Page 89 - 《摩擦学学报》2020年第3期

第 3 期 王军锋, 等: 基于载荷谱的凸轮机构关键摩擦副优化研究 355

测得凸轮转动轴阻力矩. 设备同时测得凸轮转动轴的 可知，凸轮机构在推程阶段的最大载荷附近发生最为

阻力矩信号和转动角度信号，并一一对应. 严重的磨损，所以选择最大载荷为试验依据.
1.2 凸轮机构转动轴载荷谱分析
2 摩擦磨损试验过程
机构的运动规律和扭矩谱如图2(a)所示，机构运
行1个周期(凸轮转动90°)用时150 ms，分为两步跳动， 2.1 试验方法
最终在凸轮近心点附近振动直至停止在近心点. 在凸 影响机构正常工作的关键摩擦副为凸轮/滚子摩
轮转动轴转动27.3°时，其阻力矩达到最大值14.9 N·mm， 擦副和滚子/滚子轴摩擦副，凸轮/滚子摩擦副为外圆
而后又减小. 扭矩谱中存在的振动信号是由于机构按 线接触摩擦副，滚子/滚子轴为内圆线接触摩擦副，且
照此两步跳跃式的运动造成机架振动而形成的. 两个摩擦副的正压力相等. 在机构运行之初，凸轮/滚
图2(b~c)是结合凸轮轮廓和各零件的尺寸，对机 子摩擦副发生滚动摩擦，滚子/滚子轴摩擦副发生滑动
[12]
构进行力学分析 而得到的扭矩和正压力在凸轮轮 摩擦，随着运行行程增加，滚子/滚子轴摩擦副的摩擦
廓上的分布. 由于机构的特殊性，在凸轮轮廓的0°~ 阻力持续增大，凸轮/滚子摩擦副也会发生滑动摩擦.
6.0°和84.0°~90°，凸轮并未与滚子接触，所以在图中， 结合机构实际工况和试验设备条件，设计如图3所示
此部分数据为空. 由图可知，在滚子到达凸轮轮廓的 的平面/柱面线接触滑动摩擦磨损试验. 试验以UMT
28.2°的位置，凸轮转动轴阻力矩达到最大值14.9 N·mm， 摩擦磨损试验机为基础，附加外部旋转驱动构成整体
越过最高点后快速下降，在凸轮轮廓36.7°处阻力矩反 设备. 平面试样夹具与UMT的三维力传感器连接，外

向，而后保持在−4 N·mm左右，此时拨杆和滚子组件 部电机驱动柱面试样旋转，与平面试样接触即形成模
作为动力推动凸轮回程. 凸轮/滚子的正压力在推程阶 仿机构接触的线接触摩擦副.
段大于回程阶段，在凸轮轮廓25.2°的位置达到最大值 对于凸轮/滚子摩擦副，滚子磨损更严重，所以在
1.28 N，回程阶段其正压力稳定在0.7 N左右. 由文献[12] 其试验中，滚子材料作为平面试样，凸轮材料作为柱

18 Torque 120
14.9 N·mm Angle
14 100
10 80
Torque/(N·mm) −2 6 2 60 Angle/(°)

40
−6 27.3° 20
−10 0
−14 −20
0 20 40 60 80 100 120 140
Time/ms
(a) Motion rule and torque spectrum of the cam rotary shaft

84.0 84.0
90 80 90 80 Cam profile
70 Cam profile 1.6 70
16 F
60 Torque 60
12 Invalid 1.4 Invalid
50 50
1.2
8 4 40 36.7 1.0 40
Torque/(N·mm) −4 0 30 F/N 0.8 30 25.2
28.2
0.6
20
−8
0.4 20
−12 10 10
6.0 0.2 6.0
−16
0 0.0 0
14.9 1.28
(b) Torque distribution (c) Load(normal force) distribution

Fig. 2 Load spectrum of the cam mechanism
图 2 凸轮机构的载荷谱