03章 凸轮机构机械传动系统设计与实践

凸轮机构与间歇运动机构导学部分导学部分内燃机配气机构绕线机构3导学部分装卸料传动机构送料机构第2章导学导学部分导学部分1.本章学习的基本任务

本章的基本任务是根据工作要求选定合适的凸轮机构形式、推杆的运动规律和凸轮机构的基本尺寸，然后根据选定的推杆运动规律设计出凸轮应有的轮廓曲线。2.本章学习的主要内容凸轮机构的类型和应用从动件的常用运动规律凸轮机构的传力性能分析平面凸轮轮廓曲线的设计几种常见的间歇运动机构3.学习目标了解凸轮机构的传动特点及类型熟悉常见的推杆运动规律及其选择原则理解并掌握凸轮机构的“反转法”设计思想及方法了解凸轮机构基本尺寸的确定原则了解几种常见的间歇运动机构导学部分4.重点从动件常用运动规律的特点，刚性冲击和柔性冲击的概念从动件运动规律（即s、v、a随δ或t的变化）曲线的绘制反转法设计凸轮轮廓曲线导学部分5.难点

反转法设计原理

压力角与基圆半径的概念及其相互间的关系凸轮机构的类型和应用典型凸轮机构的工作原理从动件凸轮滚子机架凸轮机构的类型和应用凸轮机构的类型和应用凸轮机构主要由凸轮、从动件（也称推杆）和机架组成，是一种高副机构。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通常为主动件，作连续的等速运动，通过高副接触使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可使从动件获得所需的运动规律，结构简单，紧凑、设计方便；但由于是点或线接触，故易磨损，常用于传力不大的控制机构中。从动件行程不能过大，否则使凸轮变得笨重，且凸轮轮廓加工比较困难。凸轮机构的类型和应用凸轮机构的类型和应用1、按凸轮的形状分盘形凸轮移动凸轮圆柱凸轮内燃机配气机构录音机的卷带机构机床刀具的进给机构凸轮机构的类型和应用2、按从动件型式分对心直动尖顶推杆偏置直动滚子推杆对心直动平底推杆摆动尖顶推杆摆动滚子推杆摆动平底推杆从动件的形状分尖底从动件滚子从动件平底从动件按从动件相对机架的运动形式分作往复直线运动的直动从动件作往复摆动的摆动从动件凸轮机构的类型和应用3、按凸轮与推杆保持接触的方式分用弹簧力封闭用推杆重力封闭凹槽凸轮机构等宽凸轮机构等径凸轮机构共轭凸轮机构1）力封闭的凸轮机构2）几何封闭的凸轮机构比较于力封闭，几何封闭凸轮机构可以免除弹簧附加的阻力，从而减小驱动力和提高效率；但缺点是机构外廓尺寸较大，设计也比较复杂。从动件的常用运动规律基本名词术语从动件的常用运动规律1.凸轮基圆以凸轮轮廓的最小向径r0为半径所作的圆。2.基圆半径r0A点：基圆与轮廓AB的连接点,是从动件上升的起始位置。以对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构为例说明。推程基本名词术语从动件的常用运动规律1.凸轮基圆3.从动件推程（

弧AB段

）：5.推程运动角Ф与推程相对应的凸轮转角2.基圆半径r04.从动件升程h在推程过程中，从动件所走过的距离。h从动件尖顶被凸轮轮廓推动，离回转中心最近位置A到达最远位置B的过程。推程基本名词术语从动件的常用运动规律1.凸轮基圆3.从动件推程5.推程运动角Ф2.基圆半径r04.从动件升程h6.从动件远休（弧BC段）从动件在最远位置停留不动7.远休止角ФS远休时凸轮对应的转角远休远休推程基本名词术语从动件的常用运动规律1.凸轮基圆3.从动件推程5.推程运动角Ф2.基圆半径r04.从动件升程h6.从动件远休7.远休止角ФS8.从动件回程（弧CD段）推杆由离回转中心最远位置C到达最近位置D的过程9.回程运动角Ф′

推杆回程中凸轮所转过的角度Ф′Ф′回程远休推程Ф′回程ФФSФФSФ′基本名词术语从动件的常用运动规律凸轮基圆从动件推程推程运动角Ф基圆半径r0从动件升程h从动件远休远休止角ФS从动件回程回程运动角Ф′10.从动件近休（弧DA段）凸轮继续运动到推杆起始点A，在这一转角内从动件在最近位置停留不动11.近休止角ФS′

推杆近休时凸轮转过的角度ФS′ФS′近休从动件的常用运动规律推杆运动规律：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。s＝s(t)＝s(δ)v＝v(t)＝v(δ)a＝a(t)＝a(δ)1.等速运动规律也称一次多项式运动规律

特点：在从动件的行程始、末会产生瞬间刚性冲击。

应用：用于低速轻载机械不宜单独使用，在运动开始和终止段用其它运动规律过渡。Ф从动件的常用运动规律2.等加速等减速运动规律

特点：在从动件的行程始、中、末加速度出现有限值突变，产生柔性冲击

应用：中速轻载机械中也称二次多项式（或抛物线）运动规律从动件的常用运动规律3.简谐运动规律

特点：从动件的行程始、末加速度出现有限值突变，产生柔性冲击。

应用：一般应用于中低速轻载机械中也称余弦加速运动规律1'2'3'4'5'6'h0s13456s23456vmaxa123456amax-amaxv123456当远、近休止角均为零时（即如果从动件作无停留区间的升—降—升连续往复运动时），可获得连续的加速度曲线，此时，可用于高速轻载机械中。从动件的常用运动规律4.摆线运动规律

特点：在从动件的行程中，速度和加速度曲线是连续的，没有任何突变，既无刚性冲击也无柔性冲击。

应用：中高速轻载机械中也称正弦加速运动规律在实际工程中，避免有些运动规律引起的冲击，改善推杆的运动特性，通常将上述运动规律进行组合。从动件的常用运动规律5.

组合运动规律构造组合运动规律的原则Ⅰ、根据工作要求选择主体运动规律，然后用其它运动规律组合；如图所示为等速+摆线运动的组合。Ⅱ、保证各段运动规律在衔接点上的运动参数是连续的；Ⅲ、在运动始点和终点处，运动参数要满足边界条件。凸轮机构的传力性能分析凸轮机构的压力角凸轮机构的传力性能分析1.压力角与作用力的关系作用在从动件上的驱动力与该力作用点的绝对速度方向之间所夹的锐角α称为压力角。FVα

当F'一定时，α越大，有害分力F″越大，由此引起的摩擦阻力Ff

越大。当α增大到使Ff>F'时，机构自锁。

为保证凸轮机构正常工作，设计时应使推程最大压力角不超过许用值。直动从动件凸轮机构：摆动从动件凸轮机构：接触点的法线方向推杆速度方向压力角与凸轮基圆半径的关系P为凸轮1和从动件2的瞬心，则由图中的几何关系，可得到：r0越大，α越小凸轮设计准则：在保证最大压力角不超过许用值的前提下，缩小凸轮尺寸。式中取负号，凸轮逆时针转，推杆偏于凸轮轴心右侧（e为正，即正偏置），可使推程压力角减小。

当凸轮逆时针转，推杆右偏置，或凸轮顺时针转，推杆左偏置时取“-”；反之取“＋”号。凸轮机构的传力性能分析凸轮基圆半径的确定r0≥{[(ds/dδ－

e)/tan[α]－

s]2+e2}1/2由上式可知，只需确定r0的极大值，即为凸轮基圆半径的最小半径值。

此外，还要考虑满足凸轮的结构及强度的要求：

a)当凸轮和轴做成一体时，凸轮工作廓线的最小半径应略大于轴的半径。

b)当凸轮和轴单独制作时，凸轮上要作出轮毂，此时凸轮工作廓线的最小半径应略大于轮毂的外径。并取凸轮工作廓线的最小直径等于或大于轴径的（1.6～2）倍。凸轮的装配条件来确定基圆半径r0：由推程压力角满足凸轮机构的传力性能分析平面凸轮廓线设计平面凸轮廓线设计对心尖顶凸轮机构正转对心尖顶凸轮机构反转对心尖顶凸轮机构反转法原理平面凸轮廓线设计对心尖顶凸轮机构反转法原理平面凸轮廓线设计1.对心尖顶直动从动件盘形凸轮4'6'10'12'2'3'1'461012132

基圆半径r0①

选与位移线图一致的比例作凸轮的基圆；②

将基圆分成与位移线图中相对应的等份；③分别自基圆圆周向外量取从动件位移线图中相应的位移量；④光滑连接各点即为所求的凸轮轮廓。平面凸轮廓线设计基本原理---反转法原理图解法2.对心滚子直动从动件盘形凸轮理论廓线实际廓线(工作廓线)将滚子中心看作尖顶，然后按尖顶推杆凸轮廓线的设计方法确定滚子中心的轨迹，称其为凸轮的理论廓线。（如图所示）以理论廓线上各点为圆心，以滚子半径rr为半径，作一系列圆族的包络线，称其为凸轮工作廓线。凸轮基圆半径指理论廓线的最小半径平面凸轮廓线设计3.偏置尖顶直动从动件盘形凸轮4'6'10'12'2'3'1'461012132

基圆半径r0eee平面凸轮廓线设计平面凸轮廓线设计偏置尖顶凸轮机构正转偏置尖顶凸轮机构反转平面凸轮廓线设计

若给整个机构加一公共角速度-ω，则凸轮静止不动，但机构中各构件之间的相对运动关系并不改变。而推杆一方面在导路中作预期的往复移动，同时又随同导路以–ω

绕凸轮轴心转动。

推杆尖顶在这种复合运动中的轨迹即为凸轮轮廓曲线。偏置尖顶凸轮机构反转法4.偏置滚子直动从动件盘形凸轮5.对心平底直动从动件盘形凸轮1）将平底与推杆导路的交点A视为推杆尖顶,求出理论轮廓上的一系列点。sδ60°120°90°90°1’3’5’7’8’1357891113159’11’13’12’14’2)过1’、2’、…作一系列代表推杆平底的直线；123456788’7’6’5’4’3’2’1’9’10’11’12’13’14’15141312111093)作出该直线族的包络线，即为凸轮的实际轮廓曲线。15’平面凸轮廓线设计1.摆动尖顶推杆盘形凸轮2.摆动滚子推杆盘形凸轮3.摆动平底推杆盘形凸轮已知：凸轮与摆动从动件中心距lOA，摆动从动件长度lAB，凸轮基圆半径r0，凸轮以等角速ω逆时针回转，从动件运动规律同前。用反转法设计摆动从动件凸轮轮廓曲线的方法和步骤平面凸轮廓线设计滚子推杆滚子半径的选择（1）凸轮轮廓曲线与滚子半径的关系ρa＝ρ＋rr，ρa＝ρ－rr。②若ρ＝rr时，ρa＝0，即工作廓线出现变尖现象。③若ρ<rr时，ρa<0，即工作廓线出现交叉，推杆运动规律出现失真现象。①若ρ>rr时，ρa>

0，即工作廓线为光滑曲线。工作廓线为光滑曲线。1）当凸轮理论廓线内凹时，2）当凸轮理论廓线外凸时，平面凸轮廓线设计（2）滚子半径的选择

其次，要求凸轮工作廓线的最小曲率半径ρamin一般不应小于1～5mm。若不满足此要求时，就应增大r0，或减小rr，或修改s(δ)，或使其工作廓线出现尖点的地方代以合适曲线。此外，滚子半