疲劳试验机中增频等径凸轮机构的设计研究

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疲劳失效是金属材料及结构的主要失效形式，飞机、车辆和机器发生的事故中，有很大比例是由于零部件疲劳失效造成的 1 J。因此，对材料及构件的疲劳特性研究尤为重要。目前，疲劳性能的研究以试验为主要手段 J，利用疲劳试验机测试各种金属材料和构件的疲劳性能，试验需花费大量时问。为提高效率，缩短试验周期，应设法提高疲劳试验机的频率。

针对某航空件的弯曲振动疲劳特性试验，设计了- 种增频等径凸轮机构，用于疲劳试验机，可实现增频的目的。

2 增频疲劳试验机的工作原理如图 1所示，试件 2-端与机架 1相连，另-端与推杆 3相连。当凸轮 5转动时，带动推杆做往复运动，从而使试件2下端产生小幅往复摆动，实现弯曲加载，其振幅等于凸轮的升程。若凸轮回转-周带动推杆往复运动-次，则该试验机的频率即为凸轮转动频率，要提高试验效率，只能提高凸轮的转速，但这样会带来振动、冲击等-系列问题，所以-般的疲劳试验机频率都较低。笔者设计了图1中的等径凸轮，其廓线由多个具有相同运动规律的廓线组合而成，当凸轮回转-周，可带动推杆往复运动多次，在不提高凸轮转速的情况下，可成倍提高该疲劳试验机的频率。

3 凸轮廓线的设计为达到避免冲击同时实现增频的目的，采用 n个正弦加速度运动规律相结合，根据所需试件应力幅值的大小，可计算出推杆往复运动的升程 A，设凸轮转角为 6，使其推程运动角 与回程运动角6 相等，即6 盯/ ，取推杆的-个运动循环(以0≤6<2/n区间为例)进行分析，可得其位移方程为：fA[等- 1 sin(2硒)]o≤6≤詈(推程段)a[2-等 1 sin(2硒)]詈< < (回程段)图 1 增频疲劳试验机原理图1.机架 2.试件 3.推杆 4.滚子 5.凸轮取凸轮旦J转中心 0为极点 ，设 凸轮基 半径 为r。，则可得凸轮理论廓线的极坐标方程为：Pr0 [ - 1 sin(2硒)]0≤6≤ (推程段)2A-A[警- sin(2硒)]詈< < (回程段)丹 收稿日期：2012-12-30作者简介：张晓露(1982-)，男 ，安徽太和人，讲师，研究方向：机械设计、流体流动与传热。

· 86·· 机械研究与应用 ·2013年第1期(第26卷。总第123期) 设计与制造n为奇数时，凸轮上任意-条向径长为：p( )p( 1)P( )p(6 ) r0 [ - 1 sin(2硒)]r02A-A旦( )- sin(2n翌 )1 L n 盯 J2r0A所以，n为奇数时，该凸轮为等径凸轮。

若滚子半径为 rr，则可得凸轮实际廓线的极坐标方程为 ：PTJp2r；-2prcos0T0arctg[，rsin a/(p-rrCOS)其中压力角 为：tg ： -ds/-d6：A ，E1-c。s(2硒 )P lI在加工凸轮时，可选择与滚子外径相同的立铣刀，使其轴线沿凸轮理论廓线运动即可。

4 凸轮机构的力分析由推杆的位移方程，可得其加速度大小为：a8，rAn H2sin(2n6)式中：日为凸轮转动频率；nH即为推杆往复运动频率，即试件振动频率；设推杆的质量为m，则滚子所受的惯性力为：Fm08，nmAn H2sin(2n6)当6'r/4n时，惯性力有最大值 ：F 8rmAn取 凡9，r0100mm，A4mm， 10Hz，mlkg，则：F 8rmAn 8，rr X l X 4 × 10- X 9 X 10814.3(N)此时：tga nA [1cos(2n < 1Tp 盯rn： 0.1146叮T X 100 。

压力角 较小，则滚子所受凸轮的法向力为：R F/cosa F于是 ：- F 814.3N5 滚子选择与寿命计算选用深沟球轴承 6001作为滚子，其 内径 d12mm；外径 D2r 28ram；查手册 可知其基本额定动载荷为C 5.1 X10 N，基本额定静载荷为C。 2.38×10 N，极限转速为 20000r/min(脂润滑)或26000 r/rain(油润滑)。

假设轴承与凸轮之间为纯滚动，则轴承的平均转速为：2.r A - ，)n ≈- - --60日≈3771(r/rain)采用脂润滑即可。

由于径向当量静载荷P。 R，炔全系数S。 2，则：So Po 2R ≤ 2R 1628.6N < C0r即，轴承可正常工作。

径向当量动载荷 P mR，则轴承寿命：器(岳) > ( )6 0 3771( ) 5.8(h) ≈- l- l≈lI-I nl× 8l4.3， 寿命期内可使试件振动次数为：N ：3600LhnH 3600 × 1085.8 ×9 × 103.5× 10。

6 结 论根据笔者的设计 ，制作了疲劳试验机样机，使用情况表明，该疲劳试验机在凸轮转速为 600r/min时工作正常，可获得 90Hz的试验频率，远高于-般疲劳试验机频率，通过增频等径凸轮的应用，在低速条件下获得较高频率，避免了高速时振动等问题。