不同半徑長度異形凸輪可行性試驗分析

王杰雄

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071000)

1 引言

在各種機械，特別是自動機和自動控制裝置中[1]，凸輪機構得到了廣泛的應用，為了滿足不同工況的需要，對凸輪機構提出了越來越嚴格的要求，其中凸輪機構的異形化設計就是其中的一項重要要求，本文基于全國大學生工程訓練綜合能力大賽中對無碳小車凸輪的設計和試驗，研究出異形凸輪半徑之間的臨界關系，為其它異形凸輪的半徑設計排除一些不當的半徑值，以期在設計中少走彎路。

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：①異形凸輪不同半徑的長度；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應的外廓形狀；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。

本文針對三葉草形異形凸輪的可行性進行分析，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的可轉圓柱棒，推桿端部與異形凸輪之間的接觸形式為滾動摩擦；將半徑長度作為變量，研究不同半徑長度對異形凸輪可行性的影響。

3 試驗設計

試驗裝置為無碳小車，試驗凸輪為三葉草形異形凸輪，如圖2所示，試驗方法為換用半徑長度不同的異形凸輪，使其轉動，觀察異形凸輪是否與推桿發生卡死現象以及異形凸輪帶動推桿運動過程中，小車轉向的平穩性，多次試驗，找出臨界半徑長度，為日后其它異形凸輪的設計提供參考數據(表1)。

4 試驗結論

經過大量試驗，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的可轉圓柱棒，推桿端部與異形凸輪之間的接觸形式為滾動摩擦的條件下，三葉草形異形凸輪的最長半徑為62 mm，最短半徑為16.5 mm，即半徑的極值比為3.76，這時的異形凸輪才不會出現卡死現象，并且可以平穩地運轉。

圖1 三葉草形異形凸輪

圖2 無碳小車

最長半徑/mm最短半徑/mm凸輪的可行性689嚴重卡死6710嚴重卡死6611嚴重卡死6512嚴重卡死6413嚴重卡死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 研究價值

凸輪的應用范圍在機械領域是非常廣泛的，由于傳統凸輪控制的運動軌跡較為簡單，在一些場合使用起來不能達到預期的效果，有些工況用到了組合凸輪，雖然達到了預期效果，但其結構復雜，尺寸加大，機械強化程度降低，所以異形凸輪的出現是必要的。例如內燃機中的阿特金森循環[2]，其原理是通過一套復雜的連桿機構，使得發動機的壓縮行程大于膨脹行程，不僅改善了發動機的進氣效率，也使得發動機的膨脹比高于壓縮比，有效地提高了發動機的效率，如果將傳統發動機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構，理論上也可以實現與阿特金森循環效果一樣的循環，在其它因素不變的條件下，依然可以提高發動機的效率，減小發動機的尺寸。

6 結語

隨著現代科技進步不斷加快，不同的新理論不斷誕生，異形凸輪的研究創新可以推動機械領域進一步發展，雖然目前異形凸輪沒有成為凸輪機構的主流，還有一些技術難關有待突破，還需要對其刻苦鉆研、大量試驗，以創造出更多的成果。