机械设计与分析基础- 课件 第五章 常用机构 第二、三节 凸轮机构、螺旋机构

第四章常用机构第一节平面连杆机构第二节凸轮机构第三节螺旋机构第四节间歇运动机构第二节凸轮机构一、凸轮机构应用及分类二、从动件的常用运动规律四、基本尺寸的确定三、凸轮轮廓的图解法五、凸轮机构的材料与结构一、凸轮机构应用及分类

凸轮——具有曲线轮廓或沟槽的构件，在其运动时，用轮廓或沟槽驱动从动件运动。凸轮机构主要由凸轮、从动件及机架三个基本构件组成，是一种含高副的常用机构。工程实例：内燃机配气机构一、凸轮机构应用及分类

工程实例：绕线机一、凸轮机构应用及分类

1－凸轮2－

布线杆3－

绕线轴工程实例：行程控制凸轮机构一、凸轮机构应用及分类

1－凸轮2－

推杆工程实例：机床自动进给机构一、凸轮机构应用及分类

1－凸轮2－

从动件3刀架凸轮机构结构简单、紧凑，工作可靠，只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到准确的任意预期运动。凸轮与从动件间为高副接触，易磨损。所以常用于传力不大的场合。如：自动机床进刀机构、上料机构、内燃机配气机构、印刷机、纺织机等。一、凸轮机构应用及分类

凸轮机构的种类繁多，常用凸轮机构分类如下：1.按凸轮的形状分①盘形凸轮——形状如盘，绕定轴转动且具有变化的向径。（平面凸轮机构）是凸轮的基本型式。凸轮形状如板，沿直线相对机架作往复移动，并具有曲线形的侧轮廓。（平面凸轮机构）②移动凸轮移动凸轮可视为回转中心为无穷远处的部分盘形凸轮。1.按凸轮的形状分③圆柱凸轮端面圆柱凸轮凸轮形状如圆柱，绕其轴线定轴转动且有曲线形沟槽。（空间凸轮机构）圆柱凸轮可视为是移动凸轮卷成圆柱而成的。1.按凸轮的形状分2.按从动件的结构形式分（1）尖端从动件由于端部与凸轮是高副接触，接触应力大，易磨损，故只用于轻载低速的场合。从动件端部呈尖点或凿刃形，能和任何凸轮廓线保持接触，从动件能实现任意运动。1－凸轮2－

布线杆3－

绕线轴（2）滚子从动件从动件端部装有可以自由转动的滚子，以减小摩擦和磨损，能传递较大的动力。但端部结构复杂，质量较大，不易润滑，故不宜用于高速。2.按从动件的结构形式分（3）平底从动件凸轮与平底接触处易形成楔形油膜，故常用于高速凸轮。当不计摩擦时，凸轮对从动件的驱动力垂直于平底，有效作用力较大。但不能用于有内凹或直线轮廓的凸轮。2.按从动件的结构形式分3.按从动件运动形式分（1）直动从动件——从动件做往复直线移动。

偏置直动从动件：从动件导路不通过盘形凸轮回转中心。

对心直动从动件：从动件导路通过盘形凸轮回转中心。

偏距e——从动件导路与凸轮回转中心的距离。对心直动滚子凸轮（2）摆动从动件——从动件作往复摆动。3.按从动件运动形式分1－凸轮2－

布线杆3－

绕线轴4.按锁合方式分

锁合——使凸轮轮廓与从动件始终保持接触。（1）力锁合——靠重力、弹簧力或其它力锁合。锁合的方式有：工程实例：内燃机配气机构靠弹簧力锁合。（2）几何锁合——依靠凸轮和从动件的特殊几何形状锁合。

工程实例：圆柱凸轮的凹槽两侧面间的距离处处等于滚子直径，故能保证滚子与凸轮始终接触，以实现锁合。4.按锁合方式分

锁合——使凸轮轮廓与从动件始终保持接触。锁合的方式有：

其它常用的几何锁合方式有：“主回凸轮”；“等径凸轮”；“等宽凸轮”等等。（1）力锁合（2）几何锁合4.按锁合方式分

锁合——使凸轮轮廓与从动件始终保持接触。锁合的方式有：主回凸轮等径凸轮等宽凸轮凹槽凸轮二、从动件的常用运动规律

工程实例：对心尖端直动从动件盘形凸轮机构1.凸轮机构的运动过程凸轮逆时针方向匀速转动；从动件尖端在离轮心最近（低）位置A和最远（高）位置B'之间往复移动。rbhotsФtΦ，

从动件与基圆上的点A接触时处于“最低”位置，是从动件上升的起始位置。运动过程分析：A

凸轮转过Фt角时，从动件与凸轮轮廓AB段接触，并上升h至最高位置B'。推程：ФtBB'h——升程Фt——推程运动角

基圆——以凸轮轮廓上最小半径rb为半径的圆。rbhotsФtΦ，

AФtBB'

凸轮转过ФS角时，从动件与凸轮轮廓BC段接触，并在最高处静止不动。ФS——远程休止角远程休止过程：ФsФsФhФhCA′回程：

凸轮转过Фh角时，从动件与凸轮轮廓上CA'段接触，从动件下降h。Фh——回程运动角

凸轮转过Фs'角时，从动件尖端与凸轮轮廓上A'A段接触，从动件在最低处保持不动。近程休止过程：Фs'rbhotsФtΦ，

AФtBB'ФsФsФhФhCA′Фs′

凸轮连续回转时，从动件重复上述升→停→降→停运动过程。Фs′——近程休止角从动件的位移与凸轮转角（或时间）的关系可用位移线图表示，也可用解析式表示。凸轮轮廓上的AB段和CA'段的形状尺寸决定了从动件推程和回程的运动规律。位移线图二、从动件的常用运动规律

1.凸轮机构的运动过程

2.从动件常用位移线图在工程实际应用中，凸轮的轮廓要根据从动件的位移线图确定，而从动件的位移线图又要根据工作要求来决定。几种从动件常用位移线图的作图方法、特点及适用范围以升→停→降→停运动过程的推程为例，介绍几种从动件常用的位移线图及作图方法、特点及适用范围。几种从动件常用位移线图的作图方法、特点及适用范围三、凸轮轮廓的图解法

根据选定的从动件运动规律和其它有关数据，可用图解法直接绘出平面凸轮轮廓。图解法简单、直观，但精度较低，多用于确定要求不高的凸轮机构。图解法绘制凸轮轮廓是应用反转法原理。-ωω已知凸轮基圆半径rb，偏距e及偏置方位，凸轮以等角速度ω顺时针转动，从动件的位移线图，试绘制凸轮轮廓。（1）尖端从动件1.直动从动件盘形凸轮轮廓作图步骤和方法如下：（1）尖端从动件1.直动从动件盘形凸轮轮廓1'3'5'7'8'91113159'11'13'12'14'sΦ

60°120°90°90°13578作图步骤和方法如下：-ωeA120°60°90°90°Orb123456781215141110913ω（1）尖端从动件1.直动从动件盘形凸轮轮廓1'2'3'4'5'6'7'8'1'3'5'7'8'91113159'11'13'12'14'sΦ

60°120°90°90°1357815'14'13'12'11'10'9'-ωeA120°60°90°90°Orb123456781215141110913ω（1）尖端从动件1.直动从动件盘形凸轮轮廓作图步骤和方法如下：1'3'5'7'8'91113159'11'13'12'14'sΦ

60°120°90°90°13578-ωeA120°60°90°90°Orb123456781215141110913ω当e=0时，即为对心尖端直动从动件盘形凸轮机构。此时，偏距圆收缩为凸轮回转中心O，偏距圆的切线即为过O的径向线，其余作图的步骤及方法与以上所述相同。（2）滚子从动件

理论轮廓曲线η——滚子中心当作从动件的尖端，先按绘制尖端从动件凸轮的步骤和方法绘出一条凸轮轮廓曲线。实际轮廓曲线η'——再以上各点为圆心，以滚子半径rT为半径画一系列的圆，这些圆的内包络线即为采用滚子从动件时凸轮的实际轮廓曲线。1.直动从动件盘形凸轮轮廓（3）平底从动件理论轮廓曲线η——

把平底与导路的交点B看作尖端从动件的尖端，按尖端从动件凸轮轮廓绘制方法求出理论轮廓曲线上一系列点B1、B2、B3、…；实际轮廓曲线η'

——

再过这些点画出各位置的平底；最后，作这些平底的包络线，即得凸轮轮廓。1.直动从动件盘形凸轮轮廓若实际轮廓不能与每个平底内切，将导致运动失真。此时，可以适当增大凸轮基圆半径，重新绘制凸轮轮廓。（3）平底从动件1.直动从动件盘形凸轮轮廓例：尖端摆动从动件盘形凸轮机构2.摆动从动件盘形凸轮轮廓

已知：凸轮基圆半径rb、凸轮回转中心与摆动从动件摆动中心间距离、摆动从动件长度、从动件的角位移线图、凸轮角速度ω及从动件推程摆动方向。试：绘制凸轮轮廓。绘制凸轮轮廓时仍用反转法。1'2'3'4'56785'6'7'8'ψΦ

60°120°90°90°1234ФsФtФhФs'LOAA0

B0LAB-ω

ω绘制的步骤及方法如下：rbOA0

B0LAB-ω

ωrbOA5A6A7A8B1B2B3B4B5B6B7B8B'1ψ1B'2ψ2B'3ψ3A1A2A3A4B'4ψ4ψ5B'5ψ6B'6B'7ψ71'2'3'4'56785'6'7'8'ψΦ

60°120°90°90°1234ФsФtФhФs'120°60°90°90°绘制的步骤及方法如下：若采用滚子或平底从动件，与直动从动件作法相似，先作理论轮廓线，再在理论轮廓线的基础上绘一系列滚子或平底，最后绘制包络线便可求得实际轮廓。移动凸轮和圆柱凸轮轮廓绘制都以盘状凸轮轮廓绘制为基础，具体作法可参阅相关参考文献。2.摆动从动件盘形凸轮轮廓

四、基本尺寸的确定

1.压力角、基圆半径及偏距在设计凸轮机构时，不仅要使其能实现预期的运动规律，还要使其具有良好的传力性能和紧凑的结构尺寸。传力性能直接影响机构的摩擦、磨损、效率和自锁，且与机构尺寸有关。（1）凸轮轮廓上不同点处压力角一般是不同的，值越小，机构传力性能越好。一般设计中，限定最大压力角不能大于许用压力角[α]，即αmax≤[α]。例：偏置尖端直动从动件盘形凸轮机构许用压力角值推荐如下：若从动件的运动规律为

，可得(推导略)：直动从动件：推程许用压力角[α]=30°~40°。摆动从动件：推程许用压力角[α]=35°~45°回程时发生自锁的可能性很小，特别是力锁合型凸轮机构。通常可取回程的许用压力角[α']=70°~80°。许用压力角值推荐如下：许用压力角值推荐如下：若从动件的运动规律为

，可得(推导略)：例：偏置尖端直动从动件盘形凸轮机构（1）凸轮轮廓上不同点处压力角一般是不同的，值越小，机构传力性能越好。一般设计中，限定最大压力角不能大于许用压力角[α]，即αmax≤[α]。（2）当选定、e后，加大rb可以减小压力角，但机构总体尺寸增大。为了使机构既有较好的传力性能，又有较紧凑的结构尺寸，设计时，通常:

在αmax≤[α]前提下，尽量采用较小基圆半径。若从动件的运动规律为

，可得(推导略)：例：偏置尖端直动从动件盘形凸轮机构下列经验数据可供选择rb参考：①与轴分体的铸铁凸轮

rb≥rh+(3~5)+rT

或rb≥1.75rs+(3~5)+rT

②

钢凸轮的rb值可略减小；式中，rh——凸轮轮毂半径；

rs——装凸轮处轴的半径。③

轴凸轮的rb可取略大于（rs＋rT）。（3）e前为负号的导路偏置方位，适当大小的偏距，可以减小压力角。但应注意：若推程的压力角减小，则回程的压力角将增大。

例：偏置尖端直动从动件盘形凸轮机构若从动件的运动规律为

，可得(推导略)：①在实际设计中，通常可根据空间位置和经验初选一个基圆、偏距，并以此确定凸轮轮廓。②用作图法校核压力角。③如果不能满足要求，则应适当增大基圆半径、调整e值重新设计。αmax一般出现在：推程的起始位置；从动件具有最大速度的位置；凸轮轮廓曲线较陡处。在实际中确定凸轮轮廓的步骤：2.从动件滚子半径滚子半径的选取，要考虑滚子结构、强度及凸轮轮廓线形状等因素。

理论廓线η；实际廓线η'

；滚子半径rT

；理论廓线曲率半径ρ

；实际廓线曲率半径ρ'。对于凸轮的内凹部分，无论rT大小如何，实际廓线总可以得到。对于外凸凸轮，滚子半径rT应小于理论廓线上最小曲率半径ρmin，通常应保证rT≤0.8ρmin

。2.从动件滚子半径滚子半径的选取，要考虑滚子结构、强度及凸轮轮廓线形状等因素。2.从动件滚子半径对于外凸凸轮，滚子半径rT应小于理论廓线上最小曲率半径ρmin，通常应保证rT≤0.8ρmin

。滚子半径的选取，要考虑滚子结构、强度及凸轮轮廓线形状等因素。2.从动件滚子半径对于外凸凸轮，滚子半径rT应小于理论廓线上最小曲率半径ρmin，通常应保证rT≤0.8ρmin

。滚子半径的选取，要考虑滚子结构、强度及凸轮轮廓线形状等因素。

滚子半径rT应在结构及强度允许条件下尽量取小值。

通常：rT=（0.1~0.5）rb。

不满足rT≤0.8ρmin时，可适当加大rb。2.从动件滚子半径滚子半径的选取，要考虑滚子结构、强度及凸轮轮廓线形状等因素。各点的ρ'可用作图法求得。此方法也可用于求压力角。3.平底长度平底与凸轮实际轮廓的切点，随着导路反转的位置变化。从图上可以找到平底左右两侧离导路最远两切点至导路的距离b'和b"。取b'和b"中较长者为Lmax

。为保证平底始终与凸轮轮廓接触，从动件平底总长度用L表示，单位为mm，计算式为：五、凸轮机构的材料与结构

1.凸轮机构的常用材料凸轮材料

——要求工作表面有较高的硬度，芯部有较好的韧性。一般尺寸不大的凸轮：45钢、40Cr钢。并进行调质或表面淬火，硬度为52～58HRC。要求更高时：15钢、20Cr钢。渗碳淬火，表面硬度：56～62HRC，渗碳深度为0.8～1.5mm。尺寸大或轻载的凸轮：优质灰铸铁。载荷较大时：耐磨铸铁。从动件接触端面常用的材料

——45钢，也可用T8、T10、

T12，淬火硬度为55～62HRC。

滚子材料

——可采用20Cr钢。渗碳淬火，表面硬度为56～62HRC。也可用滚动轴承作为滚子。1.凸轮机构的常用材料要求较高时可以使用20Cr进行渗碳淬火等处理。2.凸轮机构的常用结构（1）凸轮①凸轮轴当凸轮基圆较小时，可将凸轮与轴做成一体，称为凸轮轴。②整体式凸轮当凸轮尺寸较小又无特殊要求或不需经常装拆时，一般采用整体式凸轮。优点：加工方便，精度高和刚性好。轴毂常采用平键；其轮毂尺寸的推荐值为：③组合式凸轮对于大型低速凸轮机构的凸轮或经常调整轮廓形状的凸轮，常采用凸轮与轮毂分开的组合式结构。利用圆弧槽可调整凸轮盘与轮毂的相对角度。（2）滚子滚子常采用的装配结构：无论是哪种结构形式，都必须保证滚子能灵活自由地转动。返回第三节螺旋机构一、螺纹二、螺旋机构的类型及应用螺旋机构

——由螺杆、螺母和机架组成。回转运动与直线运动的变换;主要功能：力的传递;

测量和调整。

利用螺杆和螺母构成的螺纹副来工作。

一、螺纹d2在生产中螺纹是按照螺旋线形成的原理进行制作的。螺纹1.螺纹的形成螺纹的加工方法很多，如：车制内、外螺纹。对于直径较小的螺孔，可先用钻头钻出光孔，再用丝锥攻出螺纹。对于直径较小的外螺纹也可用辗压的方法或板牙绞出。1.螺纹的形成按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹螺纹牙型——螺纹加工中，采用不同形状的车刀，得到的工件轴线剖面内不同的螺纹形状。2.螺纹牙型的特点和应用

按螺纹牙型分类矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹15º30º3º30º

常用的螺纹牙型及其特点和应用见表4-3。右旋螺纹左旋螺纹按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分多线螺纹一般:n≤4双线螺纹单线螺纹PSS=2PPSPS=Pn线螺纹:S=n

P单线螺纹按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分外螺纹内螺纹按回转体的内外表面分联接螺纹传动螺纹按螺旋的作用分圆柱螺纹圆锥螺纹管螺纹按母体形状分（3）中径d2（D2）d1d2d（1）大径d（D）（2）小径

d1（D1）（4）螺距P（5）导程S（6）螺纹升角λ（7）牙型角

α牙侧角

β

λS=nPSPP/2P/2（8）接触高度

h

h3.螺纹的主要几何参数πd2Sλββα二、

螺旋机构的类型及应用

螺旋机构具有结构简单，工作连续、平稳，传动精度高，有良好的减速性能，施加较小的转矩可以获得很大的轴向推力，并且易于自锁。其缺点是:由于螺旋副间产生较大的相对滑动，因而磨损大，效率低。螺旋机构的应用类型较多，可按其功用及摩擦性质来分类。二、

螺旋机构的类型及应用

类型按功用分传力螺旋按摩擦性质分传递动力

1.螺旋机构的分类特点：利用传动增力的的优点，以传递动力为主。功能：可用较小的力矩转动螺杆（或螺母），使螺母（或螺杆）产生轴向运动和较大的轴向力，用以起重和加压等。应用：一般工作速度较低，大多间歇工作，通常要求自锁，例如，螺旋压力机、螺旋千斤顶

等。工程实例：螺旋压力机（锻压机械）1.螺旋机构的分类工程实例：螺旋千斤顶（起重设备）1.螺旋机构的分类按摩擦性质分类型按功用分传力螺旋传递动力传导螺旋传递运动,要求精度高特点：利用传动均匀、平稳、准确的优点，以传递运动为主，有时也承受较大的轴向载荷。应用：通常具有较高的传动精度和工作速度。一般在一段时间内连续工作。例如，车床刀架溜板或工作台丝杠传动、螺旋测微器等。1.螺旋机构的分类工程实例：车床刀架1.螺旋机构的分类按摩擦性质分类型按功用分传力螺旋传递动力传导螺旋传递运动,要求精度高调整螺旋

调整相对位置功能：用以调整或固定机械零件或部件之间的相对位置。有时也承受较大的轴向载荷，常在空载下调整。应用：调整螺旋不经常转动，要求自锁。例如，测量工具、各类夹具、张紧装置等的调整螺旋。

1.螺旋机构的分类调整螺旋调整螺旋1.螺旋机构的分类工程实例：螺旋测微器（测量工具）1.螺旋机构的分类按摩擦性质分类型按功用分传力螺旋传递动力传导螺旋传递运动,要求精度高调整螺旋调整相对位置滑动螺旋特点：滑动螺旋副中产生滑动摩擦。故摩擦阻力大，传动效率低（一般为30%~40%）；磨损快，引起螺旋副的轴向间隙，反向有空行程，导致传动精度较低，使用寿命短。但其结构简单、加工方便、易于自锁。1.螺旋机构的分类

滑动螺旋传动的应用：广泛用于对传动精度和效率要求不高的场合。特点：对螺旋副的轴向间隙无补偿作用。特点：利用调整槽来消除螺旋副的轴向间隙。特点：利用调整楔块来消除螺旋副的轴向间隙。整体螺母剖分式螺母组合式螺母按摩擦性质分类型按功用分传力螺旋传递动力传导螺旋传递运动,要求精度高调整螺旋调整相对位置滑动螺旋滚动螺旋组成：螺杆、螺母、滚珠1.螺旋机构的分类滑动摩擦滚动摩擦按摩擦性质分类型按功用分传力螺旋传递动力传导螺旋传递运动,要求精度高调整螺旋调整相对位置滑动螺旋滚动螺旋特点：螺旋副处于滚动摩擦状态。因滚动摩擦阻力甚小，所以传动效率高（可达90%以上），传动时运动稳定，动作灵敏。但结构复杂，制造技术要求很高，外形尺寸较大，成本高，不易自锁。1.螺旋机构的分类按摩擦性质分类型按功用分传力螺旋传递动力传导螺旋传递运动,要求精度高调整螺旋调整相对位置滑动螺旋滚动螺旋应用：目前主要应用在精密传动的数控机床上，以及自动控制装置、升降机构和精密测量仪器中。1.螺旋机构的分类类型：外循环、内循环外循环反向器（返回通道）返回通道内循环返回通道返回通道按摩擦性质分类型按功用分传力螺旋传递动力传导螺旋传递运动,要求精度高调整螺旋调整相对位置滑动螺旋滚动螺旋静压螺旋特点：螺杆与螺母的螺旋面间注入的压力油，螺旋副处于液体摩擦状态。摩擦阻力极小，传动效率高（可达99%），工作寿命长。1