凸轮机构广泛应用于汽车、航天等工业领域,但是凸轮与从动件的高副接触导致的大应力使其极易发生磨损而失效。由于凸轮的轮廓复杂,难以快速获得其表面形貌,导致凸轮机构磨损失效位置的诊断和优化变得困难。本文提出一种凸轮机构基于载荷谱的故障诊断方法,并在此基础之上提出两种凸轮机构优化设计方案,以期为凸轮机构的快速故障诊断和设计优化提供参考。本文以一个小型凸轮机构为例,结合载荷谱技术介绍了此方法的原理和实现过程,接着分别从结构和材料优化方面提出了两种凸轮机构的设计优化方案,主要内容和结论如下:(1)凸轮机构故障诊断方法的提出利用载荷谱可以反映机构工作状态的特点,提出凸轮机构的故障诊断方法:测试凸轮机构的速度谱;将速度谱作为输入驱动凸轮机构按照速度谱的规律运行,测试凸轮转动轴的扭矩谱;结合扭矩谱和凸轮机构的几何特征进行力学分析,获得机构沿着凸轮轮廓的凸轮转动轴阻力矩分布和摩擦力矩分布;根据阻力矩分布和摩擦力矩分布得到机构的磨损位置及摩擦阻力增长趋势,从而快速诊断出凸轮机构的磨损失效位置及失效过程。(2)凸轮机构速度谱和扭矩谱测试平台的研制及试验利用旋转编码器和STM32微控制器研制速度谱测试平台,测量了凸轮机构工作64个行程的速度谱,结果显示凸轮机构按照两步跳动的方式运行,且每个行程的运动规律一致性较好,说明速度谱测量设备稳定可靠。利用伺服系统研制扭矩谱测试平台,伺服电机驱动凸轮机构按照速度谱的规律运行至设计要求的30000个行程,平台测得其凸轮转动轴的阻力矩谱。(3)凸轮机构沿着凸轮轮廓的阻力矩分布和摩擦力矩分布的获取和故障诊断结合阻力矩谱和凸轮机构的几何特征,用力学分析的方法获得机构沿着凸轮轮廓的阻力矩和摩擦力矩分布。根据阻力矩和摩擦力矩分布,可以直观地诊断出凸轮机构在运行过程中发生严重磨损的位置是对应凸轮轮廓15°～45°的位置,且其在运行过程中经历了跑和阶段和稳定磨损阶段,20000个行程左右进入急剧磨损阶段,30000个行程后其最大扭矩增长81.5%。(4)故障诊断结果的验证服役后凸轮机构各零件的形貌表明:机构的滚子轴在对应凸轮15°～45°的范围内具有明显的更加严重的氧化磨损现象,验证了故障诊断结果。各零件的磨损形貌还表明机构发生严重磨损的主要原因是滚子的偏斜造成的大应力和机构中的滑动摩擦副。(5)凸轮机构优化设计方案的提出在故障诊断的基础上,分别从结构优化和材料优化两个方面对凸轮机构进行了设计优化,并通过测量其载荷谱和进行使用试验验证了设计优化的效果。结果表明,将凸轮/滚子摩擦副优化为滚动简支梁的结构设计优化方法可显著减缓机构阻力矩增势,30000次运行后其最大扭矩增加23.2%,满足设计要求。优化凸轮/滚子和滚子/滚子轴摩擦副配副材料的方法也可以提高其可靠性寿命。