王杰雄

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000)

1 引言

在各種機(jī)械，特別是自動(dòng)機(jī)和自動(dòng)控制裝置中[1]，凸輪機(jī)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用，為了滿(mǎn)足不同工況的需要，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求，其中凸輪機(jī)構(gòu)的異形化設(shè)計(jì)就是其中的一項(xiàng)重要要求，本文基于全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力大賽中對(duì)無(wú)碳小車(chē)凸輪的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，研究出異形凸輪半徑之間的臨界關(guān)系，為其它異形凸輪的半徑設(shè)計(jì)排除一些不當(dāng)?shù)陌霃街?，以期在設(shè)計(jì)中少走彎路。

2 影響異形凸輪可行性的因素分析

影響異形凸輪可行性的因素有5個(gè)：①異形凸輪不同半徑的長(zhǎng)度；②異形凸輪不同半徑之間的夾角；③異形凸輪每一半徑所對(duì)應(yīng)的外廓形狀；④異形凸輪推桿端部的尺寸；⑤推桿端部與異形凸輪之間的接觸形式。

本文針對(duì)三葉草形異形凸輪的可行性進(jìn)行分析，如圖1所示。將影響因素中的②、③、④、⑤作為定量，其中不同半徑之間的夾角為常用的60°，外廓尺寸如圖1所示，推桿端部是直徑為6 mm的可轉(zhuǎn)圓柱棒，推桿端部與異形凸輪之間的接觸形式為滾動(dòng)摩擦；將半徑長(zhǎng)度作為變量，研究不同半徑長(zhǎng)度對(duì)異形凸輪可行性的影響。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置為無(wú)碳小車(chē)，試驗(yàn)凸輪為三葉草形異形凸輪，如圖2所示，試驗(yàn)方法為換用半徑長(zhǎng)度不同的異形凸輪，使其轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察異形凸輪是否與推桿發(fā)生卡死現(xiàn)象以及異形凸輪帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，小車(chē)轉(zhuǎn)向的平穩(wěn)性，多次試驗(yàn)，找出臨界半徑長(zhǎng)度，為日后其它異形凸輪的設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)(表1)。

4 試驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，在不同半徑之間的夾角為60°，外廓尺寸如圖1所示，推桿端部是直徑為6 mm的可轉(zhuǎn)圓柱棒，推桿端部與異形凸輪之間的接觸形式為滾動(dòng)摩擦的條件下，三葉草形異形凸輪的最長(zhǎng)半徑為62 mm，最短半徑為16.5 mm，即半徑的極值比為3.76，這時(shí)的異形凸輪才不會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，并且可以平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 三葉草形異形凸輪

圖2 無(wú)碳小車(chē)

最長(zhǎng)半徑/mm最短半徑/mm凸輪的可行性689嚴(yán)重卡死6710嚴(yán)重卡死6611嚴(yán)重卡死6512嚴(yán)重卡死6413嚴(yán)重卡死6315卡死6316輕微卡死6216較輕微卡死6216.2較輕微卡死6216.4幾乎不卡死6216.6不卡死6216.5不卡死62.216.5幾乎不卡死62.116.5幾乎不卡死61.816.5不卡死61.916.5不卡死

5 研究?jī)r(jià)值

凸輪的應(yīng)用范圍在機(jī)械領(lǐng)域是非常廣泛的，由于傳統(tǒng)凸輪控制的運(yùn)動(dòng)軌跡較為簡(jiǎn)單，在一些場(chǎng)合使用起來(lái)不能達(dá)到預(yù)期的效果，有些工況用到了組合凸輪，雖然達(dá)到了預(yù)期效果，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸加大，機(jī)械強(qiáng)化程度降低，所以異形凸輪的出現(xiàn)是必要的。例如內(nèi)燃機(jī)中的阿特金森循環(huán)[2]，其原理是通過(guò)一套復(fù)雜的連桿機(jī)構(gòu)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮行程大于膨脹行程，不僅改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率，也使得發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹比高于壓縮比，有效地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，如果將傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸改為直軸并在上面安裝合適的異形凸輪，其與活塞連桿組成異形凸輪機(jī)構(gòu)，理論上也可以實(shí)現(xiàn)與阿特金森循環(huán)效果一樣的循環(huán)，在其它因素不變的條件下，依然可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，減小發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科技進(jìn)步不斷加快，不同的新理論不斷誕生，異形凸輪的研究創(chuàng)新可以推動(dòng)機(jī)械領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展，雖然目前異形凸輪沒(méi)有成為凸輪機(jī)構(gòu)的主流，還有一些技術(shù)難關(guān)有待突破，還需要對(duì)其刻苦鉆研、大量試驗(yàn)，以創(chuàng)造出更多的成果。