凸轮机构课件

凸轮机构从动件常用运动规律凸轮轮廓曲线的设计凸轮机构应用和分类凸轮机构基本尺寸的确定反转法的灵活运用1

1凸轮机构的组成、特点及应用

2凸轮机构的分类

3凸轮机构的材料教学内容及重难点2一、凸轮机构的应用实现自动进刀、退刀实例：自动机床的进刀机构3内燃机配气凸轮机构控制阀门的启闭42.凸轮机构的组成凸轮从动件机架高副机构52.特点凸轮廓线与从动件为点、线接触，易于磨损。适当地设计凸轮的轮廓曲线，可使从动件实现预期的运动规律，结构简单紧凑。

优点：缺点：主要用于传力不大的控制场合。63.应用1）实现无特定运动规律要求的工作行程抓取物体的机械手72）实现复杂的运动规律实现自动进刀、退刀控制阀门的启闭8自动车床凸轮机构实现和控制送料、夹紧、车外圆与钻孔、切断的运动。9印刷机械101.按凸轮形状分类二、凸轮机构的分类盘形凸轮：最基本的形式，结构简单，应用最为广泛。移动凸轮：凸轮相对机架做直线移动。圆柱凸轮：属于空间凸轮机构。112.按从动件的形状分类尖端能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。

尖端从动件：基本形式但尖端处极易磨损，只适用于传力不大的低速机构。12

滚子从动件

凸轮与从动件之间为滚动摩擦，因此摩擦磨损较小，用于传递较大的动力，应用较广。常用于中、低速机构。13

平底从动件从动件与凸轮之间易形成油膜，润滑状况好，受力平稳，传动效率高，常用于高速场合。但与之相配合的凸轮轮廓须全部外凸。143.按从动件的运动形式分类直动从动件：从动件作往复移动，其尖端的运动轨迹为一段直线。摆动从动件：从动件作往复摆动，其尖端的运动轨迹为一段圆弧。15对心直动从动件：

尖端或滚子中心的轨迹通过凸轮的轴心。直动从动件又分为：对心、偏置偏置直动从动件：尖端或滚子中心的轨迹不通过凸轮的轴心。164.按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类力锁合利用弹簧力、从动件重力或其它外力17型锁合：利用高副元素本身的几何形状槽凸轮机构：槽两侧面的法向距离等于滚子直径。主回凸轮机构(共轭凸轮机构)一个凸轮推动从动件完成正行程运动，另一个凸轮推动从动件完成反行程的运动。18型锁合等径凸轮机构：两滚子中心间的距离始终保持不变。等宽凸轮机构：

凸轮廓线上任意两条平行切线间的距离都等于框架内侧的宽度。返回19§2从动件常用运动规律基本概念和参数从动件常用的运动规律从动件常用运动规律的选择返回20一、基本概念和参数21从动件的位移线图升程:从动件上升的最大距离h。回程运动角:′推程运动角:

远休止角:

s近休止角:

s′基圆：以凸轮回转中心为圆心，以最小向径为半径的圆。基圆半径：r0。KK'

22二、从动件常用的运动规律等速运动等加等减速运动余弦加速运动（简谐运动）正弦加速运动（摆线运动）23⒈等速运动推程运动方程式

S=h

/

v=h/

a=0推程运动线图

s

va

sh

特点：行程始末速度有突变，加速度理论上由零变为无穷大，从而使从动件产生巨大的惯性力，机构受到强烈冲击，存在刚性冲击。适应场合：低速轻载24⒉等加速等减速运动sv

推程运动线图特点：行程始末和中点，加速度突变，存在柔性冲击。ah

适应场合：用于中速轻载。推程等加速段等减速段/2h/225位移曲线画法h1"2"3"推程等减速段推程等减速段

3'2'1'4'5'4194126⒊简谐运动

(余弦加速度运动)简谐运动:

质点沿圆周运动时，其在直径上的投影点形成的运动。

特点：有柔性冲击。适应场合：用于中、低速轻载。

当从动件作无停歇连续运动时，可用于高速。

s

S

27s

h

3123456124562'1'3'4'5'6'推程位移曲线画法O28⒋摆线运动（正弦加速度运动）摆线运动:滚圆在纵轴上作匀速纯滚动时，其上一点在纵轴上的投影点形成的运动，即为摆线运动。特点：无刚、柔性冲击，用于高速。

s返回平底

29三、从动件常用运动规律的选择1.常用运动规律性能比较302.从动件运动规律的选择原则返回当机械的工作过程只要求从动件实现一定的工作行程，而对其运动规律无特殊要求时，应考虑所选择的运动规律使凸轮机构具有较好的动力特性和便于加工。当对从动件的运动规律有特殊要求，而凸轮转速又不太高时，应首先从满足工作需要出发来选择从动件的运动规律，其次考虑其动力特性和便于加工；但凸轮转速又较高时，应兼顾两者来设计从动件的运动规律。在选择或设计从动件的运动规律时，除了要考虑其冲击特性外，还应考虑其最大速度、最大加速度和最大跃度，因为它们会从不同角度影响凸轮机构的工作性能。31§⒊平面凸轮轮廓曲线的设计凸轮廓线设计的基本原理用图解法设计凸轮廓线用解析法设计凸轮廓线返回32一、凸轮廓线设计的基本原理在图示的凸轮机构中，当凸轮以等角速度

转动时，推动从动件在导路中移动。为了在图纸上绘制出凸轮的轮廓曲线，希望凸轮相对于纸面保持静止不动，为此，采用“反转法”。33反转法原理设想给整个机构绕凸轮转动中心O加上一个与凸轮的角速度大小相等、方向相反的公共角速度（-

）。此时凸轮静止不动；从动件随机架反转（-

）又相对机架移动作复合运动从动件在复合运动中，其尖端的运动轨迹就是凸轮廓线。返摆杆34设计凸轮廓线时，使从动件随机架反转，同时又相对机架作预期运动，作出从动件在复合运动中的一系列位置，从动件尖端的轨迹就是所要求的凸轮廓线。设想凸轮固定不动，35二、用图解法设计凸轮廓线直动从动件盘形凸轮机构摆动从动件盘形凸轮机构36(一）直动从动件盘形凸轮廓线的设计偏置尖端直动从动件凸轮机构对心尖端直动从动件凸轮机构偏置滚子直动从动件凸轮机构平底直动从动件凸轮机构37⒈偏置直动尖端从动件盘形凸轮机构例：已知从动件的运动规律，从动件位于凸轮的上方，从动件的导路偏于凸轮轴心的左侧，偏距为e，凸轮的基圆半径r0，凸轮以等角速度

（顺时针)旋转。要求设计凸轮廓线。

38分析：机构“反转”时各构件间相对运动的几何关系。反转时，从动件的位置线始终与偏距圆相切，且与凸轮轴心的相对位置关系保持不变。转角

i=∠C0OCi，

点

Ci

为从动件的位置线与基圆的交点(从动件只随机架反转时占据的位置）。从动件位移Si=CiBi，i=1,2，3…Si

iBiCiC0活用39转角

i=∠C0OCi，

点

Ci

为从动件的位置线与基圆的交点(从动件只随机架反转时占据的位置）。从动件位移Si=CiBi，i=1,2，3…Si

iBiCiC0

设计思路：在基圆上分度

i在基圆上得Ci凸轮廓线（尖端轨迹）尖端在复合运动位置BiSi=CiBi返摆杆40作图步骤：

⑴选取适当的

比例尺

l和

,作出从动件的位移线图s-，并将推程运动角

和回程运动角

′作若干等分。

:1mm图长代表的凸轮转角。单位º/mm41⑵

按同样的长度比例尺

l，画出偏距圆和基圆，确定从动件尖端在推程的起始位置B0(C0)

即：导路线与基圆的交点。42⑶确定从动件在反转中占据的各位置（只随机架反转）。在基圆上，自OC0开始沿（-

）方向依次取推程运动角

、远休止角

s、回程运动角

′和近休止角

s′。然后将

和

′分成与位移线图中对应的等分，在基圆上得C1、C2、C3…诸点

。43过点C1、C2

、C3……作偏距圆的一系列切线。即为反转时从动件依次占据的位置线。在反转时，从动件与凸轮轴心的相对方位应保持不变。⑶确定从动件在反转中占据的各位置（只随机架反转）。44⑷确定从动件尖端在复合运动中依次占据的位置。B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10沿以上各切线自基圆向外量取从动件相应的位移量，即作：C1B1=11′,C2B2=22′….，得诸点B1、B2、….。45

⑸将点B0、、B1

、

B2…连成一条光滑曲线，即得凸轮的轮廓曲线。

（图中远休止段B6、

B7间和近休止段C11

、

C0间均为圆弧）B1B2B3B4B5B6B7B8B9B1046⒉对心尖端直动从动件凸轮机构其设计方法基本与偏置从动件凸轮机构相同;不同之处在于,反转时，从动件的位置线始终通过凸轮轴心O。(因为e=0,从动件件的位置线通过凸轮的轴心)，47r0

例：已知：从动件的运动规律，从动件位于凸轮的上方，凸轮的基圆半径r0，凸轮以等角速度

（顺时针)旋转。要求设计凸轮廓线。

48对心尖端直动从动件凸轮机构B1B2B3B4B4B5B6B8B9B1049⒊偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构分析:反转法原理滚子中心是从动件与滚子的铰接点，其运动规律就是从动件的运动规律。凸轮的实际廓线是理论廓线上滚子圆族的包络线（与该滚子圆族所有圆相切的曲线）

。在反转中，滚子中心将描绘出一条与凸轮廓线法向等距的曲线(凸轮的理论廓线)。50分析：机构“反转”时各构件间相对运动的几何关系转角

i=∠C0OCi，

点

Ci为从动件的位置线与基圆的交点。基圆：以凸轮回转中心O为圆心，以理论廓线的最小向径为半径的圆。从动件位移Si=

Ci

Bi

，i=1,2，3…iCiBi51作图步骤：r0注意：凸轮的基圆半径r0是理论廓线的最小向径。⑴将滚子中心B假想为尖端从动件的尖端，按前述方法作出凸轮的理论廓线

。52⑵以理论廓线上各点为圆心，按同样的长度比例尺

l

，根据滚子半径rT作一系列滚子圆（图上半径为rT/

l

）。B6B7B11B053⑶然后，作出滚子圆族的内包络线（与该滚子圆族所有圆相切的曲线）即为凸轮的实际廓线。B0B11B6B7543)基圆半径r0

指的是凸轮的理论廓线的最小向径。注意：凸轮的实际廓线只能用包络线法来求取。因滚子中心的运动规律是从动件的运动规律。2)作出凸轮的理论廓线上滚子圆族的包络线才能得到凸轮的实际廓线。r055⒋对心直动平底从动件盘形凸轮机构设计方法的基本思路与滚子从动件盘形凸轮机构相似，不同的是取从动件平底与导路中心线的交点为参考点，将其视作尖端从动件的尖端。

设计思路：作出参考点在反转过程中占据的一系列位置作出平底在反转过程中相应地占据的一系列位置凸轮的实际廓线（平底直线族的包络线）56

例：已知从动件的运动规律，从动件位于凸轮的上方，凸轮的基圆半径r0，凸轮以等角速度

沿顺时针方向旋转。要求设计该凸轮机构的凸轮廓线。

′

s′

Sr057作图步骤：⑴将从动件平底与导路中心线的交点B作为参考点（视作尖端从动件的尖端）。作出该交点B在反转过程中占据的一系列位置B1

、B2、….

。B0B1B2B3B4B5B6B7B8O-

r058

⑵过点B1、B2、….画出一系列代表平底的直线（与导路线垂直），得一直线族。⑶作该平底直线族的包络线，即得到凸轮的实际廓线。B0B1B2B3B4B5B7B8B6LmaxLmax'r0运动59从动件相对机架作往复摆动,

其尖端的运动轨迹为一段圆弧。（二）、摆动从动件盘形凸轮机构反转原理60已知：从动件运动规律，LOA、LAB、r0，要求设计凸轮廓线。

B0A0r0O61反转时的转角

i=∠A0OAi，r0从动件的角位移（摆角）

i=∠CiAiBi，i=1,2，3…

点

Ci为尖端的轨迹圆弧与基圆的交点。转轴圆

iBiCi

iAi机构“反转”时各构件间相对运动的几何关系。反转过程中，从动件转轴A的运动轨迹是以凸轮轴心O为圆心，中心距LOA为半径的圆（转轴圆）。直动推杆O62已知：从动件运动规律，LOA、LAB、r0。⑴选取适当的比例尺，作出从动件的位移线图，并将

和

′作若干等分。作图步骤：B0A0r0

:1mm图长代表的从动件的角位移。单位º/mmO⑵确定摆动从动件的尖端在推程的起始位置B0(C0)，63（4）确定从动件尖端在反转过程中依次占据的位置B1、B2….。A4C1B1B1A1C1=1=

11B2C2C3B3C4B4C5B5C6B6C7B7C8B8B9O（3）确定反转过程中从动件转轴A所依次占据的位置。64A4C1B1B1A1C1=1=

11B2C2C3B3C4B4C5B5C6B6C7B7C8B8（5）将点B0、B1

、B2…连成一条光滑曲线，即得凸轮的轮廓曲线。

B9O65小结SiCiB0Bi

ir0反转法的关键：明确凸轮和从动件的相对位置和相对运动关系。反转法的两个主要步骤：先反转机架和从动件，确定从动件尖端（或参考点）在反转过程中占据的一系列位置，再根据从动件端部的形状，画出凸轮的实际廓线。转轴圆r0

iCiAi

iBi返回66§⒋凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构的压力角凸轮基圆半径的确定滚子半径的选择671.压力角的定义nnR

在不计摩擦的情况下，凸轮对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。一、凸轮机构的压力角68压力角为机构位置的函数69压力角与作用力的关系自锁：

当压力角α增加到某一数值时，有害分力所引起的摩擦阻力将大于有效分力，这时无论凸轮给从动件的作用力多大，都不能推动从动件运动，即机构将发生自锁。nnR

R"R'有效分力有害分力从减小推力，避免自锁，使机构具有良好的受力状况来看，压力角α应越小越好。XY70在⊿

BCP中，则：2.压力角的计算因P为凸轮与从动件的相对瞬心nnR

R"R'S0SPCD71从动件偏置方向对

的影响式中：“—”，推程瞬心与导路位于凸轮轴心的同侧。“+”，推程瞬心与导路位于凸轮轴心的异侧。72基圆半径r0与

的关系：在其它条件不变时，r0越小，

越大。从使机构结构紧凑的观点来看，压力角越大越好。73设计机构时，满足

max[]。从减小推力，避免自锁，使机构具有良好的受力状况来看，压力角α应越小越好。从使机构结构紧凑的观点来看，压力角越大越好。3.许用压力角推程：移动从动件，[α]=30°摆动从动件，[α]=45°回程：[α]=70°～80°744.从动件偏置方向的选择

凸轮逆时针回转时，从动件的导路偏于凸轮轴心的右侧；在设计机构时，可通过选取从动件适当的偏置方向来获得较小的推程压力角。凸轮顺时针回转时，从动件的导路偏于凸轮轴心的左侧；75二、凸轮基圆半径的确定设计原则：在满足

max[]的条件下，取尽可能小的基圆半径。1.预值校正法首先预估r0，一般取r0=rs

+rT

+(3~4)mm式中：rs凸轮轴半径rT滚子半径初选r0

之后，再检查从动件推程时是否满足

max[]，若不满足，增加r0

或使从动件导路偏置，来减小压力角。762.根据诺模图确定r0图示为用于对心直动滚子从动件凸轮机构的诺模图工程上绘制的表示最大压力角与基园半径的对应关系的图形

max

77例：欲设计一对心直动滚子从动件盘形凸轮机构；解：

=45°，

max=30°，将两点相连，交正弦加速度运动规律的水平标尺0.26处，已知：从动件运动规律推程：=45°，摆线h=13mm,

max=[α]=30°h/r0=0.26r0=13/0.26=50mm

max

78三、滚子半径