机械设计基础第五章凸轮机构

1、第五章第五章 凸轮凸轮(tln)机构机构精品资料组成组成(z chn) (z chn) 凸轮(tln)机构凸凸 轮轮从动件从动件机机 架架锁合装置锁合装置是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，为主动件被凸轮直接推动的构件称为推杆使从动件与凸轮始终保持接触的装置 当凸轮连续转动时，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固定的构件精品资料一、 应用(yngyng)第一节第一节 凸轮机构凸轮机构(jgu)(jgu)的应用的应用与分类与分类 平面连杆机构虽然应用广泛，但它只能近似地实现给定的运动规律，当从动件的位移、速度、加速度必须严格按照预定规律变化时，常用凸轮机

2、构。内燃机配气机构 自动送料机构 自动车床靠模机构 缝纫机挑线杆机构精品资料二、二、 特点特点(tdin)(tdin)：优点优点(yudin):(yudin):适当设计凸轮的轮廓曲线，可以使推杆适当设计凸轮的轮廓曲线，可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且设计简单得到各种预期的运动规律，而且设计简单; ;凸轮机构结构凸轮机构结构简单、紧凑、运动可靠。简单、紧凑、运动可靠。缺点缺点: :凸轮轮廓曲线的加工比较复杂，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。 凸轮机构通常适用于传力不大的机械中。尤其广泛应凸轮机构通常适用于传力不大的机械中。尤其广泛应用于自动机械、仪表和自动控制

3、系统中用于自动机械、仪表和自动控制系统中。 精品资料三、凸轮机构三、凸轮机构(jgu)(jgu)的分类的分类 圆柱凸轮是圆柱面上开有凹槽的圆柱体，利用(lyng)它可使从动件得到较大的行程。 1.按凸轮的形状分：按凸轮的形状分：盘形凸轮 、移动凸轮、圆柱凸轮 。盘形凸轮是绕固定轴线转动且有变化向径的盘形构件。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，故从动件的行程较短。（1）盘形凸轮）盘形凸轮（2）移动凸轮）移动凸轮移动凸轮是具有曲线轮廓、作往复直线移动的构件，它可看成是转动轴线位于无穷远处的盘形凸轮。盘形凸轮移动凸轮（3）圆柱凸轮）圆柱凸轮 圆柱凸轮 精品资料从动件的端部装

4、有滚子，由于(yuy)从动件与凸轮之间可形成滚动摩擦，所以磨损显著减少，能承受较大载荷，应用最普遍。但端部重量较大，又不易润滑，故仍不宜用于高速。2.按从动件末端按从动件末端(m dun)形状分：尖顶、滚子、平形状分：尖顶、滚子、平底从动件底从动件（1）尖顶从动件凸轮机构）尖顶从动件凸轮机构从动件的端部呈尖点，能与任何形状的凸轮轮廓上各点相接触，因而理论上可实现任意预期的运动规律。但由于从动件尖顶易磨损，故只能用于轻载低速的场合。（2）滚子从动件凸轮机构）滚子从动件凸轮机构从动件端部为一平底。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，且凸轮与平底接触面间易形成润滑油膜，摩擦

5、磨损小、效率高，故可用于高速，但不能用于凸轮轮廓有内凹的情况。 （3）平底从动件凸轮机构）平底从动件凸轮机构精品资料3.3.按锁合方式按锁合方式(fngsh)(fngsh)分：力分：力锁合、形锁合锁合、形锁合4.4.按从动件运动按从动件运动(yndng)(yndng)方式分：方式分：锁合是指从动件与凸轮之间始终保持的高副接触的装置。（1）力锁合凸轮机构）力锁合凸轮机构（2）形锁合凸轮机构）形锁合凸轮机构直动从动件凸轮机构摆动从动件凸轮机构从动件导路是否通过凸轮回转中心对心对心直动从动件凸轮机构偏置移动从动件凸轮机构依靠重力、弹力或其他外力来锁合依靠凸轮和从动件几何形状来保证锁合 精品资料第二节

6、从动件的常用第二节从动件的常用(chn yn)(chn yn)运动规律运动规律当凸轮连续转动时，从动件将重复(chngf)上述运动过程。 一、运动过程与运动参数 1.基圆:以凸轮回转轴心为圆心，以凸轮的最小向径rb为半径所作的圆精品资料上述运动过中，从动件的位移s、速度v和加速度a等随凸轮转角而变化的规律称为从动件的运动规律。从动件的运动规律可以用位移线图来表示。位移线图以从动件位移S或角位移为纵坐标，凸轮转角为横坐标所作出的线图。因为凸轮一般作等速转动，转角与时间成正比（=t），因此横坐标也可以代表时间t。以速度v或加速度a为纵坐标则作出速度线图或加速度线图。位移、速度、加速度线图统称为运动

7、线图。 显然，从动件的运动规律取决于凸轮的轮廓形状,反之，从动件的不同运动规律要求(yoqi)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(yoqi)确定从动件的运动规律，再据此来设计凸轮的轮廓曲线。 精品资料二、从动件的常用运动二、从动件的常用运动(yndng)(yndng)规律规律从动件作等速运动规律(gul)的运动线图如图所示。其位移曲线为斜直线，速度曲线为平直线，加速度曲线为零线。.等速运动规律等速运动规律是指凸轮以等角速度转动时，从动件在推程或回程的运动速度为常数的运动规律。（a)推程(b)回程由图可见，从动件在推程始末（回程）两点、处，速度有突速度有突变，使瞬时

8、加速度趋于无穷大，变，使瞬时加速度趋于无穷大，从而产生无穷大惯性力，引起刚从而产生无穷大惯性力，引起刚性冲击或性冲击或“硬冲硬冲”。因此，单独。因此，单独采用这种运动规律时，只能用于采用这种运动规律时，只能用于凸轮凸轮转速很低以及轻载转速很低以及轻载的场合。的场合。 精品资料 由图可见，在推（回）程的始末点和前、后半程的交接处，加速度有限的突变，因而惯性力也产生有限的突变，由此将对机构 造 成 有 限 大 小 的 冲 击(chngj)，这种冲击(chngj)称为“柔性冲击(chngj)”或“软冲”。因此这种运动规律只适用于中速、中载的场合。 等加速等减速运动规律等加速等减速运动规律是指凸轮以等

9、角速度转动时，从动件在一个是指凸轮以等角速度转动时，从动件在一个(y (y )行程中，前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动行程中，前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动的运动规律。的运动规律。运动线图如图所示。其位移曲线为两段光滑相连开口相反的抛物线，速位移曲线为两段光滑相连开口相反的抛物线，速度曲线为斜直线，加速度曲线为平直线。度曲线为斜直线，加速度曲线为平直线。推程位移线图作图方法演示。（a)推程 (b)回程精品资料由图可见，在推（回）程始末点处仍有加速度的有限值的突变，即存在(cnzi)“软冲”，因此只适用于中、低速。但若从动件作无停歇的升降升型连续运动，则加速度曲线为光滑连续

10、的余弦曲线，消除了“软冲”，故可用于高速。 . .余弦加速度运动余弦加速度运动(yndng)(yndng)规律规律是指凸轮以等角速度转动时，从动件加速度按余弦规律变是指凸轮以等角速度转动时，从动件加速度按余弦规律变化的运动化的运动(yndng)(yndng)规律。规律。（a)推程 (b)回程运动线图如图所示。其位移曲线为简谐曲线位移曲线为简谐曲线，速度曲线为正弦曲线，加速度曲线为正弦曲线，加速度曲线为余弦曲线。速度曲线为余弦曲线。作图方法如图所示。精品资料反转反转(fn zhun)(fn zhun)法原理法原理第三节直动从动件盘形凸轮轮廓第三节直动从动件盘形凸轮轮廓(lnku)(lnku)曲线

11、的曲线的设计设计 假想给整个机构加一公共角速度-w,则凸轮相对静止不动，而推杆一方面随导轨以-w w绕凸轮轴心转动，另一方面又沿导轨作预期的往复移动。推杆尖顶在这种复合运动中的运动轨迹即为凸轮轮廓曲线凸轮是运动的，而纵坐标在图纸上是静止的。为便于绘制，需设法让凸轮固定。常用反转法。 精品资料.尖顶直动从动件盘形凸轮机构凸轮轮廓(lnku)设计精品资料. .对心滚子直动从动件盘形凸轮轮廓对心滚子直动从动件盘形凸轮轮廓(lnku)(lnku)曲线曲线的设计的设计 实际轮廓(lnku)曲线 理论轮廓曲线 （3）在理论轮廓上画出一系列滚子，（1）去掉滚子，以滚子中心为尖底。（2）按照上述方法作出轮廓曲

12、线理论轮廓曲线（）画出滚子的 内包络线实际轮廓曲线。精品资料（3）过B1、B2点作出一系列平底，得到一直线族。作出直线族的包络线，便得到凸轮实际(shj)轮廓曲线。 wwB0B1B2B3B45BB6B7B80rObb 3.平底从动件直动从动件盘形凸轮平底从动件直动从动件盘形凸轮(tln)轮廓曲线的设计轮廓曲线的设计 （1）取平底与导路的交点B0为参考点（2）把B0看作尖底，运用上述方法找到B1、B2精品资料. 偏心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓曲线(qxin)的设计精品资料第四节凸轮机构第四节凸轮机构(jgu)基本尺寸的确定基本尺寸的确定凸轮工作轮廓(lnku)必须满足以下要求：(1)保证从动件能

13、实现预定的运动规律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 4.4.凸轮机构的材料凸轮机构的材料 (3)结构紧凑(2)传力性能良好，不能自锁为此，设计时应注意处理好(4)满足强度和安装等要求精品资料1.1.滚子滚子(n z)(n z)半径的选择半径的选择 T滚子半径理论轮廓最小曲率半径实际轮廓最小曲率半径min/min对于(duy)外凸的凸轮廓线 ：rT0.8min min15mm rT =（0.10.5）rb当rT 实际轮廓为光滑曲线当rT min时，min 实际轮廓出现尖点当rT min时，min 实际轮廓相

14、交而造成从动件运动失真实际轮廓相交而造成从动件运动失真精品资料二、凸轮机构二、凸轮机构(jgu)(jgu)的压力的压力角角 . .压力角：不计摩擦时，凸轮对从压力角：不计摩擦时，凸轮对从动件的作用力（法向力）与从动件上动件的作用力（法向力）与从动件上受力点速度受力点速度(sd)(sd)方向所夹的锐角。方向所夹的锐角。 该力可分解为两个分力 ：sincos21nnFFFF压力角越小，传力越好。自锁自锁 ：如果凸轮机构运动到某一位置的压力角大到使有效分力不足以克服摩擦阻力，不论推力多大，都不能使从动件运动。这种现象称为凸轮机构的自锁自锁。机构开始出现自锁时的压力角称为临临界压力角界压力角 。 精品

15、资料. .许用压力角：凸轮机构在运转中的压力角是变化的，为避免机许用压力角：凸轮机构在运转中的压力角是变化的，为避免机构发生构发生(fshng)(fshng)自锁并具有较高的传动效率，必须对最大压力角自锁并具有较高的传动效率，必须对最大压力角加以限制，其许用值应远低于临界压力角，即加以限制，其许用值应远低于临界压力角，即 ： max对移动从动件的推程，取 30对摆动(bidng)从动件的推程，取 45回程时，可取 70 . .压力角的校核：压力角的校核：绘制好凸轮轮廓后，必须校核压力角。最大压力角max一般出现在从动件上升的起始位置上升的起始位置、从动件具有最大速度具有最大速度vmax的位置的

16、位置或在凸轮轮廓线凸轮轮廓线较陡较陡之处。可用量角器测取压力角大小。精品资料三、凸轮(tln)基圆半径的确定 如图示，基圆半径(bnjng)愈小，压力角愈大；反之，压力角则愈小。滚子从动件凸轮机构，滚子从动件凸轮机构，在保证和从动件运动不失真的前提下，可将基圆半径取小些，满足对机构结构紧凑的要求。 因此，在选取基圆半径时应注意： 一般可根据经验公式选择一般可根据经验公式选择rbrb0.9ds+(710) 式中式中ds为凸轮轴的直径，为凸轮轴的直径，mm。在结构空间允许条件下在结构空间允许条件下，可适当将基圆半径取大些，以利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差。精品资料 凸轮机

17、构工作时，往往承受(chngshu)动载荷的作用，同时凸轮表面承受(chngshu)强烈磨损。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，心部有良好的韧性。 第五节凸轮机构的材料第五节凸轮机构的材料(cilio)、结构和加工、结构和加工 一、凸轮和滚子的材料一、凸轮和滚子的材料.滚子材料滚子材料一般凸轮的材料常采用45钢、40Cr钢（经表面淬火，硬度4050HRC）；也可采用20Cr、20CrMnTi（经表面渗碳淬火，表面硬度5662HRC）。 .凸轮的材料凸轮的材料 滚子材料可采用20Cr（经渗碳淬火，表面硬度为5662HRC），也可用滚动轴承作为滚子。精品资料二、凸轮机构二、凸轮机构(jgu)的结构的结构.凸轮凸轮(tln)的结构的结构（）凸轮轴：尺寸小的凸轮与轴做成一体（）整体式凸轮： 当凸轮尺寸较小又无特殊要求或不需经常装