凸轮机构

凸轮机构

第一节、凸轮机构概述

凸轮机构由凸轮、从动件和机架组成。凸轮是主动件，从动件的运动规律由凸轮轮廓决定。凸轮机构是机械工程中广泛应用的一种高副机构。

凸轮机构常用于低速、轻载的自动机或自动机的控制机构。

汽车内燃机的配气机构，当凸轮转动时，依靠凸轮的轮廓，可以迫使从动件气阀向下移动打开气门（借助弹簧的作用力关闭），这样就可以按预定时间，打开或关闭气门，完成内燃机的配气动作。

凸轮机构可以蒋主动件凸轮的等速连续转动变换为从动件的往复直线运动或绕某定点的摆动，并依靠凸轮轮廓曲线准确地实现所要求的运动规律。

优点是：只要正确地设计凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现任意给定的运动规律，且结构简单、紧凑、工作可靠。

缺点是：凸轮与从动件之间为点或线接触，不易润滑，容易磨损。

因此，凸轮机构多用于传力不大的控制机构和调节机构。

第二节、凸轮机构的分类与特点

一、凸轮机构的分类：

1、按凸轮的形状分：

（1）盘形凸轮：

也叫平板凸轮。这种凸轮是一个径向尺寸变化的盘形构件，当凸轮绕固定轴转动时，可使从动件在垂直于凸轮轴的平面内运动。

（2）移动凸轮：

当盘形凸轮的径向尺寸变得无穷大时，其转轴也将在无穷远处，这时凸轮将作直线移动。通常称这种凸轮为移动凸轮。

（3）圆柱凸轮：

凸轮为一圆柱体，它可以看成是由移动凸轮卷曲而成的。曲线轮廓可以在圆柱体的端面也可以在圆柱面上开出曲线凹槽。

2、按从动件的形式分：

（1）顶级按从动件：结构简单，而且尖顶能与较复杂形状的凸轮轮廓相接触，从而能实现较复杂的运动，但因尖顶极易磨损，故只适用于轻载、低速的凸轮机构和仪表中。

（2）滚子从动件：在从动件的一端有一个可自由转动的滚子。由于棍子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，故磨损较小，改善了工作条件。因此，可用来传递较大动力，应用也最广泛。

（3）从动件一端做成平底（即平面），在凸轮轮廓与从动件地面之间易于形成油膜，故润滑条件较好，磨损小。当不计较摩擦时，凸轮对从动件的作用力始终与平底垂直，传力性能较好，传动效率较高，所以常用于高速凸轮机构中。但由于从动件为一平底，故不适用于带有凹轮廓的凸轮机构。

二、凸轮机构的特点：

1、便于准确的实现给定的运动规律。

2、结构简单紧凑，易于设计。

3、凸轮机构可以高速起动，动作准确可靠。

4、凸轮与从动件为高副接触，不便润滑，易磨损，为延长使用寿命，传递动力不宜过大。

5、凸轮轮廓曲线不易加工。

第三节、凸轮机构的工作过程及从动件运动规律

一、凸轮机构工作过程：

凸轮机构中最常见的运动形式为凸轮作等速回转运动，从动件作往复运动，凸轮回转时，从动件作“升——停——降——停”的运动循环。

基圆：以凸轮轮廓最小半径rb所作的圆。

推程：从动件经过轮廓AB段，从动件被推到最高位置。

推程角：

回程：经过轮廓CD段，从动件由最高位置回到最低位置。

回程角：

远停程角：

近停程角：

二、从动件的运动规律：

1、等速运动规律：

当凸轮作等角速度旋转时，从动件上升或下降的速度为一常数，这种运动规律称为等速运动规律。

（1）位移曲线：若从动件在整个升程中的总位移为h，凸轮上对应的升程角，那么由运动学可知，在等速运动中，从动件的位移与时间的关系为：s=vt

凸轮转角与时间的关系为：

则从动件的位移s与凸轮转角之间的关系为：v与都是常数，所以位移和转角成正比关系，因此，从动件作等速运动的位移曲线是一条向上的斜直线。

从动件在回程时的位移曲线则与下图相反，是一条向下的斜直线。

（2）等速运动凸轮机构的工作特点：

由于从动件在推程和回程中的速度不变，加速度为零，故运动平稳；但在运动开始和终止时：从动件的速度从零突然大增到v或由v突然减为零。此时，理论上的加速度为无穷大，从动件将产生很大的惯性力，使凸轮机构受到很大冲击，这种冲击称为刚性冲击。随着凸轮的不断转动，从动件对凸轮机构将产生连续的周期性冲击，引起强烈振动，对凸轮机构的工作十分不利。因此，这种凸轮机构一般只适用于低速转动和从动件质量不大的场合。

2、等加速、等减速运动规律：

当凸轮作等角速度旋转时，从动件在升程（或回程）的前半程作等加速运动，后半程作等减速运动。这种运动规律称为等加速等减速运动规律。

（1）位移曲线（——曲线）

有运动学可知，当物体作初速度为零的等加速度直线运动时，物体的位移方程：

在凸轮机构中，凸轮按等角速度旋转，凸轮转角与时间之间的关系为：

式中和都是常数，所以位移和成二次函数的关系，所以，从动检作等加速等减速运动的位移曲线是抛物线。因此，从动件在推程和回程中的位移曲线是由两段曲率半径方向相反的抛物线连成。

（2）等加速等减速运动凸轮机构的工作特点：

从动件按等加速等减速规律运动时，速度由零逐渐增至最大，而后又逐渐减小趋近于零，这样就避免了刚性冲击，改善了凸轮机构的工作平稳性。因此，这种凸轮机构适合在中、低速条件下工作。

当从动件运动规律选定后，即可根据运动规律和其它给定条件（如凸轮转向、基圆半径等）确定凸轮的轮廓曲线。确定凸轮轮廓曲线的方法有图解法和解析法。图解法的特点是简便、直观、但是不够精确，不过其准确度已足以满足一般机器的工作要求。

三、凸轮机构轮廓曲线的画法：

1、“反转法”作图方法：

凸轮轮廓曲线作图方法是“反转法“。为了作图方便，可以看成凸轮在纸上不转动，而将从动件的位置看成是相反于凸轮的旋转方向转动，并以此方向作图，这就是“反转法”。这种方法的优点是容易作图。

2、轮廓曲线画法步骤：

（1）先画出从动件唯一曲线图。用凸轮转角作横坐标，以从动件的位移作纵坐标，由从动件的运动规律作出位移曲线。

（2）再画出凸轮轮廓曲线。在凸轮基圆上作等分角线，用“反转法”以与位移曲线相同的比例截取各对应点（位移行程），连接各点，即可得凸轮轮廓曲线。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/acb0cbeb5022aaea998f0f32.html