凸轮与从动件详解：类型、术语、功能及应用全指南
凸轮与从动件概述
凸轮和从动件是一对高副，用于实现直接或周期性运动，可降低误差。早在公元前3世纪，希腊水力自动装置就已出现凸轮；4世纪阿尔-贾扎里设计中也有应用。现广泛用于内燃机配气机构、燃油泵驱动等。
该机构由三个构件组成：驱动件（凸轮）、支撑凸轮和从动件的机架、受驱动件（从动件）。
什么是凸轮？
凸轮是通过直接接触使从动件获得往复或摆动运动的旋转件，本质是将旋转运动转换为直线运动。它是机器的一部分，如带凸起的旋转轮或轴，在圆周路径上推动杠杆。常用于蒸汽锤将脉冲动力转化为锤击动作。
凸轮的分类
按形状分类
- 楔形/平面凸轮
- 圆盘/板式凸轮
- 螺旋凸轮
- 圆柱凸轮
- 心形凸轮
- 平移凸轮
- 蜗牛/断续凸轮
- 共轭凸轮
- 球面槽凸轮
- 球面凸轮
按从动件运动规律分类
- 升-回-升
- 停-升-停-回-停
- 停-升-回-停
按从动件约束方式分类
- 预压弹簧凸轮
- 重力凸轮
- 强制驱动凸轮
各类凸轮特点
1. 楔形/平面凸轮
直线轮廓，提供特定从动件运动。
2. 圆盘/板式凸轮
非直线轮廓，给从动件特定运动。
3. 螺旋凸轮
具有半圆或螺旋槽轮廓，凸轮作往复运动，从动件垂直于凸轮轴线移动。
4. 圆柱凸轮
圆柱面上有槽，从动件在平行于圆柱轴线的圆柱面上运动。
5. 心形凸轮
非对称心形，用于使轴在滚子压力下保持凸轮在特定位置。
6. 平移凸轮
带槽或轮廓板，从动件在板前摆动，槽/轮廓决定运动规律。
7. 蜗牛/断续凸轮
用于机械钟表日历推进机构，从动件在螺旋路径上运动24小时后突然跌落触发日历推进。
8. 共轭凸轮
两个独立摆动滚子，作为共轭测量夹具。凸轮旋转时，两从动臂夹角变化反映凸轮轮廓误差。
9. 球面槽凸轮
结构最复杂的凸轮之一，工作面与滚子接触面重合。
10. 球面凸轮
可替代锥齿轮，啮合间隙小、摩擦损失少。
什么是从动件？
从动件是通过直接接触跟随凸轮运动的旋转或摆动元件。凸轮作往复运动时，从动件平行于凸轮轴线移动，将凸轮旋转运动转化为往复或摆动运动。
从动件的分类
按形状分类
- 滚子从动件
- 刀刃从动件
- 平底从动件
- 球面从动件
按运动方式分类
- 往复从动件
- 摆动从动件
按运动直线位置分类
- 径向从动件
- 偏心从动件
各类从动件特点
1. 滚子从动件
高速运转平滑，磨损小。
2. 刀刃从动件
与凸轮尖点接触，结构最简单，但边缘锋利不适用高速场合。
3. 平底从动件
空间受限时使用，承受推力大，可用于特定场合。
4. 球面从动件
平底从动件的改进型，接触面为曲面。
5. 往复从动件
凸轮旋转时，从动件在导轨中往复运动。
6. 摆动从动件
铰接在机架上，随凸轮旋转摆动。
7. 径向从动件
运动连线通过凸轮轴中心，作往复运动。
8. 偏心从动件
运动连线偏离凸轮轴中心。
凸轮与从动件工作原理
凸轮工作原理
凸轮是绕从动件短轴旋转的轮子，或使从动件获得往复/摆动/直线运动的机械元件。轮廓通常为椭圆、不完整圆或偏心圆。椭圆凸轮产生周期性外部载荷，适用于周期性机械任务。分单头和多头凸轮。
从动件工作原理
从动件相对于凸轮作摆动或圆周运动，阻止凸轮的推拉，将运动传递给所需机器部件。两者相互依存，广泛应用于工程领域。
凸轮术语/命名法
- 凸轮轮廓：从动件接触的凸轮表面
- 基圆：以凸轮旋转中心为圆心的最小凸轮轮廓圆
- 节曲线：假设凸轮固定，从动件描点绕凸轮旋转形成的曲线
- 描点：用于确定凸轮轮廓的参考点
- 压力角：节曲线法线与从动件运动方向的夹角
- 节点：压力角最大的点
- 节圆：通过节点的圆
- 基准圆：与基圆同心、切于节曲线的圆
为什么需要凸轮与从动件？
在机械工程中，凸轮机构对实现单一机件内力的均匀分布至关重要。工程师可通过圆柱滚子实现自发运动。凸轮机构可用于螺母大小形状的机件，实现多种直线运动。因壁厚大于其他轴承，能吸收大冲击，提高机械效率。用途极广，从自动售货机到航空航天、输送带均有应用。发动机气门常用平底从动件，滚子从动件用于油泵和固定式发动机。
凸轮与从动件的应用
- 内燃机进排气门驱动
- 液压系统（依赖流体压力）
- 印刷机械（推拉动作完成印刷）
- 纺织机械（缝纫和拉布）
- 螺纹加工和齿轮切削机械
- 挂钟和自动车床
总结
凸轮与从动件在制造业应用极广。本文涵盖所有类型及图解，如有疑问欢迎留言。点赞分享、订阅获取更多内容。
工业技术