第六讲凸轮机构及其设计2013

1、第六讲 凸轮机构及其设计（一）凸轮机构的应用和分类一、凸轮机构1组成：凸轮，推杆，机架。2优点：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且机构简单紧凑。 缺点：凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损，所以凸轮机构多用在传力不大的场合。二、凸轮机构的分类1按凸轮的形状分：盘形凸轮 圆柱凸轮2按推杆的形状分尖顶推杆：结构简单，能与复杂的凸轮轮廓保持接触，实现任意预期运动。易遭磨损，只适用于作用力不大和速度较低的场合滚子推杆：滚动摩擦力小，承载力大，可用于传递较大的动力。不能与凹槽的凸轮轮廓时时处处保持接触。平底推杆：不考虑摩擦时，凸轮对推杆的作用力与从动件平底垂直，受

2、力平稳；易形成油膜，润滑好；效率高。不能与凹槽的凸轮轮廓时时处处保持接触。3按从动件的运动形式分（1）往复直线运动：直动推杆，又有对心和偏心式两种。（2）往复摆动运动：摆动推杆，也有对心和偏心式两种。4根据凸轮与推杆接触方法不同分：（1）力封闭的凸轮机构：通过其它外力（如重力，弹性力）使推杆始终与凸轮保持接触，（2）几何形状封闭的凸轮机构：利用凸轮或推杆的特殊几何结构使凸轮与推杆始终保持接触。等宽凸轮机构等径凸轮机构共轭凸轮（二）推杆的运动规律一、基本名词：以凸轮的回转轴心O为圆心，以凸轮的最小半径r0为半径所作的圆称为凸轮的基圆，r0称为基圆半径。推程：当凸轮以角速度转动时，推杆被推到距凸轮

3、转动中心最远的位置的过程称为推程。推杆上升的最大距离称为推杆的行程，相应的凸轮转角称为推程运动角。回程：推杆由最远位置回到起始位置的过程称为回程，对应的凸轮转角称为回程运动角。休止：推杆处于静止不动的阶段。推杆在最远处静止不动，对应的凸轮转角称为远休止角；推杆在最近处静止不动，对应的凸轮转角称为近休止角二、推杆常用的运动规律 1刚性冲击：推杆在运动开始和终止时，速度突变，加速度在理论上将出现瞬时的无穷大值，致使推杆产生非常大的惯性力，因而使凸轮受到极大冲击，这种冲击叫刚性冲击。2.柔性冲击：加速度有突变，因而推杆的惯性力也将有突变，不过这一突变为有限值，因而引起有限冲击，叫柔性冲击。3.掌握等

4、速运动规律和等加速等减速运动规律的推程的速度、位移、加速度的方程：推杆运动规律推杆在推程或回程时，其位移 s、速度 v 和加速度 a 随时间 t 变化的规律。3.1 多项式运动规律：一般表示为： s = C0+ C1+ C22+ Cnn （1）一次多项式运动规律（等速运动规律） 推程： s=h/0 v = h/0 a =0 回程： s=h(1-/0) v=-h/0 a=0图示为其推程运动线图。由图可知，有刚性冲击。（2）二次多项式运动规律（等加等减速运动规律） 推程增速段： s = 2h2/02 v = 4h/02 a = 4h2/02 推程减速段： s = h-2h(0-)2/02 v =

5、4h(0-)/ 02 a = -4h2/02由图知，有柔性冲击。（3）五次多项式运动规律 其位移方程式为：s= 既没有柔性冲击，也没有刚性冲击。2.2 三角函数运动规律（1） 余弦加速度运动规律（又称简谐运动规律）推程运动方程式为 回程运动方程式为 由图知，亦有柔性冲击，只是冲击的次数有所减少。（2） 正弦加速度运动规律（又称摆线运动规律）推程运动方程式为 回程运动方程式为 由图知，既没有刚性冲击，也没有柔性冲击。常见题型：1.（15分）设一对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构推杆的行程，推程运动角。试分别绘出等速运动规律、等加速等减速运动规律和余弦加速度运动规律在推程段的推杆位移线（）图；并简述该三

6、种运动规律对凸轮机构产生的冲击情况；若凸轮以等角速度逆时针回转，基圆半径，试以余弦加速度运动规律绘出在推程段的凸轮轮廓曲线。（山科2009）2.（山科2010）3.（15分）如图6所示为凸轮机构推程阶段的运动线图。设凸轮以等角速度转动，在推程时，凸轮的运动角为，推杆完成行程，该推杆运动规律为哪一种运动规律？试推导出该推杆推程的运动方程，并分析受到的冲击情况。图6（三） 凸轮轮廓曲线的设计一、凸轮廓线设计方法的基本原理1原理：反转法。在设计凸轮廓线时，可假设凸轮静止不动，而使推杆相对于凸轮作反转运动，同时又在其导轨内作预期运动，作出推杆在这种复合运动中的一系列位置，则其尖顶轨迹就是所求的凸轮廓线

7、。一般步骤：（1）作出推杆在反转中依次占据的位置。（2）根据选定的运动规律，求出推杆在预期运动中依次占据的位置。（3）作出轮廓线。二、用作图法设计凸轮轮廓1对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构已知：基圆半径 ，凸轮等逆时针转动，运动规律已知要求：设计一对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构。步骤：（1）画位移线图，并对其作等分。（2）取适当比例尺 ，根据已知作出基圆。（3）确定推杆在反转中占据的各位置（相应于运动线图对基圆作相应等分）（4）确定推杆尖顶在预期运动中占据的各位置。（5）连接各点成光滑曲线。2.偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构3.偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构已知：基圆半径 ，滚子半径 ，凸轮等逆时针转动

8、，运动规律已知要求：设计一偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构。说明：（1）理论轮廓线：滚子中心的轨迹线。（2）实际轮廓线：与滚子直接接触的凸轮轮廓曲线，又称工作廓线。（3）凸轮的基圆半径是指理论廓线的基圆半径。4对心直动平底推杆盘形凸轮机构已知：基圆半径 ，凸轮等逆时针转动，运动规律已知。要求：设计一对心直动平底推杆盘形凸轮机构。图5.18所示为对心直动平底从动件盘形凸轮机构，其设计基本思路与上述滚子从动件盘形凸轮机构相似。轮廓曲线具体作图步骤如下：取平底与从动件轴线的交点A当作从动件的尖顶，按照上述尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计方法，求出该尖顶反转后的一系列位置A1、A2、A15；然后过点A1、

9、A2、A15作一系列代表平底的直线，则得到平底从动件在反转过程中的一系列位置，再作这一系列位置的包络线即得到平底从动件盘形凸轮的实际轮廓曲线。5摆动尖顶推杆盘形凸轮机构已知：基圆半径 ，位移曲线，摆杆长 ，机架距OA。要求：作一摆动尖顶推杆盘形凸轮机构。分析：要注意到这儿的位移曲线的位移是指角度。（四） 凸轮机构的基本尺寸的确定一、凸轮机构的压力角及其校核1压力角：推杆在与凸轮接触点处所受正压力的方向（接触点法线方向）与该点速度方向之间的锐角。2压力角的数学表达式的推导：正确偏置：导路位于与凸轮旋转方向相反的位置。（即逆转右偏，顺转左偏）注意：用偏置法可减小推程压力角，但同时增大了回程压力角，

10、 故偏距 e 不能太大。3.凸轮基圆半径的确定对于偏置尖顶直动从动件盘形凸轮机构，如果限制推程的压力角，则可由式压力角的公式导出基圆半径的计算公式为提问：在设计一对心凸轮机构时，当出现 的情况，在不改变运动规律的前提下，可采取哪些措施来进行改进？1)加大基圆半径r0 ：r0 2)将对心改为正偏置：e 3)采用平底从动件, =04滚子半径的确定对于外凸轮廓，要保证正常工作，应使：min> rr 第一类：直动尖顶从动件偏心圆凸轮机构1.如图所示，有一对心直动尖顶从动件偏心圆凸轮机构，O为凸轮几何中心，O1为凸轮转动中心，直线 ，O1OOA，圆盘半径R = 60 mm。试根据上述条件确定基圆半

11、径0、行程，C 点压力角c 和D 点接触时的位移D 、压力角D 。(要求在图中画出并同时计算出)解：(1)mm ； (2)mm ； (3)； (4)mm (5) 2一偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构如图（）所示。已知凸轮为一偏心圆盘，圆盘半径，几何中心为，回转中心为，推杆偏距，凸轮以等角速度逆时针方向转动。当凸轮在图示位置，即时，试求：（）凸轮的基圆半径；（）图示位置的凸轮机构压力角；（）图示位置的凸轮转角；（）图示位置的推杆的位移；（）该凸轮机构中的推杆偏置方向是否合理，为什么？河北工业2012第二类：滚子从动件盘形凸轮机构第三类：平底从动件盘形凸轮机构第四类：摆动从动件盘形凸轮机构如所示为一摆

12、动从动件盘形凸轮机构。C为起始上升点。求：1 标出从点C接触到点D接触时的凸轮转角，从动件的位移；2 标出点D接触时的压力角。(a) (b)解题要点：当从动件为摆动从动件时，如何正确使用反转法原理。解：取长度比例尺作机构图如例3-7(b)图所示。1 以凸轮转动中心O为圆心，分别以机架长度OA为半径，以滚子在C点接触时的中心与凸轮转动中心O的距离为半径作中心圆和理论廓线的基圆。根据反转法原理，从动件摆杆与凸轮廓线的接触点C点沿方向移动到D点。故以摆杆长AB为半径，以点为圆心作弧与中心圆交于点，则是摆杆与凸轮廓线在C点接触时的位置。过A点，点分别向O点作连线，则为从动件从点C接触到点D接触时的凸轮

13、转角。以摆杆长度为半径，以A为圆心作弧与基圆交于点，则，也即是从动件摆动的位移。2 过B、D两点作直线nn，nn即为从动件摆杆在D点接触时的公法线。nn与B点的速度之间所夹的锐角即为该位置的压力角。（南理2010）（北交）东南2012南理2012第五类：不规则凸轮轮廓的题型2012年1、填充题1）凸轮机构从动件按余弦加速度规律运动时，在运动开始和终止的位置，加速度有突变，会产生柔性冲击。2）根据从动件凸轮廓线保持接触方法的不同，凸轮机构可分为力封闭和几何形状封闭两大类型。写出两种几何形状封闭的凸轮机构槽道凸轮和等径凸轮。3）为了使凸轮廓面与从动件底面始终保持接触，可以利用 从动件自身的重力 ，

14、 弹簧力 ，或依靠凸轮上的 几何形状 来实现。4）凸轮机构的主要优点为只要适当地设计出凸轮廓线，就可以是从动件可以各种预期的运动规律 。主要缺点为 从动件与凸轮之间是高副（点接触、线接触），易磨损，所以凸轮机构多用在传力不大的场合 。5)为减小凸轮机构的推程压力角，可将从动杆由对心改为偏置，正确的偏置方向是将从动杆偏在凸轮转动中心的 正偏置 侧。6）凸轮机构的从动件按等加速等减速运动规律运动，在运动过程中， 加速度 将发生突变，从而引起 柔性 冲击。7）当凸轮机构的最大压力角超过许用压力角时，可采取以下措施来减小压力角 增大基圆半径、改变偏置方向 。8)凸轮基圆半径是从 凸轮转动中心 到 理论

15、廓线 的最短距离。 9）平底垂直于导路的直动杆盘形凸轮机构，其压力角等于 0 。 10）在凸轮机构推杆的四种常用运动规律中， 等速运动 运动规律有刚性冲击； 等加速等减速、余弦加速度 运动规律有柔性冲击； 正弦加速度 运动规律无冲击。 11）凸轮机构推杆运动规律的选择原则为 首先要满足机器的工作要求，同时还应使机器具有良好的动力特性和使所设计的凸轮便于加工。 12）设计滚子推杆盘形凸轮机构凸轮廓线时，若发现工作廓线有变尖现象时，则尺寸参数上应采取的措施是 适当增大基圆半径或适当减小滚子半径 。2、选择题及简答1）滚子从动件盘形凸轮的理论廓线和实际廓线之间的关系为（d） a)两条廓线相似

16、0;                 b)两条廓线相同 c)两条廓线之间的径向距离相等    d)两条廓线之间的法向距离相等 2）何谓凸轮机构的压力角？其在凸轮机构的设计中有何重要意义？一般是怎样处理的？ 3）设计直动推杆盘形凸轮机构时，在推杆运动规律不变的条件下，要减小推程压力角，可采用哪两种措施？措施1、将对心只动从动件改为偏置只动从动件措施2、增大凸轮基圆半径6.试标出图（）在图示位置时凸轮机构的压力角，凸轮从图示位置转过°后推杆的位移；标出图（）推杆从图示位置升高位移时，凸轮的转角和凸轮机构的压力角。解 如下图（）所示，用直线连接圆盘凸轮圆心和滚子中心，则直线与推杆导路之间所夹的锐角为图示位置时凸轮机构的压力角。以为圆心，为半径作圆，得凸轮的理论廓线圆。连接与凸轮的转动中心并延长，交于凸轮的理论廓线于点。以为圆心，以为半径作圆得凸轮的基圆。