工程流体力学：第3章 凸轮机构设计

第3章

凸轮机构设计凸轮机构的应用和分类从动件的常用运动规律盘状凸轮轮廓的设计凸轮设计中应注意的问题

§3-1凸轮机构的应用和分类平面凸轮机构空间凸轮机构§3-1凸轮机构的应用和分类盘状凸轮移动凸轮圆柱凸轮生产线搬运机构§3-1凸轮机构的应用和分类尖顶从动件滚子从动件平底从动件移动摆动对心偏心（偏置）1)尖顶从动件2)滚子从动件3)平底从动件按从动件与凸轮的接触形式分§3-1凸轮机构的应用和分类

根据保持从动件与凸轮接触的方式不同，凸轮机构可分为利用外力(如重力、弹簧力)保持接触的力约束凸轮（如内燃机配气凸轮，冲头机构的凸轮），以及利用几何形状的限制来保持接触的几何约束凸轮（除先前见到的自动送料机凸轮外，平面凸轮机构中的等宽凸轮、等径凸轮*等也是几何约束凸轮)。二、凸轮机构的特点与应用

优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到需要的运动规律，且结构简单紧凑、设计方便。

缺点：凸轮轮廓与从动件之间是点、线接触，接触应力很大，容易磨损。

应用范围：广泛应用于传力不大的控制机构中。§3-2从动件常用运动规律一、基本概念偏距圆：

以凸轮转动中心Ｏ为圆心，以Oq为半径的圆称为偏距圆，从动件在运动的过程中，其速度方向将始终保持和偏距圆相切。基圆：以凸轮廓线的最小向径r0为半径所绘制的圆。推程：当凸轮以等角速度沿逆时针方向转过角度δt

时，从动件以一定的运动规律由离回转中心最近的位置到达最远位置，这个过程称为推程。而与推程对应的凸轮转角δt称为推程运动角。远休止角：当凸轮继续回转角度δs

时，从动件在最远位置保持不动，δs称为远休止角。回程：凸轮继续回转角度δh时，从动件在重力、弹簧力或其它力的作用下，以一定的运动规律回到起始位置，这个过程称为回程，δh称为回程运动角。近休止角：当凸轮继续回转角度δs’

时，从动件在最近位置停留不动，δs’称为近休止角。升程h：从动件上升的最大位移。

从动件的位移线图从动件位移与凸轮转角之间的关系曲线。纵坐标代表从动件移动的位移，横坐标代表凸轮的转角(因凸轮通常是匀速转动的，因此横坐标实际上也代表时间)。从动件位移线图

从动件的位移线图取决于凸轮轮廓曲线的形状。即：从动件的不同运动规律要求凸轮具有不同的轮廓曲线。二、常用的从动件运动规律

1、等速运动规律

开始、停止时加速度无穷大，惯性力也无穷大，我们把加速度无穷大引起的冲击称刚性冲击。适用于低速轻载和从动件质量较小的凸轮机构。2、等加速等减速运动规律

从动件在前半推程（回程）作等加速运动，在后半推程（回程）作等减速运动，通常加速度和减速度绝对值相等。

加速度在o,m,e产生有限值的变化，发生柔性冲击，适宜于中、低速，轻载场合。等加速等减速位移线图绘制3、余弦加速度运动规律

因这种运动规律的加速度为余弦函数，故称为余弦加速度运动规律。行程始末会引起柔性冲击，只适于中速场合。此外，还有其它的加速度运动规律。为了获得更好的运动特性，可以把各种运动规律组合起来应用，组合时应保证加速度线图始终保持连续。余弦加速度位移线图绘制O显然：反转后尖顶的运动轨迹即是凸轮的理论廓线。凸轮-----静止机架-----以“-

”绕o点转动从动件随机架以“-

”反转相对机架按s=f(

)运动凸轮轮廓曲线设计的基本原理——反转法反转法---对整个机构加绕凸轮轴心O点的“-ω”公共角速度反转§3-3盘形凸轮轮廓曲线的设计一、对心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓设计③确定反转后从动件尖顶在各等分点占据的位置。r0Os

13578

60º120º90º90º60º120º

1

2

90ºA90º91113151

3

5

7

8

9

11

13

12

14

10

已知：凸轮的基圆半径r0，凸轮角速度

和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。①选比例尺

l，作位移曲线和基圆r0。②等分位移曲线、反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。3

4

5

6

7

8

1876543210

11

9

12

13

14

1413121110915设计步骤④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。rbOA已知：凸轮的基圆半径rb，滚子半径rr、凸轮角速度

和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。①选比例尺

l，作位移曲线和基圆r0。②等分位移曲线、反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。理论轮廓曲线实际轮廓曲线s

13578

60º120º90º90º91113151

3

5

7

8

9

11

13

12

14

10

60º120º

1

2

90º90º3

4

5

6

7

8

1876543210

11

9

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13

14

1413121110915③确定反转后从动件滚子中心在各等分点占据的位置。④将各点连接成一条光滑曲线。⑤作一系列滚子圆及滚子圆的内(外)包络线。设计步骤二.

对心移动滚子从动件盘形凸轮廓线的设计r0OA

三.

对心移动平底从动件盘形凸轮廓线的设计已知：凸轮的基圆半径rb，角速度

和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。①选比例尺

l，作位移曲线和基圆r0。1)设计步骤②等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。s

13578

60º120º90º90º91113151

3

5

7

8

9

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14

10

60º120º

1

2

90º90º3

4

5

6

7

8

1876543210

11

9

12

13

14

1413121110915③确定反转后平底与导路中心线的交点A在各等分点占据的位置。④作平底直线族及平底直线族的内包络线。四、偏置移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓设计四、偏置移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓设计已知条件：

从动件运动规律，偏距e，凸轮转动方向，基圆半径。五、偏置移动滚子从动件盘形凸轮轮廓设计首先得到尖顶从动件凸轮的轮廓，对滚子从动件凸轮来讲，该轮廓线称为理论轮廓；再绘制实际轮廓。六、摆动从动件盘形凸轮阔线设计r0O12345678

60º120º90º90º

已知凸轮的基圆半径r0，角速度

，摆杆长度l以及摆杆回转中心A与凸轮回转中心的距离L和摆杆角位移曲线，设计该凸轮轮廓曲线。1

2

3

4

5

6

7

120º60º90º

L

A1A2A3A4A5A6A7A8

ABl

①选比例尺

，作位移曲线，作基圆r0和转轴圆OA。

设计步骤r0O12345678

60º120º90º90º

已知凸轮的基圆半径r0，角速度

，摆杆长度l以及摆杆回转中心A与凸轮回转中心的距离L和摆杆角位移曲线，设计该凸轮轮廓曲线。1

2

3

4

5

6

7

120ºB

1

160º90º

LB

2

2B

3

3B

4

4B

5

5B

6

6B

7

7A1A2A3A4A5A6A7A8

ABl

③确定反转后从动件尖顶在各等分点占据的位置。

设计步骤

④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。B5B6B7B8B1B2B3B4作业P523－6题：b）注意：用铅笔作图§3-4凸轮设计中应注意的问题

一、凸轮机构的压力角和自锁

不考虑摩擦的情况下，工作时凸轮给从动件的作用力Ｒ沿接触点处的公法线方向，根据力的分解原理，有：

R'=Rcosα、R"＝Rsinαα是压力角。

当α增大到一定程度，由R"引起的导路对从动件的摩擦阻力就会大于有效分力R'

，这时，无论凸轮加给从动件的作用力有多大，从动件都不会运动，这种现象称为自锁。为保证凸轮机构正常工作并具有一定的效率，必须对压力角加以限制。设计时应使最大压力角不超过许用值：

直动从动件凸轮：[α]＝30°～38°

摆动从动件凸轮：[α]＝40°～50°

常见的依靠外力维持接触的凸轮机构，其从动件在弹簧力或重力作用下返回，回程不会出现自锁，对于这类凸轮机构，通常只需校核推程压力角。二、压力角与基圆半径的关系其中：VB2=V2，VB1=ω1(r0+s2)V2=ω1(r0+s2)tg

∴α↓→r0↑→结构不紧凑；r0↓→α↑→η↓，甚至自锁基圆半径经验公式：r0=（1.6～2）r式中：r——凸轮轴孔半径r0ω1αVB2VB1tts2三、滚子半径的选择

rT↑接触应力↓，但rT过大，凸轮的实际轮廓曲线会产生失真。当，发生失真故：对外凸的凸轮轮廓曲线，应使滚子半径rT小于理论轮廓曲线的最小曲率半径。

常取rT≤0.8ρmin。小结

1、了解凸轮的分类。掌握常见的从动件运动规律及所具有的冲击特性。

2、掌握反转法的原理。3、对于滚子从动件盘形凸轮，基圆半径r0是指理论轮廓的最小向径。滚子半径rr

必须小于凸轮理论轮廓外凸部分的最小曲率半径。

4、弄清基圆半径和压力角

之间的关系。一

单项选择题

（选一正确答案，并将其符号填入题中空白处）3-1凸轮机构的压力角大小与________有关。A.从动件的受力B.凸轮的基圆半径C.凸轮机构结构3-2对于外凸凸轮,为了保证有正常的实际轮廓曲线,其滚子半径应_______理论轮廓的最小曲率半径。A.小于B.大于C.等于3-3在从动件运动规律不变的情况下,若缩小基圆半径,则凸轮机构的压力角________。A.保持不变B.减小C.增大3-4设计一滚子从动件盘形凸轮,当发现实际轮廓曲线出现尖点时,应该_________。A.加大滚子半径B.加大基圆半径C.减小基圆半径3-5从受力好的观点看,盘形凸轮应采用_________从动件。A.平底B.尖底C.滚子BACBA二

填空题3-6凸轮的理论轮廓的最小曲率半径应当___________从动件的滚子半径。3-7滚子从动件的滚子中心轨迹,在