机械设计基础――凸轮机构

1、机械设计基础,主讲 钟良 Email:417377611,西南科技大学,第三章 凸轮机构,学习重点： 1.了解凸轮机构的组成、特点、分类及应用 2.掌握从动件的常用运动规律；了解其冲击特性及应用 学习难点 凸轮机构运动的实现,当从动件的位移、速度、加速度必须严格按预定规律变化，特别是当原动件作连续运动时从动件必须作间歇运动下，采用凸轮机构设计最为简便,3-1 凸轮机构的组成及分类,1、凸轮: 具有曲线轮廓或凹槽的构件,是主动件, 通常等速转动。,2、从动件: 由凸轮控制按其运动规律作移动或摆动运动的构件。,3、机架:支承活动构件的构件。,1、组成,作用：将连续回转 = 从动件直线移动或摆动。

2、优点：可精确实现任意运动规律，简单紧凑。 缺点：高副，线接触，易磨损，传力不大。,3.2 凸轮的分类,1. 按凸轮的形状分类,(1)盘形凸轮 它是凸轮的最基本形式，是一个绕固定轴线转动并且具有变化半径的盘形构件。 如内燃机配气凸轮机构。,气阀2的运动规律规定了凸轮的外形。当凸轮向径变化时，气阀产生往复运动，而当凸轮回转中心为圆心的圆弧轮廓与气阀平底接触时，气阀静止不动。,凸轮,气阀,机架,(2)移动凸轮 当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，则成为移动凸轮，当移动凸轮沿工作直线往复运动时，推动从动件作往复运动。如靠模车削机构。,(3)圆柱凸轮,3.2 凸轮的分类(2),凸轮与从动件之间为滚动摩擦，

3、因此摩擦磨损较小，可用于传递较大的动力。,滚子从动件,从动件与凸轮之间易形成油膜，润滑状况好，受力平稳，传动效率高，常用于高速场合。但与之相配合的凸轮轮廓须全部外凸。,平底从动件,按从动件的形状分：尖底、滚子、平底。,3.2 凸轮的分类(3),直动从动件 摆动从动件,直动从动件：从动件作往复移动，其运动轨迹为一段直线； 摆动从动件：从动件作往复摆动，其运动轨迹为一段圆弧。,按从动件的运动形式分：直动从动件（对心、偏心）、摆动从动件。,3.2 凸轮的分类(4),按凸轮与从动件维持接触的方式分：外力锁合（重力、弹簧力、其他力）、几何锁合（通过几何形状来锁合）,弹簧力锁合,重力锁合,几何锁合,滚子对

4、心移动从动件盘形凸轮机构,机构中凸轮匀速旋转，带动从动件往复移动，滚子接触,摩擦阻力小，不易摩擦，承载能力较大，但运动规律有局限性，滚子轴处有间隙，不宜高速。,平底移动从动件盘形凸轮机构,机构中凸轮匀速旋转，带动从动件往复移动，压力角始终为零度，传力特性好，结构紧凑，润滑性能好，摩擦阻力较小，适用于高速， 但凸轮轮廓不允许呈下凹，因此实现准确的运动规律受到限制。,移动凸轮,当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，即成为移动凸轮，一般作往复移动，多用于靠模仿形机械中 。,形锁合凸轮,为保证凸轮机构能正常工作，必须保持凸轮轮廓与从动件相接触，该机构是靠凸轮与从动件的特殊几何结构来保持两者的接触。,滚子摆

5、动从动件盘形凸轮机构,机构中凸轮匀速旋转，带动从动件往复摆动，滚子接触，摩擦阻力小，不易摩擦，承载能力较大，但运动规律有局限性，滚子轴处有间隙，不宜高速。,3.3 凸轮机构的运动过程,3、推程：,4、行程：,从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定的 运动规律由离回转中心最近位置A到达 最远位置B的过程。,从动件在推程中上升的最大位移h。,5、推程运动角：,0= AOB,与推程相应的凸轮转角0。,7、远停程角：,从动件在最远位置停止不动所对应的凸轮转角s。,S = BOC,6、远停程：,凸轮由B转动到C，从动件在最远位置停止不动。,8、回程运动角：,0 =COD,s =AOD,7、回程：,从动件在弹簧

6、力或重力作用下，以一 定的运动规律回到起始位置的过程。,与回程相应的凸轮转角0 。,从动件在最近位置停止不动所对应的凸轮转角s。,9、近停程角：,以纵坐标代表从动件位移s2 ，横坐标代表凸轮转角1或时间t，所画出的图形为位移曲线图。,10、从动件位移线图：,升停降停,从动件位移线图决定于凸轮轮廓曲线的形状。,3.4 从动件常用的运动规律,1.等速运动规律 2.等加速-等减速运动规律 3.简谐运动规律,作推程运动线图,1.等速运动规律,从动件在推程（或回程）的运动速度为常数的运动规律。,从动件在起始和终止点速度有突变，使瞬时加速度趋于无穷大，从而产生无限值惯性力，并由此对凸轮产生冲击, 刚性冲击

7、,因此只适用于低速、轻载的场合。,1.等速运动规律,实际上由于材料的弹性变形，加速度和惯性力不会达到无穷大）,2.等加速-等减速运动规律,从动件在一个行程h中，前半行程做等加速运动，后半行程作等减速运动的运动规律。,B,A,C,2.等加速-等减速运动规律,等加速等减速运动规律运动特性： 从动件在运动起始、中点和终止点存在柔性冲击； 适用于中速、中载的场合；,从动件在起点、中点和终点，因加速度有有限值突变而引起推杆惯性力的有限值突变，并由此对凸轮产生有限的冲击,柔性冲击,3.余弦加速度（简谐运动）规律： 从动件加速度在起点和终点存在有限值突变，故有柔性冲击; 若从动件作无停歇的升降升连续往复运动

8、，加速度曲线变为连续曲线，可以避免柔性冲击; 可适用于高速的场合。,完全由工艺动作要求决定 已知凸轮的转角，运动规律可选择。,从动件运动规律的确定方法,注意：速度突变及加速度突变会产生冲击,根据工作条件要求，确定从动件的运动规律，选定凸轮的转动方向、基圆半径等，进而对凸轮轮廓曲线进行设计。 设计方法: 1.图解法：简便易行、直观，但精度较低，可用于设计一般精度要求的凸轮机构。 2.解析法:精度高，但计算量大，多用于设计精度要求较高的凸轮机构。,3.5 凸轮轮廓曲线的设计,1、图解法的原理,假想给整个凸轮机构加上一个与凸轮角速度大小相等、方向相反的角速度（- ），凸轮将处于静止状态；机架则以（

9、- ）的角速度围绕凸轮原来的转动轴线转动；而从动件一方面随机架转动，另一方面又按照给定的运动规律相对机架作往复运动。 反转法,已知凸轮的基圆半径r0，角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,2. 凸轮轮廓设计作图法,尖顶移动从动件盘型凸轮机构,（1）选取适当的比例尺作出 位移线图；,（2）按基本尺寸作出凸轮机构的 初始位置；,（3）按- 方向划分基圆周得 c0、c1、c2 等 点；并过这 些点作射线，即为反转后的导路线；,（4）在各反转导路线上量取与位移 图相应的位移，得B1、B2 等 点，即为凸轮轮廓上的点。,B8,滚子从动件凸轮轮廓曲线的设计步骤：,（1）画出滚子中心的轨 迹（称为

10、理论轮廓曲线）,（2）以理论轮廓上的点为圆心，滚子半径rT为半径作一系列的滚子圆，再画滚子圆的内包络线，则为从动件凸轮的实际轮廓曲线。,注意：,（1）理论轮廓与实际轮廓互为等距曲线；,（2）凸轮的基圆是指理论轮廓曲线上的基圆。,直动平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制,-,直动平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制,3.6 凸轮机构设计中应注意的几个问题,设计滚子从动件时若从强度和耐用性考虑，滚子的半径应取大些。滚子半径取大时，对凸轮的实际轮廓曲线影响很大，有时甚至使从动件不能完成预期的运动规律。,（1）滚子半径的选择,滚子半径的选择,.凸轮理论轮廓为内凹时,由图(a)可得 =min+rT 实际轮廓曲线曲率半径

11、总大于理论轮廓曲线曲率半径。因此，不论选择多大的滚子，都能作出实际轮廓曲线。,当理论廓线外凸时(可分为三种情况),r = r min- rT,1) r min 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 min= rT 时r = 0，实际轮廓线变尖，极易磨损，产生失真(如图c)。,3) r min min C. rr= min D.不一定,A. 增大基圆半径 B. 改用滚子推杆 C. 改变凸轮转向 D. 改为偏置直动尖顶推杆,5.对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构的推程压力角超过许用值时，可采用_措施解决。,A. 等速 B. 等加速等减速 C. 摆线 D. 简谐,4.在凸轮

12、机构中，下述_运动规律既不会产生柔性冲击也不会产生刚性冲击，可用于高速场合。,C,AD,A,7.凸轮机构压力角对凸轮尺寸的影响反映在：如果机构压力角减少其它参数不变时，基圆将_。,A. 增大 B. 减少 C. 不变 D. 不一定,一段直线 B. 一段圆弧 C. 一段抛物线 D. 以凸轮转动中心为圆心的圆弧,8.若要盘形凸轮机构的从动件在某段时间内停止不动，对应的凸轮轮廓应是_。,A,D,A. 压力角不变，运动规律不变 B. 压力角变，运动规律变 C. 压力角不变，运动规律变 D. 压力角变，运动规律不变,10.某凸轮机构的滚子损坏后换上一个较大的滚子，则该机构_ 。,9.为使凸轮机构的结构紧凑

13、和受力条件好，设计时应满足_。,A. B. C. D.,A,B,思考题,1、凸轮机构中，选择基圆半径时，应考虑那些因素？原则是什么？ 答：为了得到轻便紧凑的凸轮机构，希望基圆半径尽可能小，但基圆半径过小，又可能造成运动失真和压力角超过许用值，因此，基圆半径选取的原则是：在保证不产生运动失真和压力角不超过许用值的前提下，寻求最小的基圆半径。 2、凸轮机构中，从动件的常用运动规律有哪几种？各有什么特点？各适用什么场合？ 3、何谓凸轮的理论廓线？何谓凸轮的实际廓线？两者有何区别和联系？,1. 填空题 （1）按凸轮形状来分，凸轮机构可分为 、 及 三类。 （2）在凸轮的休止角范围内，随凸轮的转动，从动

14、件的运动位置 。 （3）凸轮机构的压力角指的是凸轮机构中 的 方向线与其 方向线之间所夹的锐角。 （4） 变转动为移动的机构有 及 机构。 （5）依靠外力维持接触的凸轮机构，在 时发生自锁的可能性很小，故对这类凸轮只需对其 压力角进行校核。 （6）凸轮轮廓曲线是由 所决定的。,盘形 、移动、圆柱, 选择题 （1）在凸轮机构中，从动件按等加速等减速运动规律运动，会引起机构的 。 (A) 没有冲击； (B) 刚性冲击； (C) 柔性冲击。 （2）在设计凸轮机构时，要求承载能力大，耐磨损，应采用 从动件。 (A) 尖顶； (B) 滚子； (C) 平底。 （3）凸轮机构运动时，可能有很大冲击，其主要原

15、因是 。 (A) 从动件运动规律选择不当； (B) 从动件往复运动的惯性； (C) 凸轮转速较高。 （4）设计一对心直动从动件盘形凸轮机构，当其他条件不变时，最小传动角由40o减小为20o，凸轮的尺寸会 。 (A) 减少； (B) 不变； (C) 增大。,四杆机构的传动角 连杆与从动件之间所夹的锐角称为四杆机构在此位置的传动角。且=9090 为了保证机构传力性能良好，应使min4050 最小传动角 对于曲柄摇杆机构，min出现在主动件曲柄与机架共线的两位置之一。 死点 对于曲柄摇杆机构，以摇杆为主动件，则当连杆与从动件曲柄共线时，机构的传动角=0，这时主动件通过连杆作用于从动件上的力恰好通过其

16、回转中心，出现了不能使构件（从动件曲柄）转动的“顶死”现象，机构的这种位置称为“死点”。,1. 曲柄摇杆机构中，当以曲柄为原动件时，机构是否一定存在急回运动，且一定无死点？为什么？ 曲柄摇杆机构中，当以曲柄为原动件时，若从动件摇杆的空回行程速度大于工作行程速度，即行程速比系数K1或极位夹角0，则该机构存在急回特性，否则无急回特性。 2. 四杆机构中的极位和死点有何异同？ （1）相同点：极位和死点都出现在曲柄与连杆共线的位置。 （2）不同点：极位出现在四杆机构中以曲柄为原动件；死点出现在四杆机构中以摇杆为原动件。,基本概念题,画出图中机构的压力角,例：标出机构在图示位置的压力角与传动角,试画出图

17、示两种机构的机构运动简图，并说明它们各为何种机构。图a中，偏心盘1绕固定轴o转动，迫使偏心盘2在圆盘3中绕其几何中心B相对转动，而圆盘3又相对于机架绕其几何中心C转动。,试画出图示两种机构的机构运动简图，并说明它们各为何种机构。图b中，偏心盘1绕固定轴o转动，迫使滑块2在圆盘的槽中来回滑动，而圆盘3又相对于机架转动。,曲柄摆动导杆机构,如图所示，设已知四杆机构各构件的长度a=240mm，b=600mm，c=400mm，d=500mm。试问： 1）当取杆4为机架时，是否有曲柄存在？ 2）若各杆长度不变，能否采用选不同杆为机架的办法获得双曲柄机构和双摇杆机构？如何获得？ 3）若a、b、c三杆的长度不变，取杆4为机架，要获得曲柄摇杆机构，d的取值范围应为何值？,1）a+b=240+600=840c+d=400+500=900 a为曲柄,2）a为机架：双曲柄机构；c为机架：双摇杆机构,3）依题意可知：a为最短杆，b或d为最长杆 根据曲柄存在的条件可得：,a+b=240+600=840c+d=400+d d