凸轮机构分析讲课文档

凸轮机构分析第1页，共31页。凸轮机构分析第2页，共31页。主要内容1.凸轮机构的结构、特点、类型及应用；2.从动件的常用运动规律及其选择；3.用图解法绘制凸轮轮廓曲线的方法；4.凸轮机构的设计。

第3页，共31页。1.组成

一、凸轮机构的应用与分类

凸轮机构由凸轮1、从动件2、机架3三个基本构件及锁合装置组成。是一种高副机构。其中凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通常作连续等速转动，从动件则在凸轮轮廓的控制下按预定的运动规律作往复移动或摆动。

第4页，共31页。2.特点优点:只要正确地设计和制造出凸轮的轮廓曲线，就能把凸轮的回转运动准确可靠地转变为从动件所预期的复杂运动规律的运动，而且设计简单;凸轮机构结构简单、紧凑、运动可靠。缺点:凸轮与从动件之间为点或线接触，故难以保持良好的润滑，容易磨损。凸轮机构通常适用于传力不大的机械中。尤其广泛应用于自动机械、仪表和自动控制系统中。第5页，共31页。3.应用：

平面连杆机构虽然应用广泛，但它只能近似地实现给定的运动规律，且设计比较复杂。当从动件须精确地按预定运动规律尤其是复杂运动规律工作时，则常采用凸轮机构。

靠模车削机构自动送料机构第6页，共31页。4.类型：A）按凸轮的形状分：第7页，共31页。盘形凸轮

其凸轮都是绕固定轴线转动且有变化向径的盘形构件。盘形凸轮机构简单，应用广泛，但限于凸轮径向尺寸不能变化太大，故从动件的行程较短。移动凸轮

其凸轮是具有曲线轮廓、作往复直线移动的构件，它可看成是转动轴线位于无穷远处的盘形凸轮。圆柱凸轮

其凸轮是圆柱面上开有凹槽的圆柱体，可看成是绕卷在圆柱体上的移动凸轮，利用它可使从动件得到较大的行程。

第8页，共31页。B）按从动件末端形状分：第9页，共31页。尖顶从动件凸轮机构

其从动件的端部呈尖点，特点是能与任何形状的凸轮轮廓上各点相接触，因而理论上可实现任意预期的运动规律。尖顶从动件凸轮机构是研究其他型式从动件凸轮机构的基础。但由于从动件尖顶易磨损，故只能用于轻载低速的场合。滚子从动件凸轮机构

其从动件的端部装有滚子，由于从动件与凸轮之间可形成滚动摩擦，所以磨损显著减少，能承受较大载荷，应用较广。但端部重量较大，又不易润滑，故仍不宜用于高速。平底从动件凸轮机构

其从动件端部为一平底。若不计摩擦，凸轮对从动件的作用力始终垂直于平底，传力性能良好，且凸轮与平底接触面间易形成润滑油膜，摩擦磨损小、效率高，故可用于高速，缺点是不能用于凸轮轮廓有内凹的情况。

第10页，共31页。所谓的锁合是指保持从动件与凸轮之间的高副接触。力锁合凸轮机构

依靠重力、弹簧力或其他外力来保证锁合，如内燃机配气凸轮机构。形锁合凸轮机构

依靠凸轮和从动件几何形状来保证锁合。

C）按锁合方式分：第11页，共31页。所谓的锁合是指保持从动件与凸轮之间的高副接触。力锁合凸轮机构

依靠重力、弹簧力或其他外力来保证锁合，如内燃机配气凸轮机构。形锁合凸轮机构

依靠凸轮和从动件几何形状来保证锁合。

移动从动件凸轮机构（按其从动件导路是否通过凸轮回转中心分为对心移动从动件和偏置移动从动件凸轮机构。）

摆动从动件凸轮机构移动从动件凸轮机构按锁合方式分：按从动件相对机架的运动方式分为：第12页，共31页。二、从动件的常用运动规律1.凸轮轮廓曲线与从动件运动规律的关系

生产中对从动件运动的要求是多种多样的。凸轮机构中，凸轮的轮廓形状决定了从动件的运动规律，反之，从动件的不同运动规律要求凸轮具有不同形状的轮廓。因此，设计凸轮机构时，应首先根据工作要求确定从动件的运动规律，再据此来设计凸轮的轮廓曲线。

从动件的运动规律是指其位移s、速度v和加速度a等随凸轮转角而变化的规律。

这种规律可用方程表示，亦可用线图表示。

第13页，共31页。推程、远休止、回程、近休止当凸轮连续转动时，从动件将重复上述运动过程。

第14页，共31页。2.从动件的常用运动规律

等速运动规律：是指从动件在推程或回程的运动速度为常数的运动规律。凸轮以等角速度转动，从动件在推程中的行程为h。从动件作等速运动规律的运动线图如图所示。其位移曲线为斜直线，速度曲线为平直线，加速度曲线为零线。第15页，共31页。

由图可见，从动件在推程始末两点、处，速度有突变，瞬时加速度理论上为无穷大，因而产生理论上亦为无穷大的惯性力。而实际上，由于构件材料的弹性变形，加速度和惯性力不至于达到无穷大，但仍会对机构造成强烈的冲击，这种冲击称为“刚性冲击”或“硬冲”。因此，单独采用这种运动规律时，只能用于凸轮转速很低以及轻载的场合。

第16页，共31页。

由图可见，在推程的始末点和前、后半程的交接处，加速度有突变，因而惯性力也产生突变，但它们的大小及突变量均为有限值，由此将对机构造成有限大小的冲击，这种冲击称为“柔性冲击”或“软冲”。在高速情况下，柔性冲击仍会引起相当严重的振动、噪声和磨损，因此这种运动规律只适用于中速、中载的场合。

等加速等减速运动规律:是指从动件在一个行程中，前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动的运动规律。运动线图如图所示。其位移曲线为两段光滑相连开口相反的抛物线，速度曲线为斜直线，加速度曲线为平直线。作图方法如图所示。第17页，共31页。由图可见，在推程始末点处仍有加速度的有限值的突变，即存在“软冲”，因此只适用于中、低速。但若从动件作无停歇的升—降—升型连续运动，则加速度曲线为光滑连续的余弦曲线，消除了“软冲”，故可用于高速。余弦加速度运动规律:是指从动件加速度按余弦规律变化的运动规律。这种运动规律的运动线图如图所示。其位移曲线为简谐曲线，故又称为简谐运动规律，速度曲线为正弦曲线，加速度曲线为余弦曲线。作图方法如图所示。第18页，共31页。移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的图解设计

设计一般精度凸轮时常被采用图解法。而设计高精度凸轮，则必须用解析法，但计算复杂。本节主要讨论图解法。

设计方法：1.图解法2.解析法基本原理：反转法原理第19页，共31页。

设想给凸轮机构加上一个绕凸轮轴心并与凸轮角速度等值反向的角速度。根据相对运动原理，机构中各构件间的相对运动并不改变，但凸轮已视为静止，而从动件则被看成随同导路以角速度绕点转动，同时沿导路按预定运动规律作往复移动。从动件尖顶的运动轨迹即为凸轮的轮廓。这就是图解法绘制凸轮轮廓曲线的原理，称为“反转法”。反转法原理

第20页，共31页。反转法设计凸轮轮廓曲线的方法和步骤1.对心尖顶移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计

2.对心滚子移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计3.偏置尖顶移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计第21页，共31页。对心尖顶移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计基圆半径Rb1.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。

已知，如图第22页，共31页。对心滚子移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

第23页，共31页。偏置尖顶移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计e已知：如图所示第24页，共31页。平低正置从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计相当于滚子半径无穷大的情况，设计方法与滚子从动杆类似1、从动杆轴线与平底的交点A看成尖顶从动杆的尖顶，按照尖顶从动杆凸轮机构轮廓曲线设计方法，得到理论轮廓曲线2、A点与理论轮廓曲线重合做出相应的代表平底的直线。这些直线的包络曲线就是平底从动杆凸轮的实际轮廓曲线自学：摆动从动杆盘形凸轮轮廓曲线的设计第25页，共31页。凸轮机构设计中应注意的几个问题

设计凸轮机构，不仅要保证从动件能实现预定的运动规律，还须使设计的机构传力性能良好，结构紧凑，满足强度和安装等要求，为此，设计时应注意处理好下述问题。

1.滚子半径的选择2.凸轮机构的压力角

3.凸轮基圆半径的确定

4.凸轮机构的材料

第26页，共31页。1.滚子半径的选择对于外凸的凸轮廓线：实际轮廓为光滑曲线

实际廓线出现尖点

实际轮廓相交而造成从动件运动失真对于内凹的凸轮廓线：实际轮廓为光滑曲线

第27页，共31页。2.凸轮机构的压力角压力角：不计摩擦时，凸轮对从动件的作用力（法向力）与从动件上受力点速度方向所夹的锐角。

该力可分解为两个分力：压力角越小，传力越好。自锁：如果凸轮机构运动到某一位置的压力角大到使有效分力不足以克服摩擦阻力，不论推力多大，都不能使从动件运动。这种现象称为凸轮机构的自锁。机构开始出现自锁时的压力角称为临界压力角。

第28页，共31页。许用压力角：凸轮机构在运转中的压力角是变化的，为避免机构发生自锁并具有较高的传动效率，必须对最大压力角加以限制，其许用值应远低于临界压力角，即：2.凸轮机构的压力角对移动从动件的推程，取[]=30°对摆动从动件的推程，取[]=35°～45°回程时，可取[]=70°～８０