一种基于ADAMS的凸轮设计方法

刘建波



一种基于ADAMS的凸轮设计方法

刘建波

（海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海 200139）

某型号直流断路器中原有的凸轮结构的驱动力过大。利用多体动力学软件ADAMS重新设计出一种新的凸轮形状，来减小电机驱动过大的问题。选择适合系统的凸轮机构类型并确定出从动件的运动规律，就可以利用反转法在ADAMS中计算出凸轮轮廓曲线。

ADAMS 凸轮 反转法

0 引言

凸轮机构是由凸轮、从动件和机架所构成的一类高副机构，可以方便地实现预定的运动规律。相对于低副机构而言，高副机构更紧凑简单[1]。凸轮结构设计方便，广泛应用于自动机床、轻工机械、印刷机械、机电一体化的产品中。但是凸轮结构也存在一些缺点：大部分的凸轮与从动件的接触面积较小，比较容易磨损，传力较大的场合不适合使用；凸轮的轮廓一般都不是规则的形状，因此不易加工；凸轮的体积受从动件行程的影响，如果从动件的行程很大，那么凸轮就会变得很大。

1 凸轮机构设计

1.1 从动件运动规律

从动件的运动规律决定了凸轮的轮廓形状。所以在设计凸轮轮廓之前应该先确定从动件的运动规律。在进行从动件运动规律选择前，首先介绍凸轮运动过程中的几个关键角度。

从动件常用的运动规律主要有：等速运动、等加速运动、余弦加速（简谐）运动、正弦（摆线）加速运动、多项式运动。

由于本文所研究的凸轮结构所属的断路器为中速中载，所以从动件运动规律选择适用于中速中载的余弦加速运动。

图1 凸轮机构简图

余弦加速度运动规律的从动件推程位移、速度以及加速度运动方程可以总结为[3]：

余弦加速度运动规律的从动件回程位移、速度以及加速度运动方程可以总结为：

1.2 凸轮设计反转法[4]

原有凸轮机构模型如图2所示。

经过测量，原始凸轮机构中，推杆长为65 mm，推杆与水平面的夹角为37°，滚子半径为10 mm，推杆的行程约为50°，凸轮旋转中心与推杆摆动中心的中心距约为124.6 mm。

本文新设计的凸轮为盘形，从动件为摆动滚子，从动件的运动遵循余弦加速规律。为了节约零件加工成本，从动件的结构和位置将保持不变，也就是推杆杆长、推杆与水平面的夹角以及滚子半径仍保持不变。为了减小盘形凸轮本身的体积，需要减小推杆行程以及凸轮旋转中心与推杆摆动中心的中心距。需要注意的是，推杆行程必须能保证机构完全合闸成功，并留有一定裕量。经过反复实验，推杆的行程确定为35°。中心距减小为87.14mm。凸轮的推程角和回程角均为150°。仿真分析中，凸轮的转速为120°/s。

图2 原始凸轮机构模型

1—从动件滚子；2—拨杆旋转中心；3—拨杆

经过前面一系列的分析，从动件的推程位移运动规律可以表示为：

从动件的回程位移运动规律可表示为：

其中：是个随时间变化的变量，表示凸轮转过的角度。

凸轮轮廓的确定一般使用反转法。在ADAMS中根据上述分析数据建立如图3所示的模型图。

图3 原始凸轮机构模型

摆杆绕小球以计算好的余弦加速运动规律摆动，小球以凸轮的角速度反向以凸轮旋转中心旋。摆杆的运动规律写入摆杆与小球的旋转驱动中，是一个随时间变化的if函数：

仿真时间设为3 s，仿真步长为100步，然后进行仿真运算。仿真结束后，小球刚好绕凸轮中心旋转一周，这正好是凸轮旋转一周的逆过程。然后单击ADAMS/View的review-create trace spline，就可以得到凸轮的理论轮廓曲线。

在滚子从动件的结构中，凸轮的实际轮廓曲线需要用理论轮廓曲线减去滚子的半径。

2 凸轮机构仿真

将凸轮实际轮廓曲线拉伸成实体，并导入到直流断路器模型中，重新进行一次合闸仿真，测得凸轮转矩随时间变化曲线如图4（b）所示。

图4 凸轮转矩随时间变化曲线

从图中可以看到，凸轮转矩的最大值约为15000 N∙mm，即15 N∙m。原凸轮转矩如图4（a）所示，约为40200 N∙mm。

从仿真结果可知，新设计的凸轮转矩明显减小了。

3 总结

本文中凸轮机构的设计采用反转法，在选定从动件的运动规律和确定凸轮机构基本尺寸的前提下，采用反转法原理设计出凸轮的轮廓曲线。在软件ADAMS中只要确定从动件与凸轮的相对运动关系，输入从动件的运动规律方程，根据从动件的运动轨迹，就可以自动绘制出所需凸轮的轮廓曲线。经过仿真计算，重新设计的凸轮结构明显地改善了原有凸轮驱动转矩过大的问题。

[1] 田佳. 真空断路器弹簧操动机构的分析与设计[D].清华大学工程硕士学位论文, 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] 管荣法. 凸轮与凸轮机构[M]. 北京: 国防工业出版社, 1993.

[4] 李增刚. ADAMS入门详解与实例[M]. 北京: 国防工业出版社, 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

刘建波(1970-)，男，工程师。研究方向：检测技术。