第二节　凸轮机构

凸轮机构是机械中常用的一种机构，与平面连杆机构相比，凸轮机构具有结构简单、紧凑，工作可靠，设计方便，只要设计适当的凸轮轮廓曲线，即可使从动件达到准确的任意预期运动，且可获得较复杂的运动规律。因此，凸轮机构被广泛应用于各种自动机械、仪表和自动控制系统中。但凸轮机构的从动件与凸轮间作点接触或线接触，易磨损，所以多用于传力较小的低速机构中。

一、凸轮机构的组成与特点

1.凸轮机构的组成及应用

凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，含有凸轮的构件称为凸轮机构。如图1-22所示，凸轮机构由凸轮1、从动件2和机架3三个基本构件组成。

凸轮机构中凸轮一般为主动件，工作时作等速回转运动或往复直线运动，借助于本身的曲线轮廓或凹槽，迫使从动件按一定规律连续或间歇地移动或摆动。从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线或凹槽曲线的形状。

凸轮机构的应用广泛，尤其是在机器的控制机构中应用更广。

图1-22（b）所示的圆柱凸轮机构为机床的自动进给机构。当圆柱凸轮1匀速转动时，其表面上的沟槽经滚子迫使扇形齿轮从动件2，按照一定的规律往复摆动，并通过齿轮齿条机构控制进给刀架左右移动，从而实现机床的自动进刀与自动退刀动作。

图1-23（a）所示为内燃机气门机构。当具有曲线外廓形状的凸轮1匀速转动时，其轮廓迫使摇杆2绕其转轴摆动，驱动气门3间歇地上下往复移动，从而实现控制气门按预定的规律开启和关闭，完成内燃机配气动作。

图1-23（b）所示为砂箱振动机构。当凸轮1按图示方向转动时，在一段时间内，凸轮轮廓推动滚子2使工作台3上升；在另一段时间内，凸轮让滚子落下，工作台便自由落下；当凸轮连续转动时，工作台便上下往复运动，因碰撞而产生振动，将工作台上砂箱中的砂子振实。

此外，在缝纫机的挑线机构中，主动件是带凹槽的圆柱凸轮，通过凹槽和滚子迫使挑线杆往复摆动，以完成挑线动作。

2.凸轮机构的特点

（1）只要正确地设计和制造出凸轮的轮廓曲线，就能把凸轮的回转运动准确可靠地转变为从动件所预期的复杂运动规律的运动，而且设计简单。所以，根据实际需要可以任意拟定从动件的运动规律。

（2）凸轮机构结构简单、紧凑，动作准确可靠。

（3）由于电子数控机床及计算机的广泛应用，使凸轮的轮廓曲线加工较为方便。

（4）凸轮轮廓与从动件之间是点或线接触，难以保证良好的润滑，容易磨损。所以，为了延长机构的使用寿命，传递动力不宜过大。

（5）在高速凸轮机构中，运动特性较为复杂，精确分析、设计凸轮的轮廓曲线比较困难。

二、凸轮机构的分类

凸轮机构的种类很多，一般可按凸轮的形状和从动件的形式来区分。

（一）按凸轮的形状分

1.盘形凸轮机构

盘形凸轮是凸轮机构中最基本的形式，在这种凸轮机构中，凸轮是一个具有变化半径的圆盘，凸轮都是绕固定轴线转动，其从动杆在垂直于凸轮回转轴线的平面内运动，如图1-22（a）和图1-23所示。

盘形凸轮机构结构简单，应用广泛，但限于凸轮径向尺寸不能变化太大，故从动件的行程较短。

2.移动凸轮机构

当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，就形成了移动凸轮。在移动凸轮机构中，凸轮是具有曲线轮廓、相对机架作往复直线移动的构件，如图1-24所示。

盘形凸轮机构和移动凸轮机构中的凸轮及从动件的相对运动都是平面运动，因此，这种凸轮机构为平面凸轮机构，其凸轮称为平面凸轮。

3.圆柱凸轮机构

圆柱凸轮机构中的凸轮是一个表面具有凹槽或曲形端面的圆柱体，如图1-25所示。圆柱凸轮可以看成是绕卷在圆柱体上的移动凸轮所形成的。

圆柱凸轮机构中的凸轮和从动件的相对运动是空间的，因此，该凸轮机构称为空间凸轮机构，圆柱凸轮则称为空间凸轮。由于圆柱凸轮机构的从动件沿凸轮的轴向运动，所以，可以从直径不大的圆柱凸轮中得到较大的行程。

（二）按从动件的形式分

1.尖顶从动件凸轮机构

这种凸轮机构从动件的端部呈尖点或凿刃形，如图1-26（a）所示。尖顶能与任何复杂形状的凸轮轮廓上各点相接触，传动精确，因而理论上可实现任意预期的运动规律。尖顶从动件凸轮机构是研究其他型式从动件凸轮机构的基础。但由于从动件尖顶易磨损，故只适用于受力不大、低速及要求传动灵敏的场合，如仪表、记录仪等。从动件与凸轮是点接触，只用于受力小的低速机构和轻载低速的场合。

2.滚子从动件凸轮机构

这种凸轮机构从动件的端部装有滚子，如图1-26（b）所示。由于从动件与凸轮之间可形成滚动摩擦，所以磨损显著减少，能承受较大载荷，应用较广。但端部结构复杂，重量较大，又不易润滑，故仍不宜用于高速。一般适用于速度不高、载荷较大的场合，如用于各种自动化的生产机械等。

3.平底从动件凸轮机构

在这种凸轮机构中，从动件端部为一平底，如图1-26（c）所示。若不计摩擦，凸轮对从动件的作用力始终垂直于平底，传力性能良好，且凸轮与平底接触面间易形成润滑油膜，摩擦与磨损小、效率高，故可用于高速，缺点是不能用于凸轮轮廓曲线有内凹的情况。

此外，按从动件的运动方式，凸轮机构还可分为移动从动件凸轮机构和摆动从动件凸轮机构等。