凸轮机构

第三章凸轮机构

案例导入：通过内燃机的配气凸轮机构、绕线凸轮机构导入凸轮机构的概念，从中观察发现：从动件的运动规律是由凸轮轮廓曲线决定的，只要凸轮轮廓设计得当，就可以使从动件实现任意给定的运动规律。在实际生产中，通常是根据需要对从动件的运动规律提出要求，再由从动件的运动规律设计凸轮轮廓，这就是本章的重点。

第一节概述

一、凸轮机构的应用、组成和特点

在各种机器中，为了实现各种复杂的运动要求经常用到凸轮机构，在自动化和半自动化机械中应用更为广泛。

图3-1所示为内燃机配气凸轮机构。凸轮1以等角速度回转，它的轮廓驱使从动件2（阀杆）按预期的运动规律启闭阀门。

图3-2所示为绕线机中用于排线的凸轮机构，当绕线轴3快速转动时，经齿轮带动凸轮1缓慢地转动，通过凸轮轮廓与尖顶A之间的作用，驱使从动件2往复摆动，因而使线均匀地缠绕在轴上。

图3-3为应用于冲床上的凸轮机构示意图。凸轮1固定在冲头上，当冲头上下往复运动时，凸轮驱使从动件2以一定的规律水平往复运动，从而带动机械手装卸工件。

图3-4为自动送料机构。当带有凹槽的凸轮1转动时，通过槽中的滚子，驱使从运件2作往复移动。凸轮每回转一周，从动件即从储料器中推出一个毛坯，送到加工位置。

图3-1内燃机配气凸轮机构图3-2 绕线机的凸轮机构

从以上的例子可以看出：凸轮机构主要由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。

凸轮机构的优点为：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到所需的运动规律，并且结构简单、紧凑、设计方便。它的缺点是凸轮轮廓与从动件之间为点接触或线接触，易于磨损，所以通常多用于传力不大而需要实现特殊运动规律场合。

二、凸轮机构的分类

根据凸轮和从动件的不同形状和形式，凸轮机构可按如下方法分类。

1.按凸轮的形状分

(1)盘形凸轮。它是凸轮的最基本形式。这种凸轮是一个绕固定轴转动并且具有变化半径的盘形零件，如图3-1和图3-2所示。

(2)移动凸轮。当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架作直线运动，这种凸轮称为移动凸轮，如图3-3所示。

图3-3 冲床装卸料凸轮机构图3-4为自动送料机构

(3)圆柱凸轮。将移动凸轮卷成圆柱体即成为圆柱凸轮，如图3-4所示。

2.按从动件的形式分

(1)尖顶从动件。如图3-2所示，尖顶能与复杂的凸轮轮廓保持接触，因而能实现任意预期的运动规律。但磨损快、效率低，只适用于受力不大的低速凸轮机构。

(2)滚子从动件。如图3-3、4所示，在从动件前端安装一个滚子，即成滚子从动件。滚子和凸轮轮廓之间为滚动摩擦，耐磨损，可以承受较大载荷，是最常用的一种形式。

(3)平底从动件。如图3-1所示，从动件与凸轮轮廓表面接触的端面为一平面。显然它不能与凹陷的凸轮轮廓相接触。这种从动件的优点是：当不考虑摩擦时，凸轮与从动件之间的作用力始终与从动件的平底相垂直，传动效率较高，且接触面易于形成油膜，利于润滑，常用于高速凸轮机构。

以上三种从动件都可以相对机架作往复直线移动或作往复摆动。为了使凸轮与从动件始终保持接触可利用重力、弹簧力（图3-1、2）或凸轮上的凹槽（图3-4）来实现。

第二节从动件的常用运动规律

一、凸轮与从动件的运动关系

设计凸轮机构时，首先应根据工作要求确定从动件的运动规律，然后按照这一运动规律确定凸轮轮廓线。如图3-5a）所示，以凸轮轮廓的最小向径r min为半径所绘的圆称为基圆，基圆与凸轮轮廓线有两个连接点A和D。A点为从动件处于上升的起始位置。当凸轮以ω1等角速绕O点逆时针回转时，从动件从A点开始被凸轮轮廓以一定的运动规律推动，由A到达距O点最远位置B′，从动件由A到B′的过程称为推程。从动件在推程中所走过的距离h称为升程，而与推程对应的凸轮转角δt称为推程运动角。当凸轮继续以O点为中心转过圆弧BC时，从动件因与O点的距离保持不变而在最远位置停留不动，圆弧BC对应的圆心角δs称为远休止角。凸轮继续回转，曲线BD使从动件

在弹簧力或重力作用下，以一定的运动规律回到距O点最近位置D，此过程称为回程。曲线BD对应的转角δh称为回程运动角。在凸轮基圆段从动件保持最近位置不动，基圆段对应的转角δs'称为近休止角。当凸轮连续回转时，从动件重复上述运动。如果以直角坐标系的纵坐标代表从动件位移S2，横坐标代表凸轮转角δ1（通常当凸轮等角速转动时横坐标也代表时间t），则可以画出从动件位移S2与凸轮转角δ1之间的关系曲线，如图3-5b）所示，它简称为从动件位移线图。

由以上分析可知，从动件的位移线图取决于凸轮轮廓曲线的形状。也就是说，从动件的不同运动规律要求凸轮具有不同的轮廓曲线。

图3-5 从动件位移线图

图3-6 等速运动

⎪⎪⎪⎩

⎪⎪⎪⎨⎧===1

22120a δδωδt t h s h v (3-1)

回程时，凸轮转过回程运动角δh ，从动件相应由s 2=h 逐渐减少到零。参照式（3-1），可导出回程作等速运动时从动件的运动方程

⎪⎪⎪⎩

⎪⎪⎪⎨⎧-==-=)1(012212a h h h s h v δδωδ (3-2) 由图3-6可见，从动件运动开始时速度由零突变为v 0，故a 2 =+∞；运动终止时，速度由v 0突变为零，a 2 =－∞（由于材料有弹性变形，实际上不可能达到无穷大），其惯性力将引起刚性冲击。因此，这种运动规律不宜单独使用，在运动开始和终止段应当用其它运动规律过渡。

（二）等加速等减速运动

这种运动规律通常令前半行程作等加速运动，后半

行程作等减速运动。

从动件推程的前半行程作等加速运动时，经过的运

动时间为T/2，对应的凸轮转角为δt /2。将这些参数代入

位移方程 s 2 = a 0t 2/2 可得 h/2 = a 0(T/2)2/2 故

a 2 =a 0 =212)(44t h T

h δω= 将上式积分两次，并令δ1 =0时，v 2= 0，s 2 = 0，便

可得到前半行程从动件作等加速运动时的运动方程

⎪⎪⎪⎩

⎪⎪⎪⎨⎧===122

1224422

2112a δδδωδδωt h s h h v t t (3-3)

推程的后半行程从动件作等减速运动，凸轮的转角 图3-7 等加速等减速运动