凸轮机构设计

1、2 1 概概 述述一、凸轮机构在自动机械中的应用一、凸轮机构在自动机械中的应用 凸轮机构是由凸轮、推杆和机架三个主要构件所组成的高副机构。当凸轮运动时，通过其曲线轮廓与推杆的高副接触，使推杆得到预期的运动。优点是：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就能使推杆得到各种预期的运动规 律，并且机构简单紧凑、工作可靠、精度稳定、制造成本低和维修容易。缺点是：凸轮轮廓与推杆之间不点接触或线接触，易磨损。所以一般用在传动力 不大的控制与调节系统。 举例：举例： 在凸轮1 的推动下，天平摆架2 绕心轴3 摆动，使刀具4 和5 分别对料6 作切入进给运动。 在凸轮1的推动下，从动件2作直线往复运动，再通过直角杠

2、杆，驱动主轴箱3作来回运动。在平面槽凸轮机构1、从动连杆机构2和偏心轮3、摆杆机构4的共同作用下，糖块推头5按所需的平面曲线轨迹 运动。 糖纸扭结机械手爪1，在每一个工作循环中要完成三个动作要求。 1. 在圆柱凸轮7的作用下，通过摆动杆8使爪1作开合运动。 2. 在圆柱凸轮5、摆杆6的作用下，使爪1作轴向送进和回退运动。 3. 在大齿轮4和小齿轮3的作用下，爪1作连续旋转运动。 在圆柱凸轮1和移动从动件2的作用下，送料夹头3作轴向往复运动。 在凸轮1的作用下，通过摆动杠杆2，使送料夹头的滑块3作轴向往复运动。齿轮5隨摆动杠杆2的摆动而摆动，使齿条套6及触头7上下移动，当棒料送完时，由于送料夹头

3、回程无阻力而速度加快，并在弹簧9的作用下，使摆动杠杆附加转过一个角度，从而使触头7压动微动开关8，使机床自动停车。 二、凸轮机构的基本分类二、凸轮机构的基本分类 1按凸轮的形状分： 1）盘形凸轮 是一个具有变化向径的盘形构件，推杆行程不能太大，否则 凸轮和径向尺寸变化过大。 2）移动凸轮 当盘形凸轮的回转半径为无穷大时，凸轮相对机架作直线往 复运动。 3）圆柱凸轮 是一个在圆柱面上开有曲线凹槽，或在圆柱端面上作出曲线 轮廓的构件。可得到较大的行程。 2按推杆（从动件）的形状分： 1）尖端推杆 构造最简单，但最易磨损。用于轻载、低速场合。 2）滚子推杆 滚子与凸轮轮廓之间是滚动摩擦，磨损较小。用

4、于重载低速 场合。 3）平底推杆 压力角为零，受力比较平稳。接触面间易形成油膜，传动效 率较高，磨损少，用于高速场合。 3按凸轮与推杆保持接触的的方式分： 1）力封闭的凸轮机构。 利用重力、弹簧力或其它外力。 2）几何封闭的凸轮机构。 靠凸轮与推杆的特殊几何结构来保持两者接触的。如利用凹槽或定径凸 轮、定宽凸轮等。 4按从动件的运动方式分： 1）移动从动杆。 2）摆动从动杆。 将不同类型的凸轮和推杆组合起来,就可得到各种不同型式的凸轮机构,下图列 出的凸轮机构,可供设计凸轮机构选择类型时参考。 三、凸轮机构的设计步骤三、凸轮机构的设计步骤 1凸轮机械的结构设计： 1）凸轮类型的选择。 2）从动

5、件类型的选择。 3）触头型式的选择。 4）触头与凸轮锁合方式的选择。 5）凸轮与轴的连接结构的选择。 2凸轮廓线的设计： 1） 选择从动件的运动规律。 2） 选择最佳压力角。 3） 确定凸轮的升程和转角。 4） 计算凸轮的基圆半径。 5） 绘制凸轮的理论廓线和实际廓线。 3设计凸轮的工作图： 1） 一组完整的视图。 2） 确定凸轮的尺寸、制造精度、表面粗糙度、材料和热处理方法等。 3） 绘制凸轮“升程表”或展开图。 R040.000 540.052 1040.394 1541.283 2042.818 2544.930 3047.492 3550.194 4051.976 4554.888 5

6、056.420 5557.312 6057.654 6557.700 技术要求技术要求1.曲线部分及曲线圆弧过渡部分修整平滑。 2.表面淬火HRC4045。3.各点的向径R R的公差为0.2 。 4.调整好后钻锥孔。 5.材料为45号钢。 22 22 凸轮机构的结构设计凸轮机构的结构设计一、凸轮类型的选择一、凸轮类型的选择 设计时按执行机构的工艺要求、运动和负载特性、空间位置等因素进行选择。 例：精度要求高 盘形凸轮。 行程较大 圆柱凸轮。 往复运动要求可靠 槽形凸轮。 又如当凸轮的转速 200r/min时,或当从动件只要求作简单的往复运动, 我们往往选用偏心轮机构。 n二、从动杆结构形式的选

7、择二、从动杆结构形式的选择 1从动杆运动方式的选择： 直动从动杆 结构简单，凸轮廓线也简单；但摩擦力大，压力 角太大会产生自锁；故从动杆的悬伸量不宜太大， 且其移动导轨要有足够的长度和跨距。 摆动从动杆 摩擦阻力小，受力情况好，不易自锁，结构简单， 容易制造；凸轮廓线设计较复杂。 一般常选择摆动从动杆。 2摆动从动杆的杠杆比选择： 可调杠杆比结构通常用于从动件的 工作行程需要变换的场合。有等比 和不等比两种： 杠杆比1称为行程放大的杠杆比， 杠杆比1称为行程缩小的杠杆比。 等比杠杆 一般情况 行程放大 工作行程很大 行程缩小 工作行程很小 尖顶式 结构简单，运动精度高，但易磨损；用于精度要求高

8、，受力不大， 运动速度低和润滑条件好的场合。如钟表、仪器、照相机、制笔等 小型精密的自动机械中。 滚子式 摩擦小，耐磨损性能好，可承受较大的力，但结构较复杂；用于运 动精度要求不高、中等以上载荷的场合。 平底式 压力角为零，受力情况好，高速工作时底面与凸轮间易形成油膜， 减少摩擦、磨损。但运动精度差；凸轮廓线呈凹形时不能用，有时 会出现“失真”现象，即凸轮的实际廓线不能与平底 所有的位置相切。常用于小型、高速凸轮机构中。 三、触头的结构形式选择三、触头的结构形式选择 尖顶式、滚子式、平底式 四、从动件与凸轮的锁合方式选择四、从动件与凸轮的锁合方式选择 1. 重锤式 结构简单，锁合力为等值，但占

9、空间尺寸较大，使用不广泛。 2弹簧式 外形尺寸小，锁合力有变化，有冲击或振动，弹簧使机构受力 增大，加快凸轮机构的磨损。适用于中低速、中轻载的场合。 3. 凸轮沟槽式 锁合结构，工作可靠，但制造较难，滚子与沟槽的间隙存 在，有附加的冲击和振动。适用于要求从动件工作可靠、 高速、重载的场合。五、凸轮与轴的连接结构形式的选择五、凸轮与轴的连接结构形式的选择 要求：即能使凸轮与轴作周向和轴向的固定，又能作必要的周向和轴向的调 整。 1钉销结构 先由螺钉固定，再配作销钉。 2螺母固定结构 轴向固定靠轴肩，周向能任意调节，靠摩擦力传递扭矩； 能快速装卸凸轮。适用于需要经常更换凸轮，且受力不 大的场合。

10、3端面细牙可调结构 周向可调（每调一牙3.60），靠细牙离合器传递扭 矩。适用于需要定期更换凸轮，且受力较大的场合。 4分体式结构 轮毂用键和螺钉固定在分配轴上，凸轮用螺钉固定在轮毂 上；凸轮上开有圆弧槽，可作一定范围内的周向调整。 5. 弹性开口环结构 也是靠摩擦力固定于轴上，但它可传递较大的扭矩， 且安装、调试方便。 23 从动件运动规律选择从动件运动规律选择一、运动规律的无因次表示法一、运动规律的无因次表示法 1位移 mmthh 2速度 smmdtdhtvv/ 3加速度 222/smmdthddtdvtaa 4跃度 33322/smmdthddtvddtdatjj 5无因次时间 HttT

11、 6无因次位移 HhS 7无因次速度 dTdSV 8无因次加速度 22dTSddTdVA 9无因次跃度 3322dTSddTVddTdAJt 位移 时所需的时间。（s)hHt 达到最大位移 时所需的时间。（s) HH 从动件最大位移。（） h 从动件在时间 时所达到的位移（） tHShHtHVv2HtHAa3HtHJj二、从动件常用运动规律的方程式及其特性值二、从动件常用运动规律的方程式及其特性值 1等速运动： 实际位移方程： ttHhH 无因次表示：TS 1V0A 特征值：1maxVmaxA 特点：从动件等速运动，但从动件在开始 与终止运动的瞬间，由于速度突然 变化，其加速度理论上趋于无穷大

12、， 因而将产生极大的惯性力，该惯性 力将引起刚性冲击。适用于低速轻 载的场合。 2等加、等减（抛物线）运动规律： 实际位移方程： 222ttHhH（0 ） t2Ht无因次表示： 22TS TV44A（0 ） T212121TSTV144A( 1) 21T特征值： 2maxV4maxA特点： 值较小，速度曲线是连 续的，无刚性冲击，但加速 度有极值突变，有柔性冲击。 适用于中、低速轻载的场合。 maxA 3余弦（简谐）运动规律： 实际位移方程： HttHhcos12无因次表示： TScos121TVsin2TAcos22特征值： 57. 1maxV93. 4maxA 特点： 、 值较小，运动性能

13、较好，适用于一般场合。（中速）但始 末点加速度曲线不连续，有柔性冲击，不适用于高速重载。但如推 程和回程均采用余弦运动规律，则有可能获得包括始末点的全程光 滑连续的加速度曲线，这种情况将即无刚性冲击也无柔性冲击。故 可用于高速凸轮机构。（高速轻载） maxVmaxA 4正弦（摆线）运动规律： 实际位移方程： 无因次表示： TTS2sin21TV2cos1TA2sin2特征值： 2maxV28. 6maxA 特点： 、 峰值较大，（AV）值较大，故凸轮轴上的扭矩也较大， 不适用于高速重载；但其速度、加速度曲线连续，从动件运动平 稳无冲击，即无刚性也无柔性冲击。用于中速中载、高速轻载。 maxVm

14、axAHHttttHh2sin21 5修正梯形曲线： 特点：将正弦曲线的加速度曲线改为近似梯形。 综合抛物线A值较小和摆线加速度曲线 连续的优点，但Vmax值仍较大，适用于高 速轻载的场合。 6修正正弦曲线： 特点：由两条周期不同的正弦曲线拼接而成，即保持了加速度连续，又 减少V的峰值，故适用于中高速和重载的场合。 注：刚性冲击：由理论上加速度的无穷大引起惯性力在理论上的无穷大， 而实际上由于材料的弹性变形，加速度与惯性力不会达到 无穷大，不过会引起强烈的冲击，这种冲击称为刚性冲击。 柔性冲击：加速度有限值的突变，引起惯性力的有限值的突变所引起 的冲击。 三、从动件运动规律选择的一般原则三、从

15、动件运动规律选择的一般原则 1切削运动 凸轮廓线：工进采用等速曲线，快退采用简谐曲线。 2中速中载 凸轮廓线：采用余弦、正弦运动曲线。（包装机械） 3高速轻载 凸轮廓线：修正梯形曲线、多项式运动曲线。 4低速重载 凸轮廓线：采用修正等速曲线。四、最佳压力角的选择四、最佳压力角的选择 压力角：指从动件与凸轮接触点的运动方向线与凸轮对从动件作用力的方向 线之间所夹的锐角。 压力角过大，增加摩擦力，工作情况恶化；压力角过小，增大凸轮的尺寸， 增加凸轮的惯性力，尤其对高速凸轮不利。 最佳压力角推荐表升 程 回 程 推 杆 摆 杆 摆 杆 摆 杆 300380 400450 700800 maxmaxm

16、ax五、从动件滚子半径的确定五、从动件滚子半径的确定 一般取滚子半径 ， 凸轮廓线最小曲率半径。min8 . 0rmin推荐 5 . 7rmm15 最大压力角：一般发生在从动件速度达到最大值的点的附近，对常用运动 规律来讲，它们的最大速度往往发生在行程中点。所以，可 以认为凸轮机构的最大压力角发生在从动件行程的中点。但 等速运动规律的最大压力角发生在行程的起始点。 24 凸轮基圆半径的确定凸轮基圆半径的确定凸轮基圆半径是指凸轮理论廓线的最小半径,它的大小直接影响凸轮机构的受力情况，它确定于最大压力角不大于允许值，不小于凸轮轴直径。一、直动从动件盘形凸轮基圆半径的确定一、直动从动件盘形凸轮基圆半

17、径的确定 1对心直动从动件盘形凸轮基圆半径的确定： 根据三心定理，P12是相对瞬心，又是同速点。 21212VOPVP2012VtghROP htgVR20又 HtHVV 2Ht htgHVR0 从动件的最大移动速度的位置也是压力角达到最大值的位置，可近似认为 在从动件行程的中点。 maxVV max2Hh （等速运动h = 0） 2maxmax0HtgHVR 2偏位直动从动件凸轮基圆半径的确定： 1）负偏位直动从动件凸轮基圆半径的确定： 21212VOPVP 2012VtghheOP2200eRh 2220ehtgeVR 同理：当 ， 时， maxVV max2Hh 22maxmaxmax0

18、2etgeHtgHVR 2）正偏位直动从动件凸轮基圆半径的确定：22maxmaxmax02etgeHtgHVR二、摆动从动件盘形凸轮基圆半径的确定二、摆动从动件盘形凸轮基圆半径的确定 摆动从动件凸轮机构可近似看作偏心直动从动件凸轮机 构，因此，它们的计算公式基本相同，只是： HalH22maxmaxmax021etgetgVlRHa三、圆柱凸轮基圆半径的确定三、圆柱凸轮基圆半径的确定 （推导略） maxmax0tgHVR （直动与摆动相同） 常用运动规律特征值见讲义。 四、举例四、举例 1从动件按正弦运动规律移动，最大升程为30，凸轮的转角为600，试确 定该对心直动件盘形凸轮的基圆半径。 解

19、：1）查表得：Vmax=2.00，max=300 2） mmtgHtgHVR24.8423030323020maxmax0 2. 从动件按正弦运动规律移动，凸轮升程为30，凸轮的转角为600，负偏 位e=10，试定该负偏位直动从动件凸轮基圆半径。 解： 22maxmaxmax02etgeHtgHVRmmtgtg71.671030102303032302200 3 正偏位e=10，其他已知条件同例2，试定该正偏位直动从动件凸轮的基 圆半径。 解： 22maxmaxmax02etgeHtgHVRmmtgtg12.102103010230303230220025 凸轮工作图设计及其制造方法凸轮工作图

20、设计及其制造方法一、凸轮工作图设计一、凸轮工作图设计 凸轮工作图设计应包括一组完整的视图，确定凸轮各部分尺寸、精度、表面 粗糙度、材料及热处理等技术条件，附有凸轮的升值表或向径值。 凸轮工作要求 向径偏差() 角度偏差 槽形凸轮槽宽偏差 凸轮孔与轴的配合 槽形凸轮与滚子的配合 凸轮厚度() 滚子外径与内径配合 表面粗糙度 盘形 槽形 精确 (0.050.1) (1020) H7或H8 81525 1.82 0.8 1.6 中等 (0.10.2) (3040)H8 1.6 2.5 一般 (0.20.5) 10 H9 2.5 3.2 67jsH67hH88fHdD 凸轮机构的技术条件凸轮机构的技术

21、条件 工作条件 凸 轮 从动件接触点 材 料 热 处 理 材 料 热 处 理 低速轻载 40#，45#，50# 调质220260HBS 45# 表面淬火HRC4045 优质灰铸铁 170250HBS 球墨铸铁 190270HBS 尼龙 中速中载 45# 表面淬火HRC405020Cr 渗碳0.81淬火HRC5560 45#，40Cr 表面高频淬火HRC5258 15#,20#,20Cr 渗碳0.81.5淬火HRC5662 高速重载靠模凸轮 40Cr 高频淬火表面HRC5662芯部HRC4562 工具钢T8、T10、T12 淬 火HRC5862渗碳0.81.5淬火HRC5662 38CrMoAI35CrAI 氮化表面硬度HRC6067 凸轮机构常用材料及热处理方法凸轮机构常用材料及热处理方法R040.000 540.052 1040.394 1541.283 2042.818 2544.930 3047.492 3550.194 4051.976 4554.888 5056.420 5557.312 6057.654 6557.700 技术要求技术要求1.曲线部分及曲线圆弧过渡部分修整平滑。 2.表面淬火HRC4045。3.各点的向径R R的公差为0.2 。 4.调整好后钻锥孔。 5