基本介紹
- 中文名：凸輪機構
- 外文名：Cam mechanism
- 組成：凸輪、從動件和機架
- 常用材料：45、40Cr、9sicr、40crMo
- 功能：作迴轉或往復直線運動
- 套用領域：輕工、紡織、食品、機械傳動等
機構介紹,原理,結構組成,凸輪,從動件,分類,運動規律,優缺點,優點,缺點,減磨措施,高速設計,
機構介紹
凸輪機構是一種常見的運動機構，它是由凸輪、從動件和機架組成的高副機構。當從動件的位移、速度和加速度必須嚴格地按照預定規律變化，尤其當原動件作連續運動而從動件必須作間歇運動時，則以採用凸輪機構最為簡便。凸輪從動件的運動規律取決於凸輪的輪廓線或凹槽的形狀，凸輪可將連續的旋轉運動轉化為往復的直線運動，可以實現複雜的運動規律。凸輪機構廣泛套用於各種自動機械、儀器和操縱控制裝置。凸輪機構之所以得到如此廣泛的套用，主要是由於凸輪機構可以實現各種複雜的運動要求，而且結構簡單、緊湊，可以準確實現要求的運動規律。只要適當地設計凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得到各種預期的運動規律。
當凸輪機構用於傳動機構時，可以產生複雜的運動規律，包括變速範圍較大的非等速運動，以及暫時停留或各種步進運動；凸輪機構也適宜於用作導引機構，使工作部件產生複雜的軌跡或平面運動；當凸輪機構用作控制機構時，可以控制執行機構的自動工作循環。因此凸輪機構的設計和製造方法對現代製造業具有重要的意義。
圖1.凸輪機構原理
凸輪機構是由凸輪的迴轉運動或往復運動推動從動件作規定往復移動或擺動的機構。凸輪具有曲線輪廓或凹槽，有盤形凸輪、圓柱凸輪和移動凸輪等，其中圓柱凸輪的凹槽曲線是空間曲線，因而屬於空間凸輪。
從動件與凸輪作點接觸或線接觸，有滾子從動件、平底從動件和尖端從動件等。尖端從動件能與任意複雜的凸輪輪廓保持接觸，可實現任意運動，但尖端容易磨損，適用於傳力較小的低速機構中。為了使從動件與凸輪始終保持接觸，可採用彈簧或施加重力。具有凹槽的凸輪可使從動件傳遞確定的運動，為確動凸輪的一種。
一般情況下凸輪是主動的，但也有從動或固定的凸輪。多數凸輪是單自由度的，但也有雙自由度的劈錐凸輪。凸輪機構結構緊湊，最適用於要求從動件作間歇運動的場合。它與液壓和氣動的類似機構比較，運動可靠，因此在自動工具機、內燃機、印刷機和紡織機中得到廣泛套用。但凸輪機構易磨損，有噪聲，高速凸輪的設計比較複雜，製造要求較高。
圖2.凸輪機構結構組成
凸輪
凸輪指的是機械的迴轉或滑動件（如輪或輪的突出部分），它把運動傳遞給緊靠其邊緣移動的滾輪或在槽面上自由運動的針桿，或者它從這樣的滾輪和針桿中承受力。凸輪隨動機構可設計成在其運動範圍內能滿足幾乎任何輸入輸出關係——對某些用途來說，凸輪和連桿機構能起同樣的作用，對於兩者都可以用的工作說，凸輪比連桿機構易於設計，並且凸i輪還能做許多連桿機構所不能做的事情，從另一方面來說，凸輪結構比連桿機易於製造。
從動件
與凸輪輪廓接觸，並傳遞動力和實現預定的運動規律的構件，一般做往復直線運動或擺動，稱為從動件。凸輪機構在套用中的基本特點在於能使從動件獲得較複雜的運動規律。因為從動件的運動規律取決於凸輪輪廓曲線，所以在套用時，只要根據從動件的運動規律來設計凸輪的輪廓曲線就可以了。
分類
工程實際中所使用的凸輪機構型式多種多樣，常用的分類方法有以下幾種：
按凸輪形狀分類
1）盤形凸輪：這種凸輪是一個繞固定軸轉動並且具有變化向徑的盤形零件，如。當其繞固定軸轉動時，可推動從動件在垂直於凸輪轉軸的平面內運動。它是凸輪的最基本型式，結構簡單，套用最廣。
2）移動凸輪：當盤形凸輪的轉軸位於無窮遠處時，就演化成了圖3示的移動凸輪（或楔形凸輪）。凸輪呈板狀，它相對於機架作直線移動。
在以上兩種凸輪機構中，凸輪與從動件之間的相對運動均為平面運動，故又統稱為平面凸輪機構。
圖3.移動凸輪3）圓柱凸輪：如果將移動凸輪捲成圓柱體即演化成圓柱凸輪。圖4為自動工具機的進刀機構。在這種凸輪機構中凸輪與從動件之間的相對運動是空間運動，故屬於空間凸輪機構。
圖4.圓柱凸輪按從動件形狀分類
1）尖頂從動件：從動件的尖端能夠與任意複雜的凸輪輪廓保持接觸，從而使從動件實現任意的運動規律。這種從動件結構最簡單，但尖端處易磨損，故只適用於速度較低和傳力不大的場合。
3）平底從動件：從動件與凸輪輪廓之間為線接觸，接觸處易形成油膜，潤滑狀況好。此外，在不計摩擦時，凸輪對從動件的作用力始終垂直於從動件的平底，受力平穩，傳動效率高，常用於高速場合。缺點是與之配合的凸輪輪廓必須全部為外凸形狀。
4）曲面從動件：為了克服尖端從動件的缺點，可以把從動件的端部做成曲面，稱為曲面從動件。這種結構形式的從動件在生產中套用較多。
按從動件運動形式分類
按照從動件的運動形式分為移動從動件和擺動從動件凸輪機構。移動從動件凸輪機構又可根據其從動件軸線與凸輪迴轉軸心的相對位置分成對心和偏置兩種。
按高副接觸分類
1）力封閉型凸輪機構：所謂力封閉型，是指利用重力、彈簧力或其它外力使從動件與凸輪輪廓始終保持接觸。如。
2）形封閉型凸輪機構：所謂形封閉型，是指利用高副元素本身的幾何形狀使從動件與凸輪輪廓始終保持接觸。常用的形封閉型凸輪機構有以下幾種：
運動規律
在帶滾子的對心直動從動件盤形凸輪機構（圖2）中,凸輪迴轉一周從動件依次作升-停-降-停4個動作。從動件位移s（或行程高度h）與凸輪轉角Φ（或時間t）的關係稱為位移曲線。從動件的行程h有推程和回程。
凸輪輪廓曲線決定於位移曲線的形狀。在某些機械中，位移曲線由工藝過程決定，但一般情況下只有行程和對應的凸輪轉角根據工作需要決定，而曲線的形狀則由設計者選定，可以有多種運動規律。傳統的凸輪運動規律有等速、等加速－等減速、餘弦加速度和正弦加速度等。等速運動規律因有速度突變，會產生強烈的剛性衝擊，只適用於低速。等加速-等減速和餘弦加速度也有加速度突變,會引起柔性衝擊，只適用於中、低速。正弦加速度運動規律的加速度曲線是連續的，沒有任何衝擊，可用於高速。
為使凸輪機構運動的加速度及其速度變化率都不太大，同時考慮動量、振動、凸輪尺寸、彈簧尺寸和工藝要求等問題，還可設計出其他各種運動規律。套用較多的有用幾段曲線組合而成的運動規律，諸如變形正弦加速度、變形梯形加速度和變形等速的運動規律等，利用電子計算機也可以隨意組合成各種運動規律。還可以採用多項式表示的運動規律，以獲得一連續的加速度曲線。為了獲得最滿意的加速度曲線，還可以任意用數值形式給出一條加速度曲線，然後用有限差分法求出位移曲線，最後設計出凸輪廓線。
一些自動機通常用幾個凸輪配合工作，為了使各個凸輪所控制的各部分動作配合協調，還必須在凸輪設計以前先編制一個正確的運動循環圖。
和降低表面粗糙度。凸輪的工作條件是空氣乾燥、潤滑油潔淨，或採用加有各種添加劑的潤滑油。潤滑油的粘度和供油方式的選擇要考慮從動件的形狀和凸輪的轉速等。凸輪和從動件的材料匹配應適當，如硬鋼和鑄鐵價廉，適用於高速滑動；硬鋼和磷青銅的振動和噪聲小，還能補償輪廓的不精確。鑄鐵和鑄鐵配對使用效果尚可。
但硬鎳鋼和硬鎳鋼、軟鋼和軟鋼等的組合則效果不佳。對於幾何參數、潤滑、材料和表面粗糙度等，也可採用彈性流體動壓潤滑理論進行綜合計算，以減少磨損。
優缺點
優點
結構簡單、緊湊、設計方便，因此在工具機、紡織機械、輕工機械、印刷機械、機電一體化裝配中大量套用。只要做出適當的凸輪輪廓，就能使從動桿得到任意預定的運動規律。
缺點
1）凸輪為高副接觸（點或線）壓力較大，點、線接觸易磨損；
2）凸輪輪廓加工困難，費用較高；
3）行程不大。
減磨措施
凸輪容易磨損，主要原因之一是接觸應力較大。凸輪與滾子的接觸應力可以看作是半徑分別等於凸輪接觸處的曲率半徑和滾子半徑的兩圓柱面接觸時的壓應力，可用赫芝公式進行計算，應使計算應力小於許用應力。促使凸輪磨損的因素還有載荷特性、幾何參數、材料、表面粗糙度、腐蝕、滑動、潤滑和加工情況等。其中潤滑情況和材料選擇對磨損壽命影響尤大。為了減小磨損、提高使用壽命，除限制接觸應力外還要採取表面化學熱處理和低載跑合等措施，以提高材料的表面硬度。
高速設計
須把從動系統當作是一個彈性系統來設計。系統輸出端部分的運動 s(Φ)和同凸輪接觸端部分的運動s(Φ)存在著差異，即所謂位移回響。因此應首先合理地選定s(Φ)，從而求得sc(Φ)，然後由sc(Φ)求凸輪廓線。它的承載能力也可套用彈性流體動壓潤滑理論的計算方法。高速凸輪從動件因慣性力較大，在超過彈簧力和其他外加力時可能瞬時脫開凸輪廓線，產生跳動而引起振動。對於具有凹槽的確動凸輪，從一側轉向另一側接觸往往會引起衝擊振動。這種現象可以通過合理選擇運動規律、正確設計彈簧和提高系統的剛性等辦法來解決。高速凸輪還應有很高的輪廓製造精度和較低的表面粗糙度，並適當選擇潤滑油和潤滑方法。
