第04章凸轮机构

1、第4章 凸轮机构凸轮机构凸轮机构 前述低副机构一般只能近似地实现给定的运动规律，而且设计较复杂。当机器的执行机构需要按一定的位移、速度和加速度规律运动时，尤其是当执行构件需要作间歇运动时，这种情况下最好的解决方法就是采用凸轮机构。 含有凸轮的机构称为凸轮机构。凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，与从动件保持接触，当凸轮运动(转动或移动)时，推动从动件按任意给定的运动规律运动。凸轮机构是一种常用机构，特别是在自动化机械中应用广泛。凸轮机构凸轮机构4.1 4.1 凸轮机构的应用和特点凸轮机构的应用和特点4.2 4.2 凸轮机构类型凸轮机构类型4.3 4.3 凸轮机构从动件常用的运动规律凸轮机构从动

2、件常用的运动规律4.4 4.4 用图解法设计盘形凸轮的轮廓用图解法设计盘形凸轮的轮廓4.5 4.5 凸轮机构设计中的注意事项凸轮机构设计中的注意事项4.6 4.6 凸轮机构常用材料、结构和加工凸轮机构常用材料、结构和加工4.1.1 4.1.1 凸轮机构的组成与应用凸轮机构的组成与应用v 如图如图4-14-1所示，凸轮机构主要由凸轮所示，凸轮机构主要由凸轮1 1、从动件、从动件2 2和机架和机架3 3构成，构成，凸轮为主动件，从动件与凸轮组成高副，属于高副机构。其中，凸轮为主动件，从动件与凸轮组成高副，属于高副机构。其中，凸轮凸轮1 1是一个具有曲线是一个具有曲线( (或沟槽或沟槽) )的构件，

3、它通常作连续等角速的构件，它通常作连续等角速度转动度转动( (也有作摆动或往复直线移动的也有作摆动或往复直线移动的) )。从动件。从动件2 2则在凸轮驱则在凸轮驱动下按预定的运动规律作往复直线移动或摆动。动下按预定的运动规律作往复直线移动或摆动。图图4-1 4-1 凸轮机构凸轮机构1凸轮；2从动件；3机架；4拖板；5工件4.1.2 4.1.2 凸轮机构的特点凸轮机构的特点v 凸轮机构具有以下特点。凸轮机构具有以下特点。v 优点：优点：可实现各种复杂的运动要求，其结构紧凑、可实现各种复杂的运动要求，其结构紧凑、设计较方便，只要有适当的凸轮轮廓，就可以使从设计较方便，只要有适当的凸轮轮廓，就可以使

4、从动件按任意预定的运动规律运动。因此，在自动机动件按任意预定的运动规律运动。因此，在自动机械中得到广泛的应用。械中得到广泛的应用。v 缺点：缺点：由于它是高副机构，凸轮与从动件为点或线由于它是高副机构，凸轮与从动件为点或线接触，接触点压强高，较易磨损。故一般适用于受接触，接触点压强高，较易磨损。故一般适用于受力不大的控制机构和调节机构。另外，凸轮的轮廓力不大的控制机构和调节机构。另外，凸轮的轮廓曲线加工有一定的困难，然而随着数控技术的普及，曲线加工有一定的困难，然而随着数控技术的普及，这个问题也基本得到了解决。这个问题也基本得到了解决。凸轮机构凸轮机构4.1 4.1 凸轮机构的应用和特点凸轮机

5、构的应用和特点4.2 4.2 凸轮机构类型凸轮机构类型4.3 4.3 凸轮机构从动件常用的运动规律凸轮机构从动件常用的运动规律4.4 4.4 用图解法设计盘形凸轮的轮廓用图解法设计盘形凸轮的轮廓4.5 4.5 凸轮机构设计中的注意事项凸轮机构设计中的注意事项4.6 4.6 凸轮机构常用材料、结构和加工凸轮机构常用材料、结构和加工4.2 4.2 凸轮机构类型凸轮机构类型v工程实际中所使用的凸轮机构形式多种多样，工程实际中所使用的凸轮机构形式多种多样，可进行如下分类。可进行如下分类。(1) (1) 按凸轮形状分类按凸轮形状分类(2) (2) 按从动件的末端形式分类按从动件的末端形式分类(3) (3

6、) 按从动件运动形式分类按从动件运动形式分类(4) (4) 按从动件对心形式分类按从动件对心形式分类凸轮机构凸轮机构4.1 4.1 凸轮机构的应用和特点凸轮机构的应用和特点4.2 4.2 凸轮机构类型凸轮机构类型4.3 4.3 凸轮机构从动件常用的运动规律凸轮机构从动件常用的运动规律4.4 4.4 用图解法设计盘形凸轮的轮廓用图解法设计盘形凸轮的轮廓4.5 4.5 凸轮机构设计中的注意事项凸轮机构设计中的注意事项4.6 4.6 凸轮机构常用材料、结构和加工凸轮机构常用材料、结构和加工4.3.1 4.3.1 平面凸轮机构的基本概念和参平面凸轮机构的基本概念和参数数 如图如图4-44-4所示为一对

7、心直动尖顶从动件盘形凸轮机所示为一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构，凸轮以等角速度构，凸轮以等角速度顺时针转动。顺时针转动。(一一) 凸轮基圆与基圆半径凸轮基圆与基圆半径rb(二二)凸轮机构的运动过程凸轮机构的运动过程(三三)从动件的运动线图从动件的运动线图图图4-4 4-4 凸轮机构的运动过程凸轮机构的运动过程4.3.2 4.3.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律 凸轮机构中从动件在运动过程中，其位移凸轮机构中从动件在运动过程中，其位移s s、速度、速度v v、加速度、加速度a a随凸轮转角随凸轮转角(或时间或时间t)t)的变化规律，称为的变化规律，称为从动件运动规律。从动件运动规律完全

8、取决于凸轮的从动件运动规律。从动件运动规律完全取决于凸轮的轮廓形状。因此，设计凸轮轮廓时，首先应根据工作轮廓形状。因此，设计凸轮轮廓时，首先应根据工作要求确定从动件运动规律，并按此运动规律设计凸轮要求确定从动件运动规律，并按此运动规律设计凸轮轮廓形状，以实现从动件预期的运动。轮廓形状，以实现从动件预期的运动。 凸轮机构从动件常用的运动规律有：凸轮机构从动件常用的运动规律有：(1(1) ) 等速运动等速运动规律规律(2(2) )等加速等减速运动规律等加速等减速运动规律(3(3) )余弦加速度运动余弦加速度运动规律规律4.3.3 4.3.3 从动件运动规律的选择从动件运动规律的选择 选择从动件运动

9、规律时，一般应从机构的冲击情选择从动件运动规律时，一般应从机构的冲击情况、从动件的最大速度况、从动件的最大速度v vmaxmax和最大加速度和最大加速度a amaxmax共共3 3个方面个方面对各种运动规律的特性进行比较。对各种运动规律的特性进行比较。 对于质量较大的从动件，应选择对于质量较大的从动件，应选择vmaxvmax较小的运动较小的运动规律。从动件的规律。从动件的v vmaxmax反映了从动件最大冲量的大小，在反映了从动件最大冲量的大小，在启动、停车或突然制动时会产生很大的冲击。因此，启动、停车或突然制动时会产生很大的冲击。因此，从动件的从动件的v vmaxmax要尽量小。要尽量小。

10、对于高速凸轮机构，对于高速凸轮机构，a amaxmax不宜太大。最大加速度反不宜太大。最大加速度反映出从动件惯性的大小，映出从动件惯性的大小，a amaxmax越大，惯性就越大。因此，越大，惯性就越大。因此，从动件的最大加速度从动件的最大加速度a amaxmax要尽量小。要尽量小。凸轮机构凸轮机构4.1 4.1 凸轮机构的应用和特点凸轮机构的应用和特点4.2 4.2 凸轮机构类型凸轮机构类型4.3 4.3 凸轮机构从动件常用的运动规律凸轮机构从动件常用的运动规律4.4 4.4 用图解法设计盘形凸轮的轮廓用图解法设计盘形凸轮的轮廓4.5 4.5 凸轮机构设计中的注意事项凸轮机构设计中的注意事项4

11、.6 4.6 凸轮机构常用材料、结构和加工凸轮机构常用材料、结构和加工4.4 4.4 用图解法设计盘形凸轮的轮廓用图解法设计盘形凸轮的轮廓 凸轮轮廓的设计有图解法和解析法。图解法直观、方便，但精度较低，常用于一般精度的凸轮轮廓设计，解析法精度高，但计算烦琐，主要用于高速或高精度的凸轮轮廓设计。本节只介绍图解法。4.4.1 4.4.1 反转法原理反转法原理v 如图如图4-84-8所示，已知凸轮绕轴所示，已知凸轮绕轴O O以等角速度以等角速度逆时针转动。现假逆时针转动。现假想给整个机构加一个与想给整个机构加一个与 大小相等、方向相反的角速度大小相等、方向相反的角速度 ，于是，于是凸轮静止不动，而从

12、动件连同机架一起以角速度凸轮静止不动，而从动件连同机架一起以角速度 绕凸轮转动，绕凸轮转动，同时从动件仍以原来的运动规律相对机架运动。由于尖底从动同时从动件仍以原来的运动规律相对机架运动。由于尖底从动件在反转过程中其尖端始终与凸轮轮廓曲线相接触，故从动件件在反转过程中其尖端始终与凸轮轮廓曲线相接触，故从动件尖端的轨迹就是该凸轮的理论轮廓曲线。尖端的轨迹就是该凸轮的理论轮廓曲线。v 把原来转动着的凸轮看成是静止不动的，而把原来静止不动的把原来转动着的凸轮看成是静止不动的，而把原来静止不动的机架及作往复移动的从动件看成为反转运动的这一原理，称为机架及作往复移动的从动件看成为反转运动的这一原理，称为

13、反转法原理反转法原理。图图4-8 4-8 反转法原理反转法原理4.4.2 4.4.2 对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计 已知从动件位移线图已知从动件位移线图( (如图如图4-9(b)4-9(b)所示所示) )、凸轮的、凸轮的基圆半径基圆半径rbrb及凸轮以等角速度及凸轮以等角速度顺时针回转，要求设顺时针回转，要求设计此凸轮的轮廓曲线。计此凸轮的轮廓曲线。 设计步骤如下：设计步骤如下：12344.4.3 4.4.3 对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计 若如图若如图4-94-9所示的尖顶改为滚子，如图所示的尖顶改为滚子，

14、如图4-104-10所示，其作图所示，其作图法如下：法如下：(1) (1) 首先把滚子中心看做尖顶件的尖顶，按照前述方法求出一条首先把滚子中心看做尖顶件的尖顶，按照前述方法求出一条轮廓曲线轮廓曲线0(0(也即滚子中心的轨迹也即滚子中心的轨迹) )，00称为此凸轮的理论轮廓称为此凸轮的理论轮廓曲线。曲线。(2) (2) 再以再以00上各点为圆心，以滚子半径上各点为圆心，以滚子半径rTrT为半径作系列圆，最为半径作系列圆，最后作这些圆的包络线后作这些圆的包络线，它便是使用滚子从动件时凸轮的实际轮，它便是使用滚子从动件时凸轮的实际轮廓曲线。由作图过程可知，滚子从动件凸轮的基圆半径和压力角廓曲线。由作

15、图过程可知，滚子从动件凸轮的基圆半径和压力角均应在理论轮廓曲线上度量。均应在理论轮廓曲线上度量。图图4-10 4-10 对心直动滚子从动件盘形凸轮对心直动滚子从动件盘形凸轮4.4.4 4.4.4 偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计 已知偏距为已知偏距为e e，基圆半径为，基圆半径为rbrb，凸轮以角速度，凸轮以角速度顺顺时针转动，从动件位移线图如图时针转动，从动件位移线图如图4-11(b)4-11(b)所示，设计该所示，设计该凸轮的轮廓曲线。凸轮的轮廓曲线。 设计步骤如下：设计步骤如下：(1) 确定凸轮机构初始位置(2) 等分基圆(3) 作从动件导路(4)

16、 作从动件尖顶轨迹(5) 绘制凸轮轮廓图图4-11 4-11 偏置直动尖顶从动件盘形凸轮偏置直动尖顶从动件盘形凸轮凸轮机构凸轮机构4.1 4.1 凸轮机构的应用和特点凸轮机构的应用和特点4.2 4.2 凸轮机构类型凸轮机构类型4.3 4.3 凸轮机构从动件常用的运动规律凸轮机构从动件常用的运动规律4.4 4.4 用图解法设计盘形凸轮的轮廓用图解法设计盘形凸轮的轮廓4.5 4.5 凸轮机构设计中的注意事项凸轮机构设计中的注意事项4.6 4.6 凸轮机构常用材料、结构和加工凸轮机构常用材料、结构和加工4.5.1 4.5.1 凸轮机构的压力角及校核凸轮机构的压力角及校核(1) 压力角及许用值压力角及

17、许用值(2)压力角的校核压力角的校核(3)凸轮轮廓急剧变化的位置凸轮轮廓急剧变化的位置图图4-12 4-12 凸轮机构的压力角凸轮机构的压力角4.5.2 4.5.2 基圆半径的确定基圆半径的确定v 基圆半径也是凸轮设计的一个重要参数，它对凸轮机基圆半径也是凸轮设计的一个重要参数，它对凸轮机构的结构尺寸、体积、质量、受力状况和工作性能等构的结构尺寸、体积、质量、受力状况和工作性能等都有重要影响。都有重要影响。v 设计时应根据具体情况合理选择，若对机构体积没有设计时应根据具体情况合理选择，若对机构体积没有严格要求时，可取较大的基圆半径，以便减小压力角，严格要求时，可取较大的基圆半径，以便减小压力角

18、，使机构具有良好的受力条件；若要求机构体积小、结使机构具有良好的受力条件；若要求机构体积小、结构紧凑，可取较小的基圆半径，但最大压力角不得超构紧凑，可取较小的基圆半径，但最大压力角不得超过许用压力角过许用压力角 。通常可在压力角。通常可在压力角 不超过许用压力不超过许用压力角的条件下，尽可能采用较小的基圆半径。一般可根角的条件下，尽可能采用较小的基圆半径。一般可根据经验公式确定据经验公式确定rbrb，即，即brs0.9d (7(710)mm 10)mm 4.5.3 4.5.3 滚子半径的选择滚子半径的选择v 从接触强度出发，滚子半径大一些好，但有些情况从接触强度出发，滚子半径大一些好，但有些情

19、况却要求滚子半径不能任意增大。如图却要求滚子半径不能任意增大。如图4-154-15所示，设所示，设滚子半径为滚子半径为rTrT，凸轮理论轮廓曲率半径为，凸轮理论轮廓曲率半径为，实际，实际轮廓曲率半径为轮廓曲率半径为。理论轮廓线内凹理论轮廓线内凹1理论轮廓线外凸理论轮廓线外凸2图图4-15 4-15 滚子半径的选择滚子半径的选择凸轮机构凸轮机构4.1 4.1 凸轮机构的应用和特点凸轮机构的应用和特点4.2 4.2 凸轮机构类型凸轮机构类型4.3 4.3 凸轮机构从动件常用的运动规律凸轮机构从动件常用的运动规律4.4 4.4 用图解法设计盘形凸轮的轮廓用图解法设计盘形凸轮的轮廓4.5 4.5 凸轮

20、机构设计中的注意事项凸轮机构设计中的注意事项4.6 4.6 凸轮机构常用材料、结构和加工凸轮机构常用材料、结构和加工4.6.1 4.6.1 凸轮及滚子的常用材料凸轮及滚子的常用材料v 凸轮机构是一种高副机构，其主要失效形式是凸轮与从凸轮机构是一种高副机构，其主要失效形式是凸轮与从动件接触表面的疲劳点蚀和磨损，前者是由变化的接触动件接触表面的疲劳点蚀和磨损，前者是由变化的接触应力引起的，后者是由摩擦引起的。因此，凸轮副材料应力引起的，后者是由摩擦引起的。因此，凸轮副材料应具有足够的接触强度和良好的耐磨性，特别是其接触应具有足够的接触强度和良好的耐磨性，特别是其接触表面应具有较高的硬度。凸轮及滚子的常用材料见表表面应具有较高的硬度。凸轮及滚子的常用材料见表4-34-3。构件材料热处理使用场合凸轮40、45、50调 质 2 3 0 260HBS速度较低、载荷不大的一般场合HT200、HT250、HT300退 火 1 7 0 250HBSQ T 6 0 0 - 3 、QT700-2