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工业设计/产品设计 |
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凸轮机构的承载能力计算 |
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1 凸轮副的失效形式
组成凸轮副的凸轮轮廓与从动件之间理论上是点接触或线接触。在载荷的作用下，接触处因弹性变形而形成一个微小的接触面，凸轮副材料在其上各自产生与接触面垂直的接触应力和与接触面平行的剪切应力。由于接触面很小，因而这种应力往往很大，而且在凸轮运转过程中这种应力是交变的。另外，凸轮轮廓与从动件在接触处存在相对运动，因此凸轮副又是一种摩擦副，凸轮轮廓和从动件的工作面必然会被磨损。因此，针对凸轮机构的型式和工作状况，凸轮副的失效形式主要有以下几种类型：
1. 接触疲劳磨损（点蚀）
凸轮副在交变接触应力和剪切应力的作用下，工作表面产生裂纹，裂纹沿着与工作表面倾斜的方向扩展到一定深度后，又向工作表面延伸，形成小片而脱落，在工作表面上留下一个个小凹坑。这种现象称为接触疲劳磨损，也称点蚀。
2. 粘着磨损（胶合）
当凸轮副接触处相对滑动速度较高时，工作表面温度增高，使接触表面不平整的峰顶材料产生塑性变形，并导致凸轮副材料产生粘焊现象，并因相对滑动使粘焊处被撕脱，在工作表面沿滑动方向形成沟痕。这种现象称为粘着磨损，通常也称胶合。
3. 磨粒磨损
凸轮副在相对运动过程中带入硬质颗粒，使工作表面上的材料脱落，称为磨粒磨损。点蚀脱落的金属屑和介质中的硬颗粒杂质，都是导致磨粒磨损的因素。
4. 腐蚀磨损
在高温、潮湿的环境中，或在有腐蚀性气体的工作位置上运转的凸轮副，其工作表面与周围介质发生化学反应或电化学反应而使表层材料变质脱落，称为腐蚀磨损。
5. 振动和噪声
凸轮-从动件系统是一多自由度弹性振动系统。由于凸轮轮廓加工后存在微观的切削痕迹，痕迹峰脊与从动件工作表面相对运动时，对系统附加高频激振源，严重时会导致强烈振动和有害噪声。
提高凸轮副材料的表面硬度、降低表面粗糙度值和采取润滑是防止或减轻上述磨损失效的主要措施。
2 凸轮副的材料及其热处理
凸轮和从动件应具有足够的强度和耐磨性。一般应使从动件上与凸轮相接触部分的硬度略低于凸轮的硬度，因更换从动件比更换凸轮价廉而简便。
凸轮副常用材料及其热处理，可根据载荷情况按下表选用。
凸轮材料及其热处理
| 材料类型 | 热 处 理 | 硬 度 | 接触疲劳强度极限
σHlim(MPa) | 特 点 和 用 途 | |
| 碳素钢 | 正火 | HB150～190 | 2HB+70 | 低速、轻载凸轮或从动件 | | 调质 | HB220～250 | 2HB+70 | 综合性能较好，用于中低速、中载的凸轮或从动件 | | 调质后表面淬火 | HRC45～50 | 17HRC+200 | 中高速、中载、中等精度的凸轮或从动件 | | 合金钢 | 调质 | HB220～285 | 2HB+70 | 性能优于碳素钢调质，应用情况同碳素钢 | | 调质后表面淬火 | HRC45～50 | 17HRC+200 | 淬透性好，应用情况同碳素钢 | | 氮化 | HV550～750 | 1050 | 接触疲劳强度高，用于中高速、中载、高精度的凸轮或从动件 |
3 凸轮副的接触强度
对于滚子从动件盘形凸轮机构，滚子与凸轮轮廓理论上为线接触，考虑到弹性变形，实际上为很小的面接触。接触面上的最大接触应力可按赫兹公式计算，由第4章可得其值为
式中rf为滚子半径(mm)，即rf=rT；rc为凸轮实际轮廓上接触点处的曲率半径(mm)；mf、mc分别为从动件和凸轮的材料泊松比；Ef、Ec分别为从动件和凸轮的材料弹性模量(MPa)；b为从动件与凸轮的接触宽度(mm)；F为凸轮副的法向压力(N)，可通过对凸轮机构的力分析获得；"±"中的"+"用于凸轮轮廓外凸时，"-"用于凸轮轮廓内凹时。
对于钢制凸轮副，有mf=mc=0.3，Ef=Ec=2.06×105MPa。代入上式可得钢制凸轮副的接触强度校核公式
式中[σH]为许用接触应力，按下式计算：
式中σHlim为凸轮副材料的接触疲劳强度极限，其值主要取决于工作表面的硬度。σH为安全系数，对正火、调质、整体淬火的凸轮或从动件，取SH=1.1；对表面淬火、氮化的工作表面，取SH=1.2。
必须指出，由于凸轮机构运转过程中法向压力F和凸轮轮廓接触点曲率半径是变化的，为凸轮转角 的函数，因此 也是 的函数。接触强度校核必须对凸轮机构一个运动循环中的最大接触应力进行计算，并要求满足
当取rT=∞时，上述公式即可用于平底从动件凸轮副的接触强度计算。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(2/15/2005) |
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