第3章凸轮机构

第3章凸轮机构§3－1

凸轮机构的应用和类型§3－2

从动件的常用运动规律§3－3

凸轮机构的压力角§3－4图解法设计凸轮的轮廓§3－5解析法设计凸轮的轮廓（推杆）组成凸轮机构从动件(推杆)—往复移动或摆动凸轮—具有曲线轮廓或凹槽的构件，运动时，通过高副接触使从动件能够准确地获得各种预期的运动规律。凸轮轮廓形状取决于从动件的运动规律。凸轮机构组成§3－1凸轮机构的应用和类型结构：三个构件、盘(柱)状曲线轮廓、从动件呈杆状。作用：将连续回转从动件直线移动或摆动。优点：可精确实现任意运动规律，简单紧凑。缺点：高副，线接触，易磨损，传力不大。应用：内燃机、牙膏生产等自动线、补鞋机、配钥匙机等。分类：1)按凸轮形状分：盘形、移动、

圆柱凸轮(端面

)。2)按推杆形状分：尖顶、滚子、平底从动件。特点：尖顶——构造简单、易磨损、用于仪表机构；滚子——磨损小，应用广；平底——受力好、润滑好，用于高速传动。实例12刀架o3).按推杆运动分：直动(对心、偏置)、摆动4).按保持接触方式分：力封闭（重力、弹簧等）内燃机气门机构机床进给机构几何形状封闭(凹槽、等宽、等径、主回凸轮)r1r2r1+r2=constW凹槽凸轮等宽凸轮等径凸轮优点：只需要设计适当的轮廓曲线，从动件便可获得任意的运动规律，且结构简单、紧凑、设计方便。缺点：点、线接触，容易磨损。用于传力不大的控制机构。作者：潘存云教授主回凸轮设计：潘存云设计：潘存云312A线绕线机构312A线应用实例：设计：潘存云3皮带轮5卷带轮录音机卷带机构1放音键2摩擦轮413245放音键卷带轮皮带轮摩擦轮录音机卷带机构设计：潘存云132送料机构补鞋机设计：潘存云δhδhotδ1s2§3－2推杆的运动规律凸轮机构设计的基本任务:1)根据工作要求选定凸轮机构的形式;名词术语：一、推杆的常用运动规律基圆、推程运动角、基圆半径、推程、远休止角、回程运动角、回程、近休止角、行程。一个循环rminh

ω1A而根据工作要求选定推杆运动规律，是设计凸轮轮廓曲线的前提。2)推杆运动规律;3)合理确定结构尺寸;4)设计轮廓曲线。δsδsδ’sδ’sDBCB’δtδt偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构δδ02δ0'δ0δ01δ0

(推程运动角)δ0'(回程运动角)δ01(远休止角)δ02sF行程—hδ02

(近休止角)r0

—基圆半径δ=ωt机构中各参数名称偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构δ0δ0偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构δδ02δ0'δ0δ01δ0

(推程运动角)δ0'(回程运动角)δ01(远休止角)δ02δ0F行程—hδ02

(近休止角)r0

—基圆半径δ=ωt机构中各参数名称偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构Esδ0设计：潘存云δhδhotδ1s2rminhω1Aδsδsδ’sδ’sDBCB’δtδt运动规律：推杆在推程或回程时，其位移S2、速度V2、和加速度a2

随时间t的变化规律。形式：多项式、三角函数。S2=S2(t)V2=V2(t)a2=a2(t)位移曲线边界条件：凸轮转过推程运动角δt－从动件上升h一、多项式运动规律一般表达式：s2=C0+C1δ1+C2δ21+…+Cnδn1

(1)求一阶导数得速度方程：

v2

=ds2/dt求二阶导数得加速度方程：a2

=dv2/dt=2C2ω21+6C3ω21δ1…+n(n-1)Cnω21δn-21其中：δ1－凸轮转角，dδ1/dt=ω1－凸轮角速度,

Ci－待定系数。=C1ω1+2C2ω1δ1+…+nCnω1δn-11凸轮转过回程运动角δh－从动件下降h在推程起始点：δ1=0，s2=0代入得：C0＝0，C1＝h/δt推程运动方程：

s2

＝hδ1/δt

v2

＝hω1/δts2δ1δtv2δ1a2δ1h在推程终止点：δ1=δt，s2=h+∞－∞刚性冲击s2=C0+C1δ1+C2δ21+…+Cnδn1v2=C1ω+2C2ω1δ+…+nCnω1δn-11a2=2C2ω21+6C3ω21δ1…+n(n-1)Cnω21δn-21同理得回程运动方程：

s2＝h(1-δ1/δh)v2＝-hω1

/δha2＝0a2

＝01.等速运动（一次多项式）运动规律2.等加等减速（二次多项式）运动规律位移曲线为一抛物线。加、减速各占一半。推程加速上升段边界条件：起始点：δ1=0，s2=0，

v2＝0中间点：δ1=δt/2，s2=h/2求得：C0＝0，C1＝0，C2＝2h/δ2t加速段推程运动方程为：s2

＝2hδ21/δ2tv2

＝4hω1δ1/δ2ta2

＝4hω21

/δ2t设计：潘存云δ1a2h/2δth/2推程减速上升段边界条件：终止点：δ1=δt，s2=h，v2＝0中间点：δ1=δt/2，s2=h/2求得：C0＝－h，C1＝4h/δt，C2＝-2h/δ2t减速段推程运动方程为：s2

＝h-2h(δt–δ1)2/δ2t1δ1s2v2

＝-4hω1(δt-δ1)/δ2ta2

＝-4hω21

/δ2t235462hω/δt柔性冲击4hω2/δ2t3重写加速段推程运动方程为：s2

＝2hδ21

/δ2tv2

＝4hω1δ1

/δ2ta2

＝4hω21

/δ2tδ1v2同理可得回程等加速段的运动方程为：s2

＝h-2hδ21/δ2hv2

＝-4hω1δ1/δ2ha2

＝-4hω21/δ2h回程等减速段运动方程为：s2

＝2h(δh-δ1)2/δ2hv2

＝-4hω1(δh-δ1)/δ2ha2

＝4hω21/δ2h3.五次多项式运动规律位移方程：

s2=10h(δ1/δt)3－15h(δ1/δt)4+6h(δ1/δt)5δ1s2v2a2hδt无冲击，适用于高速凸轮。设计：潘存云hδtδ1s2δ1a2二、三角函数运动规律1.余弦加速度(简谐)运动规律推程：

s2＝h[1-cos(πδ1/δt)]/2v2

＝πhω1sin(πδ1/δt)δ1/2δta2

＝π2hω21cos(πδ1/δt)/2δ2t

回程：

s2＝h[1＋cos(πδ1/δh)]/2

v2＝-πhω1sin(πδ1/δh)δ1/2δha2＝-π2hω21cos(πδ1/δh)/2δ2h123456δ1v2Vmax=1.57hω/2δ0在起始和终止处理论上a2为有限值，产生柔性冲击。123456s2δ1δ1a2δ1v2hδt2.正弦加速度（摆线）运动规律推程：s2＝h[δ1/δt-sin(2πδ1/δt)/2π]

v2＝hω1[1-cos(2πδ1/δt)]/δta2＝2πhω21

sin(2πδ1/δt)/δ2t

回程：

s2＝h[1-δ1/δh+sin(2πδ1/δh)/2π]

v2＝hω1[cos(2πδ1/δh)-1]/δha2＝-2πhω21

sin(2πδ1/δh)/δh2无冲击设计：潘存云v2s2a2δ1δ1δ1hoooδt正弦改进等速组合运动规律三、改进型运动规律将几种运动规律组合，以改善运动特性。+∞-∞v2s2a2δ1δ1δ1hoooδt正弦加速度运动和等速运动规律组合。降低加速度的最大值。设计：潘存云OBω1设计凸轮机构时，除了要求从动件能实现预期的运动规律外，还希望凸轮机构结构紧凑，受力情况良好。而这与压力角有很大关系。定义：正压力与推杆上力作用点B速度方向间的夹角α

F”↑，效率低。若α大到一定程度时，会有：机构发生自锁。§3－3

凸轮机构的压力角αnn一、压力角与作用力的关系不考虑摩擦时，作用力沿法线方向。FF’F”F’

——有用分力,沿导路方向F”

——有害分力，垂直于导路F”=F’tanαF’

一定时，α↑Ff>F’Ff为了保证凸轮机构正常工作，要求：α

<[α]摩擦阻力保证传动效率最大压力角许用压力角设计：潘存云OBω1二、压力角与凸轮机构尺寸之间的关系P点为速度瞬心，于是有：v=lOPω1rmin↑

[α]=30˚

——直动从动件；[α]=35°～45°——摆动从动件；[α]=70°～80°——回程。nnPlOP=v2/ω1eαds2/dδ1=ds2/dδ1=lOC+lCPlCP=lOC=elCP=ds2/dδ1-etanα

=S2+r2min

-e2ds2/dδ1-e

α↓C

(S2+S0

)tanα

S0=r2min-e2若发现设计结果α〉[α]，可增大rmin

s0s2Dv2v2rmine偏距设计：潘存云OBω1αds2/dδ1

得：tanα

=S2+r2min

-e2ds2/dδ1

+enn同理，当导路位于中心左侧时，有：lOP=lCP-lOC

lCP=ds2/dδ1

+e

于是：tanα

=S2+r2min

-e2ds2/dδ1

±ee“+”

用于导路和瞬心位于中心两侧；“-”

用于导路和瞬心位于中心同侧；显然，导路和瞬心位于中心同侧时，压力角将减小。注意：用偏置法可减小推程压力角，但同时增大了回程压力角，故偏距e不能太大。PClCP=(S2+S0

)tanαS0=rmin2-e2rmins0s2D正确偏置：导路位于与凸轮旋转方向ω1相反的位置。设计：潘存云nn提问：对于平底推杆凸轮机构：

α＝？0v2Oω1rmin1.凸轮廓线设计方法的基本原理§3－4图解法设计凸轮轮廓2.用作图法设计凸轮廓线1)对心直动尖顶从动件盘形凸轮3)滚子直动从动件盘形凸轮4)对心直动平底从动件盘形凸轮2)偏置直动尖顶从动件盘形凸轮5)摆动尖顶从动件盘形凸轮机构设计：潘存云一、凸轮廓线设计方法的基本原理反转原理：依据此原理可以用几何作图的方法设计凸轮的轮廓曲线，例如：给整个凸轮机构施以-ω1时，不影响各构件之间的相对运动，此时，凸轮将静止，而从动件尖顶复合运动的轨迹即凸轮的轮廓曲线。尖顶凸轮绘制动画滚子凸轮绘制动画O-ω13’1’2’331122ω1设计：潘存云60°rmin120°-ω1ω11’对心直动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角速度ω1和从动件的位移线图，设计该凸轮轮廓曲线。设计步骤小结：①选比例尺μl作基圆rmin。②反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。③确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。1.对心直动尖顶从动件盘形凸轮1’3’5’7’8’2’3’4’5’6’7’8’9’10’11’12’13’14’90°90°A1876543214131211109二、直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制60°120°90°90°135789111315s2δ19’11’13’12’14’10’设计：潘存云911131513578OeA偏置直动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角速度ω1和从动件的位移线图和偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。2.偏置直动尖顶从动件盘形凸轮1’3’5’7’8’9’11’13’12’14’-ω1ω16’1’2’3’4’5’7’8’15’14’13’12’11’10’9’设计步骤小结：①选比例尺μl作基圆rmin;②反向等分各运动角;③确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置;④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。1514131211109k9k10k11k12k13k14k1512345678k1k2k3k5k4k6k7k860°120°90°90°s2δ16’1’2’3’4’5’7’8’15’14’13’12’11’10’9’设计：潘存云s2δ1911131513578rminA120°-ω11’设计步骤小结：①选比例尺μl作基圆rmin。②反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。③确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。1’3’5’7’8’9’11’13’12’14’2’3’4’5’6’7’8’9’10’11’12’13’14’60°90°90°1876543214131211109理论轮廓实际轮廓⑤作各位置滚子圆的内(外)包络线。3.滚子直动从动件盘形凸轮滚子直动从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角速度ω1和从动件的位移线图，设计该凸轮轮廓曲线。60°120°90°90°ω1基圆半径压力角在理论轮廓上设计：潘存云ρa－工作轮廓的曲率半径，ρ－理论轮廓的曲率半径，

rT－滚子半径ρ<rT

ρa＝ρ－rT<0对于外凸轮廓，要保证正常工作，应使：ρmin>rT

轮廓失真滚子半径的确定ρa＝ρ＋rT

ρ＝rT

ρa＝ρ－rT＝0轮廓正常轮廓变尖ρ内凹ρarTrTρrTρρ>rT

ρa＝ρ－rT

轮廓正常外凸rTρaρ设计：潘存云s2δ1911131513578rmin对心直动平底从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角速度ω1和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。设计步骤：①选比例尺μl作基圆rmin。②反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。③确定反转后，从动件平底直线在各等份点的位置。④作平底直线族的内包络线。4.对心直动平底从动件盘形凸轮8’7’6’5’4’3’2’1’9’10’11’12’13’14’-ω1ω1A1’3’5’7’8’9’11’13’12’14’12345678151413121110960°120°90°90°设计：潘存云对平底推杆凸轮机构，也有失真现象。Ormin可通过增大rmin解决此问题。rmin平底左右两侧的宽度必须分别大于导路至左右最远切点的距离。位移线图相同，基圆大小不同。设计：潘存云120°B’1φ1rmin60°120°90°90°s2δ1摆动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角速度ω1，摆杆长度l以及摆杆回转中心与凸轮回转中心的距离d，摆杆角位移方程，设计该凸轮轮廓曲线。三、摆动从动件盘形凸轮机构1’2’3’4’56785’6’7’8’B1B2B3B4B5B6B7B860°90°ω1-ω1dABl1234B’2φ2B’3φ3B’4φ4B’5φ5B’6φ6B’7φ7A1A2A3A4A5A6A7A80,(d),A；基圆；(l),B。等分。半径OA圆等分（A）。基圆等分（B）。角位移位置（1）；（1）连成光滑曲线。生产实际中，为了提高机构的效率，改善其受力情况，通常规定：凸轮机构的最大压力角αmax应小于某一许用压力角[α]，αmax<[α]；必须校核凸轮轮廓推程压力角。P49摆动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计方法与直动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计方法基本类似，所不同的是推杆的预期运动规律及作图设计中都要用到推杆的角位移φ表示，即将直动推杆的各位移方程中的位移s改为角位移φ,

行程h改为角行程Φ，就可用来求摆动推杆的角位移了。

摆动滚子从动件凸轮机构

摆动平底从动件凸轮机构

对于滚子推杆（或平底推杆）的盘形凸轮廓线的设计，只要先将其滚子中心点（或推杆平底与其导路中心线的交点）视为尖顶推杆的尖顶，就可用尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计方法来确定出凸轮理论廓线上各点的位置；然后再以这些点为圆心作出一系列滚子圆（或过这些点作一系列平底推杆的平底线），再作出此圆族（或直线族）的包络线。即得所设计凸轮的工作廓线。滚子盘形凸轮廓线必须校核凸轮理论轮廓压力角。作图法的缺点：繁琐、误差较大。解析法的优点：计算精度高、速度快，适合凸轮在数控机床上加工。解析法的设计结果根据凸轮机构的运动学参数和基本尺寸的设计结果，求出凸轮轮廓曲线的方程，利用计算机精确地计算出凸轮轮廓曲线上各点的坐标值。§3－5解析法设计凸轮的轮廓设计：潘存云B0OBδ1S0S2

(一)滚子直动从动件盘形凸轮机构结果：求出轮廓曲线的解析表达式——已知条件：e、rmin、rT、S2=S2(δ1)、ω1及其方向。理论轮廓的极坐标参数方程：ρ=(S2+S0)2+e2原理：反转法。θ=δ1+β–β0其中：S0=r2min–e2tanβ0=e/S0tanβ

=e/(S2

+S0)-ω1即B点的极坐标rT=两对顶角相等

ω1erminβδ1参数方程。π–(θ+β0)π–(δ1+β)S0β0ρθ对顶角设计：潘存云其中：tan∆θ=B0BOδ1-ω1ω1αθ∆θnn实际轮廓方程是理论轮廓的等距曲线。由高等数学可知：等距线对应点具有公共的曲率中心和法线。ρT=ρ2+r2Tm-2ρrTcosλθT=θ+∆θ实际轮廓上对应点的T

位置：位于理论轮廓B

点法线n-n与滚子圆的交线上。λβT∆θ=arctanT点的极坐标参数方程为：由图有：

λ=α+β其中：tanα

=S2+r2min

+e2ds2/dδ1

±erTsinλ

ρ

-rTcosλ直接引用前面的结论θTρTα为压力角直角坐标参数方程为：x=ρTcosθTy=ρTsinθT（二）移动平底从动件盘形凸轮机构－1.实际廓线方程vyB

1.实际轮廓曲线方程从动件的平底通常垂直于从动件移动导路，其凸轮的实际轮廓曲线是平底一系列位置的包络线，通常按对心从动件进行设计。过B点作法线，求得P。

vvPOP·,OPvdsdd