任务3.2 凸轮机构的分析与设计

《机械分析与设计基础》

情境3常用机械机构的分析与设计任务3.2凸轮机构的分析与设计

任务3.2凸轮机构的分析与设计气缸体1活塞2进气阀3排气阀4连杆5曲轴6凸轮7顶杆8齿轮10配气机构引导问题：内燃机配气机构的组成？1.任务条件

已知内燃机配气凸轮机构，如图3-2-2所示。从动件（顶杆）的运动位移曲线如图3-2-0所示、凸轮的基圆半径为r0

。2.任务要求

根据“反转法”原理，用图解法设计平底从动件盘形凸轮机构的凸轮轮廓曲线。【下达任务】图3-2-0从动件运动的位移曲线图3-2-2内燃机配气机构

【能力目标】1.了解凸轮机构的应用及分类。2.学会常用从动件运动规律。3.学会图解法设计盘形凸轮轮廓曲线。4.了解凸轮设计中的几个问题。5

知识导航内燃机配气机构一、凸轮机构的组成

1.凸轮1——具有曲线轮廓或凹槽的构件。

2.从动件2——被凸轮直接推动的构件。

3.机架——相对于支撑物体固定不动的构件。下一页3.2.1凸轮机构的应用1.优点（1）可使从动件得到各种预期的运动规律。（2）结构紧凑。2.缺点（1）高副接触，易于磨损，多用于传递力不太大的场合。（2）加工比较困难。（3）从动件行程不宜过大，否则会使凸轮变得笨重。二、凸轮机构的特点三、凸轮机构的工程应用实例1.内燃机中的配气机构2.绕线机中的排线机构

3.自动机床的进刀机构4.仿形加工机构凸轮轮廓的加工方法通常有两种：（1）铣、锉削加工

对用于低速、轻载场合的凸轮，可以在未淬火的凸轮轮坯上通过图解法绘制出轮廓曲线，采用铣床或手工锉削方法加工而成。对于大批量生产的还可采用仿形加工。（2）数控加工

即采用数控线切割机床对淬火凸轮进行加工，此种加工方法是目前常用的一种加工凸轮方法。应用专用编程软件，用数控线切割机床切割而成，此方法加工出的凸轮精度高，适用于高速、重载的场合。

数控凸轮磨床四、凸轮的加工方法一、按凸轮的形状分类盘形凸轮移动凸轮圆柱凸轮3.2.2凸轮机构的分类二、按从动件端部结构分类尖顶从动件滚子从动件平底从动件三、按从动件的运动方式分类直动从动件摆动从动件对心直动从动件偏置直动从动件四、按凸轮与从动件保持接触的方式（锁合方式）分类力锁合形锁合凹槽凸轮机构等宽凸轮机构等径凸轮机构3.2.3凸轮的结构一、凸轮的结构型式2.凸轮在轴上的固定方式凸轮轴圆锥销联接

圆锥销和螺母联接

平键联接3.凸轮的工作图案例

常用的材料有：55、20Cr、18CrMnTi或T9、T10等并经过表面淬火处理。

合理地选择凸轮的材料，并进行适当的热处理，使滚子和凸轮的工作表面具有较高的硬度和耐磨性，而芯部具有较好的韧性。3.2.4凸轮的结构与材料223.2.5凸轮机构的运动过程和基本术语r0hB’otΦsΦsΦsΦ'sΦ'sΦΦΦ'Φ'ωADCB从动件的位移线图

主动件凸轮连续转动，从动件上下移动。

从动件移动规律：

升—停—降—停一、运动过程1.基圆以凸轮轮廓的最小向径rb为半径所作的圆。二、名词术语及符号2.推程（升程）

当凸轮以等角速度ω逆时针转过δ0角时，从动件由最低位置A被到最高位置B的运动过程.

相应的凸轮转角δ0称为推程角3.远停程当凸轮继续转过δ01角时，从动件处于最高位置静止不动的过程。相应的凸轮转角δ01称为远休止角4.回程当凸轮继续转过δ0’角时，从动件由最高位置C回到最低位置D的运动过程,

相应凸轮转角δ0’

’

称为回程角。5.近停程当凸轮继续转过δ02’角时，从动件处于最低位置静止不动的过程，相应的凸轮转角δ02称为近休止角6.升程从动件在推程或回程时移动的距离主动件凸轮连续转动，从动件上下移动。

三、工作过程分析以尖顶移动从动件盘形凸轮机构为例：

从动件移动规律：

升—停—降—停从动件位移线图r0hB’otδsδ01δ01δ02δ02δ0δ0δ’0δ’0ωADCB

以纵坐标代表从动件位移s2

，横坐标代表凸轮转角δ1或t，所画出的位移与转角之间的关系曲线。上升—停—降—停

从动件位移线图决定于凸轮轮廓曲线的形状。一、从动件的运动规律的概念从动件的位移（S）、速度（V）和加速度（a）随时间（t）或凸轮转角（δ）的变化规律。二、运动规律的表示方法①从动件运动方程：S=S(t）S=S(δ）

V=V(t)V=V(δ)a=a(t)a=a(δ)②从动件运动线图3.2.6从动件的常用运动规律1.匀速运动规律（直线运动规律）从动件在推程（上升）或回程（下降）的速度V为一常数特点：适用于低速轻载的场合从动件在运动的开始和终止的速度有突变，瞬时加速度趋于无大，产生大惯性，有刚性冲击三、常用的从动件运动规律2.匀加速匀减速运动规律（抛物线运动规律）

从动件在运动过程的前半程匀加速运动，后半程作匀减速运动，两部分加速度的绝对值相等的运动规律特点：从动件在运动的始中末三个瞬时，加速度有突变，引起柔性冲击适用于中低速轻载的场合3.简谐运动规律（余弦加速度运动规律）特点：

当从动件只作升—降——升（休止角为零）运动时，其加速度为一连续的光滑曲线，运动中消除了柔性冲击，这种情况适用于高速。速度和加速度都是连续曲线

在推程和回程的起点、终点加速度有突变，要产生柔性冲击。适用于中、低速中载的场合四、从动件运动规律的选择尽量选用使凸轮轮廓曲线易于加工的运动规律

只要求从动件完成一定的行程h或φ，应采用易于加工的曲线作为凸轮轮廓曲线对凸轮机构从动件的运动规律有严格要求时必须按照机器所要求的运动规律来选择①尽可能选用加速度曲线连续的运动规律，同时还应考虑从动件不同的运动形式②对质量较大从动件应选择vmax较小的运动规律③对高速运动的凸轮机构，应选择amax值较小的运动规律1.工作要求2.动力特性3.凸轮轮廓的加工36一、凸轮机构的压力角1.压力角与作用力的关系

所谓凸轮机构的压力角，是指在不计摩擦的情况下，凸轮对从动件作用力的方向与从动件上受力点速度方向之间所夹的锐角。nneOBωαr0FV3.2.7凸轮机构设计的其他问题工程上要求：αmax

≤[α]直动推杆：[α]＝30°摆动推杆：[α]＝35°～45°回程：[α]’＝70°～80°推程nneOBωαr0FF′F"F'=FcosαF"=Fsinα----有利于从动件运动的分力----不利于从动件运动的分力αF'F"提问：平底从动件α＝？00nnvOωr0【讨论】平底从动件盘形凸轮机构的压力角。

压力角为零或一定值。结论：当平底与从动件运动方向垂直时，压力角恒为0，当平底与从动件运动方向不是垂直时，压力角就不为0了。所以得分情况讨论！二、基圆半径的确定盘形凸轮的最小基圆半径主要受到三个条件的限制：

①凸轮的基圆半径应大于凸轮轴的半径

②αmax≤［α］③ρ＞rT基圆半径的确定办法②诺模图法①根据凸轮的结构确定当凸轮与轴分开制造时，当凸轮与轴做成一个凸轮轴时，式中：r――制作凸轮处轴的半径，mm；

rn――凸轮轮毂外圆半径，mm，一般；

rT――滚子半径，mm。若从动件不带滚子。40【提问】在设计一对心凸轮机构设计时，当出现α≥[α]

的情况，在不改变运动规律的前提下，可采取哪些措施来进行改进？（1）加大基圆半径r0。（2）将对心改为偏置。（3）采用平底从动件；解析法设计方法图解法（主要介绍）计算复杂精度高简单直观精度低3.2.8盘形凸轮轮廓曲线的设计

依据此原理可以用几何作图的方法设计凸轮的轮廓曲线-ωω

给整个凸轮机构加上一个与凸轮转动的角速度ω大小相等、方向相反的角速度－ω，此时凸轮不动，从动件一方面随导路以－ω绕轴转动，另一方面又在导路中按预定的运动规律作往复移动。由于从动件的尖顶始终与凸轮轮廓相接触，其尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线。反转法原理一、凸轮轮廓设计的图解法原理-反转法二、对心尖顶移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计基圆半径Rb1.选与位移线图一致的比例作凸轮的基圆；2.将基圆分成与位移线图中相对应的等份；3.分别自基圆圆周向外量取从动件位移线图中相应的位移量；4.光滑连接各点即为所求的凸轮轮廓。

已知，如图eA-ωωO

偏置直动尖顶推杆凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径r0=300mm

，角速度ω和推杆的运动规律和偏心距e=100mm，设计该凸轮轮廓曲线。二、偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计sδ60°120°90°90°1’3’5’7’8’1357891113159’11’13’12’14’12345678k1k2k3k5k4k6k7k81514131211109k9k10k11k12k13k14k151’2’3