浅析凸轮机构设计中注意的几个问题

摘要：设计凸轮机构，不仅要保证从动件能实现所预期的运动规律，而且还要求其动力性能良好，体积小，结构紧凑。这就要合理确定机构各部分的尺寸，设计出质量较好的凸轮机构。

关键词：滚子半径；压力角；基圆半径

中图分类号：G718 文献标识码：B文章编号：1672-1578（2016）12-0369-01

在设计机械时，常要求其中某些从动件的位移、速度或加速度按照预定的规律变化。虽然这种要求也可以利用连杆机构来实现，但难以精确满足，而且连杆机构及其设计方法也较复杂。因此，在这种情况下，特别是要求从动件按复杂的运动规律运动时，通常多采用凸轮机构。

凸轮机构是有凸轮、从动件、机架以及附属装置所组成的高副机构。当凸轮连续转动时，由于其轮廓线上各点具有不同大小的向径，通过其曲线轮廓与从动件之间的高副接触，推动从动件，使其按所预定的规律进行往复运动。例如内燃机配气机构，当具有曲线轮廓的凸轮连续转动时，凸轮迫使气阀杆相对于气阀导管作往复直线移动，从而控制气阀有规律地开启和关闭。该气阀杆的运动规律取决于凸轮的轮廓曲线的形状。再如自动机床的进刀机构，当具有凹槽的圆柱凸轮连续转动时，其凹槽的侧面迫使从动件做往复摆动，从而控制刀架的自动进刀和退刀运动。刀架的运动规律完全取决于圆柱凸轮凹槽曲线的形状。只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使从动件得到各种预期的运动规律，而且其结构简单、紧凑，运动可靠，这是凸轮机构的优点。因此，凸轮机构广泛应用于各种机械、仪器以及自动控制装置之中。但凸轮机构于从动件之间为点接触或线接触，压强较大，容易磨损，且凸轮机构轮廓曲线加工较困难，所以，凸轮机构多用于要求精确实现比较复杂的运动规律而传动并不大的场合。

设计凸轮机构，不仅要保证从动件能实现所预期的运动规律，而且还要求其动力性能良好，体积小，结构紧凑。这些要求均与滚子半径、基圆半径、压力角等因素有关。这就要合理确定机构各部分的尺寸，设计出质量较好的凸轮机构。下面就分析凸轮机构设计中应注意的几个问题。

1.滚子半径的确定

凸轮机构中，常采用滚子从动件。合理选择滚子的半径，要考虑多方面的因素。从滚子本身的结构设计和强度等方面考虑，将滚子半径取大些好。因为这样有利于提高滚子的接触强度和寿命，也便于进行滚子结构设计和安装。但是滚子半径的增大也要收到一定的限制，因为滚子半径的大小对凸轮实际轮廓的形状有直接的影响。如果滚子尺寸选择不当，将使凸轮实际轮廓不能准确地实现或不能实现预期的运动规律，这就是运动失真现象。

当理论轮廓线上的最小曲率大于滚子半径，实际轮廓线为一条平滑曲线。当理论轮廓线上的曲率等于滚子半径时，此时，实际轮廓线在曲率半径为零处会产生尖点，曲线不再平滑。尖点处压强大，极易磨损，磨损后就会改变所预期的从动件运动规律。当理论轮廓线上的最小曲率小于滚子半径时，凸轮实际轮廓线由两条在此处相交的包络线组成。相交处的阴影部分会在凸轮加工过程中被刀具切除，导致实际轮廓线变形，从动件不能实现预期的运动规律。可见，滚子半径过大会导致凸轮实际轮廓线变形，产生运动失真现象。设计时，为了避免实际轮廓变尖或叠交并考虑滚子强度和结构等要求，保证凸轮机构运动正常，对于外凸的凸轮轮廓，应使滚子半径小于理论轮廓线上的最小曲率半径，通常可取滚子半径小于0.8倍实际轮廓最小曲率。另一方面，滚子半径又不能太小，其大小还受到结构和强度的限制，一般可取滚子半径为凸轮基圆半径的0.1至0.5倍。凸轮实际轮廓线的最小曲率半径一般不应大于1至5毫米。过小会给滚子结构设计带来困难。如果不能满足此要求，必要时，还需对从动件的运动规律进行修正。

2.凸轮机构的压力角的选择

在凸轮转动过程中，从动件与凸轮轮廓线的接触点位置是变化的，各接触的处的公法线方向不同，从而凸轮对从动件的作用力F的方向也不同。从动件受力方向与其运动方向所夹的锐角α称为凸轮机构的压力角。压力角是凸轮机构设计中的一个重要参数。如图，从动件所受力F可分解为推动从动件的有效分力 =Fcosα，和从动件压紧导路的有害分力 =Fsinα。显然，压力角α 越小，有效分力越大，有害分力越小，机构的受力情况和工作性能就越好。反之，压力角α越大，有效分力越小，有害分力越大，由其所产生的摩擦阻力也就越大。当压力角α增大到某一数值时，有效分力会小于有害分力所产生的摩擦力。此事，即使没有工作载荷，无论凸轮给从动件施加多大的作用力，都无法使从动件运动，即机构处于自锁状态。为了保证机构良好的传力性能，必须限制最大压力角。实际设计中，为改善机构的受力状况，保持较高的传动效率，使机构具有良好的工作性能，规定压力角的许用值。一般推程许用值压力角规定30°至50°，回程时发生自锁的可能性不大，一般载荷也很小，故许用压力角取得大一些，为70°至80°。设计时，应使最大压力角小于压力角许用值，机构方不能自锁，保持良好的工作性能。

3.基圆半径的确定

基圆半径也是凸轮设计中的一个重要参数，它对凸轮机构的结构尺寸、体积重量、受力性能等都有重要的影响。基圆半径的大小也直接影响压力角的大小。压力角愈大，凸轮的基圆半径愈小。可见，减小机构体积，使其结构紧凑方面考虑，宜取较大的压力角。但从改善机构的受力状况，使其具有良好工作性能方面考虑，又宜取较小的压力角。设计时，应根据具体情况，合理解决。若对机构的体积没有严格要求时，可取较大的基圆半径，以便减小压力角，使凸轮机构具有良好的受力条件；若要求凸轮机构体积小，结构紧凑，可取较小的基圆半径，此时压力角会增大，最大的压力角不得超过许用压力角。一般在设计中，为兼顾受力状况和结构紧凑两方面要求，通常可在压力角不超过许用压力角的条件下，尽可能采用较小的基圆半径。设计时，一般可初步选择基圆半径大于或等于0.9倍的凸轮轴直径。

根据选择的基圆半径绘制好凸轮轮廓后，必须校核压力角。最大压力角一般出现在从动件上升的起始位置、从动件具有最大速度的位置或在凸轮轮廓线较陡之处。可用量角器测量压力角的大小，测量的压力角如果超过许用值，通常加大基圆半径即可减小压力角，但会使凸轮结构尺寸增大。

凸轮机构的主要失效形式为磨损和疲劳点蚀，这就要求凸轮和滚子的工作表面硬度高，耐磨并且有足够的表面接触强调。凸轮的材料常采用45钢、40Cr钢，经表面淬火硬度55HRC，要求更高使可采用15钢、20Cr钢，经表面渗碳淬火，表面硬度60HRC。或采用可进行渗碳处理的钢材，在进行氮化处理后，表面硬度达到65HRC，以增强凸轮表面的表面耐磨性。轻载时可采用优质球墨铸铁或45钢调质处理。凸轮结构设计时，应考虑安装时便于调整凸轮与轴的相对位置，凸轮尺寸小的与轴做成一体，凸轮尺寸大的，应与轴分开制造，凸轮与轴采用键连接与销连接。

凸轮机构设计，要处理好滚子半径、基圆半径、压力角之间的关系，合理确定机构各部分的尺寸，设计出符合技术要求质量好的凸轮机构。

参考文献：

[1] 李靖宇.机械设计基础[M].大连；大连理工大学出版社，2012

[2] 孙宝均.机械设计基础[M].北京，机械工业出版社，2004