机械设计基础第3章 凸轮机构

1、 3-1 凸轮机构的应用及分类 3-2 推杆的运动规律 3-3 凸轮轮廓曲线的设计 3-4 凸轮机构基本尺寸的确定基本要求基本要求: :v了解凸轮机构的类型及特点了解凸轮机构的类型及特点v掌握从动件常用运动规律的特点掌握从动件常用运动规律的特点v掌握凸轮机构基本尺寸确定的原则掌握凸轮机构基本尺寸确定的原则v熟练掌握反转法原理并进行凸轮机构设计熟练掌握反转法原理并进行凸轮机构设计机械设计基础凸轮机构一、组成二、特点三、分类四、应用机械设计基础凸轮机构一、凸轮机构的组成一、凸轮机构的组成v动画动画、动画动画2v由三个构件组成的一种高副（点、由三个构件组成的一种高副（点、线接触）机构线接触）机构v凸

2、轮凸轮cam：具有某种曲线轮廓或凹具有某种曲线轮廓或凹槽的构件槽的构件v推杆推杆/ 从动件从动件follower，运动规律，运动规律由凸轮廓线和运动尺寸决定由凸轮廓线和运动尺寸决定v机架机架 frame推杆凸轮机械设计基础凸轮机构二、特点二、特点优点：优点：v构件少、运动链短、结构简单、紧凑；构件少、运动链短、结构简单、紧凑；v易使从动件得到各种预期的运动规律；易使从动件得到各种预期的运动规律；v设计方便设计方便缺点：缺点：v点、线接触，易磨损，不适合高速、重载点、线接触，易磨损，不适合高速、重载推杆凸轮机械设计基础凸轮机构三、分类三、分类1 按凸轮的形状分2 按从动件的形状分3 按从动件的运

3、动形式分4 按从动件的布置形式分5 按凸轮高副的锁合方式分6 小结推杆凸轮机械设计基础凸轮机构1 按凸轮的形状分按凸轮的形状分v盘形凸轮盘形凸轮凸轮呈向径变化的盘形凸轮呈向径变化的盘形结构简单结构简单, 应用最广泛应用最广泛v移动凸轮移动凸轮凸轮呈板型凸轮呈板型, 直线移动直线移动v圆柱凸轮圆柱凸轮空间凸轮机构空间凸轮机构凸轮轮廓做在圆柱体上凸轮轮廓做在圆柱体上空间运动空间运动推杆凸轮凸轮推杆推杆凸轮机械设计基础凸轮机构2 按从动件的形状分按从动件的形状分尖顶推杆尖顶推杆 v尖顶始终能够与凸轮轮尖顶始终能够与凸轮轮廓保持接触，可实现复廓保持接触，可实现复杂的运动规律杂的运动规律v易磨损，只宜用

4、于轻载、易磨损，只宜用于轻载、低速低速滚子推杆滚子推杆 v耐磨、承载大，较常用耐磨、承载大，较常用平底推杆平底推杆 v接触面易形成油膜，利于接触面易形成油膜，利于润滑，常用于高速运动润滑，常用于高速运动v配合的凸轮轮廓必须全部配合的凸轮轮廓必须全部外凸外凸尖顶推杆尖顶推杆滚子推杆滚子推杆平底推杆平底推杆平底推杆平底推杆机械设计基础凸轮机构3 按从动件的运动形式分按从动件的运动形式分v直动推杆直动推杆往复移动往复移动轨迹为直线轨迹为直线v摆动推杆摆动推杆往复摆动往复摆动轨迹为圆弧轨迹为圆弧尖顶推杆尖顶推杆滚子推杆滚子推杆平底推杆平底推杆直动推杆直动推杆摆动推杆摆动推杆机械设计基础凸轮机构4 按从

5、动件的布置形式分按从动件的布置形式分v对心直动推杆对心直动推杆v偏置偏置直动推杆直动推杆尖顶推杆尖顶推杆滚子推杆滚子推杆机械设计基础凸轮机构5 按凸轮高副的锁合方式分：力锁合按凸轮高副的锁合方式分：力锁合机械设计基础凸轮机构5 按凸轮高副的锁合方式分：形锁合按凸轮高副的锁合方式分：形锁合机械设计基础凸轮机构5 按凸轮高副的锁合方式分：形锁合按凸轮高副的锁合方式分：形锁合机械设计基础凸轮机构6 小结小结机械设计基础凸轮机构6 小结小结v一般凸轮机构的命名原则一般凸轮机构的命名原则:布置形式布置形式+运动形式运动形式+推杆形状推杆形状+凸轮形状凸轮形状对心对心直动直动尖尖顶推杆顶推杆盘形盘形凸轮凸

6、轮机构机构偏置偏置直动直动滚滚子推杆子推杆盘形盘形凸轮凸轮机构机构摆摆动动平底推杆平底推杆盘形凸轮盘形凸轮机构机构机械设计基础凸轮机构四、应用四、应用机械设计基础凸轮机构四、应用四、应用机械设计基础凸轮机构v绕线机构绕线机构P40图图3-2四、应用四、应用机械设计基础凸轮机构四、应用四、应用机械设计基础凸轮机构一、凸轮机构的运动过程二、推杆常用运动规律三、选择运动规律应注意的问题机械设计基础凸轮机构A一、凸轮机构的运动过程一、凸轮机构的运动过程v从动件的运动规律是指从动件的位移、速度、加速度等随从动件的运动规律是指从动件的位移、速度、加速度等随时间时间t t或凸轮转角或凸轮转角j j变化的规律

7、变化的规律v基圆基圆( (以凸轮轮廓最小向径所组成的圆以凸轮轮廓最小向径所组成的圆) )，基圆半径，基圆半径r r0 0v推程推程，推程运动角，推程运动角 0 0v远休止远休止，远休止角，远休止角 0101 v回程回程，回程运动角，回程运动角 0 0 v近休止近休止，近休止角，近休止角 0202 v行程（升程）行程（升程），h hv运动线图运动线图: 从动件的位移、速度、加速度等随时从动件的位移、速度、加速度等随时间间t t或凸轮转角或凸轮转角j j变化关系图变化关系图0 010 02r0 0推程推程 01远休止远休止 0回程回程 02近休止近休止ts0BCDhA机械设计基础凸轮机构二、推杆常

8、用运动规律二、推杆常用运动规律1 等速运动2 等加速等减速运动3 摆线运动v注意：注意：v为便于理解各种运动规律特性为便于理解各种运动规律特性, 本章将运动规律单独应用于推本章将运动规律单独应用于推程或回程程或回程机械设计基础凸轮机构1 等速运动等速运动一次多项式运动规律一次多项式运动规律推程推程(00)v运动方程：运动方程：v位移方程：位移方程：v速度方程：速度方程：v加速度方程：加速度方程：v运动线图运动线图v冲击特性：冲击特性：始点、末点刚性冲击始点、末点刚性冲击v适用场合：适用场合：低速轻载低速轻载hs 0 0v 0a 0- Displacement VelocityAccelerat

9、ion tvhs00/Cvhv00/0a+ 机械设计基础凸轮机构等速运动等速运动（续）（续）回程回程(00)v运动方程：运动方程：v位移方程：位移方程：v速度方程：速度方程：v加速度方程：加速度方程：v运动线图运动线图v冲击特性：冲击特性：始点、末点刚始点、末点刚性冲击性冲击v适用场合：适用场合：低速轻载低速轻载01 / hs/0 hv0as 0v 0a 00- + - 0hDisplacement VelocityAcceleration 机械设计基础凸轮机构2 等加速等减速运动等加速等减速运动二次多项式运动规律二次多项式运动规律v推程推程v运动方程运动方程:v运动线图运动线图v冲击特性：冲

10、击特性：起、中、末点柔性冲击起、中、末点柔性冲击v适用场合：适用场合：中、低速轻载中、低速轻载2022hs 20202 )(hhss 00v 0a 0h/2h/20/20/2h204hv 2024 ha 2004 )(hv2024 ha(00/2)(0/20)加速段加速段减速段减速段位移方程位移方程速度方程速度方程加速度方程加速度方程机械设计基础凸轮机构3 摆线运动摆线运动正弦加速度运动正弦加速度运动推程推程v运动方程：运动方程：v运动线图运动线图v冲击特性：冲击特性：无冲击无冲击v适用场合：适用场合：高速轻载高速轻载avj0 j00 1 2 3 4 5 6 7 8shA2phj0 00221

11、 ppp p sinhs0021 pp coshv020222 pp p psinha机械设计基础凸轮机构提问：v从动件的运动规律有哪几种？v从动件的运动规律各产生什么冲击？冲击是否在整个推程都有？若不是，在推程的什么位置有呢？v从动件的运动规律个适用于什么场合？三、选择运动规律应注意的问题三、选择运动规律应注意的问题v实际使用时实际使用时, 推程或回程的运动规律可采用单一运动规律推程或回程的运动规律可采用单一运动规律,也可以也可以将几种运动规律复合使用将几种运动规律复合使用1. 当机械的工作过程只要求推杆实现一定的工作行程，而对运动当机械的工作过程只要求推杆实现一定的工作行程，而对运动规律无

12、特殊要求时，主要考虑动力特性和便于加工规律无特殊要求时，主要考虑动力特性和便于加工v低速轻载时，便于加工优先；低速轻载时，便于加工优先；v速度较高时，动力特性优先。速度较高时，动力特性优先。2. 当机械的工作过程对推杆运动规律有特殊要求时：当机械的工作过程对推杆运动规律有特殊要求时：v转速较低时，首先满足运动规律，其次再考虑动力特性和加工转速较低时，首先满足运动规律，其次再考虑动力特性和加工v转速较高时，兼顾运动规律和动力特性，采用组合运动转速较高时，兼顾运动规律和动力特性，采用组合运动机械设计基础凸轮机构一、凸轮廓线设计的基本原理二、作图法设计凸轮廓线机械设计基础凸轮机构一、凸轮廓线设计的基

13、本原理一、凸轮廓线设计的基本原理机械设计基础凸轮机构AAAAAAAAAAA A A一、凸轮廓线设计的基本原理一、凸轮廓线设计的基本原理v解析法、作图法解析法、作图法相对运动原理法相对运动原理法:(也称反转法也称反转法):v对整个系统施加对整个系统施加- 运动运动v此时，凸轮保持不动此时，凸轮保持不动v推杆作复合运动推杆作复合运动=反转运动反转运动(- ) +预期运动预期运动(s)A Ar0 - r0机械设计基础凸轮机构一、凸轮廓线设计的基本原理一、凸轮廓线设计的基本原理v找推杆反转时的位置找推杆反转时的位置v找推杆往复移动的位置找推杆往复移动的位置A A- r0机械设计基础凸轮机构v找复合点找

14、复合点反转法二、作图法设计凸轮廓线二、作图法设计凸轮廓线v作图步骤：作图步骤：1 根据从动件的运动规律：作出位移线根据从动件的运动规律：作出位移线图图S2-1，并等分角度，并等分角度2 定基圆定基圆3 作出推杆在反转运动中依次占据的位作出推杆在反转运动中依次占据的位置置4 据运动规律，求出从动件在预期运动据运动规律，求出从动件在预期运动中依次占据的位置中依次占据的位置5 将两种运动复合，就求出了从动件尖将两种运动复合，就求出了从动件尖端在复合运动中依次占据的位置点端在复合运动中依次占据的位置点6 将各位置点联接成光滑的曲线将各位置点联接成光滑的曲线7 在理论轮廓上再作出凸轮的实际轮廓在理论轮廓

15、上再作出凸轮的实际轮廓1 对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构2 对心直动滚子推杆盘形凸轮机构3 对心直动平底推杆盘形凸轮机构4 偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构5 摆动推杆盘形凸轮机构6 小结机械设计基础凸轮机构1 对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构已知：已知：r0，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动设计：设计：凸轮廓线凸轮廓线解：解： 1. 定比例尺定比例尺 l v2. 初始位置及推杆位移曲线初始位置及推杆位移曲线v3. 确定推杆确定推杆反转运动反转运动占据的占据的各位置各位置v4. 确定推杆确定推杆预期运动预期运动占据的占据的各位置各位置v5.

16、推杆高副元素族推杆高副元素族v6. 推杆高副元素的包络线推杆高副元素的包络线s0h120060090090机械设计基础凸轮机构2 对心直动滚子推杆盘形凸轮机构对心直动滚子推杆盘形凸轮机构已知：已知：r0，推杆运动规律，滚子半径，推杆运动规律，滚子半径rr, 凸轮逆时针方向转动凸轮逆时针方向转动设计：设计：凸轮廓线凸轮廓线解：解： 1. 定比例尺定比例尺 l v2. 初始位置及推杆位移曲线初始位置及推杆位移曲线v注：两条廓线，理论注：两条廓线，理论实际廓线实际廓线v实际廓线基圆实际廓线基圆rminv理论廓线基圆理论廓线基圆r0v3. 确定推杆确定推杆反转运动反转运动占据的各位占据的各位置置v4.

17、 确定推杆确定推杆预期运动预期运动占据的各位占据的各位置置v5. 推杆高副元素族推杆高副元素族v6. 推杆高副元素的包络线推杆高副元素的包络线s0h120060090090理论轮廓理论轮廓实际轮廓实际轮廓机械设计基础凸轮机构s0h1200600900903 对心直动平底推杆盘形凸轮机构对心直动平底推杆盘形凸轮机构已知：已知：r0，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动设计：设计：凸轮廓线凸轮廓线解：解： 1. 定比例尺定比例尺 l v2. 初始位置及推杆位移曲线初始位置及推杆位移曲线v3. 确定推杆确定推杆反转运动反转运动占据的占据的各位置各位置v4. 确定确定推杆

18、预期推杆预期运动占据的运动占据的各位置各位置v5. 推杆高副元素族推杆高副元素族v6. 推杆高副元素的包络线推杆高副元素的包络线机械设计基础凸轮机构了解了解实际轮廓实际轮廓s0h1200600900904 偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构已知：已知：r0，偏置圆半径，偏置圆半径e，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动设计：设计：凸轮廓线凸轮廓线解：解： 1. 定比例尺定比例尺 l v2. 初始位置及推杆位移曲线初始位置及推杆位移曲线v偏距圆、基圆偏距圆、基圆v3. 确定推杆确定推杆反转运动反转运动占据的占据的各位置各位置v4. 确定推杆确定

19、推杆预期运动预期运动占据的占据的各位置各位置v5. 推杆高副元素族推杆高副元素族v6. 推杆高副元素的包络线推杆高副元素的包络线机械设计基础凸轮机构了解了解5 摆动推杆盘形凸轮机构摆动推杆盘形凸轮机构r0r0分析：分析：机械设计基础凸轮机构摆动推杆盘形凸轮机构摆动推杆盘形凸轮机构设计设计已知：已知：r0，机架长度，推杆运动，机架长度，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动规律，凸轮逆时针方向转动设计：设计：凸轮廓线凸轮廓线解：解： 1. 定比例尺定比例尺 l v2. 初始位置及推杆位移曲线初始位置及推杆位移曲线v3. 确定推杆确定推杆反转运动反转运动占据的各占据的各位置位置v4. 确定推杆确定推杆预

20、期运动预期运动占据的各占据的各位置位置v5. 推杆高副元素族推杆高副元素族v6. 推杆高副元素的包络线推杆高副元素的包络线f210F120060090090f21f22f23f24f25f26f27f28f29f210f211f212机械设计基础凸轮机构6 小结小结应用反转法时应注意：应用反转法时应注意：v要能正确理解凸轮要能正确理解凸轮实际廓线实际廓线和和理论廓线理论廓线的关系的关系v要正确确定推杆的反转方向要正确确定推杆的反转方向v正确确定推杆在反转运动中占据的位置正确确定推杆在反转运动中占据的位置直动推杆：直动推杆：推杆在反转前后两位置线的夹角应等于凸轮的转角推杆在反转前后两位置线的夹角

21、应等于凸轮的转角摆动推杆：摆动推杆：反转前后推杆摆动中心和凸轮轴心的两连线之间的夹角应等于反转前后推杆摆动中心和凸轮轴心的两连线之间的夹角应等于凸轮的转角凸轮的转角v正确确定推杆的位移或摆角正确确定推杆的位移或摆角直动推杆：直动推杆：位移等于推杆所在位置与理论廓线的交点和与基圆交点之间的位移等于推杆所在位置与理论廓线的交点和与基圆交点之间的距离距离摆动推杆：摆动推杆：角位移等于推杆所在位置与推杆起始位置之间的夹角角位移等于推杆所在位置与推杆起始位置之间的夹角机械设计基础凸轮机构v实际廓线曲率半径：实际廓线曲率半径： av理论廓线曲率半径：理论廓线曲率半径： v滚子半径：滚子半径： rr1 内凹凸轮廓线内凹凸轮廓线v a= +rrv理论廓线最小理论廓线最小v结论：结论：无论滚子半径多大，总能由理无论滚子半径多大，总能由理论廓线得到论廓线得到实际廓线实际廓线三、滚子半径与凸轮轮廓曲线形状的关系三、滚子半径与凸轮轮廓曲线形状的关系2 外凸凸轮廓线外凸凸轮廓线v a= -rrv rr， a0，实际廓线平滑