一種基于ADAMS的凸輪設計方法

劉建波

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一種基于ADAMS的凸輪設計方法

劉建波

（海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海 200139）

某型號直流斷路器中原有的凸輪結構的驅動力過大。利用多體動力學軟件ADAMS重新設計出一種新的凸輪形狀，來減小電機驅動過大的問題。選擇適合系統的凸輪機構類型并確定出從動件的運動規律，就可以利用反轉法在ADAMS中計算出凸輪輪廓曲線。

ADAMS 凸輪 反轉法

0 引言

凸輪機構是由凸輪、從動件和機架所構成的一類高副機構，可以方便地實現預定的運動規律。相對于低副機構而言，高副機構更緊湊簡單[1]。凸輪結構設計方便，廣泛應用于自動機床、輕工機械、印刷機械、機電一體化的產品中。但是凸輪結構也存在一些缺點：大部分的凸輪與從動件的接觸面積較小，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則的形狀，因此不易加工；凸輪的體積受從動件行程的影響，如果從動件的行程很大，那么凸輪就會變得很大。

1 凸輪機構設計

1.1 從動件運動規律

從動件的運動規律決定了凸輪的輪廓形狀。所以在設計凸輪輪廓之前應該先確定從動件的運動規律。在進行從動件運動規律選擇前，首先介紹凸輪運動過程中的幾個關鍵角度。

從動件常用的運動規律主要有：等速運動、等加速運動、余弦加速（簡諧）運動、正弦（擺線）加速運動、多項式運動。

由于本文所研究的凸輪結構所屬的斷路器為中速中載，所以從動件運動規律選擇適用于中速中載的余弦加速運動。

圖1 凸輪機構簡圖

余弦加速度運動規律的從動件推程位移、速度以及加速度運動方程可以總結為[3]：

余弦加速度運動規律的從動件回程位移、速度以及加速度運動方程可以總結為：

1.2 凸輪設計反轉法[4]

原有凸輪機構模型如圖2所示。

經過測量，原始凸輪機構中，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°，凸輪旋轉中心與推桿擺動中心的中心距約為124.6 mm。

本文新設計的凸輪為盤形，從動件為擺動滾子，從動件的運動遵循余弦加速規律。為了節約零件加工成本，從動件的結構和位置將保持不變，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中心與推桿擺動中心的中心距。需要注意的是，推桿行程必須能保證機構完全合閘成功，并留有一定裕量。經過反復實驗，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，凸輪的轉速為120°/s。

圖2 原始凸輪機構模型

1—從動件滾子；2—撥桿旋轉中心；3—撥桿

經過前面一系列的分析，從動件的推程位移運動規律可以表示為：

從動件的回程位移運動規律可表示為：

其中：是個隨時間變化的變量，表示凸輪轉過的角度。

凸輪輪廓的確定一般使用反轉法。在ADAMS中根據上述分析數據建立如圖3所示的模型圖。

圖3 原始凸輪機構模型

擺桿繞小球以計算好的余弦加速運動規律擺動，小球以凸輪的角速度反向以凸輪旋轉中心旋。擺桿的運動規律寫入擺桿與小球的旋轉驅動中，是一個隨時間變化的if函數：

仿真時間設為3 s，仿真步長為100步，然后進行仿真運算。仿真結束后，小球剛好繞凸輪中心旋轉一周，這正好是凸輪旋轉一周的逆過程。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。

在滾子從動件的結構中，凸輪的實際輪廓曲線需要用理論輪廓曲線減去滾子的半徑。

2 凸輪機構仿真

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

圖4 凸輪轉矩隨時間變化曲線

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

從仿真結果可知，新設計的凸輪轉矩明顯減小了。

3 總結

本文中凸輪機構的設計采用反轉法，在選定從動件的運動規律和確定凸輪機構基本尺寸的前提下，采用反轉法原理設計出凸輪的輪廓曲線。在軟件ADAMS中只要確定從動件與凸輪的相對運動關系，輸入從動件的運動規律方程，根據從動件的運動軌跡，就可以自動繪制出所需凸輪的輪廓曲線。經過仿真計算，重新設計的凸輪結構明顯地改善了原有凸輪驅動轉矩過大的問題。

[1] 田佳. 真空斷路器彈簧操動機構的分析與設計[D].清華大學工程碩士學位論文, 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. 凸輪與凸輪機構[M]. 北京: 國防工業出版社, 1993.

[4] 李增剛. ADAMS入門詳解與實例[M]. 北京: 國防工業出版社, 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。