一种凸轮及设计方法与流程

本发明涉及一种凸轮及设计方法，特别是涉及一种二维活塞输油泵用凸轮及设计方法，属于流体机械技术及应用领域。

背景技术：

二维活塞输油泵是基于二维(2d)运动原理设计的新型结构的泵，其柱塞在电机的带动下，沿两个对置凸轮完成“周向旋转+轴向往复”二维运动。其中，旋转部件周向旋转的速度由电机转速决定，而轴向往复的特性由凸轮决定。在固定转速下，凸轮曲面的设计规律直接影响泵旋转部件轴向运动的速度、加速度、跃度等性能，进而影响泵的整体性能和振动、噪声等特性。因此，凸轮曲面的设计规律对泵整体性能的提升至关重要。

专利cn207315586u公开了一种串联式二维活塞输油泵，其采用斜滚轮+斜凸轮组合(附图1)，且斜凸轮曲面采用轴向等加减速规律设计。虽然理论上斜滚轮能够减少滑动摩擦，但由于斜滚轮存在径向力，泵运转过程中两斜滚轮径向力不一致会导致柱塞偏载，致使柱塞侧倾，增大柱塞卡滞风险。同时，由于凸轮采用轴向等加减速规律设计，即旋转部件沿凸轮运动时呈现等加减速特性，行程、速度及加速度曲线如图2a、b、c所示，其中加速度曲线不连续(附图2c)，泵运转时存在柔性冲击，致使泵工作不平稳。

将凸轮面运动的轨迹曲线、轴向速度曲线和轴向加速度曲线设计为处处连续可导是一条减小柔性冲击、保证泵平稳工作的解决思路，但轴向加速度曲线处处可导带来轴向加速度曲线极值的增加，从而使运动部件的惯性载荷增大，对燃油泵的结构强度提出更高要求，最终可能造成燃油泵重量增加。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种提高输油泵工作可靠性、减小柱塞卡滞风险的凸轮及设计方法。

本发明的技术解决方案：一种凸轮，包括双波峰波谷凸轮曲面和中部圆形凸台，所述的双波峰波谷凸轮曲面形状曲面光滑连续，圆柱滚轮沿凸轮面运动的轨迹曲线、轴向速度曲线和轴向加速度曲线处处连续可导。

所述的双波峰波谷凸轮曲面形状由与之配合的圆柱滚轮的运动三维轨迹方程确定，滚轮运动三维轨迹方程见公式组(1)，

x＝rcosθ

y＝rsinθ

其中x、y、z为圆柱滚轮在凸轮曲面上的x、y、z轴方向的行程，h为圆柱滚轮沿凸轮运动的z轴最大行程，c为常数，θ为圆柱滚轮在凸轮曲面上的旋转角度，θ∈[0,2π]，k为符号系数，为整数，当k取值为偶数时，公式(1)中的±取为+，当k取值为奇数时，公式(1)中的±取为-。

所述的常数c确定如下，

使由公式组(1)确定的滚轮运动三维轨迹的h/2平面与以r为半径、以z轴为对称轴的圆柱gz的h/2平面共面，其中h为圆柱gz高度，h＞h+φ，φ为滚轮直径，r为凸轮半径。

所述的双波峰波谷凸轮曲面和中部圆形凸台之间加工与凸轮曲面形状相似或相同的避刀槽。

一种凸轮设计方法，通过以下步骤实现：

第一步，确定凸轮半径r和滚轮沿凸轮运动的z轴最大行程h；

第二步，确定以r为半径、以z轴为对称轴的圆柱gz，圆柱高度h＞h+φ，φ为滚轮直径，圆柱gz底面中心为笛卡尔垂直坐标系xyz的原点0；

第三步，根据公式组(1)的滚轮运动三维轨迹方程，调整常数c值，使滚轮运动三维轨迹的h/2平面与第二步确定的圆柱gz的h/2平面共面；

第四步，过滚轮运动三维轨迹与xoz平面的交点，作平行于x轴的直线x′，以直线x′对称轴绘制直径φ的圆柱gx，圆柱gx位于yoz平面同侧，高度l＞r-φ/2，其底面距yoz平面的距离为φ/2；

第五步，以z轴为旋转轴，将第五步确定的圆柱gx沿滚轮运动三维轨迹进行体扫掠，并与第三步确定的圆柱gz进行布尔减运算，得到的曲面即为的凸轮曲面形状。

进一步，还包括第六步，根据第五步确定的凸轮曲面形状和第一步确定的凸轮半径r加工凸轮。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明的凸轮曲面采用滚轮运动轨迹曲线、轴向速度曲线、轴向加速度曲线处处连续可导的设计，在泵运转时不存在柔性冲击，大幅减小泵的振动和噪声，提高泵工作的可靠性，解决了现有二维活塞输油泵运转时存在柔性冲击、工作不平稳的问题；

(2)本发明在上述曲线处处连续可导的前提下，确定了特殊的滚轮运动三维轨迹的凸轮曲面结构，使得轴向加速度极值增幅较小，从而对运动部件的惯性载荷影响小，原有燃油泵的结构强度无需增加即可满足载荷增加的影响；

(3)本发明凸轮曲面与圆柱滚轮匹配，泵运转过程中不存在径向力，不会造成柱塞偏载，从而减小柱塞卡滞风险；

(4)本发明设计方法采用特殊步骤，提高曲面模型建模的准确度，从而保证了凸轮曲面的加工精确度。

附图说明

图1为现有二维活塞输油泵的斜凸轮与斜滚轮结构示意图；

图2为现有二维活塞输油泵的斜滚轮运动曲线，图2a为z向行程曲线、图2b为速度曲线，图2c为加速度曲线；

图3为本发明凸轮结构示意图，图3a为俯视立体图，图3b为仰视立体剖视图；

图4为本发明凸轮主视图；

图5为图4a-a方向的剖视图；

图6为本发明凸轮的运动曲线，图6a为z向行程曲线、图6b为速度曲线，图6c为加速度曲线；

图7为本发明凸轮工作时装配示意图。

具体实施方式

下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。

本发明提供一种凸轮，包括双波峰波谷凸轮曲面和中部圆形凸台，双波峰波谷凸轮曲面形状曲面光滑连续，圆柱滚轮沿凸轮面运动的轨迹曲线、轴向速度曲线和轴向加速度曲线处处连续可导。

进一步，为减少轴向加速度曲线处处连续可导对燃油泵载荷的影响，本发明优选了如下双波峰波谷凸轮曲面形状。

双波峰波谷凸轮曲面形状由与之配合的圆柱滚轮的运动三维轨迹方程确定，滚轮运动三维轨迹方程见公式组(1)，

x＝rcosθ

y＝rsinθ

其中x、y、z为圆柱滚轮在凸轮曲面上的x、y、z轴(笛卡尔垂直坐标系xyz)方向的行程，h为圆柱滚轮沿凸轮运动的z轴最大行程，c为常数，θ为圆柱滚轮在凸轮曲面上的旋转角度(旋转一圈后，角度重新开始)，θ∈[0,2π]，k为符号系数，为整数，当k取值为偶数时，公式(1)中的±取为+，当k取值为奇数时，公式(1)中的±取为-，k的具体取值根据本领域技术人员设计要求，可以是正或负数。

常数c确定如下，使由公式组(1)确定的滚轮运动三维轨迹的h/2平面与以r为半径、以z轴为对称轴的圆柱gz的h/2平面共面，其中h为圆柱gz高度，h＞h+φ，φ为滚轮直径，r为凸轮半径。

双波峰波谷凸轮曲面和中部圆形凸台之间加工与凸轮曲面形状相似或相同的避刀槽，具有两波峰和波谷，其作用是在磨削凸轮曲面时起到避让磨头的作用。

优选实例如图3、4、5所示，凸轮为与圆柱滚轮匹配的双坡峰坡谷凸轮曲面31、圆形凸台32组成，圆形凸台32中间开有圆形配合口33，与凸轮形状一致的避刀槽34，避刀槽34上均布4对减重通油孔，凸轮底面开有螺母安装沉孔36和一对工艺定位孔37。

双坡峰坡谷凸轮曲面31由与之配合的圆柱滚轮的运动三维轨迹方程确定，具体见表1。

圆形配合口33位于圆形凸台32中心，用于与轴配合；螺母安装沉孔36和工艺定位孔37位于凸轮底面，其中螺母安装孔36用于容纳与轴紧固的螺母，工艺定位孔37用于凸轮加工时的找正定位；避刀槽34的形状与凸轮曲面相似或相同，避刀槽34双轴向均布有4对减重通油孔。

优选地，如图3b所示，工艺定位孔37开在凸轮曲面31坡峰背面，以保证有足够的空间。

进一步，本发明提供一种凸轮设计方法，通过以下步骤实现：

1、确定凸轮半径r。

凸轮半径r根据设计需求(燃油泵尺寸等)确定，为本领域公知技术，根据燃油泵的不同结构要求和设计需求，本领域技术人员选择合适的尺寸。

本实施例中凸轮半径r为51mm。

2、确定滚轮沿凸轮运动的z轴最大行程h；

z轴最大行程h根据设计需求(燃油流量和泵转速等)确定，具体参见文献《二维(2d)活塞泵原理性验证研究》，阮健，李进园，金丁灿，申屠胜男，童成伟，浙江工业大学学报，2017.6。

本实施例滚轮轴向运动的行程h＝4mm。

3、确定以r为半径、以z轴为对称轴的圆柱gz，圆柱高度h＞h+φ，φ为滚轮直径，圆柱gz底面中心为笛卡尔垂直坐标系xyz的原点0。

本实施例滚轮直径φ为15mm,圆柱gz的高度h为20mm。

4、根据表1确定的滚轮运动三维轨迹方程，调整常数c值，使滚轮运动三维轨迹的h/2平面与第三步确定的圆柱gz的h/2平面共面。

本实施例常数c为10mm。

5、过滚轮运动三维轨迹与xoz平面的交点，作平行于x轴的直线x′，以直线x′对称轴绘制直径φ的圆柱gx，圆柱gx位于yoz平面同侧，高度l＞r-φ/2，其底面距yoz平面距离为φ/2。

本实施例圆柱gx高度l为20mm，其底面距yoz平面7.5mm。

6、以z轴为旋转轴，将步骤5确定的圆柱gx沿滚轮运动三维轨迹进行体扫掠，并与步骤3确定的圆柱gz进行布尔减运算，得到的曲面即为的凸轮曲面形状。

体扫掠和布尔减运算为ugnx10三维建模的公知技术，本领域技术人员可借鉴现有技术。

7、根据步骤7确定的凸轮曲面形状和步骤1确定的凸轮半径r加工凸轮。

凸轮加工时，中部圆形凸台和凸轮曲面形状之间加工避刀槽和中部圆形凸台。中部圆形凸台的高度、中心孔大小等尺寸根据凸轮在燃油泵中的安装连接关系确定。

图6提供了凸轮实施例的设计曲线，即与之匹配的圆柱滚轮轴向运动特性曲线，其具体函数见表1(其中本实施例滚轮轴向运动的行程h＝4)。如图2所示，凸轮实施例的运动轨迹曲线、轴向速度曲线、轴向加速度曲线处处连续可导，因此旋转部件沿凸轮运动时不存在柔性冲击，增加泵运转的平稳度，同时由于采用了表2中运动方程限定的凸轮曲面，其轴向加速度极值增加较小，实施例中，泵转速8000r/min时，轴向加速度极值9102m/s²，对运动部件轴向惯性载荷影响较小，现有的燃油泵结构强度能满足使用要求。

如图7所示，凸轮安装时，将轴62的从圆台侧穿进凸轮61，并与凸轮61的圆形配合口33过盈装配；另一侧，在螺母安装沉孔36内装入弹簧垫片63，并用螺母64将柱塞62与凸轮61紧固；然后将凸轮61与一对圆柱固定的滚轮65匹配。

本实施例中的凸轮曲面与圆柱滚轮匹配，泵运转过程中不存在径向力，不会造成柱塞偏载，从而减小柱塞卡滞风险。

本实施例中的凸轮曲面采用运动轨迹曲线连续、轴向速度曲线连续、轴向加速度曲线连续的方法设计，泵运转时不存在柔性冲击，大幅减小泵的振动和噪声，泵工作的可靠性更高。

表1

表2

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。