机车柴油机喷油泵凸轮接触应力分析

本文格式为Word版，下载可任意编辑——机车柴油机喷油泵凸轮接触应力分析经典理论，并在以往的凸轮机构接触问题中得到广泛应用。但是基于其自身的假设，将Hertz理论应用于变曲率半径接触表面的应力计算中，其结果的精度就会降低。因此，对于繁杂表面的接触问题，Hertz理论可以作为一种估算的方法。而由于有限元法可以求解边界条件，几何形状，载荷方式极为繁杂的问题，所以目前得到了广泛应用。基于上述研究方法的特点，可以利用Hertz理论对原滚轮凸轮机构的应力进行估算，然后通过有限元分析软件ANSYS对基本尺寸一致而滚轮外形略有区别的一系列柴油机滚轮凸轮机构进行计算，寻觅不同滚轮外形对接触应力分布的影响规律。本算例中：滚轮赫兹应力：σmax=0.418F为柱塞销给滚轮的法向作用力，取20238N;E为材料的弹性模量，取206GPa;ρ1为凸轮接触处的曲率半径，取无穷大;ρ2为滚轮在接触处的曲率半径，取13mm，b为滚轮与凸轮接触宽度，取17mm。计算得σmax=1806MPa。

1.2有限元计算

在有限元分析软件中，接触分析是一个较繁杂的问题，随着接触状态的改变，接触表面的法向和切向刚度都有显著的变化，刚度方面大的突变寻常会导致严重地收敛困难。其次在建立接触之前，模型中某些区域初始为无约束自由体，整体刚度为零，在静态分析中，无约束自由体在数学上是不稳定的，求解“溢出〞。因此结构中微小地改变都有可能导致运算结果不收敛，在建立本接触模型时要特别注意。本次模型计算的目的是找到适合的滚轮外形结构，这需要对滚轮外形进行一系列微小的改变，为了使滚轮在结构改变的时候，模型的约束和受力具有通用性，有必要在不影响结果的状况下对模型进行简化，使模型更简单添加约束。

2计算结果

通过计算与对比可以得到如图1、图2、图3和图4。

倒角或倒圆滚轮节点等效应力峰值的变化曲线图的等效应力变化曲线图。（1）如图1所示，对于圆柱型滚轮，假使存在45°的倒角或倒圆，边缘应力会更大。（2）如图2，3所示，鼓型滚轮和加倒圆的圆柱型滚轮，随半径的增大，其应力峰值均先减小后增大，但是在小半径（R361.3），且L2=0.1mm的时候，加倒圆的滚轮应力峰值明显小于鼓型滚轮的应力。所以当R361.3时，为了减小滚轮与凸轮间的接触应力，选用加倒圆的圆柱型滚轮好于选用鼓型滚轮，当R361.3时，选用鼓型滚轮好于选用加倒圆的圆柱型滚轮。（3）如图3所示，对于鼓型滚轮，当滚轮半径为5000mm时，此时应力最小为1009MPa，且应力分布很均匀，所以选用鼓型滚轮时，滚轮半径可以选用5000mm。当滚轮半径达到1000000mm时，其应力及应力分布与不加倒角和倒圆的圆柱型滚轮相近如图2所示，对于加倒圆的圆柱型滚轮，滚轮应力峰值位置处于倒圆与棱边的相切点，假使固定L2=0.1mm不变，当L=5mm时（R=180.05mm），其应力分布十分均匀。等效应力峰值最小为1265MPa。所以L2=0.1mm的时候，选用加倒圆的圆柱型滚轮时，圆弧半径可以选用180.05mm。但是这类倒圆弧（L2=0.1mm）应力范围较小，所以可以考虑减小下沉量，并加大圆弧半径以期望达到更好的效果。（4）如图4所示，本课题依托的实际模型，存在的磨损现象与计算仿真结果一致，等效应力峰值明显大于其它结构的滚轮，其应力峰值位置处于倒角边与棱边的相交点上，所以通过机加工消除这种点，使滚轮表面圆滑，以减小应力峰值。

总之，通过有限元计算可知，为了减小滚轮的边缘应力，可以给滚轮加大的倒圆弧或采用大弧度的鼓型滚轮，但不