Page 88 - 《摩擦学学报》2020年第3期

354 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

rotary shaft resistance torque. Finally，a verification test under the condition same with that of the real work was
performed to validate the correctness of the prediction.
Key words: cam mechanism; load spectrum; abrasion resistance; abrasion mechanism; material optimization

凸轮机构广泛应用于自动化装备中，因为适当地 布，并以此载荷分布为依据，对不同的摩擦副材料进

设计凸轮的轮廓，可以使从动件实现各种复杂运动规 行摩擦磨损试样试验，选择最优的摩擦副材料. 最终，
律，具有电控系统难以取代的结构简单、响应快速等 用最优摩擦副材料加工原尺寸机构，并进行现场工况
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特点 . 但是，凸轮与从动件的高副接触的大应力滑动 试验，验证了优化的有效性.
摩擦使其易发生磨损失效. 因此，凸轮机构关键摩擦
1 测量载荷谱和载荷分布
副的抗磨损能力是决定凸轮机构可靠工作寿命的1个
重要因素，也是其设计重点之一. 1.1 凸轮机构的结构和载荷谱测量设备
凸轮机构摩擦副常用的材料有铸铁、锻钢以及合 试验所用的凸轮机构结构如图1(a)所示，机构由
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金钢 [2-3] . 随着设计要求的提高，陶瓷 、粉末冶金材料 [5] 凸轮、滚子、滚子轴、拨杆及拨杆轴组成，拨杆上安装
等具有更高耐磨性的材料或者DLC 、TiAlN 等涂层 有扭转弹簧，迫使其与凸轮紧密接触. 滚子轴与拨杆
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技术也得以应用于凸轮机构. 凸轮机构摩擦学特性研 固连，滚子与滚子轴为间隙配合. 在机构工作时，电磁
究方法包括台架试验和试样试验. 台架试验常用于汽 力矩带动凸轮绕其中心轴转动，凸轮带动拨杆绕拨杆
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车凸轮轴的摩擦磨损特性研究，比如，Ofune 、Kano [6] 轴转动. 机构以分步前进形式工作，即1次电磁激励，
等通过研制特定的试验机研究了汽车凸轮轴的摩擦 凸轮进行1次推程和回程，凸轮转动1圈，即完成4个行
学特性与表面光洁度、润滑油种类和涂层的关系； 程工作. 随着工作行程的增加，凸轮/滚子和滚子/滚子
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Sert等 通过台架试验研究了凸轮轴摩擦学特性与材 轴摩擦副的磨损逐渐加剧，凸轮前进的阻力增大，直至
料硬度、相对滑动速度的关系. 台架试验模拟研究对 电磁驱动力矩不足以驱使凸轮完成1个行程，机构失效.
象的实际工况，所以其成本较高，因此用试样试验研 凸轮机构摩擦副的摩擦学行为与其所受载荷有
究材料的摩擦学行为较为常用. 摩擦学行为具有强烈 关，而在凸轮机构运行过程中，其载荷是时刻变化的.
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的系统依赖性 ，与其工作环境相关 ，因此，试样试 因此，测量其载荷谱和载荷分布，并以此为依据进行
验需要结合机构的载荷、滑动速度、设计寿命、气氛和 试样试验研究，可以更加准确地研究摩擦副材料的摩
温湿度等实际工况参数以提高其结果的可靠性. 擦磨损特性.
本文作者以转动从动件凸轮机构为研究对象，结 载荷谱测量设备示意图如图1(b)所示，此设备的
合载荷谱技术，介绍了一种优化凸轮机构摩擦副的方 工作原理在文献[12]中已详细介绍. 机构安装于其夹
法. 首先，通过台架试验测得凸轮机构按照实际工作 具之中，伺服电动机带动凸轮转动轴按照与其实际工
规律运行情况下的凸轮转动轴的扭矩谱(载荷谱). 然 况相同的运动规律运动(运动规律在实际工作现场测
后，结合凸轮机构的尺寸，求得凸轮轮廓上的载荷分 得，并规划伺服系统按照同样规律运动)，扭矩传感器

Torque sensor
Holder
Rotary direction
Cam mechanism
Coupling
Servo motor

Cam
Follower Follower Roller shaft
shaft
Roller

(a) Structure of the cam mechanism (b) Schematic of the load spectrum measurement instrument

Fig. 1 Schematics of the cam mechanism and the load spectrum measurement instrument
图 1 凸轮机构和载荷谱测量设备示意图