凸轮机构讲解

教学导航5.1

概述5.2凸轮机构的从动件常用运动规律5.3盘形凸轮轮廓的设计方法5.4凸轮机构设计中应注意的几个问题小结

思考题项目5凸轮机构总目录下页项目5凸轮机构

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任务1分析凸轮机构的运动情况任务2设计凸轮轮廓曲线项目5凸轮机构

教学导航本章目录下页上页知识目标：1.了解凸轮机构的组成、类型和特点2.了解凸轮机构的工作过程及有关参数3.掌握从动件常用的运动规律技能目标：1.合理选择凸轮机构的种类2.学会分析从动件的运动规律

任务1分析凸轮机构的运动情况项目5凸轮机构

任务描述本章目录下页上页

图5-1所示为一内燃机及其配气机构。已知该配气机构凸轮逆时针等速转动，其顶杆运动规律如表5-1所示，试分析该凸轮机构的类型及运动情况，并画出位移线图。凸轮转角δ00－900900－15001500－24002400－3600顶杆运动规律等速上升45mm

静止等速下降45mm

静止

表5-1顶杆运动规律项目5凸轮机构任务分析：本章目录下页上页

内燃机配气机构是凸轮机构的典型应用，如图5-1所示，当盘形凸轮等速转动时，其轮廓迫使从动件(气门顶杆)上下移动，以控制燃气在预定的时间进入气缸或排出废气。本任务所涉及的知识点包括凸轮机构的类型及应用，从动件常用的运动规律等。图5－1内燃机配气机构1－凸轮

2－弹簧3－机架4－气阀相关知识凸轮机构由凸轮、从动件和机架三部分组成。

一、凸轮机构的组成和应用

凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，他通过与从动件的高副接触，在运动时可以使从动件获得连续或不连续的任意预期运动。凸轮机构是高副机构，易于磨损，因此只适用于传递动力不大的场合。本章目录下页上页项目5凸轮机构5.1概述示例一5.1.1凸轮机构的应用内燃机配气机构点击上图观看动画本章目录下页上页示例二5.1概述靠模车削机构点击上图观看动画本章目录下页上页5.1概述示例三分度转位机构点击上图观看动画本章目录下页上页5.1概述5.1.2凸轮机构的分类1.按照凸轮的形状不同可把凸轮分为以下几种：盘形凸轮移动凸轮圆柱凸轮曲面凸轮2、按从动件末端形状分尖顶从动件：简单不失真，易磨损，用于低速轻载场合，如仪表等。滚子从动件：摩擦小，传递力大，应用广，用于中低速场合。平底从动件：受力平稳，压力角小，效率高，润滑好，用于高速场合，易失真。本章目录下页上页5.1概述4、按照凸轮的锁合方式可把凸轮分为以下几种：力锁合形锁合３、按从动件的运动形式分移动从动件凸轮机构摆动从动件凸轮机构本章目录下页上页5.1概述5.1.3凸轮和滚子的材料凸轮的主要失效形式为磨损和疲劳点蚀。对凸轮和滚子的材料要求：工作表面硬度高耐磨有足够的表面接触强度凸轮芯部有较强的韧性常用的凸轮材料：40Cr、20Cr、40CrMnTi常用的滚子材料：20Cr或者滚动轴承本章目录下页上页5.2从动件常用运动规律5.2.1凸轮机构的运动分析从动件凸轮推程回程远休止近休止典型的凸轮机构中，轮转过一周，从动件会经历推程、远休止、回程和近休止四个过程，即：升---停---降---停。回程运动角近休止角推程运动角远休止角本章目录下页上页5.2从动件常用运动规律5.2.2常用的从动件运动规律1.等速运动规律刚性冲击:

由于加速度发生无穷大突度而引起的冲击.

适用于低速场合本章目录下页上页5.2从动件常用运动规律2、等加速等减速运动规律柔性冲击：加速度发生有限值的突变（适用于中、低速场合）

本章目录下页上页5.2从动件常用运动规律3、余弦加速度运动规律（简谐运动规律）运动特征：在起始和终止位置瞬时，从动件的加速度仍有限值的突变，故存在柔性冲击。适用于中速中载场合。本章目录下页上页5.2从动件常用运动规律

由运动图可见，其速度和加速度曲线都是连续的，因此没有柔性冲击，故常用于高速凸轮机构。4、正弦加速度运动规律（摆线运动规律）本章目录下页上页5.2.3从动件运动规律的选择5.2从动件常用运动规律在选择从动件的运动规律时，应根据机器工作时的运动要求来确定。对无一定运动要求，只需要从动件有一定位移量的凸轮机构。对于高速机构，应减小惯性力、改善动力性能，可选用正弦加速度运动规律或其他改进型的运动规律。本章目录下页上页5.3盘形凸轮轮廓的设计方法5.3.1反转法原理假想给整个机构加一公共角速度-w：凸轮：相对静止不动；推杆：一方面随导轨以-w绕凸轮轴心转动另一方面又沿导轨作预期的往复移动推杆尖顶在这种复合运动中的运动轨迹即为凸轮轮廓曲线。本章目录下页上页5.3盘形凸轮轮廓的设计方法本章目录下页上页5.3盘形凸轮轮廓的设计方法

1、对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构设计要求：已知凸轮的基圆半径为r0,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轮机构的凸轮廓线。本章目录下页上页5.3盘形凸轮轮廓的设计方法与加工方法本章目录下页上页5.3盘形凸轮轮廓的设计方法

本章目录下页上页⑵偏置直动尖动从动件盘形凸轮轮廓的绘制步骤：偏置直动从动件盘形凸轮机构的特点是，反转后从动件始终与以O为圆心、以e为半径的偏距圆相切，如图所示。

作图步骤如下：①以O为圆心，rmin为半径作基圆，以e为半径作偏距圆，在偏距圆上K0点作其切线即为从动件的导路方向，该切线与基圆的交点B0为从动件尖顶的初始位置；②从偏距圆上K0开始沿-

方向将偏距圆分为与图b相对应的若干等分，得K1、K2、K3、…等点；③过K1、K2、K3、…分别作偏距圆的切线K1C1、K2C2、K3C3、

,

分别交基圆于C1、C2、C3、

，这些切线位置即为在反转后从动件导路所占据的各个位置；④在K1C1、K2C2、K3C3、

上量取C1B1=11

、C2B2=22

、C3B3=33

、…得反转后尖顶所占据的一系列位置B1、B2、B3、…；⑤将B0、B1、B2、B3、…连成光滑曲线，便是所要求的凸轮轮廓曲线，如图所示。

注意：从动件在反转过程中导路所占据的各个位置不再是过凸轮轴心的径向线，而是始终切于偏距圆的切线，从动件的位移是沿这些切线从基圆上向外量取的。动态过程如下页

偏置尖顶从动件凸轮轮廓曲线设计-

11

11's1Orb

es22h3s1

1①以O为圆心，rb为半径作基圆，以e为半径作偏距圆，在偏距圆上1’点作其切线与基圆的交点为从动件尖顶的初始位置；作图步骤：②从偏距圆上1点开始沿-

方向将偏距圆分为对应的若干等分，得到1’、2’等点；过1’、2’、等分别作偏距圆的切线11‘、22’

,这些切线位置即为在反转后从动件导路所占据的各个位置；③在其切线与基圆的交点上量取S1、S2、…得反转后尖顶所占据的一系列位置，即1、2、3…④将1，2，3….连成光滑曲线，便是所要求的凸轮轮廓曲线。4s4s55S

2

1123s1s2hs3s4s55.3盘形凸轮轮廓的设计方法

2、对心直动滚子从动件盘形凸轮机构已知条件:凸轮的基圆半径为r0,滚子半径rr,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形凸轮机构的凸轮廓线。本章目录下页上页5.3盘形凸轮轮廓的设计方法

本章目录下页上页5.3盘形凸轮轮廓的设计方法

本章目录下页上页5.3盘形凸轮轮廓的设计方法

本章目录下页上页5.4凸轮机构设计中应注意的几个问题5.4.1凸轮机构的压力角

从动件的运动方向和凸轮作用于它的法向力Fn方向之间所夹的角a称为压力角。

由上述关系式知，压力角a愈大，有效分力Ｆy愈小，有害分力Ｆx愈大。当a角大到某一数值时，必将会出现Fy<Fx的情况。这时，不论施加多大的Fn力，都不能使从动件运动，这种现象称为自锁。因此，为了保证凸轮机构的正常工作，必须对凸轮机构的压力角进行限制。推荐压力角数值移动从动件[a]=30摆动从动件[a]=45回程中，一般不会有自锁现象，压力角取值为[a]=70～80本章目录下页上页5.4凸轮机构设计中应注意的几个问题5.4.2基圆半径的确定rb

从传动效率来看，压力角越小越好，但压力角减小将导致凸轮尺寸增加，因此在设计凸轮时要权衡两者的关系，使设计达到合理。rb越小，凸轮机构紧凑，但α越大，会造成αmax>[α]，所以rb不能过小rb越大，α越小，凸轮机构传力性能越好，但机构不紧凑本章目录下页上页5.4凸轮机构设计中应注意的几个问题本章目录下页上页5.4凸轮机构设计中应注意的几个问题5.4.3滚子半径的确定rT凸轮轮廓曲线形状与滚子半径的关系r'

=r+rT当理论廓线内凹时此时，无论滚子半径大小，凸轮工作轮廓总是光滑曲线(如图a)当理论廓线外凸时(可分为三种情况)r'

=r-rT1)r>rT时r'

>0这时所得的凸轮实际轮廓为光滑的曲线(如图b)2)r=rT时r

'=0，实际轮廓线变尖，极易磨损，不能使用(如图c)。3)r<rT

时r

'<0，，即实际曲线出现交叉会出现失真(如图d)。本章目录下页上页5.4凸轮机构设计中应注意的几个问题当理论廓线外凸时(可分为三种情况)r'

=r-rT本章目录下页上页5.4凸轮机构设计中应注意的几个问题5.4.4凸轮和滚子的材料凸轮的主要失效形式为磨损和疲劳点蚀。对凸轮和滚子的材料要求：工作表面硬度高耐磨有足够的表面接触强度凸轮芯部有较强的韧性常用的凸轮材料：40Cr、20Cr、40CrMnTi常用的滚子材料：20Cr或者滚动轴承本章目录下页上页小结本章目录下页上页凸轮是一个具有曲线轮廓的构件，与从动件保持高副接触，它通过一定的运动方式控制从动件按预定的规律运动。本章着重研究：凸轮机构的组成、类型、应用；凸轮机构从动件的常用运动规律；盘形凸轮轮廓的设计方法及设计中参数的确定。思考题第1题（多选题）凸轮机构从动件作等速规律运动时会产生____冲击。A.

刚性；B.

柔性；C.

刚性和柔性

第2题（单选题）凸轮机构在从动杆运动规律不变情况下，若缩小凸轮基园半径,则压力角____。A.

减小；B.

不变；C.

增大

第3题（多选题）设计凸轮机构，当凸轮角速度、从动件运动规律已知时，则____。A.

基圆半径越大，压力角就越大B.

基圆半径越小，压力角就越大C.

滚子半径越小，压力角就越小D.

滚子半径越大，压力角就越小第4题（多选题）____对于较复杂轮廓曲线的凸轮，也能准确地获得所需的运动规律。A.

尖顶式从动件；B.

滚子式从动件；C.

平底式从动件本章目录下页上页思考题第5题（多选题）压力角是指凸轮轮廓曲线上某点的____之间所夹的锐角。A.切线与从动件速度方向B.速度方向与从动件速度方向C.受力方向与从动件速度方向