第5章凸轮机构

第5章凸轮机构

当要求某些机械的从动件按照预定的运动规律变化，采用凸轮机构可精确地实现所要求的运动，如内燃机配气机构。如果采用平面连杆机构，一般只能近似地实现预定的运动规律，难以满足要求，而且设计较为困难和复杂。5.1.1凸轮机构的分类及应用1、应用：2、组成：凸轮——一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过高副接触从动件：平动，摆动机架3、特点：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，常用凸轮机构。优点：1)能够实现精确的运动规律；2)设计较简单。缺点：1)承载能力低，主要用于控制机构；2)凸轮轮廓加工困难。凸轮传动是通过凸轮与从动件间的接触来传递运动和动力，是一种常见的高副机构，结构简单，只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现任何预定的复杂运动规律。

5.1概述内燃机

配气机构凸轮式内燃机配气机构

自动车床上的走刀机构1)按凸轮的形状和运动分类(1)盘形回转凸轮(2)平板移动凸轮4、作用：将凸轮的转动或移动转变为从动件的移动或摆动

5、凸轮传动机构的类型：(3)、圆柱回转凸轮2)、按从动件的形状分类(1)、尖顶从动件(2)、滚子从动件(2)、平底从动件

3)按从动件的运动形式摆动从动件移动从动件4)按锁合方式的不同力锁合凸轮，如靠重力、弹簧力锁合的凸轮等；形锁合凸轮，如沟槽凸轮、等径及等宽凸轮、共轭凸轮等。按从动件运动形式

可分为直动从动件（又分为对心直动从动件和偏置直动从动件）和摆动从动件两种。5.1.2凸轮和滚子的材料凸轮：45钢、40Cr表面淬火(硬度40～50HRC)，15钢、20Cr、20CrMnTi渗碳淬火(硬度56～62HRC)。滚子：20Cr，经渗碳淬火，表面硬度达56～62HRC；也可用滚动轴承作为滚子。1、失效形式：2、工作要求：要求凸轮和滚子的工作表面硬度高、耐磨，并且具有足够的表面接触强度，对于经常受到冲击的凸轮机构要求凸轮芯部有较大的韧性。3、常用材料：磨损和疲劳点蚀。5.1.3凸轮的结构与安装1、凸轮的结构：2、凸轮的安装：凸轮在轴上的固定，除采用键联接外，也可采用紧定螺钉和圆锥销固定，如图2-8a所示，初调用紧定螺钉定位，然后用圆锥销固定；图2-8b所示采用开槽锥形套固定，调整灵活，但传递转矩不能太大。图2-7组合式凸轮、图2-8盘状凸轮在轴上的固定。凸轮轴、整体式、镶块式、组合式。5.2凸轮机构的特性分析

1、绘制三种常见的从动件运动规律曲线图2、比较三种从动件运动规律的冲击类型工作任务:★基圆：以凸轮最小半径r0所作的圆，r0称为凸轮的基圆半径。★推程、推程运动角：★推杆的运动规律：是指推杆在运动过程中，其位移、速度和加速度随时间变化（凸轮转角δ变化）的规律。★远休、远休止角：★回程、回程运动角：★近休、近休止角：★行程：h★位移：s=r-r05.2.1凸轮机构的运动分析5.2凸轮机构的特性分析

1、等速运动规律推程：

0≤δ≤δ0

0≤S≤h初始条件：

δ=0；S=0

终止条件:

δ=δ0

S=h

推程运动方程式：

回程：

0≤δ≤δh

0≤S≤h

初始条件：

δ=0S=h

终止条件：δ=δh

S=0

回程运动方程式：

★运动方程式一般表达式：5.2.2从动件常用的运动规律

运动特性：当采用匀速运动规律时，推杆在运动的起始点和末点因速度有突变，在理论上加速度值为瞬时无穷大，使推杆产生非常大的惯性力，致使凸轮受到很大的冲击，称为刚性冲击。推程运动线图：适用场合：低速、轻载。推程运动方程式：2、等加速等减速运动规律推程：

0≤δ≤δ0

0≤S≤h等加速段：

0≤δ≤δ0／20≤S≤h／2

运动方程式：

等减速段：

δ0／2≤δ≤δ0

h／2≤S≤h

运动方程式

回程：0≤δ≤δ0＇

0≤S≤h

等加速段：

0≤δ≤δ0＇／2h≤S≤h／2

运动方程式：

等减速段：

δ0＇／2≤δ≤δ0

h／2≤S≤0

运动方程式

★运动方程式一般表达式：运动特性：当采用等加速等减速运动规律时，在起点、中点和末点时，加速度有突变，因而推杆的惯性力也将有突变，不过这一突变为有限值，所以，凸轮机构中由此而引起的冲击称为柔性冲击。

适用场合：中速、轻载。3、简谐运动规律（余弦加速度运动规律）：简谐运动：当一点在圆周上等速运动时，其在直径上的投影的运动即为简谐运动。推杆推程运动方程式：推杆回程运动方程式：运动特性：这种运动规律的加速度在起点和末点时有有限数值的突变，故也有柔性冲击。适用场合：中速、中载。三、从动件运动规律的选择1.选择推杆运动规律的基本要求

◆满足机器的工作要求；

◆使凸轮机构具有良好的动力特性；

◆使所设计的凸轮便于加工。(1)只对推杆工作行程有要求，而对运动规律无特殊要求推杆运动规律选取应从便于加工和动力特性来考虑。低速轻载凸轮机构：采用圆弧、直线等易于加工的曲线作为凸轮轮廓曲线。高速凸轮机构：首先考虑动力特性，以避免产生过大的冲击。大质量从动件不宜选用νmax太大的运动规律高速度从动件不宜选用amax太大的运动规律2.根据工作条件确定推杆运动规律几种常见情况(2)机器工作过程对从动件的的运动规律有特殊要求凸轮转速不高，按工作要求选择运动规律；凸轮转速较高时，选定主运动规律后，进行组合改进。正弦加速度运动规律

——摆线运动规律◆组合运动规律五次多项式运动规律小结：等速运动规律：有刚性冲击低速轻载等加速等减速运动：柔性冲击中速轻载余弦加速度运动规律：柔性冲击中低速重载正弦加速度运动规律：无冲击中高速轻载五次多项式运动规律：无冲击高速中载运动规律运动特性适用场合5.3

凸轮机构的设计1、简述反转法的基本原理3、掌握绘制凸轮机构的压力角工作任务:2、根据位移曲线图，采用图解法设计盘形凸轮轮廓曲线设计方法：图解法，解析法假想给整个机构加一公共角速度-w,凸轮：相对静止不动推杆：一方面随导轨以-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。(一)、图解法的原理5.3.1图解法设计盘形凸轮轮廓曲线5.3

凸轮机构的设计设计凸轮廓线的图解法是根据反转法原理作出从动件推杆尖顶在反转运动中依次占据的各位置，然后作出其高副元素所形成的曲线族；并作从动件高副元素所形成的曲线族的包络线，即是所求的凸轮轮廓曲线。(二)、图解法的方法和步骤1、尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制设计要求：已知凸轮的基圆半径为r0,凸轮沿逆时针方向等速回转。而推杆的运动规律如图所示。试设计该对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。2、滚子对心直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制已知条件:凸轮的基圆半径为r0,滚子半径rr,凸轮沿逆时针方向等速回转。推杆的运动规律如图所示。试设计对心直动滚子从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。3、对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制已知条件:凸轮的基圆半径为r0,凸轮沿逆时针方向等速回转。推杆的运动规律如图所示。试设计对心直动平底从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。4、偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构已知条件:已知凸轮的基圆半径为r0,凸轮沿逆时针方向等速回转。而推杆的运动规律已知，已知偏距e。试设计。从动画中看，从动件在反转运动中依次占据的位置将不在是以凸轮回转中心作出的径向线,而是始终与O保持一偏距e的直线,因此若以凸轮回转中心O为圆心，以偏距e为半径作圆（称为偏距圆）,则从动件在反转运动中依次占据的位置必然都是偏距圆的切线,(图中

…)从动件的位移(

…)也应沿切线量取。然后将

…等点用光滑的曲线连接起来，既得偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓。

5、摆动从动件盘形凸轮机构已知条件:已知凸轮的基圆半径为r0,凸轮转动方向。凸轮转动中心与从动件摆动中心的距离，摆动从动件的长度，已知从动件的运动规律，试设计。（从动件的位移是角位移）理论廓线的曲率半径：r实际廓线的曲率半径：ra1、滚子半径的确定内凹轮廓：凸轮机构设计实现预定运动规律受力良好，效率高，结构紧凑滚子半径：r05.3.2凸轮机构设计中的几个问题外凸轮廓：ra=r-rT结论：外凸的凸轮轮廓曲线,应使r0<ρmin，通常取

同时ρa>=1-5mm,另外滚子半径还受强度、结构等的限制，因而也不能做得太小，通常取滚子半径rr=0.4r0。理论轮廓曲线最小曲率半径的求法：2、凸轮压力角与许用值(1)、凸轮机构的压力角定义

凸轮机构从动件作用力的方向线与从动件上力作用点的速度方向之间所夹的锐角，用α表示。(2)、压力角与作用力以及机构尺寸的关系

将凸轮对从动件的作用力F分解为F1和F2。F1为有效分力，F2为有害分力，当压力角α越大，有害分力F“越大，如果压力角增大，有害分力所引起的摩擦阻力也将增大，摩擦功耗增大，效率降低。如果压力角大到一定值时，有害分力所引起的摩擦阻力将大于有效分力F‘，这时无论凸轮对从动件的作用力F有多大，都不能使从动件运动，机构将发生自锁。α越大，r0越小，凸轮机构紧凑。α越小，r0越大，凸轮机构传力性能越好，但机构不紧凑

(3)、许用压力角为了提高机构的效率、改善其受力情况，通常规定一许用压力角[α]，使

。

推程：直动推杆取[α]＝300；摆动推杆[α]＝300～450；

回程：通常不会引起自锁问题，但为了使推杆不至产生过大的加速度从而引起不良后果，通常取

[α]=

700～800。

(4)、压力角校核

αmax一般出现在

1）从动件的起点位