精准设计高速凸轮的方法及步骤详解

设计盘形凸轮轮廓曲线的目的是什么呢？

一、凸轮机构的完整设计过程

二、凸轮轮廓曲线的设计方法

从动件的运动规律和凸轮基圆半径确定后，即可进行凸轮轮廓设计，其设计方法有图解法和解析法两种。图解法简便易行，而且直观，但作图误差大、精度较低，适用于低速或对从动件运动规律要求不高的一般精度凸轮设计。对于精度要求高的高速凸轮、靠模凸轮，必须用解析法列出凸轮轮廓曲线的方程，借助于计算机辅助设计精确地设计凸轮轮廓。另外，采用的加工方法不同，则凸轮轮廓的设计方法也不同。这里只介绍用图解法设计凸轮轮廓。

图2－2－13　凸轮反转法设计原理

用图解法设计凸轮轮廓曲线，是以相对运动原理为基础的。当凸轮机构工作时，凸轮是运动的；而绘制凸轮轮廓曲线时，应假想使凸轮相对静止。图2－2－13所示为一对心式尖顶直动从动件盘形凸轮机构，当凸轮以等角速度ω1绕轴心O转动时，从动件按预期运动规律运动。现设想在整个凸轮机构（从动件、凸轮、导路）上加一个与凸轮角速度ω1大小相等、方向相反的角速度－ω1，于是凸轮静止不动，而从动件与导路一起以角速度－ω1绕凸轮转动，且从动件仍以原来的运动规律相对于导路移动（或摆动）。由于从动件尖顶与凸轮轮廓始终接触，所以加上反转角速度后从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线。把原来转动的凸轮看成静止不动的，而把原来静止不动的导路及原来往复移动的从动件看成反转运动的这一原理，称为“反转法”原理。假如从动件是滚子从动件，则滚子中心可看作从动件的尖顶，其运动轨迹就是凸轮的理论轮廓曲线，凸轮的实际轮廓曲线是与理论轮廓曲线相距滚子半径rg的一条等距曲线。

三、对心式直动平底从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计

此设计可将推杆导路中心线与其平底的交点O视为尖顶推杆的尖顶，先用反转法确定尖顶的各位置点。

设计步骤如下：

（1）选取适当的比例尺作从动件的位移曲线图，如图2－2－14（b）所示，并将位移曲线图横坐标上代表推程运动角δ1和回程运动角δ2的线段分为若干等份，过这些等分点分别作垂线，这些垂线与位移曲线相交所得的线段11′、22′、33′、…即代表相应位置的从动件位移量。

（2）选取与位移曲线图相同的比例尺。任取一点O为圆心，以已知的基圆半径rb作凸轮的基圆。

（3）自OA0开始，沿－ω方向在基圆上量取各运动阶段的凸轮转角δ1、δ2、δ3，再将这些角度各分为与从动件位移曲线图同样的等份，从而在基圆上得相应的等分点、…，连接、…即代表机构在反转后各瞬时位置从动件尖顶相对导路（即移动方向）的方向线。

（4）在、…的延长线上分别截取、…，得到机构反转后从动件尖顶的一系列位置点A1、A2、A3、…。

（5）过A1、A2、A3、…作一系列代表平底的直线，作此直线族的包络线即为凸轮的工作轮廓曲线，如图2－2－14（a）所示。

图2－2－14　对心式直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计

四、创新设计

（一）偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计

已知偏距为e，基圆半径为r0，凸轮以角速度ω顺时针转动，从动件的位移图线如图2－2－15（b）所示，设计该凸轮的轮廓曲线。

设计步骤如下：

（1）以与位移线图相同的比例尺作偏距圆（以e为半径的圆）及基圆，过偏距圆上任一点K作偏距圆的切线作为从动件导路，并与基圆相交于B0点，该点也就是从动件尖顶的起始位置。

（2）从OB0开始按－ω方向在基圆上画出推程运动角180°（φ0）、远休止角30°（φs）、回程运动角90°（）、近休止角60°（），相应段与位移线图对应划分出若干等份，得点C1、C2、C3、…。

（3）过各等分点C1、C2、C3、…向偏距圆作切线，作为从动件反转后的导路线。

（4）在以上导路线上，从基圆上的点C1、C2、C3、…开始向外量取相应的位移量得B1、B2、B3、…，即B1C1＝11′，B2C2＝22′，B3C3＝33′，得出反转后从动件尖顶的位置。

（5）将点B1、B2、B3、…连成光滑曲线即是凸轮的轮廓曲线。

图2－2－15　偏置直动尖顶从动件盘形凸轮设计

（二）滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计

仍利用上述已知条件，需再给定滚子半径，其凸轮轮廓曲线的画法可分两步进行。

（1）绘制凸轮的理论轮廓曲线。

将滚子中心看作尖顶从动件的尖顶，按上述方法作凸轮的理论轮廓曲线η。

（2）绘制凸轮的实际轮廓曲线。

以理论轮廓曲线η上各点为圆心，以滚子半径rg为半径作一系列的圆，最后作这些圆的包络线η′，η′就是滚子从动件盘形凸轮的实际轮廓曲线，如图2－2－16所示。从图中可知，滚子从动件盘形凸轮的基圆半径是在理论轮廓上度量的。(www.xing528.com)

图2－2－16　滚子从动件盘形凸轮设计

凸轮轮廓的加工方法

1.铣、锉削加工

对于低速、轻载场合的凸轮，可以应用“反转法”在未淬火凸轮轮坯上通过作图法绘制出轮廓曲线，采用铣床或用手工锉削办法加工而成，必要时可进行淬火处理。这种方法的缺点是加工出来的凸轮的变形难以得到修正。

2.数控加工

数控加工是目前常用的一种凸轮加工方法。加工时应用解析法求出凸轮轮廓曲线上各点的极坐标（ρ，θ）值，然后用专用编程软件进行编程，在数控线切割机床上对淬火后的凸轮进行切割加工。此方法加工出的凸轮精度高，适用于高速、重载的场合。

做一做

同学们分小组，按照上述设计步骤，设计并绘制出内燃机配气机构中盘形凸轮构件外形图样，完成学习任务。

请认真观察绕线机中排线机构的特点及运动情况，分析排线机构的类型，说出其运动规律，同时写出排线机构设计的步骤和方法。

★新视野

机械创新设计技术

机械创新设计是充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品的一种实践活动。它包括两个部分：一是改进和完善生产或生活中现有机械产品的技术性能、可靠性、经济性、适用性等；二是创新设计出新机器、新产品，以满足新的生产或生活的需要。

机械创新设计的一般过程可以归纳为以下三步：

第一，确定机械的基本原理，它会涉及机械学对象不同层次、不同种类的机构组合，或不同学科知识、技术的问题。

第二，机构结构类型综合及优选，优选的结构类型对机械整体性能和经济性具有重大影响，机械发明专利的大部分属于结构类型的创新设计。

第三，机构运动尺寸综合及其运动参数优选，其难点在于求得非线性方程组的完全解，为优选方案提供较大的空间。随着优化法、代数消元法等数学方法引入机构学，该问题有了突破性的进展。

机械创新设计涉及多学科，如机械、液压、电力、气动、热力、电子、光电、电磁及控制等多种科技的交叉、渗透与融合。

在进行机械创新设计时应尽可能在较多方案中进行方案优选，即在大的设计空间内，基于知识、经验、灵感与想象力的系统中搜索并优化设计方案。

机械创新设计是多次重复、多次筛选的过程，每一设计阶段有其特定内容与方法，但各阶段之间又密切相关，形成一个整体的系统设计。

一、知识巩固

对照本任务知识脉络图，梳理自己所掌握的知识体系，并与同学相互交流、研讨个人对某些知识点或技能技巧的理解，注重提升职业素养。

二、拓展任务

根据任务2.1的工作步骤及方法，利用所学知识，完成自主学习手册中的拓展任务。

1.凸轮机构有哪些基本类型？各有何特点？

2.凸轮机构从动件常用的运动规律有哪些？各有何特点？

3.影响凸轮机构工作的主要参数有哪些？如何选择？

4.凸轮设计时，若得出α＞［α］，应采取什么办法来解决这个问题？

5.如题5图所示，试用作图法在图上标出各凸轮从图示位置按逆时针方向转过45°后，凸轮机构的压力角。

题5图