机械设计基础第3章 凸轮

1、第第3章章 凸轮机构设计凸轮机构设计 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律 盘状凸轮轮廓的设计盘状凸轮轮廓的设计 凸轮设计中应注意的问题凸轮设计中应注意的问题 3-1凸轮机构的应用和分类 平面凸轮机构平面凸轮机构 空间凸轮机构空间凸轮机构 3-1凸轮机构的应用和分类 盘状凸轮盘状凸轮 移动凸轮移动凸轮 圆柱凸轮圆柱凸轮 3-1凸轮机构的应用和分类 尖顶从动件尖顶从动件 滚子从动件滚子从动件 平底从动件平底从动件 直动直动 摆动摆动 对心对心 偏心偏心 3-1凸轮机构的应用和分类 根据保持从动根据保持从动 件与凸轮接触的方件与凸轮接触的方 式不同，凸

2、轮机构式不同，凸轮机构 可分为利用外力可分为利用外力(如如 重力、弹簧力重力、弹簧力)保持保持 接触的力约束凸轮接触的力约束凸轮 （如内燃机配气凸（如内燃机配气凸 轮，冲头机构的凸轮，冲头机构的凸 轮），以及利用几轮），以及利用几 何形状的限制来保何形状的限制来保 持接触的几何约束持接触的几何约束 凸轮（除先前见到凸轮（除先前见到 的自动送料机凸轮的自动送料机凸轮 外，平面凸轮机构外，平面凸轮机构 中的等宽凸轮、等中的等宽凸轮、等 径凸轮径凸轮*等也是几何等也是几何 约束凸轮约束凸轮)。 二、凸轮机构的特点与应用二、凸轮机构的特点与应用 优点优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使：只需设计适当的

3、凸轮轮廓，便可使 从动件得到需要的运动规律，且结构简单从动件得到需要的运动规律，且结构简单 紧凑、设计方便。紧凑、设计方便。 缺点缺点：凸轮轮廓与从动件之间是点、线接：凸轮轮廓与从动件之间是点、线接 触，接触应力很大，容易磨损。触，接触应力很大，容易磨损。 应用范围应用范围：广泛应用于传力不大的控制机：广泛应用于传力不大的控制机 构中。构中。 3-2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律 一、基本概念一、基本概念 偏距圆偏距圆： 以凸轮转动中心为圆心，以以凸轮转动中心为圆心，以Oq为为 半径的圆称为偏距圆，从动件在运动的过程半径的圆称为偏距圆，从动件在运动的过程 中，其速度方向将始终保持和偏距

4、圆相切。中，其速度方向将始终保持和偏距圆相切。 基圆：基圆：以凸轮廓线的最小向径以凸轮廓线的最小向径r0为半径所绘制为半径所绘制 的圆。的圆。 推程推程：当凸轮以等角速度当凸轮以等角速度 沿逆时针方向转过角沿逆时针方向转过角 度度t 时，从动件以一定的运动规律由离回转时，从动件以一定的运动规律由离回转 中心最近的位置到达最远位置，这个过程称中心最近的位置到达最远位置，这个过程称 为推程。而与推程对应的凸轮转角为推程。而与推程对应的凸轮转角t称为称为推推 程运动角程运动角。 远休止角远休止角：当凸轮继续回转角度当凸轮继续回转角度s 时，从动件时，从动件 在最远位置保持不动，在最远位置保持不动，s

5、称为远休止角。称为远休止角。 回程回程：凸轮继续回转角度凸轮继续回转角度h时，从动件在重力、时，从动件在重力、 弹簧力或其它力的作用下，以一定的运动规弹簧力或其它力的作用下，以一定的运动规 律回到起始位置，这个过程称为回程，律回到起始位置，这个过程称为回程， h称称 为为回程运动角回程运动角。 近休止角近休止角：当凸轮继续回转角度当凸轮继续回转角度s 时，从动件时，从动件 在最近位置停留不动，在最近位置停留不动，s称为称为近休止角近休止角。 从动件的位移线图从动件的位移线图 从动件位移从动件位移 与凸轮转与凸轮转 角角 之间的关系曲线。之间的关系曲线。 纵坐标代表从动件移动纵坐标代表从动件移动

6、 的位移的位移 ，横坐标代表，横坐标代表 凸轮的转角凸轮的转角 (因凸轮通因凸轮通 常是匀速转动的，因此常是匀速转动的，因此 横坐标实际上也代表时横坐标实际上也代表时 间间) 。 从动件位移线图从动件位移线图 从动件的位移线图取决于凸轮轮廓曲线的形状。从动件的位移线图取决于凸轮轮廓曲线的形状。 即：从动件的不同运动规律要求凸轮具有不同的即：从动件的不同运动规律要求凸轮具有不同的 轮廓曲线。轮廓曲线。 二、等速运动规律二、等速运动规律 t v a t v a dt dv a tvs vv t t 0 0 2 0 0 2 2 2 02 02 0 0 0 lim lim 停止： 开始： 常数 开始、

7、停止时开始、停止时 加速度无穷大，加速度无穷大， 惯性力也无穷惯性力也无穷 大，我们把加大，我们把加 速度无穷大引速度无穷大引 起的冲击称起的冲击称刚刚 性冲击性冲击。 适用于低速轻适用于低速轻 载和从动件质载和从动件质 量较小的凸轮量较小的凸轮 机构。机构。 三、等加等减速运动规律三、等加等减速运动规律 从动件在前半推程（回程）从动件在前半推程（回程） 作等加速运动，在后半推程（回作等加速运动，在后半推程（回 程）作等减速运动，通常加速度程）作等减速运动，通常加速度 和减速度绝对值相等。和减速度绝对值相等。 2 02 02 02 2 1 tas tav aa 002 002 002 9) 2

8、 1 (9, 3 42, 2 2 1 , 1 sast sast sast 加速度在加速度在o,m,e产生有限值的变产生有限值的变 化，发生化，发生柔性冲击柔性冲击，适宜于中、低，适宜于中、低 速，轻载场合。速，轻载场合。 等加速等减速位移线图绘制 四四、余弦加速度运动规律、余弦加速度运动规律 因这种运动规律的加速度为因这种运动规律的加速度为 余弦函数，故称为余弦加速余弦函数，故称为余弦加速 度运动规律。度运动规律。 行程始末会引起行程始末会引起柔性冲击柔性冲击， 只适于中速场合。只适于中速场合。 此外，还有其它的加速此外，还有其它的加速 度运动规律。为了获得更好度运动规律。为了获得更好 的运

9、动特性，可以把各种运的运动特性，可以把各种运 动规律组合起来应用，组合动规律组合起来应用，组合 时应保证加速度线图始终保时应保证加速度线图始终保 持连续。持连续。 余弦加速度位移线图绘制 五、正弦加速度运动五、正弦加速度运动 由运动图可见，其速度 和加速度曲线都是连续的， 因此没有柔性冲击，故常 用于高速凸轮机构。 3-3 盘状凸轮轮廓的设计盘状凸轮轮廓的设计 一、一、反转法反转法 如果给整个机构加上绕轴心如果给整个机构加上绕轴心 的公共角速度的公共角速度-，机构各构件，机构各构件 间的相对运动不会改变。因从动间的相对运动不会改变。因从动 件尖顶始终保持和凸轮轮廓的接件尖顶始终保持和凸轮轮廓的

10、接 触，故反转后尖顶的运动轨迹就触，故反转后尖顶的运动轨迹就 是凸轮的轮廓，绘制凸轮廓线就是凸轮的轮廓，绘制凸轮廓线就 是绘制尖顶的运动轨迹。是绘制尖顶的运动轨迹。反转法反转法 的本质是改变参照系，即把原来的本质是改变参照系，即把原来 建立在机架上的运动参照系改建建立在机架上的运动参照系改建 到凸轮上面。到凸轮上面。 一、直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓设计一、直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓设计 已知条件：已知条件： 从动件运动从动件运动 规律，偏距规律，偏距e e ，凸轮转动，凸轮转动 方向，基圆方向，基圆 半径。半径。 二、滚子从动件盘形凸轮轮廓设计二、滚子从动件盘形凸轮轮廓设计 首先得到尖顶从动件

11、凸轮的轮廓，对滚子从动件凸轮来讲，首先得到尖顶从动件凸轮的轮廓，对滚子从动件凸轮来讲， 该轮廓线称为该轮廓线称为理论轮廓理论轮廓；再绘制；再绘制实际轮廓实际轮廓。 二、摆动从动件盘形凸轮阔线设计二、摆动从动件盘形凸轮阔线设计 已知条件已知条件: :从动件运动规律，凸从动件运动规律，凸 轮与摆动从动件的中心距轮与摆动从动件的中心距l lOA OA， ， 摆动从动件的长度摆动从动件的长度l lAB AB，凸轮基 ，凸轮基 圆半径以及凸轮转动方向。圆半径以及凸轮转动方向。 设计步骤设计步骤: : 绘制位移线图，并将其适当等绘制位移线图，并将其适当等 分分； 画画基圆，基圆，确定确定从动件尖顶的起从动

12、件尖顶的起 始位置始位置； 以以O O为圆心为圆心l lA AO O为半径作圆为半径作圆，并等，并等 分；分； 由位移线图求出摆角在不同位由位移线图求出摆角在不同位 置的数值，据此画出从动件相置的数值，据此画出从动件相 对于机架的一系列位置对于机架的一系列位置； 连成光滑曲线，便得到尖顶从连成光滑曲线，便得到尖顶从 动件的凸轮轮廓。动件的凸轮轮廓。 作业 P50 310题 注意：比例一致 用铅笔作图 3-4 凸轮设计中应注意的问题凸轮设计中应注意的问题 一、凸轮机构的压力角和自锁一、凸轮机构的压力角和自锁 不考虑摩擦的情况下，工作时凸轮给从动不考虑摩擦的情况下，工作时凸轮给从动 件的作用力沿接

13、触点处的公法线方向，件的作用力沿接触点处的公法线方向， 根据力的分解原理，有：根据力的分解原理，有： R=Rcos、RRsin 是是压力角压力角。 当当增大到一定程度，由增大到一定程度，由R引起的导路对从引起的导路对从 动件的摩擦阻力就会大于有效分力动件的摩擦阻力就会大于有效分力R ，这，这 时，无论凸轮加给从动件的作用力有多大时，无论凸轮加给从动件的作用力有多大 ，从动件都不会运动，这种现象称为，从动件都不会运动，这种现象称为自锁自锁 。 为保证凸轮机构正常工作并具有一定的效为保证凸轮机构正常工作并具有一定的效 率，必须对压力角加以限制。设计时应使率，必须对压力角加以限制。设计时应使 最大压

14、力角不超过许用值：最大压力角不超过许用值： 直动从动件凸轮：直动从动件凸轮：30 38 摆动从动件凸轮：摆动从动件凸轮：40 50 常见的依靠外力维持接触的凸常见的依靠外力维持接触的凸 轮机构，其从动件在弹簧力或轮机构，其从动件在弹簧力或 重力作用下返回，回程不会出重力作用下返回，回程不会出 现自锁，对于这类凸轮机构，现自锁，对于这类凸轮机构， 通常通常只需校核推程压力角只需校核推程压力角。 二、压力角与基圆半径的关系二、压力角与基圆半径的关系 其中：VB2=V2，VB1=1(r0+s2) V2=1(r0+s2)tg tgVV BB 12 2 1 2 0 s tg v r r0结构不紧凑结构不

15、紧凑 基圆半径经验公式：基圆半径经验公式： r r0 01.8r+(41.8r+(410) mm10) mm 式中：式中：r r凸轮孔半径凸轮孔半径 r0 1 VB2 VB1 t t s2 三、滚子半径的选择滚子半径的选择 r rs s接触应力接触应力，但，但r rs s过大，凸轮过大，凸轮 的实际轮廓曲线会产生失真。的实际轮廓曲线会产生失真。 当当 发生失真发生失真 故：对外凸的凸轮轮廓曲线，应使故：对外凸的凸轮轮廓曲线，应使 滚子半径滚子半径r rs s小于理论轮廓曲线的最小于理论轮廓曲线的最 小曲率半径。常取小曲率半径。常取r rs s 0.8min。 s rrr 理实 0 实理时r r

16、rs 小结 一一 单项选择题单项选择题 （选一正确答案，并将其符号填入（选一正确答案，并将其符号填入 题中空白处）题中空白处） 3-1 凸轮机构的压力角大小与凸轮机构的压力角大小与_有关。有关。 A.从动件的受力从动件的受力 B.凸轮的基圆半径凸轮的基圆半径 C.凸轮机构结构凸轮机构结构 3-2 对于外凸凸轮对于外凸凸轮,为了保证有正常的实际轮廓曲线为了保证有正常的实际轮廓曲线,其滚子半径应其滚子半径应 _理论轮廓的最小曲率半径。理论轮廓的最小曲率半径。 A.小于小于 B.大于大于 C.等于等于 3-3在从动件运动规律不变的情况下在从动件运动规律不变的情况下,若缩小基圆半径若缩小基圆半径,则凸

17、轮机构的压力则凸轮机构的压力 角角_。 A.保持不变保持不变 B.减小减小 C.增大增大 3-4 设计一滚子从动件盘形凸轮设计一滚子从动件盘形凸轮,当发现实际轮廓曲线出现尖点时当发现实际轮廓曲线出现尖点时,应该应该 _。 A.加大滚子半径加大滚子半径 B.加大基圆半径加大基圆半径 C.减小基圆半径减小基圆半径 3-5 从受力好的观点看从受力好的观点看,盘形凸轮应采用盘形凸轮应采用_从动件。从动件。 A.平底平底 B.尖底尖底 C.滚子滚子 B A C B A 二二 填空题填空题 3 - 6 凸 轮 的 理 论 轮 廓 的 最 小 曲 率 半 径 应 当凸 轮 的 理 论 轮 廓 的 最 小 曲 率 半 径 应 当 _从动件的滚子半径。从动件的滚子半径。 3-7 滚子从动件的滚子中心轨迹滚子从动件的滚子中心轨迹,在反转法作图时是在反转法作图时是 凸轮的凸轮的_轮廓。轮廓。 大于 理论 三三 判断题判断题 （认为正确的，在其题号前括号（认为正确的，在其题号前括号 内打内打“”，否