机械设计与制造，2007（12）：174-176.

作者简介：

龙勇云（1987-），男，湖南邵阳人，硕士研究生，研究方向：机械CAD/CAE/CAM技术。

叶石华（1961-），男，广东茂名人，高级工程师，主要研究方向：机床电气控制研究。

吴汉阁（1958-），男，广东湛江人，副教授，主要研究方向：机床结构优化研究。