第4章 凸轮机构

1、1 第 4 章 凸 轮 机 构 (cam mechanism) 机械设计基础机械设计基础 2 基本要求基本要求 了解了解 凸轮机构的基本结构特点、类型及应用凸轮机构的基本结构特点、类型及应用 掌握掌握 从动件常用运动规律从动件常用运动规律的特点及适用场合的特点及适用场合 掌握掌握 凸轮机构凸轮机构基本尺寸设计基本尺寸设计的原则的原则 熟练掌握熟练掌握 应用应用反转法反转法原理设计平面原理设计平面凸轮凸轮 轮廓曲线轮廓曲线。 2 O 8 7 6 5 4 3 2 1 r0 3 4-1 概述 - 凸轮机构的应用和类型 一、应用 内燃机配气凸轮机构 动画 5 自动送料机构 动画 主动件 凸轮 连续等速

2、转动； 从动件 连续或间歇的往复移动或摆动 4-1 概述 - 凸轮机构的应用和类型 凸轮：凸轮： 曲线轮廓或凹槽的曲线轮廓或凹槽的 构件。构件。 通过点或线接触推通过点或线接触推 动从动件，使其得动从动件，使其得 到到任意任意预期的运动预期的运动 规律。规律。 一、应 用 6 盘形凸轮盘形凸轮 最基本型式 移动凸轮 ：可看作一种盘形凸轮 圆柱凸轮 - 空间 二、凸轮机构的分类 1、按凸轮的形状按凸轮的形状 7 自动车床凸轮机构自动车床凸轮机构 圆柱凸轮输送机圆柱凸轮输送机 8 2、按 从动件的形状 分 A、尖顶尖顶从动件：良好接触性 易磨损 受力不大的低速凸轮机构 B、滚子滚子从动件：耐磨损，

3、承受较大载荷，最常用的型式 结构复杂，尺寸大，不宜润滑 低速和中速传力较大的场合 C、平底平底从动件 9 A、直动从动件： 往复直线运动 偏置直动从动件 对心直动从动件 3、按 从动件的运动形式 分 10 B、摆动从动件： 往复摆动 动画 3、按 从动件的运动形式 分 11 4、从动件与凸轮保持接触的方法从动件与凸轮保持接触的方法 A、力封闭： 从动件的重力、弹簧力或其他外力 动画 B、几何形状封闭： 凸轮或从动件的特殊几何结构 动画 力封闭几何形状封闭 12 凸轮机构的特点： 从动件运动规律任意但准确，结构简单紧凑、设计方便。 凸轮轮廓与从动件之间为点接触或线接触，易于磨损， 用于传力不大的

4、控制机构。 命名 对心尖顶直动从动件盘形凸轮机构 rb h S SS S D D0 B0 B s O （, t） 360 基圆基圆 基圆半径 rb 推程运动角 行程 h 远远 休休 远休止角s 回程运动角 近近 休休 近休止角 s B 位移曲线 三 基 本 术 语 14 摆摆 动动 从从 动动 件件 凸凸 轮轮 机机 构构 A max B1 B 从动件摆角从动件摆角 最大摆角最大摆角 最大摆角最大摆角 摆角 推程运动角推程运动角 C S S D 2 远休止角远休止角 回程运动角回程运动角 近休止角近休止角 o B max O1 O2 三 基 本 术 语 15 h 刀架进给凸轮机构刀架进给凸轮机

5、构 凸轮机构的运动学设计参数凸轮机构的运动学设计参数 凸轮凸轮 推程角推程角 远停角远停角 S 回程角回程角 近停角近停角 S 从动件的位移从动件的位移s、速度速度v、 加速度加速度a、跃度跃度j 凸轮机构的基本尺寸凸轮机构的基本尺寸 基圆基圆半径半径 rb 移动从动件凸轮机构的 移动从动件凸轮机构的偏距偏距 e 摆动从动件的摆动从动件的杆长杆长 l 中心距中心距 从动件从动件运动规律运动规律： s s(t) s( ) v v(t) v( ) a a(t) a( ) 运动规律运动规律 凸轮轮廓凸轮轮廓 一一对应一一对应 按运动规律按运动规律 凸轮轮廓凸轮轮廓 设计设计 Cam profile

6、Cam outline Law of motion 4-2 从动件的常用运动规律 17 一一 多项式运动规律多项式运动规律 1 1、匀速匀速 运动规律运动规律 （推程段）（推程段） 0 h s h v a 刚性冲击刚性冲击 适用于适用于 低速低速 轻载轻载 场合场合 推程的运动方程：推程的运动方程： h O S v O v O a 4-2 从动件的常用运动规律 始末两瞬时：始末两瞬时： 0 h s h v a 推程推程匀速匀速 运动规律运动规律 19 1 1 多项式运动规律多项式运动规律 2. 等加速等减速运动规律等加速等减速运动规律 （抛物线运动规律）（抛物线运动规律） 推程推程 等减速运动

7、等减速运动 2 2 2 h s 2 4 h v 2 2 4 h a 1 4 9 4 1 0 h 1 4 23560 s 0 v vmax 2/ 0 amax -amax a 2/ 0 j 2/ 柔性冲击柔性冲击 适用于低速场合适用于低速场合 4-2 从动件的常用运动规律 推程推程 等加速运动等加速运动 2 2 2 h s 2 4 h v 2 2 4 h a 推程推程 回程回程 ？ 回程回程 2 2 2 () s h sh 2 2 2 () s h s 推程推程 等减速段等减速段 等加速段等加速段 等加速段等加速段 等减速段等减速段 等加速等减速运动规律等加速等减速运动规律 1 1 多项式运动规

8、律多项式运动规律 3. 3 - 4 3 - 4 5 5 多项式运动多项式运动 (简介) 543 6 15 10hs 特点： 无无 冲冲 击击 适用场合：高速、中载 4-2 从动件的常用运动规律 3-4-53-4-5多项式运动规律多项式运动规律 0 s 0 s h 23 二二 . 三角函数类运动规律三角函数类运动规律 1 余弦余弦 加速度加速度 运动规律运动规律 )cos(1 2 h s )sin( 2 h v )cos( 2 2 22 h a 1 2 3 4 5 6 0 s 1 2 3456 h 推程的开始和终止瞬时：推程的开始和终止瞬时： 从动件的加速度仍有突变从动件的加速度仍有突变 柔性冲

9、击柔性冲击 适用于适用于 中、低速中、低速 场合场合。 vmax a 1 2 3 456 amax -amax v 1 2 3456 cos 22 hh s ， 从动件的加速度按余弦规律变化从动件的加速度按余弦规律变化 余弦加速度（简谐）运动规律余弦加速度（简谐）运动规律 0 s 0 s h 加速度按正弦运动规律变化 ,t s v a ,t ,t h 654321 r s B AA0 运动特征： 没有冲击 2 2 正弦加速度正弦加速度 （摆线）（摆线） 运动规律运动规律 从动件运动规律的选择原则 考虑因素： 对运动规律的要求 凸轮的转速（动力特性和便于加工） 从动件运动规律的组合 1.满足工作

10、对运动规律的特殊要求； 2.为避免刚性冲击，位移曲线和速度曲线必须连续；而为避 免柔性冲击，加速度曲线也必须连续。 3. 尽量减小速度和加速度的最大值。 从动件运动规律的选择从动件运动规律的选择 运动特性要求运动特性要求 动力学要求动力学要求 冲击特性、最大速度、最大加速度、最大跃度冲击特性、最大速度、最大加速度、最大跃度 常用运动规律性能比较常用运动规律性能比较 反转法反转法 4-3 图解法设计平面凸轮轮廓 - 掌握 4-3 图解法设计平面凸轮轮廓 - 掌握 图解法的基本原理图解法的基本原理 反转法：相对运动原理 加上公共角速度，各构件间相对运动保持不变 ， 从动件从动件 一边随着机架以角速

11、度 - 绕 o 点转动， 一边在导路中往复移动 反转后尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓 2929 O 8 7 6 5 4 3 2 1 r0 rb O s 1 3 5 7 8 601209090 60 120 1 2 90 A 90 9 111315 1 3 5 7 89 11 13 12 14 10 1. 对心对心 尖顶尖顶 移动移动 从动件从动件 盘形盘形 凸轮凸轮 廓线的设计廓线的设计 已知凸轮的基圆半径rb，凸轮角 速度和从动件的运动规律，设计该 凸轮轮廓曲线。 选比例尺l，作位移曲线 和基圆rb。 等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应 于各等分点的从动件的位置。 3 4 5 6 7

12、 8 1 8 7 6 5 4 3 2 10 11 9 12 13 14 14 13 12 1110 9 15 确定反转后从动件尖顶在反转后从动件尖顶在 各等分点占据的位置各等分点占据的位置。 设计步骤 将各尖顶点连接成一条光滑曲线。 一、盘 形 凸 轮 轮 廓 rb O A 2 2. 对心对心滚子滚子移动从动件盘形凸轮廓线的设计移动从动件盘形凸轮廓线的设计 已知凸轮的基圆半径rb，滚子半径rr、凸轮角速度和 从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。 选比例尺l，作位移曲线和基圆rb。 等分位移曲线及反向等分各 运动角，确定反转后对应于各等分点 的从动件的位置。 理论轮廓曲线理论轮廓曲线 实际轮廓

13、曲线实际轮廓曲线 s 1 3 5 7 8 601209090 9 111315 1 3 5 7 89 11 13 12 14 10 60 120 1 2 90 90 3 4 5 6 7 8 1 8 7 6 5 4 3 2 10 11 9 12 13 14 14 13 12 1110 9 15 确定反转后从动件滚子中心 在各等分点占据的位置。 将各点连接成一条光滑曲线。 作滚子圆族滚子圆族及滚子圆族滚子圆族的内(外)。 设计步骤 32 已知已知 凸轮的基圆半径凸轮的基圆半径rb， 角速度角速度 从动件的运动规律及偏心距从动件的运动规律及偏心距e， 设计该凸轮轮廓曲线。设计该凸轮轮廓曲线。 3 3

14、 偏置偏置移动从动件移动从动件 盘形凸轮盘形凸轮 廓线的设廓线的设 计计 凸轮理论廓线设计的基本原理凸轮理论廓线设计的基本原理 反转法反转法 0 s 0 s h s o 34 e A 选比例尺选比例尺 l，作位移曲线、基圆作位移曲线、基圆rb和和偏距圆偏距圆e。 等分位移曲线及反向等分各运动角，确等分位移曲线及反向等分各运动角，确 定反转后对应于各等分点的从动件的位置。定反转后对应于各等分点的从动件的位置。 O 6 1 2 3 4 5 7 8 14 13 12 11 10 9 确定反转后从动件尖顶在各确定反转后从动件尖顶在各 等分点占据的位置等分点占据的位置。 将各尖顶点连接成一条光滑曲线。将

15、各尖顶点连接成一条光滑曲线。 设计步骤设计步骤 k1 k2 k3 k5 k4 k6 k7 k8 1 2 3 4 5 6 7 8 k9 k10 k11 k12 k13 k14k15 9 10 11 12 13 14 15 s 1 3 5 7 8 601209090 9 111315 1 3 5 7 89 11 13 12 14 10 4 平底从动件 取平底从动件表面上的 点 B0 作为假想的尖端从动 件的尖端。 包络线包络线 为了保证在所有位置从动件平 底都能与凸轮轮廓曲线相切，凸轮 廓线必须是外凸的。 已知已知 凸轮的基圆半径凸轮的基圆半径 rb， 角速度角速度 ， 摆杆长度摆杆长度 l 摆杆

16、回转中心与凸轮回转摆杆回转中心与凸轮回转 中心的距离中心的距离 d ， 摆摆杆角位移曲线杆角位移曲线， 设计该凸轮轮廓曲线。设计该凸轮轮廓曲线。 0 s 0 s h o 反转法反转法 0 39 rb O 1 2 345 6 7 8 6012090 90 1 2 3 4 5 6 7 120 B 1 1 B1B2 B3 B4 B5 B6B7 B8 6090 d B 2 2 B 3 3 B 4 4 B 5 5 B 6 6 B 7 7 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A B l 选比例尺选比例尺 ，作位移曲线，作基圆作位移曲线，作基圆rb和转轴圆和转轴圆OA。 等分位移曲线及反向等分位

17、移曲线及反向 等分各运动角，确定反转后等分各运动角，确定反转后 对应于各等分点的转轴对应于各等分点的转轴A的的 位置。位置。 确定反转后从动件尖顶在各等分点占确定反转后从动件尖顶在各等分点占 据的位置。据的位置。 设计步骤设计步骤 将各尖顶点连接成一条光滑将各尖顶点连接成一条光滑曲线。曲线。 解 析 法 理论轮廓曲线方程理论轮廓曲线方程 已知偏距e、基圆半径、 从动件的运动规律、 凸轮转向、 从动件偏置方向 cossin)( sincos)( 0 0 essy essx 22 00 ers A C D E 41 t t B n n 4-4 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定 一、凸轮

18、机构一、凸轮机构压力角压力角的确定的确定 压力角压力角 42 尽可能 增大 导轨长度 lb 减少 悬臂尺寸 la 压力角越小压力角越小，推动从动件的有效 分力越大，机构受力情况越好， 效率越高。 2 cos()(1)sin() Q a b F F l f l 压力角 43 = lim 机构自锁自锁 许用压力角 lim 工作行程：移动从动件 30， 摆动从动件 45 回 程： 7080 2 cos()(1) sin()0 a b l f l 2 cos()(1)sin() Q a b F F l f l 二、基 圆 半 径 的 确 定 r0 A OP lV ddsVlOP/ 22 0 / ers edds arctg C 45 三、滚滚 子子 半半 径径 的的 确确 定定 实际廓线曲率半径 c 理论廓线曲率半径 1 内凹内凹的理论轮廓曲线 不论滚子半径多大，实际轮廓曲线总可以作出来。 rc r 46 2 外凸外凸的理论轮廓曲线