第5章 凸轮机构

第5章凸轮机构及其设计本章教学内容《机械设计基础》讲义1、应用与分类2、从动件的运动规律3、凸轮廓线曲线的设计4、凸轮机构基本尺寸的确定本章教学要求◆几种常用运动规律的特点和应用◆盘形凸轮廓线曲线的设计1、了解凸轮机构应用与分类2、掌握凸轮廓线曲线的设计3、掌握凸轮机构基本尺寸的确定重点和难点：《机械设计基础》讲义§5-1概述

内燃机配气凸轮机构自动机床进刀凸轮机构一．凸轮机构的应用《机械设计基础》讲义冲床凸轮机构绕线机凸轮机构《机械设计基础》讲义圆柱凸轮输送机《机械设计基础》讲义配钥匙移动凸轮、写R字机构

凸轮机构的组成

凸轮、从动件和机架。

凸轮机构的适用场合广泛用于各种机械，特别是自动机械、自动控制装置和装配生产线。凸轮机构的优点结构简单、紧凑、工作可靠，可以使从动件准确实现各种预期的运动规律，还易于实现多个运动的相互协调配合。

凸轮机构的缺点凸轮轮廓与从动件之间是高副接触，易于磨损。《机械设计基础》讲义二．凸轮机构的分类(一)按凸轮的形状分

盘形凸轮移动凸轮《机械设计基础》讲义圆柱凸轮(二)按从动件运动副元素的形状分尖顶从动件滚子从动件《机械设计基础》讲义平底从动件(三)按从动件的运动形式分摆动从动件移动从动件《机械设计基础》讲义《机械设计基础》讲义(四)按凸轮与从动件维持高副接触(封闭)的方式分力封闭型凸轮机构形封闭型凸轮机构力封闭型凸轮机构弹簧力封闭重力封闭

《机械设计基础》讲义形封闭型凸轮机构凹槽凸轮机构等宽凸轮机构《机械设计基础》讲义等径凸轮机构共轭凸轮机构rb

三．凸轮机构的工作循环与运动学设计参数h

DD0B0B

sO360º基圆基圆半径rb推程h推程角远休止远休止角s回程回程角近休止近休止角sB位移曲线《机械设计基础》讲义

从动件的运动线图

位移线图—反映了从动件的位移s随时间t或凸轮转角变化的规律。

速度线图—反映了从动件的速度v随时间t或凸轮转角变化的规律。

加速度线图—反映了从动件的加速度a随时间t或凸轮转角变化的规律。

结论凸轮轮廓曲线的形状决定了从动件的运动规律。要使从动件实现某种运动规律，就要设计出与其相应的凸轮轮廓曲线。

《机械设计基础》讲义

二、从动件运动规律设计从动件的运动规律，由凸轮轮廓曲线形状决定。从动件不同的运动规律，要求凸轮具有不同形状的轮廓曲线。正确选择和设计从动件的运动规律，是凸轮机构设计的重要环节。常用运动规律—工程实际中经常用到的运动规律。

运动线图从动件运动规律的表示方法

数学方程式

（位移方程s=f()）

《机械设计基础》讲义位移从动件运动规律包含的内容速度加速度§5-2从动件常用运动规律

三、几种常用运动规律的特点⑴等速运动规律推程

速度曲线不连续，机构将产生刚性冲击。等速运动规律适用于低速轻载场合。s2v2a2h位移线图加速度线图速度线图《机械设计基础》讲义h2h2

⑵等加速等减速运动规律

加速度曲线不连续，机构将产生柔性冲击。等加速等减速运动规律适用于中速轻载场合。a2s2v2推程后半程前半程《机械设计基础》讲义位移曲线画法

⑶余弦加速度运动规律s2a2v2推程

加速度曲线不连续，存在柔性冲击。余弦加速度运动规律适用于中速中载场合。h《机械设计基础》讲义位移曲线画法

⑷正弦加速度运动规律

速度曲线和加速度曲线连续，无刚性冲击和柔性冲击。正弦加速度运动规律适用于高速轻载场合。sa2v2h推程《机械设计基础》讲义§5-2

盘形凸轮轮廓设计

一、凸轮轮廓曲线设计的基本原理

作图法凸轮轮廓曲线的设计方法解析法

基本原理反转法原理《机械设计基础》讲义rbOs13578

60º120º90º90º60º120º1290ºA90º91113151357

891113121410二、

用作图法设计凸轮廓线

1.

对心尖顶移动从动件盘形凸轮廓线的设计

已知凸轮的基圆半径rb，凸轮角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。

①选比例尺l，作位移曲线和基圆rb。

②

等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。345

67

818765432101191213141413121110915

③

确定反转后从动件尖顶在各等分点占据的位置。

设计步骤④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。运动规律反转设计rbOA

2.

对心滚子移动从动件盘形凸轮廓线的设计

已知凸轮的基圆半径rb，滚子半径rr、凸轮角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。

①选比例尺l，作位移曲线和基圆rb。

②等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。理论轮廓曲线实际轮廓曲线s13578

60º120º90º90º91113151357

89111312141060º120º1290º90º345

67

818765432101191213141413121110915

③确定反转后从动件滚子中心在各等分点占据的位置。④将各点连接成一条光滑曲线。⑤作滚子圆族及滚子圆族的内(外)包络线。

设计步骤eA3.偏置尖顶移动从动件盘形凸轮廓线的设计

已知凸轮的基圆半径rb，角速度和从动件的运动规律及偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。

①选比例尺l，作位移曲线、基圆rb和偏距圆e。

②

等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。O6123457814131211109s13578

60º120º90º90º91113151357

891113121410

③

确定反转后从动件尖顶在各等分点占据的位置。④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。

设计步骤k1k2k3k5k4k6k7k812345678k9k10k11k12k13k14k159101112131415思考题：偏置滚子从动件盘形凸轮的设计方法运动规律反转

设计

§5-4凸轮机构基本尺寸的确定

设计凸轮机构要保证从动件实现预期的运动规律，还应考虑凸轮机构工作时受力状况良好、结构紧凑。这些要求与凸轮机构的压力角、基圆半径、滚子半径等有关。

《机械设计基础》讲义一、压力角的确定

压力角—不计摩擦时，凸轮对从动件作用力方向线nn与从动件上力作用点的速度方向之间所夹的锐角。

《机械设计基础》讲义

F

不变时，压力角增大，有效分力F'越小，有害分力F"越大，凸轮工作的性能越差。当压力角增大到使F"引起的摩擦阻力超过F'，机构发生自锁。

凸轮机构能正常工作的重要条件max

[]最大压力角出现在凸轮轮廓曲率半径最小的部位

推程移动从动件[]30º40º；摆动从动件[]

40º45º

。

回程

[]70º80º。

《机械设计基础》讲义CnnOBes0sDrbdsd二、基圆半径的确定

限制基圆半径的条件⑴凸轮机构的整体尺寸⑵最大压力角max许用压力角[]

；⑶凸轮轮廓曲线的最小曲率半径min0。

选择原则：在满足压力角max

[]

的前提下尽可能选择小的基圆半径，以使机构结构紧凑。vvP

三、滚子半径的确定rrarr0结论

对于外凸轮廓，要保证凸轮正常工作，应使min

rr。

轮廓失真arr

rrarr

0轮廓正常轮廓变尖内凹轮廓a

rrrrarr轮廓正常外凸轮廓a理论轮廓曲线

实际轮廓曲线

rrrrrr

小结在进行凸轮轮廓曲线设计之前，需要先确定基圆半径rb。在确定rb时，应考虑结构条件、压力角、工作轮廓是否失真等因素。对于滚子凸轮机构要注意滚子的直径。此外，还应注意满足强度和工艺性要求。《机械设计基础》讲义作业P765.55.6

《机械设计基础》讲义题5.5解：《机械设计基础》讲义题5.6解：比例尺：l=1:1；《机械设计基础》讲义单项选择题（从给出的A、B、C、D中选一个答案）1.与连杆机构相比，凸轮机构最大的缺点是（）。A．惯性力难以平衡B．点、线接触，易磨损C．设计较为复杂D．不能实现间歇运动2.与其他机构相比，凸轮机构最大的优点是（）。A．可实现各种预期的运动规律B．便于润滑C．制造方便，易获得较高的精度D．从动件的行程可较大3.下述几种运动规律中，（）既不会产生柔性冲击也不会产生刚性冲击，可用于高速场合。

A．等速运动规律B．摆线运动规律（正弦加速度运动规律）

C．等加速等减速运动规律D．简谐运动规律（余弦加速度运动规律4.对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构的推程压力角超过许用值时，可采用（）措施来解决。

A．增大基圆半径B．改用滚子推杆

C．改变凸轮转向D．改为偏置直动尖顶推杆《机械设计基础》讲义习题《机械设计基础》讲义5．（）对于较复杂的凸轮轮廓曲线，也能准确地获得所需要的运动规律

A尖顶式从动杆 B.滚子式从动杆 C.平底式从动杆6．（）的摩擦阻力较小，传力能力大。

A尖顶式从动杆B.滚子式从动杆C平底式从动杆7.（）的磨损较小，适用于没有内凹槽凸轮轮廓曲线的高速凸轮机构

A、尖顶式从动杆 B.滚子式从动杆 C.平底式从动杆