第4章凸轮机构

第4章凸轮机

在各种机器中，尤其是自动化机器中，为实现各种复杂的运动要求，常采用凸轮机构，其设计比较简便。只要将凸轮的轮廓曲线按照从动件的运规律设计出来，从动件就能较准确的实现预定的运动规律。本章将着重研究盘状凸轮轮廓曲线绘制的基本方法和凸轮设计中的相关问题。

4—1 凸轮机构的应用与分类

一、凸轮机构的应用

图所示为内燃机配气凸轮机构。当具有一定曲线轮廓的凸轮1以等角速度回

转时，它的轮廓迫使从动作2（阀杆）按内燃机工作循环的要求启闭阀门。

凸轮一般作连续等速转动，从动件可作连续或间歇的往复运动或摆动。凸轮

机构广泛用于自动化和半自动化机械中作为控制机构。但凸轮轮廓与从动件间为

点、线接触而易磨损，所以不宜承受重载或冲击载荷。

二、凸轮机构的分类

凸轮机构的类型很多，通常按凸轮和从动件的形状、运动形式分类。

⒈按凸轮的形状分类

（1）盘形凸轮

它是凸轮的最基本型式。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。

（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。

（3）圆柱凸轮

将移动凸轮卷成圆柱体即成为圆柱凸轮。

⒉按从动件形状分类

（1）尖顶从动件

尖顶能与任意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。但因为尖顶磨损快，所以只宜

用于受力不大的低速凸轮机构中。

（2）滚子从动件

所示。在从动件的尖顶处安装一个滚子从动件，可

以克服尖顶从动件易磨损的缺点。滚子从动件耐磨损，

可以承受较大载荷，是最常用的一种从动件型式。

（3）平底从动件

这种从动件与凸轮轮廓表面接触的端面为一平面，所以它不能与凹陷的凸轮轮廓相接触。这种从动件的优点是：当不考虑摩擦是，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，故常用于高速凸轮机构。

⒊按从动件运动形式

可分为直动从动件（对心直动从动件和偏置直动从动件）和摆动从动件两种。

凸轮机构中，采用重力、弹簧力使从动件端部与凸轮始终相接触的方式称为力锁合；采用特殊几何

形状实现从动件端部与凸轮相接触的方式称为形锁合。

4—2 常用的从动件运动规律

基 圆： 以凸轮的最小向径为半径所作的圆称为基圆，基圆半径用rb 表示。

推程运动角：从动件被凸轮推动，以一定运动规律，从最近位置到达最远位置，从动件在这过程中经过的距离h 称为推程[升程] ，对应的凸轮转角δ0称为推程运动角。

远休止角：当凸轮继续回转时，从动件在最远位置停留不动。此时凸轮转过的角度δS ，称为远休止角。

回程运动角； 凸轮再继续回转，从动件以一定运动规律从最远位置回到最近位置，这段行程称为回程，对应的凸轮转角δh 称为回程运动角。

近休止角：当凸轮继续回转时，从动件在最近位置停留不动。此时凸轮转过的角度δS /，称为近休止角。

一、等速运动规律

凸轮角速度ω1为常数时，从动件速度υ不变，称为等速运动规律。位移方程可表达为s=h ω1/δ0，下图为等速运动规律的位移、速度、加速度线图。对于等速运动规律，起点和终点瞬时的加速度α为无穷大，因此产生刚性冲击应用于中、小功律和低速场合，

推程时从动件的运动规律方程为： ϕφ

h s = ωφh

v = 0=a

回程时从动件的运动规律方程为：

为避免由此产生的刚性冲击，实际应用时常用圆弧或其他曲线修正位移线图的始、未两端，修正后的加速度α为有限值，此时引起的有限冲击称为柔性冲击。

二、等加速、等减速运动规律

等加速、等减速运动规律，在前半程用等加速运动规律，后半程采用等减速运动规

律，两部

分加速度绝对值相等。对前半程运动方程为：

后半程运动方程为：

⎪⎪⎭

⎫ ⎝

⎛-=h h s δδ121

2ωδh

h

v -

=0

=a 2

20

22δδh

S =δ

δω2

1

42h v =

2

02

1

4δωh a =

()2

020

22δδδ--=h h S )

(402

01

2δδδω-=

h v 2

02

1

4δωh a -

=

等加速等减速运动规律的位移线图的画法为将推程角δ0分成两等份，每等份为δ0/2；将行程分成两等份，每等份为δ0/2。将δ0/2分成若干等份，得1、2、3…等点，过这些点作横坐标的垂线。将δ0/2分成相同的等份

…等点，连

…与相应

的横坐标的垂线分别相交与

…点。便得到推

程等加速段的位移线图，等减速段的位移线图可用同

样的方法求得,等加速等减速运动规律的位移、速度、加速度线图(上右图)。等加速、等减速运动规律在运动起点A 、中点B 、终点C 的加速度突变为有限值，产生柔性冲击。用于中速场合。

三、简谐（余弦加速度）运动规律

余弦加速度运动规律的加速度曲线为1/2个周期的余弦曲线，位移曲线为简谐运动曲线（又称简谐运动规律），运动方程为:

图为余弦加速度运动规律位移线图、速度线图和加速度线图余弦加速度运动规律在运动起始和终止位置，加速度曲线不连续，存在柔性冲击；用于中速场合。但对于升→降→升型运动的凸轮机构，加速度曲线变成连续曲线，则无柔性冲击。可用于较高速场合。

位移曲线的作图方法见教材

4—3用图解法设计盘形凸轮轮廓曲线

在合理地选择从动件的运动规律之后，根据工作要求、结构所允许的空间、凸轮转向和凸轮的基圆半径，就可设计凸轮的轮廓曲线。设计方法通常有图解法和解析法。图解法简单、直观，但精度有限，因此作图法用于低速或精度要求不高的场合。解析法精度较高，适用于高速或要求较高的场合。本节介绍几种常见的凸轮轮廓的绘制方法。

绘制原理：

当凸轮机构工作时，凸轮是运动的，而绘制凸轮轮廓时，却需凸轮与图纸相对静止。所以用图解法绘制凸轮轮廓曲线要利用相对运动原理。

⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛=

δδπδωπ0012sin 2h v ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=δδπδωπ0202

122cos 2h

a