CN104747632A - 用于基础制动装置的凸轮机构的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于基础制动装置的凸轮机构的设计方法，包括以下具体步骤：A.对凸轮机构的运动过程和受力情况进行分析，得到基础制动装置的制动倍率a的计算模型；B.用解析法得到凸轮的理论轮廓线的坐标方程式；C.用解析法得到凸轮的实际轮廓线的坐标方程式；D.确定a和s的数值，将计算模型代入坐标方程式中，求解并绘制出凸轮的轮廓；E.根据所绘制的凸轮轮廓加工制造出凸轮。本发明的用于基础制动装置的凸轮机构的设计方法建立了凸轮轮廓与制动倍率的计算模型，可以准确可靠地求解并绘制出指定制动倍率的凸轮轮廓，使得凸轮轮廓上的任意一点的制动倍率恒定。

Description

用于基础制动装置的凸轮机构的设计方法

技术领域

本发明涉及一种凸轮机构的设计方法，尤其是一种轨道交通车辆基础制动装置的凸轮放大机构的设计方法。

背景技术

随着轨道交通车辆的功率和运行速度地不断提高，必须要求基础制动装置能输出较大的制动力，以保证列车在紧急制动时能在规定的制动距离内停车。目前，基础制动装置的力放大机构主要有三种型式：杠杆、楔形滑块、凸轮推杆。采用凸轮推杆结构的基础制动装置具有结构紧凑、制动效率高、制动倍率覆盖广等优点，在国内使用最广泛。

采用凸轮推杆结构的其中一种基础制动装置的结构，如图1所示，是一个典型的偏心凸轮推杆传动机构。其包括闸瓦1、主轴复位弹簧2、推杆3、滚轮4、活塞销5、凸轮销6、凸轮7、活塞复位弹簧8和活塞9。凸轮7的转动中心通过凸轮销6与基础制动装置的外壳铰接，活塞9的支脚与凸轮7的边缘处通过活塞销5铰接，推杆3的一端转动连接有滚轮4，推杆3的另一端与闸瓦1相连。滚轮4与凸轮7的外缘轮廓相接触。其工作原理是：当基础制动装置通入空气压力时，活塞9在气压的作用下克服活塞复位弹簧8的回复力向下滑动，通过活塞销5推动凸轮7绕凸轮销6转动。同时，凸轮7转动以推动推杆3向前伸出，使闸瓦1压紧车轮踏面，施加制动力。

基础制动装置的凸轮机构通过改变凸轮外缘轮廓的弧线实现改变基础制动装置的制动倍率，不同制动倍率下，凸轮具有不同的外缘轮廓弧线。对于普通的凸轮推杆传动机构来说，其凸轮轮廓的求解仅仅是用图解法或解析法对凸轮推杆的运动过程进行求解，没有关注推杆受力的一致性。

中国专利文献201110338441.9公开了一种恒定制动力机车踏面单元制动器，其放大凸轮的工作曲面为以其与制动缸体铰接点为坐标原点的对数螺线。其理论原理是：由于对数螺线具有等角性，既对数螺线与所有过极点的射线的交角ψ都相等，所以任何一条参数给定的对数螺线与过极点的射线的交角ψ都为一个确定值，而对数螺线上任意一点的压力角K为交角ψ的余角(既K+ψ＝90°)，所以对数螺线上任意一点的压力角K同样是一个定值。这样在该曲线上的任何一点都具有唯一的压力角，因而也就具有唯一的制动倍率。但是，经理论分析可知，实际上制动倍率不仅仅与压力角有关，还与其他多种因素相关比如：行程、转动角度等。设计时制动倍率为3.1的凸轮，根据上述专利文献公布的技术方案制成样品，实测制动倍率为3.8，误差很大，可见该种设计方法存在缺陷，无法运用的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以准确可靠地根据所需的制动倍率计算并绘制出凸轮轮廓，使得凸轮轮廓上的任意一点的制动倍率恒定的用于基础制动装置的凸轮机构的设计方法。

实现本发明目的的技术方案是一种用于基础制动装置的凸轮机构的设计方法，所述凸轮机构包括推杆、滚轮、凸轮和活塞，活塞的支脚与凸轮的边缘处铰接，推杆的一端转动连接有滚轮，滚轮与凸轮的外缘轮廓相接触，包括以下具体步骤：

A.用反转法对凸轮机构的运动过程和受力情况进行分析，得到基础制动装置的制动倍率a的计算模型：

$\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{d\δ}}=\sqrt{\frac{r\cos (\mathrm{\δ}-\mathrm{\β})}{a}}$     ④

其中，s为推杆在导路上移动的距离，r为活塞作用点距凸轮转动中心的距离，δ为凸轮转动的角度，β为活塞作用点与凸轮转动中心的连线与导路的夹角；

B.用解析法得到凸轮的理论轮廓线的坐标方程式：

$\left\{\begin{array}{c}x=(s_0+s)\cos \mathrm{\δ}-e\sin \mathrm{\δ}\\ y=e\cos \mathrm{\δ}+(s_0+s)\sin \mathrm{\δ}\end{array}\right.$     ⑤

其中，x、y为凸轮的理论轮廓线上点的直角坐标，s₀为滚轮圆心与凸轮在导路方向上的初始距离，e为凸轮转动中心与推杆导路的偏距；

C.用解析法得到凸轮的实际轮廓线的坐标方程式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=x-r_t\frac{\mathrm{dy}/\mathrm{d\δ}}{\sqrt{{(\mathrm{dx}/\mathrm{d\δ})}^2+{(\mathrm{dy}/\mathrm{d\δ})}^2}}\\ y_1=y+r_t\frac{\mathrm{dx}/\mathrm{d\δ}}{\sqrt{{(\mathrm{dx}/\mathrm{d\δ})}^2+{(\mathrm{dy}/\mathrm{d\δ})}^2}}\end{array}\right.$     ⑥

其中，x₁、y₁为凸轮实际轮廓线上点的直角坐标，r_t为滚轮的半径；

D.确定a和s的数值，将计算模型④代入坐标方程式⑤和⑥中，求解并绘制出凸轮的轮廓；

E.根据所绘制的凸轮轮廓加工制造出凸轮。

为了简化计算的过程，减轻工作量，上述步骤D通过Visual LISP与VBA交叉编程的方法进行参数化设计和绘图。

上述步骤A中用反转法对凸轮机构的运动过程和受力情况进行分析的具体步骤如下：

首先对推杆和滚轮进行受力分析，得到关系式：

Fcosα＝Q    ①

其中，F为凸轮对滚轮的正压力，α为凸轮的压力角，Q为推杆所受的轴向力；

然后对凸轮进行受力分析，得到关系式：

    ②

其中，F_推为活塞对凸轮的推力。

根据关系式式①、②求解得到制动倍率a的计算公式：

    ③

由公式③可求解得到所述计算模型④。

本发明具有积极的效果：

（1）本发明的凸轮机构设计方法建立了推杆在导路上移动的距离s和制动倍率a的计算模型，该计算模型比较简洁，运用便捷，推导更加准确，可以根据现有的凸轮的理论轮廓线方程和实际轮廓线方程，准确可靠地求解出指定制动倍率的凸轮轮廓。凸轮轮廓上的任意一点的制动倍率恒定，可以使得制动更加平稳，停车更加准确。通过本发明的凸轮机构设计方法制造的凸轮经过测试，充分满足设计要求，可根据要求设计生产出不同制动倍率的凸轮产品。基础制动装置可以通过更换不同轮廓的凸轮，使得制动倍率在较宽的范围内任意变化，从而可实现基础制动装置的系列化。

（2）本发明的凸轮机构设计方法通过计算机辅助设计和计算机辅助制造，解决了凸轮的参数化设计和绘图繁琐的问题。例如，通过VBA与VL的交叉编程，可以快速求解出凸轮轮廓，制造出凸轮。

附图说明

图1为本发明的基础制动装置的结构示意图；

图2是图1中的凸轮机构用反转法分析其运动过程的结构示意图；

图3是图1中的凸轮机构的受力分析结构示意图；

图4是不同制动倍率的凸轮的结构示意图；

图5是不同制动倍率的凸轮实测制动倍率的曲线图。

上述附图的标记如下：

闸瓦1，主轴复位弹簧2，推杆3，滚轮4，活塞销5，凸轮销6，凸轮7，活塞复位弹簧8，活塞9。

具体实施方式

（实施例1）

见图1，本发明的基础制动装置包括闸瓦1、主轴复位弹簧2和凸轮机构。凸轮机构包括推杆3、滚轮4、活塞销5、凸轮销6、凸轮7、活塞复位弹簧8和活塞9。凸轮7的转动中心通过凸轮销6与基础制动装置的外壳铰接，活塞9的支脚与凸轮7的边缘处通过活塞销5铰接，推杆3的一端转动连接有滚轮4，推杆3的另一端与闸瓦1相连。滚轮4与凸轮7的外缘轮廓相接触。活塞销5的轴线即为活塞9的作用点。凸轮销6的轴线即为凸轮7的转动中心。

见图2和图3，本发明的用于基础制动装置的凸轮机构的设计方法，包括以下具体步骤：

A.用反转法对凸轮机构的运动过程和受力情况进行分析。以凸轮7为参照物，假设凸轮7在运动过程中静止不动，推杆3绕着凸轮7转动，建立以凸轮7的转动中心为坐标原点的直角坐标系。

由于基础制动装置采用了特殊的滑块结构，压力N和摩擦力μN较小，忽略不计；在制动时，在滚轮4相对于推杆3销轴的转矩Mf的作用下，凸轮7与滚轮4之间的产生摩擦力Ff，若滚轮4采用滚针轴承，则滚轮4相对于推杆3销轴的转矩极小，摩擦力Ff也较小，忽略不计。O点为凸轮7的转动中心，D点为滚轮4的转动中心，P点为凸轮7轮廓接触点的公法线与导路垂线的交点。

首先对推杆3和滚轮4进行受力分析，得到关系式：

Fcosα＝Q    ①

其中，F为凸轮7对滚轮4的正压力，α为凸轮7的压力角，Q为推杆3所受闸瓦1和主轴复位弹簧2的轴向力。

然后对凸轮7进行受力分析，由力矩平衡得到：

    ②

其中，F_推为活塞9对凸轮7的推力，r为活塞9作用点距凸轮7转动中心的距离，s为推杆3在导路上移动的距离，δ为凸轮7转动的角度，β为活塞9作用点与凸轮7转动中心的连线与导路的夹角。

根据关系式①、②求解得到制动倍率a的计算公式：

    ③

公式④求解得到凸轮7的轮廓与制动倍率a的关系式：

$\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{d\δ}}=\sqrt{\frac{r\cos (\mathrm{\δ}-\mathrm{\β})}{a}}$     ④

B.用解析法得到凸轮7的理论轮廓线的坐标方程式：

$\left\{\begin{array}{c}x=(s_0+s)\cos \mathrm{\δ}-e\sin \mathrm{\δ}\\ y=e\cos \mathrm{\δ}+(s_0+s)\sin \mathrm{\δ}\end{array}\right.$     ⑤

其中，x、y为凸轮7的理论轮廓线上点的直角坐标，s₀为滚轮4圆心与凸轮7在导路方向上的初始距离，e为凸轮7转动中心与推杆3导路的偏距。

凸轮7的理论轮廓线的坐标方程式的推导过程，详见1989年6月出版的《凸轮几何学》的第24页至26页，作者是：赵国文。

C.凸轮7的实际轮廓线为圆心在理论轮廓线上的一族滚子圆的包络线。凸轮7的实际轮廓线为理论轮廓线的内包络廓线，由微分几何可求解得到凸轮7的实际轮廓线的坐标方程式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=x-r_t\frac{\mathrm{dy}/\mathrm{d\δ}}{\sqrt{{(\mathrm{dx}/\mathrm{d\δ})}^2+{(\mathrm{dy}/\mathrm{d\δ})}^2}}\\ y_1=y+r_t\frac{\mathrm{dx}/\mathrm{d\δ}}{\sqrt{{(\mathrm{dx}/\mathrm{d\δ})}^2+{(\mathrm{dy}/\mathrm{d\δ})}^2}}\end{array}\right.$     ⑥

其中，x₁、y₁为凸轮7实际轮廓线上点的直角坐标，r_t为滚轮4的半径。

凸轮7的实际轮廓线的坐标方程式的推导过程，详见1989年6月出版的《凸轮几何学》的第54页至55页，作者是：赵国文。

D.将计算模型⑤代入坐标方程式⑥和⑦中，通过Visual LISP与VBA交叉编程的方法进行参数化设计和绘图，在程序对话框中输入a和s的数值，Visual LISP程序通过δ的微小增量,计算出每个凸轮7轮廓的坐标点,最后连接各坐标点,形成凸轮7轮廓线，从而绘制出凸轮7的轮廓详见图4。

E.根据所绘制的凸轮7轮廓加工制造出凸轮7。

用上述凸轮机构的设计方法，分别设定a为2.0、s为24mm；a为2.9，s为20mm，a为4.1，s为18mm，制造出相应的三个凸轮7进行测试，通过试验机测试出某气压下的基础制动装置的闸瓦1正压力，即可绘制出相应凸轮7的实测制动倍率曲线详见图5。实测倍率与设计倍率比较如表1所示：

表1实测倍率与设计倍率比较

设计倍率	实测倍率均值	偏差
			2.0	2.01	0.5%
2.9	2.92	0.7%
			4.1	4.08	0.5%

由此可知，通过本发明的设计方法设计的凸轮7制动倍率曲线线性较好，制动倍率稳定，实际制动倍率与所设计的制动倍率吻合，误差较小。

本发明的用于基础制动装置的凸轮机构的设计方法不局限于上述各实施例。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种用于基础制动装置的凸轮机构的设计方法，所述凸轮机构包括推杆（3）、滚轮（4）、凸轮（7）和活塞（9），活塞（9）的支脚与凸轮（7）的边缘处铰接，推杆（3）的一端转动连接有滚轮（4），滚轮（4）与凸轮（7）的外缘轮廓相接触，其特征在于，包括以下具体步骤：

A.对凸轮机构的运动过程和受力情况进行分析，得到基础制动装置的制动倍率a的计算模型：

$\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{d\δ}}=\sqrt{\frac{r\cos (\mathrm{\δ}-\mathrm{\β})}{a}}$     ④

其中，s为推杆（3）在导路上移动的距离，r为活塞（9）作用点距凸轮（7）转动中心的距离，δ为凸轮（7）转动的角度，β为活塞（9）作用点与凸轮（7）转动中心的连线与导路的夹角；

B.用解析法得到凸轮（7）的理论轮廓线的坐标方程式：

$\left\{\begin{array}{c}x=(s_0+s)\cos \mathrm{\δ}-e\sin \mathrm{\δ}\\ y=e\cos \mathrm{\δ}+(s_0+s)\sin \mathrm{\δ}\end{array}\right.$     ⑤

其中，x、y为凸轮（7）的理论轮廓线上点的直角坐标，s₀为滚轮（4）圆心与凸轮（7）在导路方向上的初始距离，e为凸轮（7）转动中心与推杆（3）导路的偏距；

C.用解析法得到凸轮（7）的实际轮廓线的坐标方程式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=x-r_t\frac{\mathrm{dy}/\mathrm{d\δ}}{\sqrt{{(\mathrm{dx}/\mathrm{d\δ})}^2+{(\mathrm{dy}/\mathrm{d\δ})}^2}}\\ y_1=y+r_t\frac{\mathrm{dx}/\mathrm{d\δ}}{\sqrt{{(\mathrm{dx}/\mathrm{d\δ})}^2+{(\mathrm{dy}/\mathrm{d\δ})}^2}}\end{array}\right.$     ⑥

其中，x₁、y₁为凸轮（7）实际轮廓线上点的直角坐标，r_t为滚轮（4）的半径；

D.确定a和s的数值，将计算模型④代入坐标方程式⑤和⑥中，求解并绘制出凸轮（7）的轮廓；

E.根据所绘制的凸轮（7）轮廓加工制造出凸轮（7）。

2.按照权利要求1所述的用于基础制动装置的凸轮机构的设计方法，其特征在于：所述步骤D通过Visual LISP与VBA交叉编程的方法进行参数化设计和绘图。

3.按照权利要求1或2所述的用于基础制动装置的凸轮机构的设计方法，其特征在于：所述步骤A中，

首先对推杆（3）和滚轮（4）进行受力分析，得到关系式：

Fcosα＝Q    ①

其中，F为凸轮（7）对滚轮（4）的正压力，α为凸轮（7）的压力角，Q为推杆（3）所受的轴向力；

然后对凸轮（7）进行受力分析，得到关系式：

    ②

其中，F_推为活塞（9）对凸轮（7）的推力；

根据关系式式①、②求解得到制动倍率a的计算公式：

    ③

由公式③可求解得到所述计算模型④。