技术领域本发明属于气囊充气控制方法，尤其涉及一种对气囊实施微型高压充气钢瓶充气采用偏置凸轮式进气控制机构的优化设计方法。
背景技术：
船舶堵漏和海上救生是航海安全的重要内容，主要利用堵漏器材和救生装置来实施保障。气囊式堵漏器材和救生装置具有质量轻，可卷收贮放，携带方便等优点，因此，近年来得到广泛重视和研发。气囊式堵漏器材是一种利用气囊对船体破口实施堵漏的新型堵漏器材，气囊式救生装置包括救生衣、救生筏等。气囊式堵漏器材和救生装置技术的关键在于气囊的进气控制，要求能够快速给气囊充气并保证气密性。气囊式堵漏器材和救生装置的进气控制通常利用凸轮机构来实现，通过凸轮旋转驱动顶针作直线运动，使其刺破微型高压充气钢瓶的金属膜，释放瓶内高压气体快速给气囊充气。但现有气囊式堵漏器材和救生装置的凸轮机构为了获得较大的顶针推力，往往需要较大的力臂操作空间，使凸轮机构不易安装在对空间要求较高的紧凑结构内，且通常为一次性使用设计，重复使用时凸轮易磨损，可靠性差。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种偏置凸轮式进气控制机构的优化设计方法，通过优化偏心距和顶针接触曲面半径，最大程度地提高凸轮驱动效率，实现小力臂大力矩的功能，节省操作空间，使进气控制装置结构紧凑，并提高结构的可靠性。本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种偏置凸轮式进气控制机构的优化设计方法，其特征是：采用凸轮和凸轮轴呈一体的偏置凸轮式结构，通过凸轮曲面驱动顶针沿导槽作直线运动，优化凸轮偏心距和顶针接触曲面，使凸轮曲面驱动顶针满足推力等效及偏载均衡原则，实现小力臂大力矩功能，便于在狭窄空间内安装，具体设计方案如下：一.确定顶针最大行程1)根据结构受力大小及空间要求确定凸轮轴圆柱半径R1、凸轮基圆半径R2，凸轮为偏心轮，顶针接触面初定为平面,顶针圆柱半径待定；2)凸轮和顶针对心分布，使凸轮轴心点O、凸轮基圆圆心O、凸轮曲面圆心O1分布在同一条直线上，且凸轮基圆、凸轮曲面、顶针接触平面相切于点A；3)凸轮曲面推动顶针接触平面向下运动，接触点由A滑动到B，则点A与点B之间的垂向距离，即顶针最大行程L，确定凸轮曲面半径R3，将R1、R2、R3作为已知条件，当凸轮转角范围为0°～90°时，使顶针最大行程L满足：L＝R3-R2；当凸轮转角范围为0°～180°时，顶针最大行程为2L；二.确定凸轮偏心距1)当凸轮曲面圆心O1绕凸轮基圆圆心O旋转90°时，令两圆心OO1之间的距离为2e，OO1的中垂线为偏置凸轮机构的实际顶针轴心线，则凸轮的偏心距为e，e＝L/2，接触点垂向行程等于顶针最大行程L；2)点A与点B之间的水平距离是顶针接触平面最小尺寸，即若顶针接触面为平面，则顶针圆柱半径须≥L/2；3)两圆心O、O1之间的距离与顶针最大行程L相等，将线段OO1的中垂线作为确定的顶针轴心线位置，则凸轮轴心点O与顶针轴心线的偏心距e＝L/2；三.确定顶针曲面半径1)设计顶针接触曲面：顶针圆柱半径为R4，且R4＜L/2，则将90°位置时的顶针圆柱右边缘线向上延伸至凸轮曲面，其交点作为接触面右极限位置B，连接O1B并延长至顶针轴心线，交点O2即为顶针接触曲面圆心，O2B即为对应顶针接触曲面半径R5，以O2为圆心、O2B为半径作圆弧，则顶针圆柱两边缘线之间的圆弧即为实际与凸轮曲面接触的顶针接触曲面；或，将0°位置时的顶针圆柱左边缘线向上延伸至凸轮曲面，作为接触面左极限位置A，连接O1A并延长至顶针轴心线，交点O2即为顶针接触曲面圆心O2A，O2A＝O2B；2)根据顶针圆柱半径R4确定顶针接触曲面半径R5，使顶针接触曲面与凸轮曲面相切，接触面法线通过凸轮曲面圆心O1和顶针接触曲面圆心O2；四.确定最大压力角当凸轮曲面绕凸轮基圆O旋转至90°时，顶针最大行程为L，O1O2与顶针轴心线形成的压力角最大，为θ，在0°时对应的压力角也为θ；0°～90°范围内，凸轮曲面推动顶针接触平面向下运动，接触点由起始位置A点滑动到终点位置B点，达到顶针最大行程L，在此过程中，O1O2与顶针轴心线形成的压力角始终≤θ；当凸轮曲面绕凸轮基圆O旋转至180°时，顶针最大行程为2L，O1O2与顶针轴心线形成的压力角仍为θ，在0°～180°范围内，当凸轮曲面推动顶针下行时，凸轮曲面与顶针接触曲面的接触点由起始点A滑动到B点，再由B点滑回终点A，达到最大行程2L，在此过程中，O1O2与顶针轴心线形成的压力角始终≤θ。有益效果：偏置凸轮式进气控制机构的优化设计方法具有以下特点：1)可通过优化顶针接触曲面，使曲面-曲面接触获得与曲面-平面接触相同的推力，满足推力等效原则，并且能够使顶针接触曲面适应顶针圆柱半径的改变，得到合理的顶针圆柱半径尺寸；2)选择最合理的凸轮偏心距及顶针接触曲面半径，使压力角变化幅度最小，且沿顶针轴心线对称分布，满足偏载均衡原则，最大程度减少偏载影响；3)满足小力臂大力矩功能和结构紧凑性要求，使凸轮机构便于在狭窄空间内安装。附图说明图1a-图1b是实施例的偏置凸轮式进气控制方法示意图；图2是顶针最大行程和凸轮偏心距确定示意图；图3是顶针曲面半径和最大压力角确定示意图；图4是推力等效原则的示意图；图5是偏载均衡原则的示意图。图中：1、凸轮，2、凸轮轴，3、顶针，4、导槽。具体实施方式下面结合较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。详见附图，一种偏置凸轮式进气控制机构的优化设计方法，采用凸轮1和凸轮轴2呈一体的偏置凸轮式结构，通过凸轮曲面驱动顶针3沿导槽4作直线运动，优化凸轮偏心距和顶针接触曲面，使凸轮曲面驱动顶针满足推力等效及偏载均衡原则，实现小力臂大力矩功能，便于在狭窄空间内安装，具体设计方案如下：一.确定顶针最大行程1)根据结构受力大小及空间要求确定凸轮轴圆柱半径R1、凸轮基圆半径R2，凸轮为偏心轮，顶针接触面初定为平面,顶针圆柱半径待定；2)凸轮和顶针对心分布，使凸轮轴心点O、凸轮基圆圆心O、凸轮曲面圆心O1分布在同一条直线上，且凸轮基圆、凸轮曲面、顶针接触平面相切于点A；3)凸轮曲面推动顶针接触平面向下运动，接触点由A滑动到B，则点A与点B之间的垂向距离，即顶针最大行程L，确定凸轮曲面半径R3，将R1、R2、R3作为已知条件，当凸轮转角范围为0°～90°时，使顶针最大行程L满足：L＝R3-R2；当凸轮转角范围为0°～180°时，顶针最大行程为2L；二.确定凸轮偏心距1)当凸轮曲面圆心O1绕凸轮基圆圆心O旋转90°时，令两圆心OO1之间的距离为2e，OO1的中垂线为偏置凸轮机构的实际顶针轴心线，则凸轮的偏心距为e，e＝L/2，接触点垂向行程等于顶针最大行程L；2)点A与点B之间的水平距离是顶针接触平面最小尺寸，即若顶针接触面为平面，则顶针圆柱半径须≥L/2；3)两圆心O、O1之间的距离与顶针最大行程L相等，将线段OO1的中垂线作为确定的顶针轴心线位置，则凸轮轴心点O与顶针轴心线的偏心距e＝L/2；三.确定顶针曲面半径1)设计顶针接触曲面：顶针圆柱半径为R4，且R4＜L/2，则将90°位置时的顶针圆柱右边缘线向上延伸至凸轮曲面，其交点作为接触面右极限位置B，连接O1B并延长至顶针轴心线，交点O2即为顶针接触曲面圆心，O2B即为对应顶针接触曲面半径R5，以O2为圆心、O2B为半径作圆弧，则顶针圆柱两边缘线之间的圆弧即为实际与凸轮曲面接触的顶针接触曲面；或，将0°位置时的顶针圆柱左边缘线向上延伸至凸轮曲面，作为接触面左极限位置A，连接O1A并延长至顶针轴心线，交点O2即为顶针接触曲面圆心O2A，O2A＝O2B；2)根据顶针圆柱半径R4确定顶针接触曲面半径R5，使顶针接触曲面与凸轮曲面相切，接触面法线通过凸轮曲面圆心O1和顶针接触曲面圆心O2；四.确定最大压力角当凸轮曲面绕凸轮基圆O旋转至90°时，顶针最大行程为L，O1O2与顶针轴心线形成的压力角最大，为θ，在0°时对应的压力角也为θ；0°～90°范围内，凸轮曲面推动顶针接触平面向下运动，接触点由起始位置A点滑动到终点位置B点，达到顶针最大行程L，在此过程中，O1O2与顶针轴心线形成的压力角始终≤θ；当凸轮曲面绕凸轮基圆O旋转至180°时，顶针最大行程为2L，O1O2与顶针轴心线形成的压力角仍为θ，在0°～180°范围内，当凸轮曲面推动顶针下行时，凸轮曲面与顶针接触曲面的接触点由起始点A滑动到B点，再由B点滑回终点A，达到最大行程2L，在此过程中，O1O2与顶针轴心线形成的压力角始终≤θ。5工作原理1)推力等效原则顶针接触面为曲面时，通过合理设计曲面半径，可以得到与顶针接触面是平面时相同的推力，而且顶针圆柱半径可以更小，更容易满足小空间设计需求。当顶针接触面为平面时，顶针推力当顶针接触面为曲面时，顶针推力因此，本方法设计的凸轮机构，顶针获得的推力大小与最大压力角θ的大小无关，只要接触点法线通过圆心O1O2，则顶针接触面无论是平面还是曲面，顶针获得的推力始终相等，即两者推力等效。2)偏载均衡原则与对心式相比，偏置式凸轮可以选择最合理的偏心距及接触曲面半径，使压力角最小，减少偏载影响。偏置时，当凸轮曲面圆心O1绕凸轮轴轴心点O在0°～90°范围内旋转，对应接触点在A′和B′之间滑动，作用力均分布在顶针轴心线右侧，最大侧向力F2x＝F2·tanθ1；对心时，当凸轮曲面圆心O1绕凸轮轴轴心点O在0°～90°范围内旋转，对应接触点在A和B之间滑动，作用力沿顶针轴心线左右对称分布，最大侧向力F1x＝F1·tanθ；因为，θ1＞2θ，当θ＜45°时，tanθ1＞tan2θ＞2tanθ则F2x＞2F1x所以偏置凸轮机构比对心凸轮机构对顶针的推力更加均衡，且偏置凸轮机构产生的偏载力小于对心凸轮机构产生的偏载力的一半。上述参照实施例对该一种偏置凸轮式进气控制机构的优化设计方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。