机械设计基础课件 模块4 凸轮机构分析与设计

模块4凸轮机构分析与设计单元4.1凸轮机构的应用和类型单元4.2从动件常用运动规律单元4.3盘形凸轮轮廓曲线设计模块4凸轮机构分析与设计知识目标通过本项目的学习，了解并掌握凸轮机构基本类型以及从动件常用的运动规律。能够运用基本知识，熟练的运用“图解法”进行凸轮轮廓曲线的设计；能够对凸轮结构的基本尺寸确定以及凸轮材料的选用；能够熟练的利用基本知识进行凸轮传动结构的设计。知识要点（1）凸轮机构的分类；（2）基圆、基圆半径、推程、回程、推程运动角、远休止角、回程运动角、近休止角；（3）等速运动、等加速等减速运动、余弦加速度运动及正弦加速度运动规律；（4）盘形凸轮轮廓曲线设计、反转法；（5）凸轮机构基本尺寸确定（包括滚子半径、压力角、基圆半径的确定）；（6）凸轮机构的材料、凸轮的结构（包括凸轮轴、整体式凸轮、组合式凸轮）。单元4.1凸轮机构的应用和类型凸轮机构是机械中的一种常用机构，主要由凸轮、从动件和机架组成，用来实现预期的运动规律，广泛应用在各种机械和自动控制装置中。凸轮与从动件以点或线接触，属于高副机构，易于磨损，适于传递动力不大的场合。如图4-2所示为内燃机配气机构。凸轮1以等角速度转动，通过其轮廓曲线驱动从动件气阀2上下往复运动，实现有规律的控制气阀开闭。图4-2内燃机配气机构单元4.1凸轮机构的应用和类型图4-3车床靠模机构如图4-3所示为车床靠模机构。工件1回转，凸轮固定在床身上，刀架2沿靠模凸轮3的轮廓曲线运动，刀具切削出与靠模曲线一致的轨迹。图4-4自动送料机构如图4-4所示为自动送料机构。带有凹槽的凸轮1转动时，通过槽中的滚子带动从动件2作往复移动，将毛坯推送到加工位置完成送料动作。单元4.1凸轮机构的应用和类型4.1.2凸轮机构的分类1.

按凸轮形状分类（1）盘形凸轮特点是具有径向廓线尺寸变化并绕其轴线旋转的凸轮，是凸轮的基本形式。凸轮是绕固定轴线转动且具有半径变化的盘形零件，如图4-2所示。（2）移动凸轮可视为回转中心在无穷远处的盘形凸轮，相对机架做往复直线运动，如图4-3所示。（3）圆柱凸轮一种在圆柱面上开有曲线凹槽或在圆柱端面上作出曲线轮廓的构件,它可以看做是将移动凸轮卷成圆柱体演化而成的，可看作是移动凸轮绕在圆柱体上形成，属于空间凸轮，如图4-4所示。单元4.1凸轮机构的应用和类型2.

按从动件端部结构分类（1）尖顶从动件从动件的机构最简单，尖顶能与复杂的凸轮轮廓保持接触，可以实现任意运动规律。尖顶与凸轮是点接触，易磨损，只适用于低速、轻载的机构中。图4-5从动件的端部结构形式（2）滚子从动件从动件的端部装有可自由转动的滚子，它与凸轮轮廓间为滚动摩擦，磨损小，可以承受较大的载荷，广泛应用在中速、中载的场合。（3）平底从动件从动件的端部为一平底，凸轮与从动件之间的作用力始终和平底垂直，传动效率高，且接触处易形成油膜，利于润滑，传动效率高，常用于高速重载的凸轮机构中。单元4.1凸轮机构的应用和类型3.

按从动件的运动形式分类（1）移动从动件从动件作往复直线运动；（2）摆动从动件从动件作往复摆动。使从动件与凸轮轮廓始终保持接触的特性称为锁合。(1)力锁合利用重力、弹簧力或其他力锁合。凸轮机构利用弹簧力锁合。(2)形锁合利用凸轮和从动件的特殊几何形状锁合。4.按锁合形式分类单元4.2从动件常用的运动规律在凸轮机构中，从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线的形状。4.2.1凸轮机构的基本尺寸和运动参数凸轮基圆：以凸轮轴心为圆心,以其轮廓最小向径

ro

为半径的圆；从动件行程:在推程或回程中从动件的最大位移,用

h

表示；偏距:凸轮回转中心与从动件导路间的偏置距离,用e

表示。推程运动角：与从动件推程相对应的凸轮转角，φ；远休止角：与从动件远休程相对应的凸轮转角，φs；回程运动角：与从动件回程相对应的凸轮转角，φ'；近休止角：与从动件近休程相对应的凸轮转角，φs'；单元4.2从动件常用的运动规律hhωAB’OOr0φφsDBCφφsδdSt基圆回程运动，回程角近休止角推程运动，推程角远休止角φ’φ’φs

’单元4.2从动件常用的运动规律4.2.2从动件常用的运动规律凸轮的轮廓曲线取决于从动件的运动规律，设计凸轮轮廓曲线时，首先根据工作要求选定从动件的运动规律，然后再按从动件的位移曲线设计相应的凸轮轮廓曲线。1.等速运动规律从动件在推程或回程的运动速度为常数的运动规律。凸轮以等角速度转动，从动件在推程中的行程为h。其位移曲线为斜直线，速度曲线为平直线，加速度曲线为零线。从动件在推程始末两点、处，速度有突变，瞬时加速度理论上为无穷大，因而产生理论上亦为无穷大的惯性力。因此,实际上常采用改良的匀速运动规律,即将行程起、末处用圆弧或其他曲线光滑连接。单元4.2从动件常用的运动规律由图可见，在推程的始末点和前、后半程的交接处，加速度有突变，因而惯性力也产生突变，但它们的大小及突变量均为有限值，由此将对机构造成有限大小的冲击，这种冲击称为“柔性冲击”或“软冲”。在高速情况下，柔性冲击仍会引起相当严重的振动、噪声和磨损，因此这种运动规律只适用于中速、中载的场合。

等加速等减速运动规律:是指从动件在一个行程中，前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动的运动规律。2.

等加速等减速运动规律单元4.2从动件常用的运动规律3.余弦加速度运动规律又称简谐运动，从运动线图中可以看出，从动件按余弦加速度运动时，从动件在整个运动过程中速度是连续的，但在运动的起点，终点处加速度产生突变，导致机构产生柔性冲击。适用于中速运动场合。但从动件仅做升－降－升连续运动，加速度曲线变为连续曲线，则无柔性冲击，可用于高速场合，如图4-9所示。4.正弦加速度运动规律从动件在整个运动过程中速度和加速度连续无突变，避免了刚性和柔性冲击，适用于高速运动场合，如图4-10所示。图4-9余弦加速度运动

图4-10正弦加速度运动单元4.3盘形凸轮轮廓曲线设计根据工作条件要求，确定从动件的运动规律，凸轮的转向，基圆的半径后，就可以进行凸轮轮廓设计。其设计方法有作图法和解析法。我们主要介绍图解法。图解法的原理是利用“反转法”原理来完成，“反转法”原理如下:4.3.1盘形凸轮轮廓曲线设计设想给凸轮机构加上一个绕凸轮轴心并与凸轮角速度等值反向的角速度。根据相对运动原理，机构中各构件间的相对运动并不改变，但凸轮已视为静止。从动件则被看成随同导路以角速度绕点转动，同时沿导路按预定运动规律作往复移动。从动件尖顶的运动轨迹即为凸轮的轮廓。这就是图解法绘制凸轮轮廓曲线的原理，称为“反转法”。单元4.3盘形凸轮轮廓曲线设计（1）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，基圆半径r0,从动件位移曲线如图。绘制凸轮的轮廓线。1.对心尖顶移动从动件盘形凸轮轮廓设计单元4.3盘形凸轮轮廓曲线设计e已知基圆半径为r0

，偏矩为e

，凸轮以角速度ω顺时针转动，从动件的位移曲线如图所示，设计该凸轮轮廓曲线。2.偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓设计单元4.3盘形凸轮轮廓曲线设计实际轮廓曲线理论轮廓曲线3.对心直动滚子从动件盘形凸轮设计单元4.3盘形凸轮轮廓曲线设计4.3.2

凸轮机构基本尺寸确定设计凸轮机构，不仅要保证从动件能实现预定的运动规律，还须使设计的机构传力性能良好，结构紧凑，满足强度和安装等要求，为此，设计时应注意处理好下述问题。

滚子半径的选择凸轮机构的压力角凸轮基圆半径的确定

单元4.3盘形凸轮轮廓曲线设计对于外凸的凸轮廓线：实际轮廓为光滑曲线

实际廓线出现尖点

实际轮廓相交而造成从动件运动失真对于内凹的凸轮廓线：实际轮廓为光滑曲线

1.

滚子半径的选择单元4.3盘形凸轮轮廓曲线设计2.

凸轮机构的压力角与基圆半径从动件的速度方向与所受力之间的夹角,称为压力角。若压力角过大，则推动从动件的有效分力很小，甚至可能小于横向分力在导路中产生的摩擦力使机构以生自锁。通常规定：推杆在推程时压力角αmax≤30°摆杆在推程时压力角αmax≤45°回程时压力角αmax≤80°

压力角越小，传力越好。单元4.3盘形凸轮轮廓曲线设计基圆半径愈小，压力角愈大；反之，压力角则愈小。因此，在选取基圆半径时应注意：滚子从动件凸轮机构，在保证和从动件运动不失真的前提下，可将基圆半径取小些，满足对机构结构紧凑的要求。在结构空间允许条件下，可适当将基圆半径取大些，以利于改善机构的传力性能，减少磨损和减少凸轮廓线的制造误差。单元4.3盘形凸轮轮廓曲线设计4.3.3

凸轮的结构形式图4-19整体式凸轮1.

凸轮轴当凸轮的径尺寸与轴的直径尺寸相差不大时，凸轮与轴做成一体，这种凸轮结构紧凑，工作可靠，如图4-18所示。图

4-18凸轮轴

当凸轮与轴尺寸相差较大时，将凸轮与轴分别制造，可用键和销与轴连接，这种结构称为整体式，如图4-19所示。2.整体式凸轮单元4.3盘形凸轮轮廓曲线设计如图4-20所示，组合式凸轮用螺栓将凸轮和轮毂连成一体，可以方便地调整凸轮与从动件起始的相对位置。凸轮在轴上固定，除采用键连接外，也可以采用紧钉螺钉和圆锥固定，如图4-21（a）所示，初调时用紧钉螺钉定位，然后用圆锥销固定；如图4-21（b）所示，采用开槽锥形套固定，调整灵活，但传递转矩不能太大。3.

组合式（a）圆锥销或紧钉螺钉固定

（b）开槽锥形套固定图4-21凸轮在轴上的固定方式图4-20组合式凸轮

单元4.3盘形凸轮轮廓曲线设计4.3.4

凸轮机构的材料