第5章凸轮机构

1、 当要求某些机械的从动件按照预定的当要求某些机械的从动件按照预定的运动规律变化，采用凸轮机构可精确地实运动规律变化，采用凸轮机构可精确地实现所要求的运动，如内燃机配气机构。如现所要求的运动，如内燃机配气机构。如果采用平面连杆机构，一般只能近似地实果采用平面连杆机构，一般只能近似地实现预定的运动规律，难以满足要求，而且现预定的运动规律，难以满足要求，而且设计较为困难和复杂。设计较为困难和复杂。5.1.1凸轮机构的分类及应用凸轮机构的分类及应用1、应用：应用：2、组成：、组成：凸轮凸轮一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过高副接触一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过高副接触从动件：平动，摆动从动件：平动

2、，摆动机架机架3、特点、特点：当从动件的位移、速度、加速度必须严格按照当从动件的位移、速度、加速度必须严格按照预定规律变化时，常用凸轮机构。预定规律变化时，常用凸轮机构。优点：优点：1)能够实现精确的运动规律；能够实现精确的运动规律；2)设计较简单。设计较简单。缺点：缺点：1)承载能力低，主要用于控制机构；承载能力低，主要用于控制机构；2)凸轮轮廓加工困难。凸轮轮廓加工困难。凸轮传动是通过凸轮与从动件间的接触来传递运动和动力，是一种凸轮传动是通过凸轮与从动件间的接触来传递运动和动力，是一种常见的高副机构，结构简单，只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就常见的高副机构，结构简单，只要设计出适当的凸轮轮

3、廓曲线，就可以使从动件实现任何预定的复杂运动规律。可以使从动件实现任何预定的复杂运动规律。 5.1 概述概述内燃机配气机构凸轮式内燃机配气机构 自动车床上的走刀机构自动车床上的走刀机构1)1)按按凸轮的形状和运动分类凸轮的形状和运动分类(1)(1)盘形回转凸轮盘形回转凸轮(2)(2)平板移动凸轮平板移动凸轮 4 4、作用：将凸轮的转动或移动转变为从动件的移动或摆动作用：将凸轮的转动或移动转变为从动件的移动或摆动 5、凸轮传动机构的类型、凸轮传动机构的类型：(3)(3)、圆柱回转凸轮、圆柱回转凸轮 2)2)、按、按从动件的形状分类从动件的形状分类(1)(1)、尖顶从动件、尖顶从动件(2)(2)、

4、滚子从动件、滚子从动件(2)(2)、平底从动件、平底从动件 3)按按从动件的运动形式从动件的运动形式摆动从动件摆动从动件移动从动件移动从动件4)4)按锁合方式的不同按锁合方式的不同力锁合凸轮，如靠重力、弹簧力锁合的凸轮等；力锁合凸轮，如靠重力、弹簧力锁合的凸轮等；形锁合凸轮，如沟槽凸轮、等径及等宽凸轮、共轭凸轮等。形锁合凸轮，如沟槽凸轮、等径及等宽凸轮、共轭凸轮等。 按从动件运动形式按从动件运动形式可分为直动从动件（又分为对心直动从动件和偏置直动从动件）可分为直动从动件（又分为对心直动从动件和偏置直动从动件）和摆动从动件两种。和摆动从动件两种。 5.1.2 凸轮和滚子的材料凸轮和滚子的材料凸轮

5、：凸轮：45钢、钢、40Cr表面淬火表面淬火(硬度硬度4050HRC)，15钢、钢、20Cr、20CrMnTi渗碳淬火渗碳淬火(硬度硬度5662HRC ) 。滚子：滚子：20Cr，经渗碳淬火，表面硬度达，经渗碳淬火，表面硬度达5662HRC；也可用滚动；也可用滚动轴承作为滚子。轴承作为滚子。 1、失效形式：失效形式：2、工作要求：、工作要求： 要求凸轮和滚子的工作表面硬度高、耐磨，并且具有足够要求凸轮和滚子的工作表面硬度高、耐磨，并且具有足够的表面接触强度，对于经常受到冲击的凸轮机构要求凸轮芯部的表面接触强度，对于经常受到冲击的凸轮机构要求凸轮芯部有较大的韧性。有较大的韧性。 3、常用材料、常

6、用材料：磨损和疲劳点蚀。磨损和疲劳点蚀。5.1.3 凸轮的结构与安装凸轮的结构与安装1、凸轮的结构：凸轮的结构：2、凸轮的安装：、凸轮的安装： 凸轮在轴上的固定，除采用键联接外，也可采用紧定螺钉凸轮在轴上的固定，除采用键联接外，也可采用紧定螺钉和圆锥销固定，如图和圆锥销固定，如图2-8a所示，初调用紧定螺钉定位，然后用圆所示，初调用紧定螺钉定位，然后用圆锥销固定；图锥销固定；图2-8b所示采用开槽锥形套固定，调整灵活，但传递所示采用开槽锥形套固定，调整灵活，但传递转矩不能太大。图转矩不能太大。图2-7组合式凸轮、图组合式凸轮、图2-8盘状凸轮在轴上的固定盘状凸轮在轴上的固定 。 凸轮轴凸轮轴

7、、 整体式、镶块式、组合式整体式、镶块式、组合式 。5.2 凸轮机构的特性分析凸轮机构的特性分析 1、绘制三种常见的从动件运动规律曲线图、绘制三种常见的从动件运动规律曲线图 2、比较三种从动件运动规律的冲击类型、比较三种从动件运动规律的冲击类型工作任务工作任务:基圆：以凸轮最小半径基圆：以凸轮最小半径r r0 0所所作的圆，作的圆，r r0 0称为凸轮的基圆半称为凸轮的基圆半径。径。推程、推程运动角：推程、推程运动角：推杆的运动规律：是指推杆推杆的运动规律：是指推杆在运动过程中，其位移、速度在运动过程中，其位移、速度和加速度随时间变化（凸轮转和加速度随时间变化（凸轮转角角变化）的规律。变化）的

8、规律。远休、远休止角：远休、远休止角：回程、回程运动角：回程、回程运动角：近休、近休止角：近休、近休止角：行程：行程：h hhss0位移：位移：s=r-rs=r-r0 05.2.1 凸轮机构的运动分析凸轮机构的运动分析5.2 凸轮机构的特性分析凸轮机构的特性分析 1 1、等速运动规律、等速运动规律 推程：推程：0 00 0 0S0Sh h初始条件初始条件：=0=0；S S= =0 0终止条件终止条件: := =0 0 S S= =h h推程运动方程式：推程运动方程式： 回程：回程：0 0h h 0S0Sh h 初始条件初始条件：=0 =0 S S= =h h终止条件终止条件：= =h hS S

9、= =0 0回程运动方程式：回程运动方程式： 0/110dtdvaCdtdsvCCs运动方程式一般表达式：运动方程式一般表达式：5.2.2 从动件常用的运动规律从动件常用的运动规律 运动特性：当采用匀速运动规律运动特性：当采用匀速运动规律时，推杆在运动的时，推杆在运动的起始点和末点起始点和末点因因速度有突变，在理论上加速度值为速度有突变，在理论上加速度值为瞬时无穷大，使推杆产生非常大的瞬时无穷大，使推杆产生非常大的惯性力，致使凸轮受到很大的冲击，惯性力，致使凸轮受到很大的冲击，称为称为刚性冲击刚性冲击。推程运动线图：推程运动线图：适用场合：低速、轻载。适用场合：低速、轻载。 推程运动方程式推程

10、运动方程式：2 2、等加速等减速运动规律、等加速等减速运动规律 推程：推程：0 00 0 0S0Sh h等加速段：等加速段：0 00 02 2 0S0Sh h2 2运动方程式：运动方程式： 等减速段：等减速段：0 02 20 0 h h2 2SSh h运动方程式运动方程式 回程：回程：0 00 0 0S0Sh h 等加速段：等加速段：0 00 02 2 hShSh h2 2运动方程式：运动方程式： 等减速段：等减速段：0 02 20 0h h2 2SS0 0运动方程式运动方程式 运动方程式一般表达式：运动方程式一般表达式： 运动特性：当采用等加速等减运动特性：当采用等加速等减速运动规律时，在速

11、运动规律时，在起点、中点和起点、中点和末点时末点时，加速度有突变，因而推，加速度有突变，因而推杆的惯性力也将有突变，不过这杆的惯性力也将有突变，不过这一突变为有限值，所以，凸轮机一突变为有限值，所以，凸轮机构中由此而引起的冲击称为构中由此而引起的冲击称为柔性柔性冲击。冲击。 适用场合：中速、轻载。适用场合：中速、轻载。3 3、简谐运动规律（余弦加速度运动规律）：、简谐运动规律（余弦加速度运动规律）： 简谐运动：当一点在圆周上等速运动时，其在直径上的简谐运动：当一点在圆周上等速运动时，其在直径上的投影的运动即为简谐运动。投影的运动即为简谐运动。推杆推程运动方程式：推杆推程运动方程式：推杆回程运动

12、方程式：推杆回程运动方程式： 运动特性：这种运动规律的运动特性：这种运动规律的加速度在起点和末点时有有限加速度在起点和末点时有有限数值的突变，故也有柔性冲击。数值的突变，故也有柔性冲击。 适用场合：中速、中载。适用场合：中速、中载。三、从动件运动规律的选择三、从动件运动规律的选择1. 1. 选择推杆运动规律的基本要求选择推杆运动规律的基本要求 满足机器的工作要求；满足机器的工作要求； 使凸轮机构具有良好的动力特性；使凸轮机构具有良好的动力特性； 使所设计的凸轮便于加工。使所设计的凸轮便于加工。(1) (1) 只对推杆工作行程有要求，而对运动规律无特殊要求只对推杆工作行程有要求，而对运动规律无特

13、殊要求 推杆运动规律选取应从便于加工和动力特性来考虑。推杆运动规律选取应从便于加工和动力特性来考虑。 低速轻载凸轮机构：采用圆弧、直线等易于加工的曲线作为凸低速轻载凸轮机构：采用圆弧、直线等易于加工的曲线作为凸轮轮廓曲线。轮轮廓曲线。 高速凸轮机构：首先考虑动力特性，以避免产生过大的冲击。高速凸轮机构：首先考虑动力特性，以避免产生过大的冲击。 大质量从动件不宜选用大质量从动件不宜选用maxmax太大的运动规律太大的运动规律 高速度从动件不宜选用高速度从动件不宜选用a amaxmax太大的运动规律太大的运动规律2. 2. 根据工作条件确定推杆运动规律几种常见情况根据工作条件确定推杆运动规律几种常

14、见情况(2)(2)机器工作过程对从动件的的运动规律有特殊要求机器工作过程对从动件的的运动规律有特殊要求 凸轮转速不高，按工作要求选择运动规律；凸轮转速较高时，选凸轮转速不高，按工作要求选择运动规律；凸轮转速较高时，选定主运动规律后，进行组合改进。定主运动规律后，进行组合改进。正弦加速度运动规律正弦加速度运动规律 摆线运动规律摆线运动规律组合运动规律组合运动规律五次多项式运动规律五次多项式运动规律小结：小结：等速运动规律：等速运动规律： 有刚性冲击有刚性冲击 低速轻载低速轻载等加速等减速运动：等加速等减速运动： 柔性冲击柔性冲击 中速轻载中速轻载余弦加速度运动规律：余弦加速度运动规律： 柔性冲击

15、柔性冲击 中低速重载中低速重载正弦加速度运动规律：正弦加速度运动规律： 无冲击无冲击 中高速轻载中高速轻载五次多项式运动规律：五次多项式运动规律： 无冲击无冲击 高速中载高速中载运动规律运动规律 运动特性运动特性 适用场合适用场合5.3 凸轮机构的设计凸轮机构的设计1、简述反转法的基本原理、简述反转法的基本原理 3、掌握绘制凸轮机构的压力角、掌握绘制凸轮机构的压力角工作任务工作任务:2、根据位移曲线图，采用图解法设计盘形凸、根据位移曲线图，采用图解法设计盘形凸 轮轮廓曲线轮轮廓曲线设计方法：图解法，解析法设计方法：图解法，解析法 假想给整个机构加一公假想给整个机构加一公共角速度共角速度- -w

16、 w, ,凸轮：相对静止不动凸轮：相对静止不动推杆：一方面随导轨以推杆：一方面随导轨以- -w w绕绕凸轮轴心转动凸轮轴心转动另一方面又沿导轨作预期的另一方面又沿导轨作预期的往复移动往复移动推杆尖顶在这种复合运动中推杆尖顶在这种复合运动中的运动轨迹即为凸轮轮廓曲的运动轨迹即为凸轮轮廓曲线。线。( (一一) )、图解法的原理图解法的原理5.3.1 图解法设计盘形凸轮轮廓曲线图解法设计盘形凸轮轮廓曲线5.3 凸轮机构的设计凸轮机构的设计设计凸轮廓线的图解法是根据反转法原理作出从动件推杆尖顶在反设计凸轮廓线的图解法是根据反转法原理作出从动件推杆尖顶在反转运动中依次占据的各位置，然后作出其高副元素所形

17、成的曲线族；转运动中依次占据的各位置，然后作出其高副元素所形成的曲线族；并作从动件高副元素所形成的曲线族的包络线，即是所求的凸轮轮并作从动件高副元素所形成的曲线族的包络线，即是所求的凸轮轮廓曲线。廓曲线。 ( (二二) )、图解法的方法和步骤图解法的方法和步骤1 1、尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制、尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制设计要求：已知凸轮的基圆半径为设计要求：已知凸轮的基圆半径为r r0,0,凸轮沿逆时针方向等速回转。凸轮沿逆时针方向等速回转。而推杆的运动规律如图所示。试设计该对心直动尖顶从动件盘形凸而推杆的运动规律如图所示。试设计该对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线

18、。轮机构的凸轮廓线。22122102/2/CdtdvaCCdtdsvCCCs2 2、滚子对心直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制、滚子对心直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制已知条件已知条件: : 凸轮的基圆半径为凸轮的基圆半径为r r0,0,滚子半径滚子半径rr,rr,凸轮沿逆时针方向等凸轮沿逆时针方向等速回转。推杆的运动规律如图所示。试设计对心直动滚子从动件盘速回转。推杆的运动规律如图所示。试设计对心直动滚子从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。形凸轮机构的凸轮廓线。3 3、对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制、对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制已知条件已知条件: : 凸轮的基圆半径为凸轮的基圆半径为r r0,

19、0,凸轮沿逆时针方向等速回转。推凸轮沿逆时针方向等速回转。推杆的运动规律如图所示。试设计对心直动平底从动件盘形凸轮机构杆的运动规律如图所示。试设计对心直动平底从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。的凸轮廓线。4 4、偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构、偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构 已知条件已知条件: :已知凸轮的基圆半径为已知凸轮的基圆半径为r r0 0, ,凸轮沿逆时针方向等速回转。凸轮沿逆时针方向等速回转。而推杆的运动规律已知，已知偏距而推杆的运动规律已知，已知偏距e e。试设计。试设计。从动画中看，从动件从动画中看，从动件在反转运动中依次占在反转运动中依次占据的位置将不在是以据的位置将不在是以凸轮

20、回转中心作出的凸轮回转中心作出的径向线径向线, ,而是始终与而是始终与O O保持一偏距保持一偏距e e的直线的直线, ,因此若以凸轮回转中因此若以凸轮回转中心心O O为圆心，以偏距为圆心，以偏距e e为半径作圆（称为偏为半径作圆（称为偏距圆）距圆）, ,则从动件在则从动件在反转运动中依次占据反转运动中依次占据的位置必然都是偏距的位置必然都是偏距圆的切线圆的切线,(,(图图中中 )从从动件的位移动件的位移( ( )也应沿切线量取。然也应沿切线量取。然后将后将 等点等点用光滑的曲线连接起用光滑的曲线连接起来，既得偏置直动尖来，既得偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮顶从动件盘形凸轮轮廓。廓。 5 5、摆动

21、从动件盘形凸轮机构、摆动从动件盘形凸轮机构已知条件已知条件: :已知凸轮的基圆半径为已知凸轮的基圆半径为r r0 0, ,凸轮转动方向。凸轮转动中心凸轮转动方向。凸轮转动中心与从动件摆动中心的距离，摆动从动件的长度，已知从动件的运动与从动件摆动中心的距离，摆动从动件的长度，已知从动件的运动规律，试设计。（规律，试设计。（从动件的位移是角位移从动件的位移是角位移 ）02022000cos2sin2cos12hahvhs理论廓线的曲率半径：理论廓线的曲率半径：r r实际廓线的曲率半径：实际廓线的曲率半径：r ra1 1、滚子半径的确定、滚子半径的确定内凹轮廓：内凹轮廓：NoImage凸轮机构设计凸

22、轮机构设计实现预定运动规律实现预定运动规律受力良好，效率高，结构紧凑受力良好，效率高，结构紧凑滚子半径：滚子半径：r r0 05.3.2 5.3.2 凸轮机构设计中的几个问题凸轮机构设计中的几个问题外凸轮廓外凸轮廓： r ra=rrrT结论：外凸的凸轮轮廓曲线结论：外凸的凸轮轮廓曲线, , 应使应使r r0 0=1-5mm,=1-5mm,另外滚子半径还受强度、结构等的限制，因而也另外滚子半径还受强度、结构等的限制，因而也不能做得太小，通常取滚子半径不能做得太小，通常取滚子半径r rr r=0.4r=0.4r0 0。 NoImage0022000cos2sin2cos12hahvhs理论轮廓曲线

23、最小曲率半径的求法：理论轮廓曲线最小曲率半径的求法：2 2、凸轮压力角与许用值、凸轮压力角与许用值(1)(1)、凸轮机构的压力角定义、凸轮机构的压力角定义 凸轮机构从动件作用力的方向线与从动凸轮机构从动件作用力的方向线与从动件上力作用点的速度方向之间所夹的锐角，件上力作用点的速度方向之间所夹的锐角，用用表示。表示。(2)(2)、压力角与作用力以及机构尺寸的关系、压力角与作用力以及机构尺寸的关系 将凸轮对从动件的作用力将凸轮对从动件的作用力F F分解为分解为F F1 1和和F F2。F F1为有效分力，为有效分力，F F2为有害分力，当压力角为有害分力，当压力角越大，有害分力越大，有害分力F“F“越大，如果压力角增越大，如果压力角增大，有害分力所引起的摩擦阻力也将增大，大，有害分力所引起的摩擦阻力也将增大，摩摩 擦功耗增大，效率降低。擦功耗增大，效率降低。如果压力角大到一定值时，有害分力所引起如果压力角大到一定值时，有害分力所引起的摩擦阻力将大于有效分力的摩擦阻力将大于有效分力FF，这时无论，这时无论凸轮对从动件的作用力凸轮对从动件的作用力F F有多大，都