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凹圆弧底新型配气机构机凸轮的设计与系统开发
文章字数：1767
摘要：将负半径类中的凹圆弧底凸轮机构，应用到发动机配气机构中，基于VB软件开发，进行配气机构的凸轮轮廓求解和凸轮尺寸空间优化，精确获得负半径凸轮轮廓的系统。最后通过建模3D打印技术进行凸轮轮廓打印制造，实现高效、低成本凹圆弧底新型配气机构机的设计验证。关键词：凹圆弧底；配气机构，凸轮轮廓；3D打印
负半径类的凹中圆弧底凸轮机构，凸轮、凹圆弧底内接触，有利于油膜形成，曲率半径较传统凸轮增大，接触应力也随之降低，运用到配气机构中具有极大优势。但较传统凸轮，该类凸轮的参数由凹圆弧半径R，基圆半径r0两个组成，传统凸轮的空间由基圆半径决定，而凹圆弧底凸轮要由凹圆弧R综合决定。
一、基于VB配气机构凸轮基本参数的求解与空间优化
与传统的配气机构凸轮设计一样，已知条件凸轮h，往返程运动规律s(φ)、sr(φ)、往返程许用压力角[α]、[α]r，往返程审成交φ0、φ0r，缓冲角φs和φsr，将轮廓不失真、许用压力角和接触强度等条件作为条件，求解出机构基本尺寸r0和R，并进行尺寸空间优化。
应用VB强大界面功能，建立凹圆弧底配气机构凸轮已知条件输入窗口，将以上已知参数随时输入界面。应用VB模块功能，把凸轮常用运动规律模块化，同时模块中有自定义运动规律编写接口。如此，凸轮的运动规律就可以通过Combox功能，随时进行选择和变化，以便不同运动规律的结果对比优化。
凹圆弧底凸轮配气机构的轮廓曲线公式参见文献[1][2]，压力角公式参见文献。由于所求参数优化对象R、r0两个参数，传统的凸轮参数优化求解方法对此类机构失效。故R、r0和(R-r0)优化求解，需借助VB软件强大的计算搜索功能实现，运用VB的图片功能把搜索结果可视化，得到可视化（R-r0，R）、（R-r0，r0）可行域，即满足轮廓不失真、许用压力角和接触强度等条件作为条件的凹圆弧底凸配气机构的凹圆弧底凸轮机构的基圆半径r0和凹圆弧半径R。根据配气机构的空间要求，在可行的范围内选择合适的凹圆弧半径R，基圆半径r0。
二、基于VB配气机构凸轮轮廓精确求解
在VB中新建凹圆弧底凸轮配气机构的凸轮曲线精确求解窗口，把基本参数及优化后的凹圆弧半径R，基圆半径r0输入对应TextBox。点击“生成凸轮轮廓曲线”按钮，即可在窗口界面的图片上生成凸轮坐标计曲线，可以通过可视化的凸轮曲线，可以初步判断凸轮曲线是否失真等情况。通过VB数据文档数据传输功能，即可将精确凸轮轮廓曲线以坐标数据的形式生成文档。
三、配气机构凸轮的3维建模与3D打印制造
打开凸轮轮廓曲线数据文档，另存为ibl格式，经过编程语言，将文件数据修改成croe软件能够识别的文件。运行croe软件，进入零件建模界面，点击“获取数据”，生成凸轮轮廓建模曲线。将曲线经过拉伸转化为实体，然后进行凸轮轴孔、键槽等特征操作，即得到可以装配仿真的凸轮三维模型。将凹圆弧底凸轮配气机构的其他零件建模、装配即得到凹圆弧底凸轮机构的虚拟样机。将虚拟样机导入croe软件的仿真模块，即可对机构的升程、速度、加速度、压力角以及接触应力等模拟仿真，验证机构各参数指标是否符合要求。
传统的凸轮加工制造成本较高，通常要用线切割、数控机床等来完成，不仅加工周期长，而且对材料消耗较大。为此，凸轮的制造，选择材料价格低、打印速度快的3D打印技术来完成。3D打印的方法众多，出于成本和环保考虑，采用熔融沉积成型（FDM），材料选用环保型PLA。将凸轮三维模型保存为.stl格式，启动3D打印软件，进入切片模块，对凹圆弧底凸轮三维模型进行切片处理，设置合适的技术参数，生成3D打印代码，导入3D打印机，打印出凹圆弧底凸轮实体。
四、结论
基于VB软件平台，将凹圆弧底凸轮机构应用到发动机配气机构中。开发出凹圆弧底配气机构凸轮尺寸求解及空间优化系统。同时实现了凸轮轮廓曲线的精确求解，运用Croe实现了与设计系统数据传输，并实现了凹圆弧底凸轮配气机构的3维建模、虚拟样机仿真与凸轮的3D打印制造。由于已得到凸轮的三维模型，并经过虚拟样机仿真与实际制造验证。故后期只需将模型合适处理，就可以进行数控加工、线切割加工等。实现低成本、高效率地设计以及加工制造。
参考文献：
[1]贾延龄,王栋梁,张尚盈.一种新型凸轮机构——凹圆弧底从动件盘形凸轮机构的设计(一)[J].机械设计,1998(11):40-42+46-47.
[2]贾延龄,王栋梁,张尚盈.一种新型凸轮机构——凹圆弧底从动件盘形凸轮机构的设计(二)[J].机械设计,1998(12):29-30+42.
基金项目：福建省中青年教师教育科研项目“新型发动机配气机构开发与验证”(JAT220775)作者单位：厦门兴才职业技术学院信息工程学院
负半径类的凹中圆弧底凸轮机构，凸轮、凹圆弧底内接触，有利于油膜形成，曲率半径较传统凸轮增大，接触应力也随之降低，运用到配气机构中具有极大优势。但较传统凸轮，该类凸轮的参数由凹圆弧半径R，基圆半径r0两个组成，传统凸轮的空间由基圆半径决定，而凹圆弧底凸轮要由凹圆弧R综合决定。
一、基于VB配气机构凸轮基本参数的求解与空间优化
与传统的配气机构凸轮设计一样，已知条件凸轮h，往返程运动规律s(φ)、sr(φ)、往返程许用压力角[α]、[α]r，往返程审成交φ0、φ0r，缓冲角φs和φsr，将轮廓不失真、许用压力角和接触强度等条件作为条件，求解出机构基本尺寸r0和R，并进行尺寸空间优化。
应用VB强大界面功能，建立凹圆弧底配气机构凸轮已知条件输入窗口，将以上已知参数随时输入界面。应用VB模块功能，把凸轮常用运动规律模块化，同时模块中有自定义运动规律编写接口。如此，凸轮的运动规律就可以通过Combox功能，随时进行选择和变化，以便不同运动规律的结果对比优化。
凹圆弧底凸轮配气机构的轮廓曲线公式参见文献[1][2]，压力角公式参见文献。由于所求参数优化对象R、r0两个参数，传统的凸轮参数优化求解方法对此类机构失效。故R、r0和(R-r0)优化求解，需借助VB软件强大的计算搜索功能实现，运用VB的图片功能把搜索结果可视化，得到可视化（R-r0，R）、（R-r0，r0）可行域，即满足轮廓不失真、许用压力角和接触强度等条件作为条件的凹圆弧底凸配气机构的凹圆弧底凸轮机构的基圆半径r0和凹圆弧半径R。根据配气机构的空间要求，在可行的范围内选择合适的凹圆弧半径R，基圆半径r0。
二、基于VB配气机构凸轮轮廓精确求解
在VB中新建凹圆弧底凸轮配气机构的凸轮曲线精确求解窗口，把基本参数及优化后的凹圆弧半径R，基圆半径r0输入对应TextBox。点击“生成凸轮轮廓曲线”按钮，即可在窗口界面的图片上生成凸轮坐标计曲线，可以通过可视化的凸轮曲线，可以初步判断凸轮曲线是否失真等情况。通过VB数据文档数据传输功能，即可将精确凸轮轮廓曲线以坐标数据的形式生成文档。
三、配气机构凸轮的3维建模与3D打印制造
打开凸轮轮廓曲线数据文档，另存为ibl格式，经过编程语言，将文件数据修改成croe软件能够识别的文件。运行croe软件，进入零件建模界面，点击“获取数据”，生成凸轮轮廓建模曲线。将曲线经过拉伸转化为实体，然后进行凸轮轴孔、键槽等特征操作，即得到可以装配仿真的凸轮三维模型。将凹圆弧底凸轮配气机构的其他零件建模、装配即得到凹圆弧底凸轮机构的虚拟样机。将虚拟样机导入croe软件的仿真模块，即可对机构的升程、速度、加速度、压力角以及接触应力等模拟仿真，验证机构各参数指标是否符合要求。
传统的凸轮加工制造成本较高，通常要用线切割、数控机床等来完成，不仅加工周期长，而且对材料消耗较大。为此，凸轮的制造，选择材料价格低、打印速度快的3D打印技术来完成。3D打印的方法众多，出于成本和环保考虑，采用熔融沉积成型（FDM），材料选用环保型PLA。将凸轮三维模型保存为.stl格式，启动3D打印软件，进入切片模块，对凹圆弧底凸轮三维模型进行切片处理，设置合适的技术参数，生成3D打印代码，导入3D打印机，打印出凹圆弧底凸轮实体。
四、结论
基于VB软件平台，将凹圆弧底凸轮机构应用到发动机配气机构中。开发出凹圆弧底配气机构凸轮尺寸求解及空间优化系统。同时实现了凸轮轮廓曲线的精确求解，运用Croe实现了与设计系统数据传输，并实现了凹圆弧底凸轮配气机构的3维建模、虚拟样机仿真与凸轮的3D打印制造。由于已得到凸轮的三维模型，并经过虚拟样机仿真与实际制造验证。故后期只需将模型合适处理，就可以进行数控加工、线切割加工等。实现低成本、高效率地设计以及加工制造。
参考文献：
[1]贾延龄,王栋梁,张尚盈.一种新型凸轮机构——凹圆弧底从动件盘形凸轮机构的设计(一)[J].机械设计,1998(11):40-42+46-47.
[2]贾延龄,王栋梁,张尚盈.一种新型凸轮机构——凹圆弧底从动件盘形凸轮机构的设计(二)[J].机械设计,1998(12):29-30+42.
基金项目：福建省中青年教师教育科研项目“新型发动机配气机构开发与验证”(JAT220775)作者单位：厦门兴才职业技术学院信息工程学院