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一种月壤采样冲击机构的优化设计
刘晓庆 尹忠旺 曾婷 王春健 张俊辉 王咏莉 王国
北京卫星制造厂
摘要：
凸轮是月壤采样冲击机构的关键零件。通过冲击机构寿命试验发现，凸轮防扭轴 存在出现疲劳破坏的风险。基于冲击机构多体动力学仿真、；当凸轮滚轮运动至凸轮廓线波峰位置时，弹簧 的弹性势能得以释放，推动凸轮高速冲向钻具冲击面，进而实现对月壤的冲击 功能。
图1冲击机构示意图 下载原图
凸轮通过防扭馄轮与机壳的限位槽进行限位，确保凸轮能够沿轴向方向往复顺 畅移动，限制凸轮沿轴向旋转。
2凸轮设计与分析

. 1凸轮设计
由于凸轮做高速运动，设计应考虑凸轮滚轮切入与切出凸轮廓线时的冲击，因 此凸轮廓线选为优化型等速运动曲线，即凸轮前后各1/8处的廓线方程为正弦 加速度运动曲线，中间部分的曲线采用等速运动曲线，且在3段曲线的结合点 保证速度、加速度相等。这样，保证凸轮既不受刚性冲击又不受柔性冲击的1。 考虑到冲击机构体积小、功耗小和轻量化的要求，通过凸轮直径、弹簧刚度系数、 弹簧预紧行程和凸轮升程等多参数优化，确定了凸轮的设计参数。由于冲击机构 设计为凸轮滚轮随大冲击齿轮同步旋转，凸轮沿轴向往复移动，因此设计转速 转化为凸轮相对大回转齿轮的相对转速。
设计参数如下：凸轮转速（相对转速）为135~315r/min;凸轮行程为15mm;推程 角度为135° ;远休止角起始角为135° ;远休止角终止角为180° ;圆周凸轮数量 为2个；凸轮设计使用寿命为365min。凸轮曲线展开图如图2所示。
图2凸轮曲线展开图 下载原图
1. 2冲击机构试验验证情况
在寿命试验验证过程中，，冲击驱动部件 突然停机。检查上位机遥测参数发现，冲击驱动部件发生过流保护。经过故障排
查发现，凸轮安装防扭馄轮处的防扭轴断裂，断裂部位与壳体的限位槽发生刖 蹭，导致凸轮向上运动受阻，最终引起冲击过流保护。经失效分析可知，防扭轴 的断裂模式为疲劳断裂。断裂位置如图3所示。
图3端面凸轮断裂位置图 下载原图
针对试验验证过程中所发生的防扭轴疲劳断裂问题，结合多体动力学仿真和试 验验证等手段进行失效机理分析，得出结论如下。
1） 凸轮在热处理时硬度为32~36HRC,结合凸轮的结构设计计算得出，凸轮防 扭轴根部的疲劳极限仅为98. 97 MPa,疲劳极限水平偏低。
2） 根据多体动力学仿真结果可得，凸轮在位置最高点时防扭轴根部的应力水平 达到599. 353MPa,远大于现有凸轮的疲劳极限，在使用过程中容易造成凸轮防 扭轴的疲劳破坏。防扭轴处动力学应力分析云图如图4所示。
图4防扭轴处动力学应力分析云图 下载原图
3）根据多体动力学仿真结果可得，冲击机构工作过程中存在凸轮与防扭馄轮之 间的一、二次冲击问题。防扭辐轮与机壳限位槽的作用力分布图如图5所示，两 波峰之间存在一、二次冲击问题。由于凸轮防扭轴根部承受多次冲击，而现有凸 轮疲劳极限偏低，容易引起凸轮防扭轴根部疲劳破坏。
图5防扭辐轮与机壳的作用力 下载原图

2. 2. 1优化思路
针对冲击过流保护故障，结合现有凸轮失效分析情况，进行动力学仿真和分析， 在成熟工艺的基础上，以变动最小、最安全和可