凸轮机构

[拼音]：tulun jigou

[外文]：cam mechanism

由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移动或摆动的机构。凸轮具有曲线轮廓或凹槽，有盘形凸轮、圆柱凸轮（图1）和移动凸轮等，其中圆柱凸轮的凹槽曲线是空间曲线，因而属于空间凸轮。从动件与凸轮作点接触或线接触，有滚子从动件、平底从动件和尖端从动件等。尖端从动件能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，可实现任意运动，但尖端容易磨损，适用于传力较小的低速机构中。为了使从动件与凸轮始终保持接触，可采用弹簧或施加重力。具有凹槽的凸轮可使从动件传递确定的运动，为确动凸轮的一种。一般情况下凸轮是主动的，但也有从动或固定的凸轮。多数凸轮是单自由度的，但也有双自由度的劈锥凸轮。凸轮机构结构紧凑，最适用于要求从动件作间歇运动的场合。它与液压和气动的类似机构比较，运动可靠，因此在自动机床、内燃机、印刷机和纺织机中得到广泛应用。但凸轮机构易磨损，有噪声，高速凸轮的设计比较复杂，制造要求较高。

从动件运动规律

在带滚子的对心直动从动件盘形凸轮机构（图2）中，凸轮回转一周从动件依次作升-停-降-停4个动作。 从动件位移s（或行程高度h）与凸轮转角（或时间t）的关系称为位移曲线。从动件的行程h有推程和回程。 凸轮轮廓曲线决定于位移曲线的形状。在某些机械中，位移曲线由工艺过程决定，但一般情况下只有行程和对应的凸轮转角根据工作需要决定，而曲线的形状则由设计者选定，可以有多种运动规律。传统的凸轮运动规律有等速、等加速－等减速、余弦加速度和正弦加速度等。等速运动规律因有速度突变，会产生强烈的刚性冲击，只适用于低速。等加速-等减速和余弦加速度也有加速度突变，会引起柔性冲击，只适用于中、低速。正弦加速度运动规律的加速度曲线是连续的，没有任何冲击，可用于高速。

为使凸轮机构运动的加速度及其速度变化率都不太大，同时考虑动量、振动、凸轮尺寸、弹簧尺寸和工艺要求等问题，还可设计出其他各种运动规律。应用较多的有用几段曲线组合而成的运动规律，诸如变形正弦加速度、变形梯形加速度和变形等速的运动规律等，利用电子计算机也可以随意组合成各种运动规律。还可以采用多项式表示的运动规律，以获得一连续的加速度曲线。为了获得最满意的加速度曲线，还可以任意用数值形式给出一条加速度曲线，然后用有限差分法求出位移曲线，最后设计出凸轮廓线。

一些自动机通常用几个凸轮配合工作，为了使各个凸轮所控制的各部分动作配合协调，还必须在凸轮设计以前先编制一个正确的运动循环图。

凸轮廓线设计

设计凸轮有图解和解析两种方法。以带滚子的对心直动从动件为例，用图解法时，在确定位移曲线 s-、滚子中心初始位置和凸轮基圆半径r₀后，凸轮廓线可由反转法得到（图2），即使凸轮不动，找出滚子相对于凸轮的一系列位置，用光滑曲线连接各滚子中心B₁、B₂、B₃……等点即得凸轮的理论廓线，再作这些滚子的包络线即得到凸轮的实际廓线。选择滚子半径r_r，应小于理论廓线的最小曲率半径，以免产生干涉。用解析法时，同样先要确定从动件的位移变化规律s=s()、基圆半径r₀和滚子半径r_r，从而得到凸轮理论廓线的参数方程x＝-rsin，y＝rcos，式中r=r₀+s。凸轮实际廓线是一系列滚子圆组成的曲线族的包络线，曲线族的方程为f(x₁，y₁，)=(x₁-x)²+(y₁-y)²-r婄=0，所以联解f(x₁，y₁，)＝0和可得曲线族的包络线，即实际廓线（见共轭曲线）。

基圆半径选得越小，压力角越大，设计所得的凸轮尺寸虽小，但对受力情况不利，严重的还会发生自锁现象，因此在空间允许的条件下应选取较大的基圆半径以改善凸轮的受力情况。

用电子计算机进行凸轮廓线设计能提高效率，并能从多方面综合考虑进行优化设计。这样可用以求得各种运动规律下的从动件的位移、速度、加速度等值和凸轮廓线坐标值，算出凸轮廓线上任意点的曲率半径、压力角和应力，满足接触强度和抗磨的角度，以获得最小尺寸的凸轮，而且还可画出凸轮的空间图形。

减磨措施

凸轮容易磨损，主要原因之一是接触应力较大。凸轮与滚子的接触应力可以看作是半径分别等于凸轮接触处的曲率半径和滚子半径的两圆柱面接触时的压应力，可用赫芝公式进行计算，应使计算应力小于许用应力。促使凸轮磨损的因素还有载荷特性、几何参数、材料、表面粗糙度、腐蚀、滑动、润滑和加工情况等。其中润滑情况和材料选择对磨损寿命影响尤大。为了减小磨损、提高使用寿命，除限制接触应力外还要采取表面化学热处理和低载跑合等措施，以提高材料的表面硬度和降低表面粗糙度。凸轮的工作条件是空气干燥、润滑油洁净，或采用加有各种添加剂的润滑油。润滑油的粘度和供油方式的选择要考虑从动件的形状和凸轮的转速等。凸轮和从动件的材料匹配应适当，如硬钢和铸铁价廉，适用于高速滑动；硬钢和磷青铜的振动和噪声小，还能补偿轮廓的不精确。铸铁和铸铁配对使用效果尚可。但硬镍钢和硬镍钢、软钢和软钢等的组合则效果不佳。对于几何参数、润滑、材料和表面粗糙度等，也可采用弹性流体动压润滑理论进行综合计算，以减少磨损，提高寿命。

高速凸轮设计

须把从动系统当作是一个弹性系统来设计。系统输出端部分的运动 s()和同凸轮接触端部分的运动s嗘()存在着差异，即所谓位移响应。因此应首先合理地选定s()，从而求得s_c()，然后由s_c()求凸轮廓线。它的承载能力也可应用弹性流体动压润滑理论的计算方法。高速凸轮从动件因惯性力较大，在超过弹簧力和其他外加力时可能瞬时脱开凸轮廓线，产生跳动而引起振动。对于具有凹槽的确动凸轮，从一侧转向另一侧接触往往会引起冲击振动。这种现象可以通过合理选择运动规律、正确设计弹簧和提高系统的刚性等办法来解决。高速凸轮还应有很高的轮廓制造精度和较低的表面粗糙度，并适当选择润滑油和润滑方法。

参考书目

1. H.A.Rothbart，Cams，John Wiley and Sons，New York，1956.
2. 牧野　洋：《自動機械機構学》，日刊工業新聞社，東京，1976。

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凸轮机构百科介绍

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