《机械原理》第四章凸轮机构及其设计

1、第四章第四章 凸轮机构及其设计凸轮机构及其设计 4-1 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 4-2 从动件的运动规律从动件的运动规律 4-3 按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线-作图法作图法 4-4 按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线-解析法解析法 4-5 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定 4-6 高速凸轮机构简介高速凸轮机构简介本章教学内容本章教学内容一、凸轮机构的应用一、凸轮机构的应用4-1 4-1 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类应用应用内燃机配气凸轮机构录音机卷带机构自动机床的进刀机构自动机床的进刀机构凸轮：

2、是具有一个曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，凸轮：是具有一个曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期的往复运动。的往复运动。组成凸轮机构的基本构件组成凸轮机构的基本构件 凸轮、推杆（从动件）、机架凸轮、推杆（从动件）、机架连接副：凸轮与从动件组成的高副及二者与机架组成的连接副：凸轮与从动件组成的高副及二者与机架组成的低副组成。低副组成。凸轮机构的应用领域凸轮机构的应用领域 凸轮机构广泛用于自动机械、自动控制装置和凸轮机构广泛用于自动机械、自动控制装置和装配生产线中。装配生产线中。1. 按凸轮形状分：按凸轮

3、形状分：二、凸轮机构的分类二、凸轮机构的分类盘形凸轮机构盘形凸轮机构移动凸轮机构移动凸轮机构圆柱凸轮机构圆柱凸轮机构盘形凸轮机构盘形凸轮机构移动凸轮机构移动凸轮机构圆柱凸轮机构圆柱凸轮机构平面凸轮机构平面凸轮机构平面凸轮机构平面凸轮机构空间凸轮机构空间凸轮机构2. 按从动件的形状来分按从动件的形状来分尖顶推杆尖顶推杆滚子推杆滚子推杆平底推杆平底推杆其优点是凸轮与平底接触面间其优点是凸轮与平底接触面间容易形成油膜，润滑较好，所容易形成油膜，润滑较好，所以常用于高速传动中。以常用于高速传动中。由于滚子与凸轮之间为滚动由于滚子与凸轮之间为滚动摩擦，所以磨损较小，故可摩擦，所以磨损较小，故可用来传递较

4、大的动力。用来传递较大的动力。构造简单，但易于磨损，所构造简单，但易于磨损，所以只适用于作用力不大和速以只适用于作用力不大和速度较低的场合。度较低的场合。根据从动件相对机架的运动方式分根据从动件相对机架的运动方式分直动从动件直动从动件直动从动件：从动件作往复移动，其运动轨迹为从动件作往复移动，其运动轨迹为一段直线；一段直线； 对心直动推杆对心直动推杆 偏置直动从动件偏置直动从动件摆动从动件：从动件作往复摆动，其运动轨迹为从动件作往复摆动，其运动轨迹为一段圆弧。一段圆弧。摆动从动件摆动从动件直动与摆动从动件比较（2）几何封闭法：）几何封闭法：利用凸轮与推杆构成的利用凸轮与推杆构成的高副元素的特殊

5、几何结高副元素的特殊几何结构使凸轮与推杆始终保构使凸轮与推杆始终保持接触。持接触。 常用的有如下几种：常用的有如下几种：3. 按凸轮与从动件保持接触的方法分按凸轮与从动件保持接触的方法分槽凸轮机构槽凸轮机构等宽凸轮机构等宽凸轮机构等径凸轮等径凸轮共轭凸轮共轭凸轮（1）力封闭方法：）力封闭方法：利用推杆的重力、弹簧利用推杆的重力、弹簧力或其它外力使推杆始力或其它外力使推杆始终与凸轮保持接触；终与凸轮保持接触；凹槽凸轮机构凹槽凸轮机构等宽凸轮机构等宽凸轮机构等径凸轮机构等径凸轮机构共轭凸轮机构共轭凸轮机构凸轮机构的优点凸轮机构的优点只要通过适当设计凸轮廓线可以使从动件实现各种预只要通过适当设计凸轮

6、廓线可以使从动件实现各种预期运动规律，而且结构简单、紧凑，应用广泛。期运动规律，而且结构简单、紧凑，应用广泛。 凸轮机构的缺点：凸轮机构的缺点： 1）接触为高副，易于磨损，多用于传力不大的场合。）接触为高副，易于磨损，多用于传力不大的场合。2）凸轮轮廓加工比较困难。）凸轮轮廓加工比较困难。3）从动件的行程不能过大，否则会使凸轮变得笨重。）从动件的行程不能过大，否则会使凸轮变得笨重。凸轮机构设计的基本内容与步骤凸轮机构设计的基本内容与步骤（1）合理选择凸轮类型）合理选择凸轮类型（2）设计凸轮基圆半径）设计凸轮基圆半径（3）设计凸轮轮廓曲线）设计凸轮轮廓曲线（4）校核并设计）校核并设计r0h s

7、s s s DD0B0B sO ,t360基圆基圆 基圆半径基圆半径r0推程角推程角 推程推程 升距升距h远停远停远休止角远休止角 s回程回程回程角回程角 近停近停近休止角近休止角 sB 位移曲线位移曲线凸轮机构的基本名词术语凸轮机构的基本名词术语4-2 4-2 从动件的运动规律从动件的运动规律偏距偏距偏距圆偏距圆从动件的运动规律：是指推杆在运动过程中，其位移、从动件的运动规律：是指推杆在运动过程中，其位移、速度和加速度随时间变化的规律。速度和加速度随时间变化的规律。从动件的位移线图：从动件的位移从动件的位移线图：从动件的位移s随凸轮转角随凸轮转角 而而变化的线图。变化的线图。从动件常用运动规

8、律从动件常用运动规律 一、一、多项式运动规律多项式运动规律 一次多项式运动规律一次多项式运动规律等速运动等速运动 二次多项式运动规律二次多项式运动规律等加速等减速运动等加速等减速运动 五次多项式运动规律五次多项式运动规律二、二、三角函数运动规律三角函数运动规律 余弦加速度运动规律余弦加速度运动规律简谐运动规律简谐运动规律 正弦加速度运动正弦加速度运动摆线运动规律摆线运动规律三、三、组合运动规律组合运动规律重点：掌握各种运重点：掌握各种运动规律的运动特性动规律的运动特性说明：凸轮一般为等速运动，有说明：凸轮一般为等速运动，有 推杆运动规律常推杆运动规律常表示为推杆运动参数随凸轮转角表示为推杆运动

9、参数随凸轮转角 变化变化的规律。的规律。, t1、等速运动、等速运动0/110dtdvaCdtdsvCCs0ahvhs运动方程式一般表达式：运动方程式一般表达式：推程运动方程：推程运动方程：运动始点：运动始点： =0, s=0运动终点：运动终点：hs ,推程运动方程式：推程运动方程式：边界条件边界条件在起始和终止点速度有突变，使瞬时加速度趋于无穷大，从而产在起始和终止点速度有突变，使瞬时加速度趋于无穷大，从而产生无穷大惯性力，引起生无穷大惯性力，引起刚性冲击。刚性冲击。一、一、多项式运动规律多项式运动规律回程运动方程回程运动方程回程运动方程式：回程运动方程式：0)(-ahvhhss运动始点：运

10、动始点：运动终点：运动终点：边界条件边界条件0/110dtdvaCdtdsvCCs一次多项式一般表达式：一次多项式一般表达式：等速运动规律运动特性等速运动规律运动特性 推杆在运动起始和终止点会产生推杆在运动起始和终止点会产生刚性冲击刚性冲击。hss,0, ss为保证凸轮机构运动平稳性，常使推杆在一个行程为保证凸轮机构运动平稳性，常使推杆在一个行程h中的前中的前半段作等加速运动，后半段作等减速运动，且加速度和减速半段作等加速运动，后半段作等减速运动，且加速度和减速度的绝对值相等。度的绝对值相等。2、二次多项式运动规律、二次多项式运动规律等加速等减速运动规律等加速等减速运动规律运动方程式一般表达式

11、：运动方程式一般表达式：推杆的等加速等减速运动规律推杆的等加速等减速运动规律注意：注意：222122102/2/CdtdvaCCdtdsvCCCs等减速段运动方程为等减速段运动方程为:22222/4/)(4/)(2hahvhhs22222/4/4/2hahvhs推程等加速段边界条件：推程等加速段边界条件： 加速段运动方程式为：加速段运动方程式为：运动始点：运动始点： =0, s=0，v=0运动终点：运动终点：2/,2/hs 推程等减速段边界条件：推程等减速段边界条件：运动始点：运动始点：运动终点：运动终点：2/,2/hs 推程运动方程推程运动方程0,vhs，等加速等减速运动规律运动特性等加速等

12、减速运动规律运动特性： 在起点、中点和终点在起点、中点和终点时，因加速度有突变而引时，因加速度有突变而引起推杆惯性力的突变，且起推杆惯性力的突变，且突变为有限值，在凸轮机突变为有限值，在凸轮机构中由此会引起构中由此会引起柔性冲击柔性冲击。适用于中速场合。适用于中速场合。二、三角函数运动规律二、三角函数运动规律1、余弦加速度运动规律、余弦加速度运动规律简谐运动规律简谐运动规律简谐运动：当一点在圆周上等速运动时，其在直径上的投影简谐运动：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。的运动即为简谐运动。推程运动方程式：推程运动方程式：cos2sin2cos12222hahvhs余弦

13、加速度运动规律推程运动线图余弦加速度运动规律推程运动线图余弦加速度运动规律的运动特性余弦加速度运动规律的运动特性：推杆加速度曲线不连续，在起点推杆加速度曲线不连续，在起点和终点有突变，且数值有限，故和终点有突变，且数值有限，故有有柔性冲击。柔性冲击。余弦加速度运动规余弦加速度运动规律适用于中速中载场合。律适用于中速中载场合。推程运动方程式为推程运动方程式为2、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摆线运动：一圆在直线上作纯滚动时，其上任一点在摆线运动：一圆在直线上作纯滚动时，其上任一点在直线上的投影运动为摆线运动。直线上的投影运动为摆线运动。2sin22cos12sin2122hahvhs正弦加速度运动规律运动特性：正弦加速度运动规律运动特性：推杆作正弦加速度运动时，速推杆作正弦加速度运动时，速度曲线和加速度曲线连续，其度曲线和加速度曲线连续，其加速度没有突变，因而将不产加速度没有突变，因而将不产生冲击。适用于高速轻载场合生冲击。适用于高速轻载场合凸轮机构凸轮机构.推程运动线图推程运动线图采用组合运动规