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凸轮机构 图片来自西安建筑科技大学

凸轮机构是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。 凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。凸轮机构广泛地应用于轻工、纺织、食品、交通运输、机械传动等领域。

机构介绍

凸轮机构是一种常见的运动机构，它是由凸轮、从动件和机架组成的高副机构。当从动件的位移、速度和加速度必须严格地按照预定规律变化，尤其当原动件作连续运动而从动件必须作间歇运动时，则以采用凸轮机构最为简便。凸轮从动件的运动规律取决于凸轮的轮廓线或凹槽的形状，凸轮可将连续的旋转运动转化为往复的直线运动，可以实现复杂的运动规律。 凸轮机构广泛应用于各种自动机械、仪器和操纵控制装置。凸轮机构之所以得到如此广泛的应用，主要是由于凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑，可以准确实现要求的运动规律。只要适当地设计凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律。

当凸轮机构用于传动机构时，可以产生复杂的运动规律，包括变速范围较大的非等速运动，以及暂时停留或各种步进运动；凸轮机构也适宜于用作导引机构，使工作部件产生复杂的轨迹或平面运动；当凸轮机构用作控制机构时，可以控制执行机构的自动工作循环。因此凸轮机构的设计和制造方法对现代制造业具有重要的意义。

原理

凸轮机构是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。

结构组成

凸轮

凸轮指的是机械的回转或滑动件（如轮或轮的突出部分），它把运动传递给紧靠其边缘移动的滚轮或在槽面上自由运动的针杆，或者它从这样的滚轮和针杆中承受力。凸轮随动机构可设计成在其运动范围内能满足几乎任何输入输出关系——对某些用途来说，凸轮和连杆机构能起同样的作用，对于两者都可以用的工作说，凸轮比连杆机构易于设计，并且凸i轮还能做许多连杆机构所不能做的事情，从另一方面来说，凸轮结构比连杆机易于制造。

从动件

与凸轮轮廓接触，并传递动力和实现预定的运动规律的构件，一般做往复直线运动或摆动，称为从动件。凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。因为从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线就可以了。

运动规律

在带滚子的对心直动从动件盘形凸轮机构,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Φ（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。

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。

优缺点

优点

结构简单、紧凑、设计方便，因此在机床、纺织机械、轻工机械、印刷机械、机电一体化装配中大量应用。只要做出适当的凸轮轮廓，就能使从动杆得到任意预定的运动规律。

缺点

1）凸轮为高副接触（点或线）压力较大，点、线接触易磨损；

2）凸轮轮廓加工困难，费用较高；

3）行程不大。

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，可用赫兹公式进行计算，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。

高速设计

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(Φ)和同凸轮接触端部分的运动s(Φ)存在着差异，即所谓位移响应。因此应首先合理地选定s(Φ)，从而求得sc(Φ)，然后由sc(Φ)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。