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1、机械设计基础机械设计基础第三章 凸轮机构学习重点：学习重点： 1.了解凸轮机构的组成、特点、分类及应用 2.掌握从动件的常用运动规律；了解其冲击特性及应用 学习难点学习难点 凸轮机构运动的实现 当从动件的位移、速度、加速度必须严格按预定规律变化，特别是当原动件作连续运动时从动件必须作间歇运动下，采用凸轮机构设计最为简便3-1 3-1 凸轮机构的组成及分类凸轮机构的组成及分类1 1、凸轮、凸轮: : 具有曲线轮廓或凹槽的构件具有曲线轮廓或凹槽的构件, ,是主动件是主动件, , 通常等速转动。通常等速转动。2、从动件: 由凸轮控制按其运动规律作移动或摆动运动的构件。3 3、机架、机架: :支承活动
2、构件的构件。支承活动构件的构件。1、组成、组成作用：作用：将连续回转将连续回转 = = 从动件直线移动或摆动。从动件直线移动或摆动。优点：优点：可精确实现任意运动规律，简单紧凑。可精确实现任意运动规律，简单紧凑。缺点：缺点：高副，线接触，易磨损，传力不大。高副，线接触，易磨损，传力不大。3.2 凸轮的分类凸轮的分类1. 1. 按凸轮的形状分类按凸轮的形状分类(1)盘形凸轮 它是凸轮的最基本形式，是一个绕固定轴线转动并且具有变化半径的盘形构件。 如内燃机配气凸轮机构。 气阀2的运动规律规定了凸轮的外形。当凸轮向径变化时，气阀产生往复运动，而当凸轮回转中心为圆心的圆弧轮廓与气阀平底接触时，气阀静止
3、不动。凸轮凸轮气阀气阀机架机架(2)移动凸轮 当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，则成为移动凸轮，当移动凸轮沿工作直线往复运动时，推动从动件作往复运动。如靠模车削机构。 (3)(3)圆柱凸轮圆柱凸轮 3.2 凸轮的分类凸轮的分类(2)(2) 凸轮与从动件之间为滚凸轮与从动件之间为滚动摩擦，因此摩擦磨损较小，动摩擦，因此摩擦磨损较小，可用于传递较大的动力。可用于传递较大的动力。 滚子从动件滚子从动件 从动件与凸轮之间易形从动件与凸轮之间易形成油膜，润滑状况好，受成油膜，润滑状况好，受力平稳，传动效率高，常力平稳，传动效率高，常用于高速场合。但与之相用于高速场合。但与之相配合的凸轮轮廓须全部外配合的
4、凸轮轮廓须全部外凸。凸。 平底从动件平底从动件按从动件的形状分：尖底、滚子、平底。按从动件的形状分：尖底、滚子、平底。3.2 凸轮的分类凸轮的分类(3)(3)直动从动件直动从动件 摆动从动件摆动从动件直动从动件直动从动件：从动件作往复移动，其运动：从动件作往复移动，其运动轨迹为一段轨迹为一段直线直线；摆动从动件：摆动从动件：从动件作往复摆动，其运动从动件作往复摆动，其运动轨迹为一段轨迹为一段圆弧圆弧。按从动件的运动形式分：直动从动件（对心、偏心）、摆动从动件。按从动件的运动形式分：直动从动件（对心、偏心）、摆动从动件。3.2 凸轮的分类凸轮的分类(4)(4) 按凸轮与从动件维持接触的方式分：外
5、力锁合（重力、弹簧力、其他力）、几何锁合（通过几何形状来锁合）弹簧力锁合重力锁合几何锁合滚子对心移动从动件盘形凸轮机构 机构中凸轮匀速旋转，带动从动件往复移动，滚子接触,摩擦阻力小，不易摩擦，承载能力较大，但运动规律有局限性，滚子轴处有间隙，不宜高速。 平底移动从动件盘形凸轮机构 机构中凸轮匀速旋转，带动从动件往复移动，压力角始终为零度，传力特性好，结构紧凑，润滑性能好，摩擦阻力较小，适用于高速， 但凸轮轮廓不允许呈下凹，因此实现准确的运动规律受到限制。 移动凸轮 当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，即成为移动凸轮，一般作往复移动，多用于靠模仿形机械中 。 形锁合凸轮 为保证凸轮机构能正常工作，
6、必须保持凸轮轮廓与从动件相接触，该机构是靠凸轮与从动件的特殊几何结构来保持两者的接触。 滚子摆动从动件盘形凸轮机构 机构中凸轮匀速旋转，带动从动件往复摆动，滚子接触，摩擦阻力小，不易摩擦，承载能力较大，但运动规律有局限性，滚子轴处有间隙，不宜高速。 3.3 3.3 凸轮机构的运动过程凸轮机构的运动过程3 3、推程推程： 4 4、行程行程： 从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定的从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定的运动规律由离回转中心最近位置运动规律由离回转中心最近位置A到达到达最远位置最远位置B的过程。的过程。从动件在推程中上升的最大位移从动件在推程中上升的最大位移h。5、推程运动角推程运动角：0=
7、 AOB与推程相应的凸轮转角与推程相应的凸轮转角0。0 sw wA ABBrminO OB BC CD D0sh7、远停程角远停程角： 从动件在最远位置停止从动件在最远位置停止不动所对应的凸轮转角不动所对应的凸轮转角s。S = BOC6、远停程远停程：凸轮由凸轮由B转动到转动到C，从从动件在最远位置停止不动件在最远位置停止不动。动。0 sw wA ABBrminO OB BC CD D0sh8、回程运动角回程运动角：0 =CODs =AOD7 7、回程回程：从动件在弹簧力或重力作用下，以一从动件在弹簧力或重力作用下，以一定的运动规律回到起始位置的过程。定的运动规律回到起始位置的过程。与回程相应
8、的凸轮转角与回程相应的凸轮转角0 。从动件在最近位置停止不动所从动件在最近位置停止不动所对应的凸轮转角对应的凸轮转角s。hsw wA ABBrminO OB BC CD Dtsh9、近停程角近停程角： 以纵坐标代表从动件位移以纵坐标代表从动件位移s2 ，横坐标代表凸轮转角，横坐标代表凸轮转角1或时间或时间t，所画出的图形为位移曲线图。，所画出的图形为位移曲线图。10、从动件位移线图从动件位移线图：升升停停降降停停t1s2ABCDh2p2p0 s0sA0 sw wA ABBrminO OB BC CD D0sh 从动件位移线图决定于从动件位移线图决定于凸轮轮廓曲线的形状。凸轮轮廓曲线的形状。3.
9、4 从动件常用的运动规律从动件常用的运动规律1.等速运动规律等速运动规律2.等加速等加速-等减速运动规律等减速运动规律3.简谐运动规律简谐运动规律作推程运动线图作推程运动线图h 0s Ov O 0 v0a O 01.等速运动规律等速运动规律从动件在推程（或回程）的运动从动件在推程（或回程）的运动速度为常数的运动规律。速度为常数的运动规律。 刚性冲击刚性冲击因此只适用于低速、轻载的场合。因此只适用于低速、轻载的场合。1.等速运动规律等速运动规律实际上由于材料的弹性变形，加速度和惯性力不会达到无穷大）hs O 0 0/2h/2v O 0 0/22h / 0a O 0/24h 2/ 02 0 4h
10、2/ 022.等加速等加速-等减速运动规律等减速运动规律从动件在一个行程从动件在一个行程h中，前中，前半行程做等加速运动，后半行程做等加速运动，后半行程作等减速运动的运半行程作等减速运动的运动规律。动规律。BAC2.等加速等加速-等减速运动规律等减速运动规律等加速等减速运动规律运动特性：等加速等减速运动规律运动特性：从动件在运动起始、中点和终止点存在从动件在运动起始、中点和终止点存在柔性冲击；柔性冲击；适用于适用于中速、中载的中速、中载的场合；场合；柔性冲击柔性冲击s Oh 0 0/2pp h /2 0 0 0/2v Oa O 0 0/2p p2 2 h /2 02-p p2 2 h /2 0
11、2从动件加速度在从动件加速度在起点起点和和终点终点存在有限值存在有限值突变，故有突变，故有柔性冲击柔性冲击;若从动件作无停歇的若从动件作无停歇的升降升升降升连续往连续往复运动，加速度曲线变为连续曲线，可复运动，加速度曲线变为连续曲线，可以避免柔性冲击以避免柔性冲击;可适用于可适用于高速的高速的场合。场合。完全由工艺动作要求决定完全由工艺动作要求决定已知凸轮的转角，运动规律可选择。已知凸轮的转角，运动规律可选择。从动件运动规律的确定方法从动件运动规律的确定方法注意：速度突变及加速度突变会产生冲击注意：速度突变及加速度突变会产生冲击max:v1.大质量从动件应选小的运动规律max:a2.高速情况应
12、选小的运动规律 根据工作条件要求，根据工作条件要求，确定从动件的运动规律确定从动件的运动规律，选定，选定凸轮的凸轮的转动方向、基圆半径转动方向、基圆半径等，进而对等，进而对凸轮轮廓曲线进凸轮轮廓曲线进行设计。行设计。设计方法设计方法: 1.图解法：图解法：简便易行、直观，但精度较低，可用于设计一简便易行、直观，但精度较低，可用于设计一般精度要求的凸轮机构。般精度要求的凸轮机构。 2.解析法解析法:精度高，但计算量大，多用于设计精度要求较高精度高，但计算量大，多用于设计精度要求较高的凸轮机构。的凸轮机构。3.5 凸轮轮廓曲线的设计凸轮轮廓曲线的设计esB1B-B0rbS-1、图解法的原理、图解法
13、的原理 假想给整个凸轮机构加上假想给整个凸轮机构加上一个与凸轮角速度一个与凸轮角速度 大小相等大小相等、方向相反的、方向相反的角速度（角速度（- ），凸轮将处于静止状态；机架则凸轮将处于静止状态；机架则以以（ - ）的角速度围绕凸轮的角速度围绕凸轮原来的转动轴线转动；而从动原来的转动轴线转动；而从动件一方面随机架转动，另一方件一方面随机架转动，另一方面又按照给定的运动规律相对面又按照给定的运动规律相对机架作往复运动。机架作往复运动。 反转法反转法 已知凸轮的基圆半径已知凸轮的基圆半径r r0 0，角速度角速度 和从动件的运动规律，设计该凸和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。轮轮廓曲线。oS
14、p2901201 2 35 6 7h15048-2. 凸轮轮廓设计凸轮轮廓设计作图法作图法尖顶移动从动件盘型凸轮机构尖顶移动从动件盘型凸轮机构（1）选取适当的比例尺作出选取适当的比例尺作出 位移线图；位移线图；（2）按基本尺寸作出凸轮机构的按基本尺寸作出凸轮机构的 初始位置；初始位置；（3）按按- 方向划分基圆周得方向划分基圆周得 c0、c1、c2 等等 点；并过这点；并过这 些点些点作射作射线，即为反转后的导路线；线，即为反转后的导路线；（4）在各反转导路线上量取与位移在各反转导路线上量取与位移 图相应的位移，得图相应的位移，得B1、B2 等等 点，即为凸轮轮廓上的点。点，即为凸轮轮廓上的点
15、。rbB0B1B2B4B8B5c1c2c4c5120c8B6B7c6c7c0c315090B3滚子从动件凸轮轮廓曲线的设计步骤：滚子从动件凸轮轮廓曲线的设计步骤：（1）画出滚子中心的轨画出滚子中心的轨迹迹 （称为理论轮廓曲线称为理论轮廓曲线）（2）以以理论轮廓上的点理论轮廓上的点为为圆心，圆心，滚子半径滚子半径rT为半径作为半径作一系列的滚子圆，再画滚子一系列的滚子圆，再画滚子圆的内包络线，则为从动件圆的内包络线，则为从动件凸轮的凸轮的实际轮廓曲线实际轮廓曲线。注意：注意：（1）理论轮廓与实际轮廓互为等距曲线；）理论轮廓与实际轮廓互为等距曲线；（2）凸轮的基圆是指理论轮廓曲线上的基圆。凸轮的基
16、圆是指理论轮廓曲线上的基圆。nnBCr0rT实际轮廓曲线实际轮廓曲线 理论轮廓曲线理论轮廓曲线直动平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制直动平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制-直动平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制直动平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制实际廓线实际廓线3.6 3.6 凸轮机构设计中应注意的几个问题凸轮机构设计中应注意的几个问题 设计滚子从动件时若从强度和耐用性考虑，滚子设计滚子从动件时若从强度和耐用性考虑，滚子的半径应取大些。滚子半径取大时，对凸轮的实际轮的半径应取大些。滚子半径取大时，对凸轮的实际轮廓曲线影响很大，有时甚至使从动件不能完成预期的廓曲线影响很大，有时甚至使从动件不能完成预期的运动规律。运动规律。（1 1）滚子半径的选择）滚子半径的选择滚子半径的选择滚子半径的选择. .凸轮理论轮廓为内凹时凸轮理论轮廓为内凹时 由图由图(a)(a)可得可得 = =minmin+ +r rT T 实际轮廓曲线曲率半径总大于理论轮廓曲线曲率实际轮廓曲线曲率半径总大于理论轮廓曲线曲率半径。因此，不论选择多大的滚子，都能作出实际轮半径。因此，不论选择多大的滚子，都能作出实际轮廓曲线。廓曲线。 当理论廓线外凸时
