凸轮机构设计与应用

（二）凸轮机构设计与应用

1.凸轮机构的组成

图4.18是三个凸轮机构的示意图，图4.18（a）为内燃机配气机构，工作时盘形凸轮1连续旋转，推动从动件气阀轮2实现气门的开启与闭合。图4.18（b）凸轮1作上下往复运动，则从动件2作水平往返移动实现卸料送料。图4.18（c）为自动机床进退刀机构，圆柱凸轮1转动，凸轮的凹槽控制从动件2摆动，再通过齿轮齿条的传动实现进退刀。

图4.18　凸轮机构及组成

可见，凸轮机构一般由凸轮、从动件和机架三部分组成。凸轮是一个具有曲线轮廓或曲线凹槽的构件，凸轮与从动件成高副。凸轮通常是原动件，它作转动、摆动或往返移动，驱动从动件按预设的规律做连续或间歇的转动、移动或摆动。

2.凸轮机构的特点

凸轮的优点是：只需要设计出适当的凸轮轮廓，便可使从动件实现预设的运动，包括较复杂的曲线运动。与四杆机构比较，凸轮机构设计方便、机构简单紧凑、工作可靠。它的缺点是：凸轮与从动件是高副连接的点接触或线接触，易磨损，传递的力量小。另外，复杂凸轮轮廓的加工较困难，成本高。近几年来，随着数控加工技术的发展，凸轮加工的困难已明显缓解。

由于凸轮机构的特点，它广泛用于自动、半自动的控制机构以及实现复杂运动轨迹的机构等，在玩具、娱乐设施中的应用也很常见。

3.凸轮机构的分类

凸轮机构的结构形式很多，按不同的角度有不同的分类，见表4.1。

①按凸轮的形状，可分为移动凸轮、盘形凸轮、圆柱形凸轮等；

②按从动件形状，可分为尖顶从动件、滚子从动件、平底从动件等；

③按从动件运动形式，可分为直动从动件、摆动从动件。

4.从动件位移线图与简单轮廓设计

复杂凸轮机构的设计涉及的知识较多，超出了工业设计师的设计范围，工业产品设计师主要了解机构形成的原理，根据要求确定机构所需单元空间，为产品形态设计打下基础。下面介绍尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓的设计方法，这是凸轮设计中最简单、最基本的方法。

（1）凸轮机构的几个基本参数

图4.19是一个对心尖顶直动从动件的盘形凸轮，下面以此为例介绍凸轮机构的几个基本参数。

①基圆。在盘形凸轮中，以最小向径r_o为半径所作的圆称为基圆。

②近休止角。图4.19（a）中从动件尖顶A′点与凸轮上的A点接触时，从动件处于最低位置；凸轮开始以角速度ω顺时针旋转，从动件与凸轮上的圆弧AB接触的过程中保持静止不动，这一段凸轮转过的角度f_a，称为近休止角，即图中∠AOB。

③推程、升程和推程角。凸轮继续转动，从动件开始上升，当接触点从B点转动到C点时，从动件上升到最高位置。从动件从最低点移动到最高点的过程称为推程，从动件移动的距离称为升程，这一段凸轮转过的角度f_o称为推程角。图中，推程为AA′=h，推程角为∠BOC。

④远休止角。从动件的尖顶与凸轮上圆弧CD相接触的时段中，凸轮转动，而从动件处在最远的位置保持不动。在该时段中凸轮转过的角度f_s′称为远休止角，即图中∠COD。

表4.1　　　　　　凸轮机构分类表

图4.19　凸轮结构及其基本参数

⑤回程与回程运动角。从动件自与D点接触开始，随着凸轮继续顺时针转动，从动件持续下降，直至从动件的尖顶回到A点。从动件下降的过程称为回程，回程中凸轮转过的角度f_o′称为回程运动角，即图中∠DOA。

（2）从动件的位移线图

凸轮设计的基本要求是实现从动件的预定运动特性，包括从动件的位移、速度、加速度三个方面的特性，其中位移特性是基本的特性。

从动件的位移特性用位移线图来表现。在直角坐标系里。以凸轮的转动角度f为横坐标，以从动件位移s为纵坐标，得到凸轮转角-从动件位移曲线，即f-s曲线，称为从动件的位移线图。若主动凸轮为匀速转动，其转角f与时间t成正比，故时间-位移曲线（即“t-s”曲线）与“f-s”曲线具有相同的形式。

图4.19（b）为图4.19（a）所示凸轮机构的位移线图。与该线图对应的基本参数已标注在图下方，可将线图与各参数进行相互对照。

（3）简单凸轮轮廓的设计示例

通常采用图解法进行设计。

设计要求：使对心尖顶直动从动件盘形凸轮的推杆实现下述运动要求：匀速推程，推程h=10mm，推程角f_o=135°；远休止角f_s′=75°；匀速回程，回程角f_o′=60°；近休止角f_s=90°；凸轮以匀角速度转动，凸轮基圆半径r_o=20mm。设计该凸轮的轮廓并作图。

凸轮轮廓的设计如下:

①以适当的比例尺度按题目要求画出推杆的位移线图，见图4.20。

②在位移线图的横坐标上，将推程和回程分成若干等份（等分得越多越精确）。现将推程分为6等份，每等份对应凸轮转角（135°/6=）22.5°；将回程分为两等份，每等份凸轮转角对应（60°/6=）10°，在横坐标上得到等分点1，2，…，9，0，即为各等分点对应的推杆位置值11′，22′，…，99′，00′，如图5.17（b）所示。

图4.20　简单凸轮轮廓设计

③以r_o=20mm为半径画出基圆，如图4.20（c）所示。然后从O点为起始点，向顺时针的方向按位移图上各等分点的凸轮转角，依次画出径向线01，02，…，09，并在径向线上依次量取00′，11′，…，99′，分别与位移线图上的位移相对，在图上得到1′，2′，…，9′各点（注意：凸轮逆时针转动工作，则作图时按顺时针方向依次截取等分点、画径向线，两者的方向应该相反。）

④以光滑曲线连接1′，2′，…，6′各点，得到凸轮的推程轮廓；以光滑曲线连接7′，8′，9′各点，得到凸轮的回程轮廓；作圆弧6′7′和9′0′，则分别得到远休止段的凸轮轮廓。至此，已经得到完整封闭的凸轮轮廓。

（4）其他机构运动空间的确定

表4.2中列出了几种常用机构运动形式。

表4.2　　　　　　常用机构运动形式

综上所述，在诸多设计因子中，只要我们重复使用同一个因子，就能统一协调整体。在产品形态设计中，只要在形态设计各部分或系列中，使用同一系列比例或能相互转换的几何形态，就能使产品整体形态或系列产生统一协调的效果。在产品形态设计初期，严格运用几何比例图形，有助于后期产品量化。可构成系列正方形和矩形，利用这些经过整理的、具有严谨比例的单元空间设计产品各基本单元，既可以统一产品各基本单元，又可协调人与产品各部件之间的协调性，在形式上可创造出多个既多样化又协调统一的比例，同时，也可用最少的基本数值创造出更多的形体组合。设计师应该熟悉常用的比例矩形的相互转换几何关系，才能在产品形态设计中运筹帷幄，掌握产品形态的设计主动权。