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凸轮恒力机构的设计 摘要：设计了一种凸轮恒力机构，该机构主要由滚子凸轮、压簧和转轮组成，利用压簧对凸轮的压力产生恒力矩，进而通过转轮转化为恒力输出。根据凸轮力矩恒定的约束，在忽略摩擦情况下，求解出了凸轮的理论轮廓线和实际轮廓线的方程。构建了该机构的三维模型，并对其进行ADAMS仿真，仿真结果表明：该机构能较为精确地实现恒力输出，具有较高的工程应用价值。最后，考虑在实际应用时可能存在的摩擦，对该机构进行了误差分析。 关键词：恒力机构；恒力矩；凸轮；ADAMS仿真；误差分析 0 引言 恒力机构是一种在载荷产生位移时仍输出基本恒定作用力的装置，因其不满足胡克定理，与传统的圆柱压簧或其他弹性体有着本质的区别[1]，现已广泛用于机械、核工业、国防军事、仪器仪表等诸多需要恒力输出的领域，如机械加持机构、核电站管道、火炮自动机、印刷机递纸机构等[2-5]?? 目前，获取恒力的方式主要包括通过恒力压簧和恒力机构获取。文献[6]介绍了恒力压簧的特性，并用大变形理论和椭圆积分工具对其进行设计分析，但恒力压簧复杂的设计理论，限制了其使用范围，使得在实际应用中，通过恒力机构获取恒力的方式得到了更加广泛的应用。文献[7，8]设计了基于压簧-凸轮-转轮的恒力机构，通过压簧-凸轮生成恒定力矩，恒定力矩通过转轮输出恒定力。通过数值求解的方法，求解出了凸轮的轮廓曲线。文献[9]设计了一种恒力弹性机构，其原理是通过设计传力构件廓形，控制构件接触点法向，使机构内部力的传递方向与位移之间呈一定的函数关系，从而可以输出不随着位移变化的恒力。并通过数值解法，求解出内环截面的廓形曲线。文献[10]设计了一种恒定转矩的压簧联动装置，该装置的力臂随着压簧力的增大（或减小）而减小（或者增大），从而在有限的旋转范围内获得近似恒定的输出转矩。文献[11]设计了一种可调节的恒力机构，该机构利用负刚度机构和正刚度压簧的组合来实现恒力输出，并且可以通过改变压簧的预紧力来获得不同的恒力值。文献[12]设计的扇形张力调节器通过两个扇形轮绕轴心旋转时压缩压簧产生变形，利用压簧的变形来调节输出张力的???变，使其保持恒定。文献[13]设计了一种由曲柄滑块机构和拉簧组成的恒力机构，并对数学模型进行了优化以减小体积。如上所述的恒力机构，要么结构不紧凑，要么恒力行程短，要么无法求得轮廓曲线方程的解析解。 针对以上不足，本文设计了一种凸轮恒力机构，求解出了凸轮轮廓的曲线方程，并用ADAMS对其进行了运动学仿真，验证了该机构能较为精确地输出恒力。最后，对该恒力机构进行了误差分析，进而提出减小误差的措施。 1凸轮恒力机构的结构设计与工作原理 图1 凸轮恒力机构结构图 Fig1. The structure of the cam constant force mechanism 如图1所示，该恒力机构的核心是凸轮机构，凸轮1位于初始位置时，调节螺钉6对压簧3施加一定的预紧力（根据凸轮1初始升程确定），压簧3通过推杆4和滚子2对凸轮1施加压力，压力和凸轮中心到压力作用线之间的力臂产生对凸轮中心的力矩。凸轮1转动时，压簧3的弹力随压缩量变化而发生改变，通过设计合理的凸轮轮廓线，让力臂相应变化，使得该力矩保持恒定，恒定的力矩通过圆形转盘10（与凸轮同轴）与钢丝绳9对外输出恒力。轴承5用来支撑推杆，并起到减小摩擦的作用。在外壳7的下方设置一个底盘8，一方面用来容纳螺钉，另一方面可以让该机构更稳定，不易翻倒。 2凸轮轮廓线的确定 2.1凸轮轮廓线的计算分析与说明 图2 （a）凸轮的理论轮廓线与实际轮廓线 （b) 凸轮恒力机构的恒力与恒力矩 Fig2.（a） Theoretical contour line and actual contour line of the cam （b）The constant force and constant moment of the cam constant force mechanism 如图2(a)所示，为了减小摩擦，该凸轮恒力机构使用的是滚子凸轮。由凸轮的相关理论可知，滚子凸轮的实际轮廓线n-n是由尖顶凸轮的顶尖A以滚子凸轮理论轮廓线m-m上的一系列点为圆心，以滚子半径为半径，作一系列圆包络形成的。滚子凸轮和相应的推杆凸轮的受力和运动规律一致，因此，为了方便分析和计算，可以先算出相应顶尖凸轮的轮廓线，再求解滚子凸轮的轮廓线。 如图2（b）所示，该恒力机构通过凸轮机构输出恒定的力矩T后，恒定的力矩T再通过半径为R的转盘输出恒力F,为了方便计算和分析，可以直接依据力矩恒定的约束求解出凸轮轮廓线。 2.2凸轮理论轮廓线的确定 图3 凸轮恒力机构的受力分析 Fig3. The force analysis of the cam constant force mech