机械设计基础课件 模块3 凸轮机构

汇报时间：汇报人：模块3凸轮机构01030507学习目标单元3.2凸轮机构的工作原理及从动件常用的运动规律单元3.6AI应用实训——利用DeepSeek进行凸轮机构的设计与分析单元3.4凸轮机构基本尺寸的确定02单元3.1凸轮机构的应用和分类04单元3.3盘形凸轮轮廓曲线的设计方法06单元3.5凸轮机构的结构设计08模块小结09模块习题目录CONTENTPART.01学习目标理解从动件位移、速度、加速度与凸轮转角之间的关系。掌握等速运动规律、等加速等减速运动规律、简谐运动规律的特点及应用场合。掌握从动件运动规律了解凸轮机构在自动化机器中的应用场景，如内燃机配气机构、靠模车削机构等。掌握凸轮机构按凸轮形状、从动件形状、运动形式及锁合方式的分类方法。了解凸轮机构的应用和分类掌握反转法原理，理解其在凸轮轮廓设计中的应用。掌握用图解法设计对心尖顶直动从动件和对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的步骤。熟悉盘形凸轮轮廓曲线的设计方法了解凸轮的结构形式（如凸轮轴）及与轴的连接方式（键连接、销连接）。了解从动件的结构形式，特别是滚子从动件的滚子结构及连接方式。了解凸轮机构的结构设计理解压力角的概念及其对凸轮机构传力性能的影响，掌握最大压力角的限制要求。掌握基圆半径、滚子半径的确定方法，避免出现轮廓变尖、运动失真等问题。熟悉凸轮机构基本尺寸的确定知识目标能够绘制位移线图，确定基圆及径向线，准确找出反转后从动件尖顶或滚子中心的位置，绘制出凸轮轮廓曲线。能够处理设计过程中的细节问题，如确保曲线光滑连续，正确标注相关尺寸。能够运用反转法原理，使用图解法完成对心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓曲线、对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计能够根据从动件运动规律和工作要求，通过诺模图或计算确定基圆半径。能够根据理论轮廓最小曲率半径合理选择滚子半径，确保实际轮廓不出现变尖或相交。能够根据工作条件（速度、载荷）选择凸轮和从动件的材料，并确定合适的装配方式。具备凸轮机构基本尺寸确定的能力，能合理确定基圆半径、滚子半径等参数，避免出现轮廓变尖、运动失真等问题，同时能根据实际情况选择合适的凸轮与从动件的材料及装配方式技能目标在凸轮轮廓设计和尺寸确定过程中，培养严谨细致的工作作风，确保设计结果的准确性。对设计中出现的问题（如压力角超标、轮廓失真）能积极思考并寻求解决方案。理解凸轮机构在机械产品中的重要作用，认识到设计质量对产品性能和可靠性的影响。在学习和实践中，培养对技术负责、对工程负责的职业精神。树立精益求精的态度，追求每一个细节的完美培养严谨的工作作风和强烈的责任感，为高质量的产品和工程贡献自己的力量素质目标PART.02单元3.1凸轮机构的应用和分类在自动化机器中，凸轮机构因其独特的运动转换能力而被广泛应用，以满足某些特殊或复杂的运动要求。凸轮机构通常由三个基本构件组成：凸轮、从动件和机架。其中，凸轮作为原动件，具有控制从动件运动规律的曲线轮廓或凹槽，通常做连续等速转动或往复移动，而从动件则在凸轮轮廓的驱动下，按预定运动规律做往复移动或摆动。凸轮机构在自动化机器中的作用内燃机配气机构：盘形凸轮做等速转动，通过其径向的变化，使顶杆按预期规律做上下往复移动，从而精确控制气阀的开闭，确保内燃机的正常工作。靠模车削机构：在工件回转的同时，靠模板（凸轮）与工件一起向右移动。刀架在靠模板曲线轮廓的推动下做往复移动，从而切削出与靠模板曲线一致的工件形状。缝纫机挑线机构：凸轮做匀速转动，利用其曲线形沟槽驱动摆杆绕其固定回转轴A做往复摆动，完成缝纫过程中的挑线动作。机床进退刀机构：圆柱凸轮等速转动时，其上曲线凹槽的侧面推动扇形齿轮绕点C做往复摆动。通过扇形齿轮与固结在刀架上的齿条相互作用，控制刀架做进刀和退刀运动。绕线机中的凸轮机构：凸轮做匀速转动，并用其曲线轮廓驱动布线杆做往复摆动，使线均匀地缠绕在绕线轴上，实现绕线功能。冲床送料机构：凸轮做往复移动，并用其曲线轮廓驱动送料杆做往复移动，完成送料动作，确保冲床的持续、高效工作。典型应用实例凸轮机构的应用按凸轮的形状分类盘形凸轮：盘形凸轮是绕固定轴转动并具有变化向径的盘形构件，是凸轮的基本形式。盘形凸轮与从动件的相对运动为平面运动，属于平面凸轮机构。移动凸轮：移动凸轮外形呈平板状，可看作回转中心位于无穷远时的盘形凸轮，相对机架做直线移动。移动凸轮与从动件的相对运动也为平面运动，属于平面凸轮机构。圆柱凸轮：圆柱凸轮是具有曲线凹槽的圆柱形构件，可看作移动凸轮卷成圆柱演化而成。圆柱凸轮与从动件的相对运动为空间运动，属于空间凸轮机构。1按从动件的形状分类尖顶从动件：尖顶从动件以其尖顶与凸轮轮廓接触，结构最为简单。尖顶的几何特性使其能够与各种形式的凸轮轮廓保持接触，从而实现任意的运动规律。然而，尖顶由于接触面积小，易受磨损，因此尖顶从动件只适用于低速、轻载的凸轮机构。滚子从动件：滚子从动件通过铰接的滚子与凸轮轮廓接触，这种接触方式属于滚动摩擦，磨损较小，因此承载能力较大。然而，滚子从动件的运动规律受到一定限制，且滚子与滚轴之间存在间隙，这可能导致高速运动时的精度问题。因此，滚子从动件不适用于高速的凸轮机构，在重载、低速场合具有显著优势。平底从动件：平底从动件以平底与凸轮轮廓接触，这种结构紧凑，润滑性能和动力性能好，效率高。因此，平底从动件适用于高速的凸轮机构。然而，平底从动件要求凸轮轮廓曲线不能呈凹形，这限制了从动件的运动规律。2按从动件的运动形式分类直动从动件：直动从动件做往复直线运动。若从动件导路通过盘形凸轮回转中心，则称为对心直动从动件；若从动件导路不通过盘形凸轮回转中心，则称为偏置直动从动件。摆动从动件：摆动从动件做往复摆动。3按锁合方式分类力锁合凸轮机构：力锁合凸轮机构靠重力、弹簧力或其他外力使凸轮轮廓与从动件保持接触。力锁合方式简单可靠，但在某些特殊场合可能需要额外的力来保持接触。形锁合凸轮机构：形锁合凸轮机构依靠凸轮或从动件特殊的几何形状来维持接触。形锁合方式在特定场合下具有独特的优势，如能够承受较大的侧向力或保持较高的精度。4凸轮机构的分类不论从动件要求的运动规律多么复杂，都可以通过适当地设计凸轮轮廓来实现，而且设计比较简单。结构简单紧凑，构件少，传动累积误差很小，能够准确地实现从动件要求的运动规律。可实现从动件的转动、移动和摆动等多种运动要求，也可实现间歇运动要求。工作可靠，非常适用于自动控制中。与连杆机构相比的优势由于是高副机构，易磨损，因此只能用于传力不大的场合。与圆柱面和平面相比，凸轮轮廓的加工要复杂得多。存在的不足0102凸轮机构的特点PART.03单元3.2凸轮机构的工作原理及从动件常用的运动规律行程h：从动件从离凸轮轴心最近的位置移动到最远的位置所经过的距离。推程运动角δ₀：凸轮以等角速度ω转动，从动件被凸轮轮廓从离凸轮轴心最近的位置推至最远位置的过程中，凸轮所转过的角度。远休止角δₛ：凸轮继续转动，从动件的尖顶与凸轮的圆弧段接触，并停留在离凸轮轴心最远位置时，凸轮所转过的角度。回程运动角δ'₀：凸轮继续转动，从动件在重力或弹簧力作用下，由离凸轮轴心最远位置回到最近位置的过程中，凸轮所转过的角度。近休止角δ'ₛ：凸轮继续转动，从动件的尖顶与凸轮的圆弧段接触，并停留在离凸轮轴心最近位置时，凸轮所转过的角度。凸轮转过一周时，从动件会经历推程、远休止、回程和近休止四个阶段，形成一个典型的升—停—回—停的双停歇循环。从动件的运动也可以是仅有一次停歇或没有停歇的循环，具体取决于凸轮机构的设计和应用需求。凸轮机构的基本参数凸轮机构的工作循环凸轮机构的工作原理运动规律的概念从动件的运动规律是描述从动件位移s、速度v和加速度a与凸轮转角之间关系的重要特性。这种关系可以通过线图或运动方程来表示，是设计凸轮轮廓的依据。等速运动规律定义：从动件在推程或回程中的运动速度为定值。运动方程：推程时，s=(h/δ₀)δ，v=(hω)/δ₀，a=0；回程时，s=h-(h/δ'₀)δ'，v=-(hω)/δ'₀，a=0。特点：在推程或回程开始和终止的瞬时，速度会发生突变，导致加速度和惯性力在理论上趋于无穷大（实际中因材料弹性变形而有限），产生刚性冲击。应用场合：仅适用于低速、轻载的场合。等加速等减速运动规律定义：从动件在推程的前半段进行等加速运动，后半段进行等减速运动，且加速度和减速度的绝对值相等，前半段和后半段位移的大小也相等。运动方程（推程前半段等加速）：s=(2h/δ₀²)δ²，v=(4hω/δ₀²)δ，a=(4hω²)/δ₀²。特点：位移曲线为二次抛物线，加速度在特定点（行程中点）存在有限的突变，产生柔性冲击。应用场合：适用于中速、中载的场合。简谐运动规律（余弦加速度运动规律）定义：质点在圆周上做匀速运动时，其在直径上的投影所形成的运动。运动方程：s=(h/2)(1-cos(πδ/δ₀))，v=(hωπ/(2δ₀))sin(πδ/δ₀)，a=(hω²π²/(2δ₀²))cos(πδ/δ₀)。特点：加速度曲线为余弦曲线，在行程的始、末两点，加速度存在有限突变，也存在柔性冲击。当从动件进行无停歇的连续往复运动时，加速度曲线变为连续的余弦曲线，完全消除了柔性冲击。应用场合：无停歇连续运动时可用于高速传动。其他运动规律简介随着生产技术的进步，工程中采用的从动件的运动规律越来越多，如摆线运动规律、复杂多项式运动规律及改进型运动规律等。选择运动规律时，应首先满足机构的工作要求，同时考虑使凸轮机构具有良好的工作性能，如对于质量较大的从动件，应选择vₘₐₓ较小的运动规律；对于高速凸轮机构，应考虑使aₘₐₓ不要太大，并使凸轮轮廓曲线便于加工和制造。从动件的运动规律PART.04单元3.3盘形凸轮轮廓曲线的设计方法设想给整个凸轮机构加上一个与凸轮转动方向相反的公共角速度-ω，此时凸轮将保持静止不动。由于从动件的尖顶始终与凸轮的轮廓保持接触，因此在这种复合运动中，从动件尖顶的运动轨迹实际上就是凸轮轮廓曲线。根据相对运动原理，凸轮和从动件之间的相对运动状态未发生改变。从动件一方面会随着其导路以角速度-ω绕轴O进行转动，另一方面会在导路中按照预定的运动规律进行往复移动。反转法的核心在于通过设想凸轮静止不动，而从动件进行复合运动的方式，简化凸轮轮廓曲线的设计过程。反转法原理反转法对心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计绘制位移线图：选取位移比例尺μₛ和凸轮转角比例尺μ_δ，绘制出位移线图s-δ(φ)。将凸轮转角δ₀及反转后的转角δ'₀等分成若干等份，从各点作垂线与位移曲线交于点，确定从动件在不同凸轮转角下的位移量。确定基圆及径向线：选取长度比例尺μ_l（通常取μ_l=μₛ），以点O为圆心，r_b为半径作出基圆。从从动件最低（起始）位置B₀起，沿-ω方向（即与凸轮回转方向相反）量取角度δ₀、δₛ、δ'₀、δ'ₛ等，并将δ₀和δ'₀按位移线图中的等份数分成相应的等份，引出一系列径向线O₁、O₂、...、On。确定反转后从动件尖顶位置：从各径向线与基圆的交点B'₁、B'₂、...、B'n向外量取各个位移量B'₁B₁=11'、B'₂B₂=22'、...、B'nBn=nn'，得到点B₁、B₂、...、Bn。绘制凸轮轮廓曲线：将B₀、B₁、B₂、...、Bn各点连接成光滑曲线。B₀、B₁间和B₄、B₀间均为以O为圆心的圆弧，以保持凸轮轮廓的连续性和平滑性。对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计理论轮廓曲线的绘制：以滚子中心为参照，绘制出尖顶从动件所对应的凸轮轮廓曲线，这条曲线是滚子中心的运动轨迹，称为凸轮的理论轮廓曲线。实际轮廓曲线的绘制：在理论轮廓曲线上的每一个点上，以滚子半径r_T为半径，分别绘制一系列圆。作出这些圆的包络线β，即为使用滚子从动件时凸轮的实际轮廓曲线。注意事项：滚子从动件凸轮的基圆半径r_b应当是在理论轮廓曲线上进行度量的。图解法010203绘图规范同一轮廓曲线的有关长度尺寸，如从动件的位移、基圆半径、偏距、滚子半径等，必须用同一长度比例尺画出。等分点越多，所得的凸轮轮廓曲线越准确，实际作图时等分点的数量可根据对凸轮工作准确性的要求确定。反转方向与曲线光滑性应用反转法绘制凸轮轮廓曲线时，一定要沿-ω方向在基圆圆周上按位移线图的顺序截取等分点，否则将不符合给定的运动规律。连接各等分点的曲线必须是光滑连续的。设计要求从动件在所有位置都能准确地实现给定的运动规律。机构传力性能要好，不能自锁。凸轮结构尺寸要紧凑。图解法设计注意事项2、设计原理：反转法原理加角速度-w(与凸轮角速度大小相等、方向相反)从动件与导路绕角速度-w以凸轮转动凸轮静止不动从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线从动件相对导路移动1、设计方法：（1）图解法（2）解析法图解法设计注意事项图解法设计注意事项基圆半径r02.选与位移线图一致的比例作凸轮的基圆；3.将基圆分成与位移线图中相对应的等份；4.以-ω方向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；5.光滑连接各点即为所求的凸轮轮廓。

设计步骤：1.画出从动件位移线图；1.对心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计实际轮廓曲线

理论轮廓曲线

以相同比例在轮廓线上画出滚子2对心滚子直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计

图解法设计注意事项PART.05单元3.4凸轮机构基本尺寸的确定010203压力角的定义凸轮机构的压力角α为从动件在高副接触点A所受的法向压力Fₙ与从动件在该点的线速度v之间所夹的锐角。压力角是评估机构传力性能的重要参数。压力角对传力性能的影响及许用值在推程中，当压力角α超过一定数值时，摩擦阻力将增大到足以阻止从动件继续运动，从而产生自锁现象。必须对最大压力角αₘₐₓ进行严格限制，确保其小于许用压力角[α]，即αₘₐₓ<[α]。许用压力角[α]的数值通常根据从动件的类型和运动需求来确定：对于直动从动件的推程，一般建议[α]=30°~40°；对于摆动从动件的推程，建议[α]=40°~50°。在回程中，由于从动件没有负载，通常取[α]=70°~80°。最大压力角的测量与计算直接测量法：在作出的凸轮轮廓曲线图上进行测量。诺模图法：根据从动件的运动规律、推程运动角δ₀以及h/r_b比值，利用诺模图进行查找。压力角的确定基圆半径r_b的选取对凸轮机构的紧凑性有着直接影响。基圆半径越小，所设计的凸轮机构整体上就越紧凑。在其他设计条件保持不变的情况下，基圆半径r_b与压力角α之间呈现出一种反比关系，即基圆半径r_b越小，压力角α越大。当基圆半径r_b减小到一定程度时，压力角α可能会超过其许用值，导致机构效率下降甚至自锁。基圆半径与压力角的关系不能单纯为了追求凸轮机构的紧凑性而盲目减小基圆半径。必须在确保凸轮轮廓的最大压力角不超过其许用值的前提下，审慎地考虑基圆半径的选取，以保证凸轮机构工作效率和稳定性，同时实现紧凑性设计。基圆半径确定的原则基圆半径的确定凸轮的理论轮廓（外凸部分）某处的曲率半径ρₘᵢₙ、对应的实际轮廓的曲率半径ρ和滚子半径r之间存在关系：ρ=ρₘᵢₙ-r。当r=ρₘᵢₙ时，ρ=0，实际轮廓变尖，这种凸轮轮廓极易磨损，不能在实际中应用。当r>ρₘᵢₙ时，ρ<0，实际轮廓相交，其相交部分将在加工时被切掉而使运动失真。滚子半径与理论轮廓曲率半径的关系欲保证各处都不发生实际轮廓变尖和相交，滚子半径r必须小于理论轮廓（外凸部分）的最小曲率半径ρₘᵢₙ，即r<ρₘᵢₙ。凸轮的理论轮廓内凹部分对滚子半径的选择没有限制。滚子的尺寸受其强度、结构的限制，因此滚子半径不能太小，通常取滚子半径r=(0.1~0.5)r_b，其中r_b为凸轮的基圆半径。滚子半径的选择原则滚子半径的确定PART.06单元3.5凸轮机构的结构设计凸轮的结构凸轮轴：当凸轮的尺寸较小，且与轴的尺寸相近时，为了简化制造和装配过程，通常将凸轮与轴设计为一体，称为凸轮轴。分体式凸轮：当凸轮的尺寸较大，且与轴的尺寸相差显著时，为了保持两者的加工精度和装配灵活性，凸轮与轴应分开制造，通过键连接或销连接等方式实现可靠传动。凸轮的材料选择低速、轻载的盘形凸轮：可选用HT200、HT250、HT300、QT500-7、QT600-3等材料。中速、中载的凸轮：常选用45钢，经表面淬火；也可选用20Cr、20CrMn等材料，经渗碳淬火，使其硬度达到56~62HRC。高速、重载的凸轮：常选用40Cr，经表面高频淬火，使其硬度达到56~60HRC；也可选用38CrMoAl，经渗氮处理，使其硬度达到60~67HRC。凸轮的装配确保凸轮与轴之间具有精确的相对位置关系，通常在凸轮上明确刻制起始位置0°或其他显著的标志作为基准点。当凸轮的位置需要沿轴的圆周方向进行调整时，可采用螺钉初步定位、锥销固定或开槽锥形套筒与双螺母相结合的方式来锁紧凸轮位置。凸轮的结构与装配滚子从动件的滚子结构01圆柱体滚子：结构简单、制造成本较低，适用于多数常规应用场景。滚动轴承作为滚子：能够提供更好的滚动效果和承载能力，特别适用于对精度和寿命要求较高的场合。滚子与从动件的连接方式02螺栓连接：连接牢固、可靠性高，适用于承受较大载荷的情况。小轴连接：结构更为紧凑、灵活，便于安装和调整。无论采用哪种连接方式，都应确保滚子相对从动件能够自由转动，以保证凸轮机构的正常运行和传动效率。从动件的结构PART.07单元3.6AI应用实训——利用DeepSeek进行凸轮机构的设计与分析生成运动规律数据使用DeepSeek生成位移s、速度v、加速度a随凸轮转角δ变化的数据表，向DeepSeek输入：“根据上述参数，生成推程运动角δ₀=120°的位移、速度、加速度数据表(分10个等分点)。”明确设计需求输入凸轮机构初始参数，向DeepSeek输入：“设计一偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构，要求为从动件的运动规律为等加速等减速运动规律、行程h=15mm、基圆半径r_b=30mm、偏距e=5mm。”轮廓设计基于反转法原理，利用DeepSeek输出凸轮理论轮廓与滚子实际轮廓的坐标点。向DeepSeek输入：“根据步骤2的数据，采用反转法绘制凸轮理论轮廓线，滚子半径r_T=8mm，输出轮廓坐标点(每15°一个点)。”压力角与失真校验验证最大压力角αₘₐₓ是否满足小于40°，并检查理论轮廓最小曲率半径ρₘᵢₙ是否大于滚子半径r_T（避免失真）。向DeepSeek输入：“校验步骤3设计的凸轮：(1)计算推程的最大压力角；(2)检查凸轮轮廓是否发生失真。”参数优化建议根据校验结果，获取AI参数优化建议（如调整r_b或r_T）。向DeepSeek输入：“若压力角超标，请推荐新的基圆半径r_b。”实训步骤步骤2的数据表（Excel截图）。步骤3的凸轮理论轮廓与滚子实际轮廓的坐标点及轮廓示意图（手绘或CAD截图）。步骤4和步骤5的校验结果与优化方案（文字说明）。02参数需明确单位。从动件的运动规律需指定类型（等速运动规律、等加速等减速运动规律、简谐运动规律）。01输入规范输出提交实训要求校验分析（30分）：压力角与失真校验结果，校验方法正确（15分），结论合理（15分）。设计参数完整性（10分）：初始参数是否齐全、合理，缺1项扣5分。运动规律数据（10分）：位移、速度、加速度数据表，数据正确（5分），格式清晰（5分）。优化方案（10分）：参数优化建议的可行性，参数优化建议有效（5分），说明清晰（5分）。文档规范性（10分）：报告排版、截图清晰度，整体美观（5分），标注完整（5分）。轮廓设计（30分）：凸轮理论轮廓与滚子实际轮廓的坐标点与轮廓示意图，坐标点正确（15分），轮廓示意图规范（15分）。考核项目与评分标准实训考核PART.08模块小结01020304本模块系统地介绍了凸轮机构的应用、分类、工作原理、设计方法及其在机械设计中的应用。单元3.1学习了凸轮机构的应用和分类，明确了其在自动化机器中的重要地位及独特的运动转换能力。单元3.2深入探讨了凸轮机构的工作原理及从动件的运动规律，理解了位移、速度、加速度与凸轮转角之间的关系。单元3.3学习了盘形凸轮轮廓曲线的设计方法，包括反转法原理和图解法。050607单元3.4重点学习了凸轮机构的重要参数，包括压力角、基圆半径和滚子半径的确定及优化。单元3.5简要介绍了凸轮的结构与装配以及从动件的结构。单元3.6介绍了利用DeepSeek进行凸轮机构的设计与分析的步骤。模块主要内容回顾PART.09模块习题题目2凸轮机构中，凸轮与从动件组成______。A.转动副B.移动副C.高副。题目1凸轮机构的特点是______。A.结构简单、紧凑B.传递动力大C.不易磨损。题目3盘形凸轮中，凸轮与机架组成______。A.转动副B.移动副C.高副。题目4移动凸轮中，凸轮与从动件组成______