第二節　凸輪機構

凸輪機構是機械中常用的一種機構，與平面連桿機構相比，凸輪機構具有結構簡單、緊湊，工作可靠，設計方便，只要設計適當的凸輪輪廓曲線，即可使從動件達到準確的任意預期運動，且可獲得較復雜的運動規律。因此，凸輪機構被廣泛應用于各種自動機械、儀表和自動控制系統中。但凸輪機構的從動件與凸輪間作點接觸或線接觸，易磨損，所以多用于傳力較小的低速機構中。

一、凸輪機構的組成與特點

1.凸輪機構的組成及應用

凸輪是一種具有曲線輪廓或凹槽的構件，含有凸輪的構件稱為凸輪機構。如圖1-22所示，凸輪機構由凸輪1、從動件2和機架3三個基本構件組成。

凸輪機構中凸輪一般為主動件，工作時作等速回轉運動或往復直線運動，借助于本身的曲線輪廓或凹槽，迫使從動件按一定規律連續或間歇地移動或擺動。從動件的運動規律取決于凸輪輪廓曲線或凹槽曲線的形狀。

凸輪機構的應用廣泛，尤其是在機器的控制機構中應用更廣。

圖1-22（b）所示的圓柱凸輪機構為機床的自動進給機構。當圓柱凸輪1勻速轉動時，其表面上的溝槽經滾子迫使扇形齒輪從動件2，按照一定的規律往復擺動，并通過齒輪齒條機構控制進給刀架左右移動，從而實現機床的自動進刀與自動退刀動作。

圖1-23（a）所示為內燃機氣門機構。當具有曲線外廓形狀的凸輪1勻速轉動時，其輪廓迫使搖桿2繞其轉軸擺動，驅動氣門3間歇地上下往復移動，從而實現控制氣門按預定的規律開啟和關閉，完成內燃機配氣動作。

圖1-23（b）所示為砂箱振動機構。當凸輪1按圖示方向轉動時，在一段時間內，凸輪輪廓推動滾子2使工作臺3上升；在另一段時間內，凸輪讓滾子落下，工作臺便自由落下；當凸輪連續轉動時，工作臺便上下往復運動，因碰撞而產生振動，將工作臺上砂箱中的砂子振實。

此外，在縫紉機的挑線機構中，主動件是帶凹槽的圓柱凸輪，通過凹槽和滾子迫使挑線桿往復擺動，以完成挑線動作。

2.凸輪機構的特點

（1）只要正確地設計和制造出凸輪的輪廓曲線，就能把凸輪的回轉運動準確可靠地轉變為從動件所預期的復雜運動規律的運動，而且設計簡單。所以，根據實際需要可以任意擬定從動件的運動規律。

（2）凸輪機構結構簡單、緊湊，動作準確可靠。

（3）由于電子數控機床及計算機的廣泛應用，使凸輪的輪廓曲線加工較為方便。

（4）凸輪輪廓與從動件之間是點或線接觸，難以保證良好的潤滑，容易磨損。所以，為了延長機構的使用壽命，傳遞動力不宜過大。

（5）在高速凸輪機構中，運動特性較為復雜，精確分析、設計凸輪的輪廓曲線比較困難。

二、凸輪機構的分類

凸輪機構的種類很多，一般可按凸輪的形狀和從動件的形式來區分。

（一）按凸輪的形狀分

1.盤形凸輪機構

盤形凸輪是凸輪機構中最基本的形式，在這種凸輪機構中，凸輪是一個具有變化半徑的圓盤，凸輪都是繞固定軸線轉動，其從動桿在垂直于凸輪回轉軸線的平面內運動，如圖1-22（a）和圖1-23所示。

盤形凸輪機構結構簡單，應用廣泛，但限于凸輪徑向尺寸不能變化太大，故從動件的行程較短。

2.移動凸輪機構

當盤形凸輪的回轉中心趨于無窮遠時，就形成了移動凸輪。在移動凸輪機構中，凸輪是具有曲線輪廓、相對機架作往復直線移動的構件，如圖1-24所示。

盤形凸輪機構和移動凸輪機構中的凸輪及從動件的相對運動都是平面運動，因此，這種凸輪機構為平面凸輪機構，其凸輪稱為平面凸輪。

3.圓柱凸輪機構

圓柱凸輪機構中的凸輪是一個表面具有凹槽或曲形端面的圓柱體，如圖1-25所示。圓柱凸輪可以看成是繞卷在圓柱體上的移動凸輪所形成的。

圓柱凸輪機構中的凸輪和從動件的相對運動是空間的，因此，該凸輪機構稱為空間凸輪機構，圓柱凸輪則稱為空間凸輪。由于圓柱凸輪機構的從動件沿凸輪的軸向運動，所以，可以從直徑不大的圓柱凸輪中得到較大的行程。

（二）按從動件的形式分

1.尖頂從動件凸輪機構

這種凸輪機構從動件的端部呈尖點或鑿刃形，如圖1-26（a）所示。尖頂能與任何復雜形狀的凸輪輪廓上各點相接觸，傳動精確，因而理論上可實現任意預期的運動規律。尖頂從動件凸輪機構是研究其他型式從動件凸輪機構的基礎。但由于從動件尖頂易磨損，故只適用于受力不大、低速及要求傳動靈敏的場合，如儀表、記錄儀等。從動件與凸輪是點接觸，只用于受力小的低速機構和輕載低速的場合。

2.滾子從動件凸輪機構

這種凸輪機構從動件的端部裝有滾子，如圖1-26（b）所示。由于從動件與凸輪之間可形成滾動摩擦，所以磨損顯著減少，能承受較大載荷，應用較廣。但端部結構復雜，重量較大，又不易潤滑，故仍不宜用于高速。一般適用于速度不高、載荷較大的場合，如用于各種自動化的生產機械等。

3.平底從動件凸輪機構

在這種凸輪機構中，從動件端部為一平底，如圖1-26（c）所示。若不計摩擦，凸輪對從動件的作用力始終垂直于平底，傳力性能良好，且凸輪與平底接觸面間易形成潤滑油膜，摩擦與磨損小、效率高，故可用于高速，缺點是不能用于凸輪輪廓曲線有內凹的情況。

此外，按從動件的運動方式，凸輪機構還可分為移動從動件凸輪機構和擺動從動件凸輪機構等。