一种港口设备操作手柄档位凸轮的参数化设计

赵鑫 广州港集团有限公司南沙集装箱码头分公司

近期，广州某港口大型设备操作手柄开始出现不同程度的损坏，具体故障表现为手柄无正常档位，档位切换不顺畅，操作时有明显卡滞感，有时手柄还会卡在一个档位无法切换档位或回零，有极大的操作安全隐患，同时作业效率明显降低。

1.故障分析

手柄换挡过程为手柄臂围绕下支点向前或向后移动，带动大齿轮同方向旋转，大齿轮与小齿轮相互啮合，档位凸轮随小齿轮一起转动，档位凸轮左右对称，有1个零位，两边各5个档位，摆臂在弹簧作用下使手柄在零位和档位之间切换。

经检查，手柄故障原因为档位凸轮出现磨损，因而导致手柄换档时出现问题。分析故障可能的原因主要有三个：

1）档位凸轮的材质可能存在一定问题，手柄出现问题的设备基本为同期到港，使用时间约3年，手柄使用时间9473.4小时（月平均使用时间263.15小时）；

2）档位凸轮的设计可能存在一定问题，档位之间过渡圆弧还可继续优化，使操作更顺畅，减少换档造成的磨损；

3）设备操作人员的操作习惯可能存在一定问题，在正常作业过程中，手柄5档时长最多，使得手柄在使用过程中5个档位之间造成的磨损程度不同，因而出现卡滞或无法回零。

在规范设备操作人员的操作习惯后，决定设计一款新的手柄档位凸轮，提升手柄使用寿命。

2.尺寸设计

2.1 档位凸轮工作特点

1）档位凸轮只有两种作业状态，零位状态和档位状态，凸轮左档位弧线与右档位弧线对称。

2）档位凸轮的零位要求不能使手柄轻易向前、向后，因此凸轮零位的弧线满足对称性、连续可导，又滚子在零位无左右晃动间隙，综上所述，零位弧线为与滚子直径相等的圆形凹槽。

3）在日常作业过程中，手柄在最大档位时可快速回零，因此，针对单个档位弧线，靠近零位侧的部分弧线斜率变化比另一部分弧线斜率变化慢。

2.2 参数

2.2.1 手柄零位数据测量

摆杆长度l=24mm

中心距长度L=32mm

滚子半径Rr=4mm

凸轮圆半径为R=20mm

2.2.2 推程运动角

齿轮模数

取m=1，根据实物，即齿轮参数为

齿数Z1=63

分度圆直径d1=m＊Z1=63mm

齿数Z2=20

分度圆直径d2=m＊Z2=20mm

为使各个档位之间清晰明确，确定手柄摆动角度为。在大齿轮向前或向后摆动45°时，小齿轮转动角度为

即档位凸轮在手柄位于5档时转动角度为141.75°，如图所示。

为保证手柄有清晰的档位，即零位弧线和档位弧线均应存在和滚子相匹配的圆弧，且零位和档位之间存在一定距离也可防止误触碰。手柄在转至5档时，滚子共计运行0.5个零位弧线、4.5个档位弧线、零位与档位之间的弧线。而一般为方便操作顺畅，档位弧线与零位弧线对应角度相同，设档位弧线角度为θ3，档位与零位之间的角度为θ4，即有

2.3 零位弧线

如图3。

2.3.1 弧线做法

在手柄入档时，为保证操作安全，需要存在一定卡滞，但应满足操作顺滑流畅。沿圆心O作两条直线和圆交于A、B两点，满足∠AOB=23°，作∠AOB角平分线，在角平分线上找一点C，使得C A⊥OA，以C为圆心，以为Rr半径作圆，即弧AB为零位弧线。

2.3.2 数学表达式

以O为坐标原点画直角坐标系，即C点坐标为(0，-20.41)，因此弧线方程为

2.4 档位弧线

2.4.1 弧线做法

档位弧线与零位弧线相似，但相对于零位弧线行程较低，即h零＞h档，暂时确定h档=2.5mm。

以O为圆心作半径为17.5mm的圆，由于零位弧线与档位弧线之间夹角为26°，档位弧线23°，因此作直线OA、OB、OC，如图所示。手柄由低档位换至高档位时，需要有一定的阻滞，而由低档位换至高档位即手柄回零时，则需要快速能回零。因此以4mm半径作圆P，使得此圆与半径17.5mm的圆相切，同时也与直线OC相切。从B点向圆心O作直线，与圆P相切与点D，因此直线BD和弧DC连成的线即为1档档位弧线。

2.4.2 数学表达式

假设圆P圆心坐标为（x，y），则有

解方程式选择P坐标为（16.42，-13.88），即P圆坐标方程为

圆方程和直线OB方程

解方程选择B点坐标为（12.18，-15.87），直线BD为圆P的切线，因此直线BD方程式为

即直线BD方程式为

因此1档档位弧线方程式为

将此弧线沿圆心O旋转23°，旋转4次，然后将5段弧线沿零位弧线中线对称，如图所示，即为手柄档位弧线。

2.4.3 验证

零位弧线和档位弧线曲率半径

ρ=4mm

由于h零＞h档，因此只需校验零位弧线压力角。

以O为原点作直角坐标系，以O为圆心作半径为32mm的圆，以半径为24mm作零位弧线同心圆，则两圆交点为摆杆铰点，解方程

图2 手柄参数

图3 零位弧线

图4 档位弧线

图5 手柄凸轮

表1

得铰点坐标为（23.99，-21.18），圆角半径为0.5mm，因此有

得圆角圆心为（4.28，-19.02）。

手柄在零位时，根据压力角定义，此时压力角为摆杆垂线和圆角圆心与滚子圆心连线之间所夹的锐角，设当凸轮转动角度θ时设圆角圆心为(x1，y1)，即有

此时滚子圆心坐标为(x2，y2)，即有

因此圆角圆心与滚子圆心组成的直线为

采用赋值法，见表1。

图6 凸轮转角θ与凸轮压力角α关系

根据表1，凸轮转角与凸轮压力角为负相关，随凸轮转角增大凸轮压力角减小。一次凸轮最大压力角手柄在零位时，即

满足要求。

3.结论

（1）根据凸轮使用特点，确定档位弧线与零位弧线基本轮廓。

（2）以滚子直径为基础确定凸轮行程，减少凸轮不必要磨损，增加凸轮使用寿命。