劉建波

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一種基于ADAMS的凸輪設(shè)計(jì)方法

劉建波

（海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 200139）

某型號(hào)直流斷路器中原有的凸輪結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力過大。利用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS重新設(shè)計(jì)出一種新的凸輪形狀，來減小電機(jī)驅(qū)動(dòng)過大的問題。選擇適合系統(tǒng)的凸輪機(jī)構(gòu)類型并確定出從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，就可以利用反轉(zhuǎn)法在ADAMS中計(jì)算出凸輪輪廓曲線。

ADAMS 凸輪 反轉(zhuǎn)法

0 引言

凸輪機(jī)構(gòu)是由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架所構(gòu)成的一類高副機(jī)構(gòu)，可以方便地實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。相對(duì)于低副機(jī)構(gòu)而言，高副機(jī)構(gòu)更緊湊簡單[1]。凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)機(jī)床、輕工機(jī)械、印刷機(jī)械、機(jī)電一體化的產(chǎn)品中。但是凸輪結(jié)構(gòu)也存在一些缺點(diǎn)：大部分的凸輪與從動(dòng)件的接觸面積較小，比較容易磨損，傳力較大的場合不適合使用；凸輪的輪廓一般都不是規(guī)則的形狀，因此不易加工；凸輪的體積受從動(dòng)件行程的影響，如果從動(dòng)件的行程很大，那么凸輪就會(huì)變得很大。

1 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律

從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定了凸輪的輪廓形狀。所以在設(shè)計(jì)凸輪輪廓之前應(yīng)該先確定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在進(jìn)行從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律選擇前，首先介紹凸輪運(yùn)動(dòng)過程中的幾個(gè)關(guān)鍵角度。

從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要有：等速運(yùn)動(dòng)、等加速運(yùn)動(dòng)、余弦加速（簡諧）運(yùn)動(dòng)、正弦（擺線）加速運(yùn)動(dòng)、多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)。

由于本文所研究的凸輪結(jié)構(gòu)所屬的斷路器為中速中載，所以從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律選擇適用于中速中載的余弦加速運(yùn)動(dòng)。

圖1 凸輪機(jī)構(gòu)簡圖

余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的從動(dòng)件推程位移、速度以及加速度運(yùn)動(dòng)方程可以總結(jié)為[3]：

余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的從動(dòng)件回程位移、速度以及加速度運(yùn)動(dòng)方程可以總結(jié)為：

1.2 凸輪設(shè)計(jì)反轉(zhuǎn)法[4]

原有凸輪機(jī)構(gòu)模型如圖2所示。

經(jīng)過測量，原始凸輪機(jī)構(gòu)中，推桿長為65 mm，推桿與水平面的夾角為37°，滾子半徑為10 mm，推桿的行程約為50°，凸輪旋轉(zhuǎn)中心與推桿擺動(dòng)中心的中心距約為124.6 mm。

本文新設(shè)計(jì)的凸輪為盤形，從動(dòng)件為擺動(dòng)滾子，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)遵循余弦加速規(guī)律。為了節(jié)約零件加工成本，從動(dòng)件的結(jié)構(gòu)和位置將保持不變，也就是推桿桿長、推桿與水平面的夾角以及滾子半徑仍保持不變。為了減小盤形凸輪本身的體積，需要減小推桿行程以及凸輪旋轉(zhuǎn)中心與推桿擺動(dòng)中心的中心距。需要注意的是，推桿行程必須能保證機(jī)構(gòu)完全合閘成功，并留有一定裕量。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，推桿的行程確定為35°。中心距減小為87.14mm。凸輪的推程角和回程角均為150°。仿真分析中，凸輪的轉(zhuǎn)速為120°/s。

圖2 原始凸輪機(jī)構(gòu)模型

1—從動(dòng)件滾子；2—撥桿旋轉(zhuǎn)中心；3—撥桿

經(jīng)過前面一系列的分析，從動(dòng)件的推程位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以表示為：

從動(dòng)件的回程位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律可表示為：

其中：是個(gè)隨時(shí)間變化的變量，表示凸輪轉(zhuǎn)過的角度。

凸輪輪廓的確定一般使用反轉(zhuǎn)法。在ADAMS中根據(jù)上述分析數(shù)據(jù)建立如圖3所示的模型圖。

圖3 原始凸輪機(jī)構(gòu)模型

擺桿繞小球以計(jì)算好的余弦加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律擺動(dòng)，小球以凸輪的角速度反向以凸輪旋轉(zhuǎn)中心旋。擺桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律寫入擺桿與小球的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)中，是一個(gè)隨時(shí)間變化的if函數(shù)：

仿真時(shí)間設(shè)為3 s，仿真步長為100步，然后進(jìn)行仿真運(yùn)算。仿真結(jié)束后，小球剛好繞凸輪中心旋轉(zhuǎn)一周，這正好是凸輪旋轉(zhuǎn)一周的逆過程。然后單擊ADAMS/View的review-create trace spline，就可以得到凸輪的理論輪廓曲線。

在滾子從動(dòng)件的結(jié)構(gòu)中，凸輪的實(shí)際輪廓曲線需要用理論輪廓曲線減去滾子的半徑。

2 凸輪機(jī)構(gòu)仿真

將凸輪實(shí)際輪廓曲線拉伸成實(shí)體，并導(dǎo)入到直流斷路器模型中，重新進(jìn)行一次合閘仿真，測得凸輪轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線如圖4（b）所示。

圖4 凸輪轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線

從圖中可以看到，凸輪轉(zhuǎn)矩的最大值約為15000 N?mm，即15 N?m。原凸輪轉(zhuǎn)矩如圖4（a）所示，約為40200 N?mm。

從仿真結(jié)果可知，新設(shè)計(jì)的凸輪轉(zhuǎn)矩明顯減小了。

3 總結(jié)

本文中凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用反轉(zhuǎn)法，在選定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和確定凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的前提下，采用反轉(zhuǎn)法原理設(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲線。在軟件ADAMS中只要確定從動(dòng)件與凸輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，輸入從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程，根據(jù)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)軌跡，就可以自動(dòng)繪制出所需凸輪的輪廓曲線。經(jīng)過仿真計(jì)算，重新設(shè)計(jì)的凸輪結(jié)構(gòu)明顯地改善了原有凸輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩過大的問題。

[1] 田佳. 真空斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)[D].清華大學(xué)工程碩士學(xué)位論文, 2004: 29~35.

[2] Chen.F.Y. Kinematic Synthesis of Cam Profiles for Prescribed Acceleration by a Finited Intergrati. Thans ASME J.Eng.Ind,1972,95B(2): 519~524.

[3] 管榮法. 凸輪與凸輪機(jī)構(gòu)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1993.

[4] 李增剛. ADAMS入門詳解與實(shí)例[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2006:23~118.

A Design Method of Cam Based on ADAMS

Liu Jianbo

(Naval Representatives Office in Jiangnan Shipyard(Group)CO.,LTD., Shanghai 200139, China)

ADAMS;

TP242.6

A

1003-4862（2014）12-0078-03

2014-07-03

劉建波(1970-)，男，工程師。研究方向：檢測技術(shù)。