凸轮机构解说

1、4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 常用从动件的运动规律常用从动件的运动规律4.3 4.3 盘形凸轮轮廓的设计与加工方法盘形凸轮轮廓的设计与加工方法4.4 4.4 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定第四章第四章 凸轮机构凸轮机构（一）教学要求（一）教学要求1 1、了解凸轮机构的特点、类型及应用。、了解凸轮机构的特点、类型及应用。2 2、掌握凸轮机构的从动件的常用运动规律、掌握凸轮机构的从动件的常用运动规律3 3、掌握凸轮轮廓曲线的设计。、掌握凸轮轮廓曲线的设计。4 4、熟悉凸轮机构基本尺寸的确定。、熟悉凸轮机构基本尺寸的确定。（二）教学的重点与难点（二）教学的重点与难点凸轮机构的

2、从动件的常用运动规律及凸轮轮凸轮机构的从动件的常用运动规律及凸轮轮廓曲线的设计。廓曲线的设计。4.1.1 4.1.1 凸轮机构的应用凸轮机构的应用 凸轮机构由凸轮机构由凸轮凸轮1 1、从动件、从动件2 2、机、机架架3 3三个基本构件组成，是一种高三个基本构件组成，是一种高副机构。其中凸轮是一个具有曲线副机构。其中凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通常作连续等轮廓或凹槽的构件，通常作连续等速转动，从动件则在凸轮轮廓的控速转动，从动件则在凸轮轮廓的控制下按预定的运动规律作往复移动制下按预定的运动规律作往复移动或摆动。或摆动。 4.1 4.1 概述概述1. 1. 组成组成2. 2. 特点：特点：

3、优点优点: :只要正确地设计和制造出凸轮的轮廓曲线，就能实只要正确地设计和制造出凸轮的轮廓曲线，就能实现从动件所预期的复杂运动规律的运动；凸轮机构结构现从动件所预期的复杂运动规律的运动；凸轮机构结构简单、紧凑、运动可靠。简单、紧凑、运动可靠。缺点缺点: :凸轮与从动件之间为点或线接触，故难以保持良凸轮与从动件之间为点或线接触，故难以保持良好的润滑，容易磨损。好的润滑，容易磨损。 凸轮机构通常适用于传递动力不大的机械中。尤其广凸轮机构通常适用于传递动力不大的机械中。尤其广泛应用于自动机械、仪表和自动控制系统中。泛应用于自动机械、仪表和自动控制系统中。 3. 3. 应用：应用：内燃机配气凸轮机构内

4、燃机的配气凸轮机构，凸轮1作等速回转，其轮廓将迫使推杆2作往复摆动，从而使气门3开启和关闭（关闭时借助于弹簧4的作用来实现的），以控制可燃物质进入气缸或废气的排出。 靠模车削机构靠模车削机构234 自动机床上的走刀机构12刀具一个进给运动循环包括：刀具一个进给运动循环包括：1）刀具以较快的速度接）刀具以较快的速度接近工件；近工件；2）刀具等速前进来切削工件；）刀具等速前进来切削工件；3）完成切削动）完成切削动作后，刀具快速退回；作后，刀具快速退回；4）刀具复位后停留一段时间等）刀具复位后停留一段时间等待更换工件等动作。这样一个复杂的运动规律是由一个待更换工件等动作。这样一个复杂的运动规律是由一

5、个作等速回转运动的圆柱凸轮通过摆动从动件来控制实现作等速回转运动的圆柱凸轮通过摆动从动件来控制实现的。其运动规律完全取决于凸轮凹槽曲线形状。的。其运动规律完全取决于凸轮凹槽曲线形状。 n弧面凸轮式间歇运动机构4.1.2 4.1.2 凸轮机构的分类凸轮机构的分类（1 1）盘形凸轮）盘形凸轮 1 1 、2 2、3 3盘形凸轮机构简单，应用广泛，盘形凸轮机构简单，应用广泛，但限于凸轮径向尺寸不能变化太大，故从动件的行程较但限于凸轮径向尺寸不能变化太大，故从动件的行程较短。短。（2 2）移动凸轮移动凸轮 其凸轮是具有曲线轮廓、作往复直线移其凸轮是具有曲线轮廓、作往复直线移动的构件，可看成是转动轴线位于

6、无穷远处的盘形凸轮。动的构件，可看成是转动轴线位于无穷远处的盘形凸轮。（3 3）圆柱凸轮圆柱凸轮 其凸轮是圆柱面上开有凹槽的圆柱体，其凸轮是圆柱面上开有凹槽的圆柱体，可看成是绕卷在圆柱体上的移动凸轮，利用它可使从动可看成是绕卷在圆柱体上的移动凸轮，利用它可使从动件得到较大的行程件得到较大的行程。 1.1.按凸轮的形状分按凸轮的形状分（1 1）尖顶从动件尖顶从动件凸轮机构凸轮机构 实现预期的运动规律。但从实现预期的运动规律。但从动件尖顶易磨损，故只能用于轻载低速场合。动件尖顶易磨损，故只能用于轻载低速场合。（2 2）滚子从动件滚子从动件凸轮机构凸轮机构 其磨损显著减少，能承受较其磨损显著减少，能

7、承受较大载荷，应用较广。但端部重量较大，又不易润滑，故大载荷，应用较广。但端部重量较大，又不易润滑，故仍不宜用于高速，只能用于中低速。仍不宜用于高速，只能用于中低速。（3 3）平底从动件平底从动件凸轮机构凸轮机构 若不计摩擦，凸轮对从动件若不计摩擦，凸轮对从动件的作用力始终垂直于平底，传力性能良好，且凸轮与平的作用力始终垂直于平底，传力性能良好，且凸轮与平底接触面间易形成润滑油膜，摩擦磨损小、效率高，故底接触面间易形成润滑油膜，摩擦磨损小、效率高，故可用于高速，缺点是不能用于凸轮轮廓有内凹的情况。可用于高速，缺点是不能用于凸轮轮廓有内凹的情况。 2.2.按从动件末端形状分按从动件末端形状分（1

8、 1）力锁合力锁合凸轮机构凸轮机构 依靠重力、弹簧力或其他外力来依靠重力、弹簧力或其他外力来保证锁合，如内燃机配气凸轮机构。保证锁合，如内燃机配气凸轮机构。（1 1）移动从动件凸轮机构）移动从动件凸轮机构 按其从动件导路是否通过凸按其从动件导路是否通过凸轮回转中心分为对心移动从动件和偏置移动从动件凸轮轮回转中心分为对心移动从动件和偏置移动从动件凸轮机构。机构。3.3.按锁合方式分按锁合方式分4.4.按从动件相对机架的运动方式分按从动件相对机架的运动方式分（2 2）摆动从动件凸轮机构）摆动从动件凸轮机构（2 2）形锁合形锁合凸轮机构凸轮机构 依靠凸轮和从动件几何形状来锁合。依靠凸轮和从动件几何形

9、状来锁合。移动从动件移动从动件摆动从动件摆动从动件 一对心直动尖顶从动件盘一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构，凸轮上有一最小形凸轮机构，凸轮上有一最小向径，以最小向径向径，以最小向径r r。为半径为半径所作的圆称凸轮基圆，所作的圆称凸轮基圆，r r。称。称基圆半径，凸轮以等角速度基圆半径，凸轮以等角速度 1 1逆时针转动。凸轮机构运动过逆时针转动。凸轮机构运动过程如下：程如下：4.2 4.2 凸轮机构的运动特性凸轮机构的运动特性4.2.1 4.2.1 平面凸轮机构的基本尺寸及运动参数平面凸轮机构的基本尺寸及运动参数1推程、推程、2远休止、远休止、3回程、回程、4近休止近休止当凸轮连续转动时，从动

10、件将重复上述运动过程。当凸轮连续转动时，从动件将重复上述运动过程。 一、一、凸轮机构的工作过程凸轮机构的工作过程 从动件的运动规律：是指其位移从动件的运动规律：是指其位移s s、速度、速度v v和加速度和加速度a a等随凸轮转角等随凸轮转角 而变化的规律。常用的从动件运动规律而变化的规律。常用的从动件运动规律有等速运动规律、等加速有等速运动规律、等加速- -等减速运动规律、余弦加速度等减速运动规律、余弦加速度运动规律、正弦加速度运动规律等。运动规律、正弦加速度运动规律等。 凸轮机构中，凸轮的轮廓形状决定了从动件的运动规凸轮机构中，凸轮的轮廓形状决定了从动件的运动规律，反之，从动件的不同运动规律

11、要求凸轮具有不同形状律，反之，从动件的不同运动规律要求凸轮具有不同形状的轮廓。因此，设计凸轮机构时，应首先根据工作要求确的轮廓。因此，设计凸轮机构时，应首先根据工作要求确定从动件的运动规律，再据此来设计凸轮的轮廓曲线。定从动件的运动规律，再据此来设计凸轮的轮廓曲线。 4.2.2 4.2.2 常用的从动件运动规律常用的从动件运动规律 从动件在推程始末两处，速度从动件在推程始末两处，速度有突变，瞬时加速度理论上为无有突变，瞬时加速度理论上为无穷大，因而产生理论上无穷大的穷大，因而产生理论上无穷大的惯性力，对机构造成强烈的冲击，惯性力，对机构造成强烈的冲击，这种冲击称为这种冲击称为“刚性冲击刚性冲击

12、”。因。因此，等速运动规律只能用于低速此，等速运动规律只能用于低速轻载的场合。轻载的场合。 从动件在推从动件在推程或回程过程程或回程过程中的运动速度中的运动速度为常数的运动为常数的运动规律。规律。1.1.等速运动规律：等速运动规律：000ahvhs 在推程的始末点和前、后在推程的始末点和前、后半程的交接处，产生半程的交接处，产生“柔性柔性冲击冲击”或或“软冲软冲”。因此这。因此这种运动规律只适用于种运动规律只适用于中速、中速、中载的场合。中载的场合。 从动件在一个行程中，前半从动件在一个行程中，前半行程作等加速运动，后半行程行程作等加速运动，后半行程作等减速运动的运动规律。作等减速运动的运动规

13、律。2.2.等加速等减速运动规律等加速等减速运动规律 在推程始末点处仍存在在推程始末点处仍存在“软软冲冲”，因此只适用于因此只适用于中、低速中、低速。 但若从动件作无停歇的升但若从动件作无停歇的升降降升型连续运动，则加速度曲升型连续运动，则加速度曲线为光滑连续的余弦曲线，消除线为光滑连续的余弦曲线，消除了了“软冲软冲”，故可用于高速。，故可用于高速。 从动件加速度按余弦规律变从动件加速度按余弦规律变化的运动规律。化的运动规律。3.3.余弦加速度运动规律余弦加速度运动规律,tsva,t,th654321rsBAA04 4、正弦加速度运动规律、正弦加速度运动规律运动特征：没有冲击，运动特征：没有冲

14、击，故可用于高速。故可用于高速。从动件加速度按正从动件加速度按正弦规律变化的运动规律。弦规律变化的运动规律。三、从动件运动规律的选择三、从动件运动规律的选择1、在选择从动件的运动规律时，应根据机器工作时的运动要求、在选择从动件的运动规律时，应根据机器工作时的运动要求来确定。来确定。2、对无一定运动要求，只需要从动件有一定位移量的凸轮机构。、对无一定运动要求，只需要从动件有一定位移量的凸轮机构。3、对于高速机构，应减小惯性力、改善动力性能，可选用正弦、对于高速机构，应减小惯性力、改善动力性能，可选用正弦加速度运动规律或其他改进型的运动规律。加速度运动规律或其他改进型的运动规律。1-2 1-2 从

15、动件常用运动规律从动件常用运动规律4.3 4.3 盘形凸轮轮廓的设计盘形凸轮轮廓的设计 设计一般精度凸轮时常被采用图解法。而设计高精设计一般精度凸轮时常被采用图解法。而设计高精度凸轮，则必须用解析法，但计算复杂。本节主要讨论度凸轮，则必须用解析法，但计算复杂。本节主要讨论图解法。图解法。 设计方法：设计方法：1.1.图解法图解法 2.2.解析法解析法基本原理：基本原理：反转法原理反转法原理 4.3.14.3.1图解法设计盘形凸轮轮廓图解法设计盘形凸轮轮廓图解法绘制凸轮轮廓曲线是利用图解法绘制凸轮轮廓曲线是利用反转法原理反转法原理完成的。完成的。加角速度加角速度- ( (与凸轮角速度大小相等、方

16、向相反与凸轮角速度大小相等、方向相反) )从动件与导路绕角速度从动件与导路绕角速度- 以以凸轮转动凸轮转动凸轮静止不动凸轮静止不动从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线从动件相对导路移动从动件相对导路移动4.3.2 4.3.2 作图法设计凸轮轮廓曲线作图法设计凸轮轮廓曲线已知基圆半径、凸轮转向、从动件位移曲线已知基圆半径、凸轮转向、从动件位移曲线1.1.对心尖顶移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计对心尖顶移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计设计凸轮的轮廓曲线设计凸轮的轮廓曲线4.4.光滑连接各点即为所求光滑连接各点即为所求的凸轮轮廓。的凸轮轮廓。作图步骤如下作图步骤如

17、下1.1.选与位移线图一致的比选与位移线图一致的比例作凸轮的基圆例作凸轮的基圆 ；2.2.将基圆分成与位移线图中将基圆分成与位移线图中相对应的等份；相对应的等份；3.3.自基圆圆周向外量取位自基圆圆周向外量取位移线图中相应位移量移线图中相应位移量 ； 实实际际轮轮廓廓曲曲线线 理理论论轮轮廓廓曲曲线线 2.2.滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计e3.3.偏置尖顶移动从动件盘形凸轮轮廓曲线设计偏置尖顶移动从动件盘形凸轮轮廓曲线设计已知偏距已知偏距e e、基圆半径、凸轮转、基圆半径、凸轮转向、从动件位移曲线向、从动件位移曲线偏置直动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计偏置直动

18、滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计建立凸轮转轴中心的坐标系建立凸轮转轴中心的坐标系xOy根据反转法原理，凸轮以根据反转法原理，凸轮以 转过转过 角；角；B点坐标为点坐标为sincos)(cossin)(00essyessx上式即为凸轮理论廓线方程上式即为凸轮理论廓线方程 实际廓线与理论廓线在法线上相距实际廓线与理论廓线在法线上相距滚子半径滚子半径rT，则推出，则推出sincosTTryyrxx式中取式中取“”号时为内等距曲线，取号时为内等距曲线，取“”号时为外等距曲线号时为外等距曲线4.3.3 4.3.3 用解析法设计凸轮机构用解析法设计凸轮机构凸轮轮廓的加工凸轮轮廓的加工凸轮轮廓的加工方法通常有两

19、种凸轮轮廓的加工方法通常有两种1.铣、锉削加工铣、锉削加工 对用于低速、轻载场合的凸轮，可以应用反转法原理在未淬火凸对用于低速、轻载场合的凸轮，可以应用反转法原理在未淬火凸轮轮坯上通过作图法绘制轮廓曲线，采用铣床或用手工锉削办法加工轮轮坯上通过作图法绘制轮廓曲线，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，但用这种方法则凸轮的变形难以得到而成。必要时可进行淬火处理，但用这种方法则凸轮的变形难以得到修正。修正。2.数控加工数控加工 采用数控线切割机床对淬火凸轮进行加工，这是目前最常用的一采用数控线切割机床对淬火凸轮进行加工，这是目前最常用的一种凸轮加工方法。加工时应用解析法，求出凸轮

20、轮廓曲线的种凸轮加工方法。加工时应用解析法，求出凸轮轮廓曲线的x,y坐标，坐标，并将并将xOy坐标系的原点换算成切割时的起点，而滚子半径相当于钼丝坐标系的原点换算成切割时的起点，而滚子半径相当于钼丝半径再加上放电间隙。半径再加上放电间隙。 凸轮机构的主要失效形式是磨损和疲劳点蚀，因此要凸轮机构的主要失效形式是磨损和疲劳点蚀，因此要求凸轮和滚子的工作表面硬度高，具有良好的耐磨性，求凸轮和滚子的工作表面硬度高，具有良好的耐磨性，心部有良好的韧性。心部有良好的韧性。4.4 凸轮和滚子的材料凸轮和滚子的材料 、结构、结构 低速、轻载时，可以选用铸铁。中速、中载时可以选低速、轻载时，可以选用铸铁。中速、

21、中载时可以选用优质碳素结构钢、合金钢，并经表面淬火或滲碳淬火，用优质碳素结构钢、合金钢，并经表面淬火或滲碳淬火，达到一定硬度。高速、重载时可用优质合金钢，并经表达到一定硬度。高速、重载时可用优质合金钢，并经表面淬火或滲氮处理。面淬火或滲氮处理。 滚子材料用合金钢材料，经滲碳淬火，达到较大表面滚子材料用合金钢材料，经滲碳淬火，达到较大表面硬度。硬度。 1.1.凸轮的材料凸轮的材料2.2.滚子的材料滚子的材料低速、轻载：低速、轻载：凸轮材料可选凸轮材料可选HT250、QT800-2、QT9002等，等，用球墨铸铁时，轮廓表面可进行淬火处理，以提高其耐磨性。从用球墨铸铁时，轮廓表面可进行淬火处理，以

22、提高其耐磨性。从动件受弯曲应力大，不用脆性材料，可选中碳结构钢，高副端表动件受弯曲应力大，不用脆性材料，可选中碳结构钢，高副端表面淬火至面淬火至4050HRC。为减小冲击，也可选用质量小的尼龙作。为减小冲击，也可选用质量小的尼龙作为从动件材料。为从动件材料。中速、中载：中速、中载：凸轮常用凸轮常用45、45Cr、20Cr、20CrMn等材料，从动等材料，从动件可用件可用20CR等低碳合金钢，并经表面淬火，低碳合金钢应渗碳等低碳合金钢，并经表面淬火，低碳合金钢应渗碳淬火，渗碳层深淬火，渗碳层深0.8-1.5mm，使硬度达，使硬度达5662HRC。高速、重载：高速、重载：凸轮可用凸轮可用40CR等

23、中碳合金钢。表面高频淬火至等中碳合金钢。表面高频淬火至5660HRC，或用，或用38CrMoAl，经渗氮处理至，经渗氮处理至6067HRC，但渗，但渗氮表层脆而不宜受冲击。从动件则可用氮表层脆而不宜受冲击。从动件则可用T8、T10等碳素工具钢，等碳素工具钢，经表面淬火处理。经表面淬火处理。凸轮常用材料和结构凸轮常用材料和结构二、凸轮的结构 整体式凸轮与轮毂可调整组成凸轮的部分可调整凸轮常用材料和结构凸轮常用材料和结构三、滚子从动件结构专门制造的圆柱体滚动轴承销轴联接4.5 4.5 凸轮机构设计应注意的问题凸轮机构设计应注意的问题 设计凸轮机构，不仅要保证从动件能实现预定的运动设计凸轮机构，不仅

24、要保证从动件能实现预定的运动规律，还须使设计的机构传力性能良好，结构紧凑，满规律，还须使设计的机构传力性能良好，结构紧凑，满足强度和安装等要求。为此，设计时应注意处理好下述足强度和安装等要求。为此，设计时应注意处理好下述问题。问题。 1.1.滚子半径的选择滚子半径的选择 2.2.凸轮机构的压力角凸轮机构的压力角 3. 3.凸轮基圆半径的确定凸轮基圆半径的确定 4.5.1 4.5.1 凸轮机构的压力角凸轮机构的压力角 压力角：不计摩擦时，凸轮对压力角：不计摩擦时，凸轮对从动件的作用力（法向力）与从从动件的作用力（法向力）与从动件上受力点速度方向所夹的锐动件上受力点速度方向所夹的锐角。角。 将从动

25、件所受力将从动件所受力F F分解为两个分解为两个力力 ：sincos12FFFF 凸轮机构设计中的几个问题凸轮机构设计中的几个问题压力角压力角：不计摩擦时，凸轮对从动件的作用不计摩擦时，凸轮对从动件的作用力（法向力）与从动件上受力点速度方向所力（法向力）与从动件上受力点速度方向所夹的锐角。该力可分解为两个分力夹的锐角。该力可分解为两个分力 ： 有效分力有效分力有害分力有害分力压力角越小，有效分力越大，机构传力越好。压力角越小，有效分力越大，机构传力越好。 sincosnxnyFFFF压力角及校核压力角及校核 F F1 1是推动从动件移动的有效分力，随着是推动从动件移动的有效分力，随着 的增大而

26、减小；的增大而减小；F F2 2是引起导路中摩擦阻力的有害分力，随着的增大而增是引起导路中摩擦阻力的有害分力，随着的增大而增大。当大。当 增大到一定值时，有引起的摩擦阻力超过有效分增大到一定值时，有引起的摩擦阻力超过有效分力，此时凸轮无法推动从动件运动，机构发生自锁。可力，此时凸轮无法推动从动件运动，机构发生自锁。可见，从传力合理、提高传动效率来看，压力角越小越好。见，从传力合理、提高传动效率来看，压力角越小越好。在设计凸轮机构时在设计凸轮机构时, , 应使最大压力角应使最大压力角 maxmax ( (许用压力角许用压力角)。凸轮机构的许用压力角凸轮机构的许用压力角 可取如下数值可取如下数值:

27、 : 推程时，移动从动件推程时，移动从动件 =30=304040, , 摆动从动件摆动从动件 =45=455050；回程时，通常取回程时，通常取 =70=708080。 4.5.2 4.5.2 凸轮基圆半径的确定凸轮基圆半径的确定 基圆半径愈小，压力角愈大；反之，压力角则愈小。基圆半径愈小，压力角愈大；反之，压力角则愈小。因此，在选取基圆半径时应注意：因此，在选取基圆半径时应注意： 2.2.在结构空间允许条件下，可在结构空间允许条件下，可适当将基圆半径取大些，以利适当将基圆半径取大些，以利于改善机构的传力性能，减少于改善机构的传力性能，减少磨损和减少凸轮廓线的制造误磨损和减少凸轮廓线的制造误差

28、。差。 1.1.合理设计偏心距合理设计偏心距e e可减小压力角。可减小压力角。在保证在保证max前提下，为了结前提下，为了结构紧凑，尽可能小的基园半径。构紧凑，尽可能小的基园半径。 凸轮机构设计中的几个问题凸轮机构设计中的几个问题3.5.3滚子半径的确定滚子半径的确定 凸轮轮廓曲线形状与滚子半径的关系凸轮轮廓曲线形状与滚子半径的关系r r = r r + rr当理论廓线内凹时当理论廓线内凹时此时，无论滚子半径大小，凸轮工作轮廓总是光滑曲线此时，无论滚子半径大小，凸轮工作轮廓总是光滑曲线(如图如图a)当理论廓线外凸时当理论廓线外凸时(可分为三种情况可分为三种情况)r r = r r - rr1)

29、 r r rr时时 r r 0这时所得的凸轮实际轮廓为光滑的曲线这时所得的凸轮实际轮廓为光滑的曲线(如图如图b)2) r r = rr 时时r r = 0，实际轮廓线变尖，极易磨损，不能使用实际轮廓线变尖，极易磨损，不能使用(如图如图c)。3) r r rr 时时r r 0， ，即实际曲线出现交叉会出现失真即实际曲线出现交叉会出现失真(如图如图d)。1 1、凸轮机构的特点和类型及应用。、凸轮机构的特点和类型及应用。2 2、凸轮机构的从动件的常用运动规律。、凸轮机构的从动件的常用运动规律。3 3、凸轮轮廓曲线的设计。、凸轮轮廓曲线的设计。4 4、凸轮机构基本尺寸的确定。、凸轮机构基本尺寸的确定。1.1.从动件运动规律相同，基圆半径