第五章 凸轮机构

5.1 概述5.2 常用从动件的运动规律5.3 盘形凸轮轮廓的设计与加工方法5.4 凸轮机构基本尺寸的确定第5章 凸轮机构（一）教学要求（一）教学要求1 1、了解凸轮机构的特点、类型及应用。、了解凸轮机构的特点、类型及应用。2 2、掌握凸轮机构的从动件的常用运动规律、掌握凸轮机构的从动件的常用运动规律3 3、掌握凸轮轮廓曲线的设计。、掌握凸轮轮廓曲线的设计。4 4、熟悉凸轮机构基本尺寸的确定。、熟悉凸轮机构基本尺寸的确定。（二）教学的重点与难点（二）教学的重点与难点凸轮机构的从动件的常用运动规律及凸轮凸轮机构的从动件的常用运动规律及凸轮轮廓曲线的设计。轮廓曲线的设计。5.1.1 凸轮机构的应用 凸轮机构由凸轮1、从动件2、机架3三个基本构件组成，是一种高副机构。其中凸其中凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽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的构件，通常作连续等速转动或直线移动，或直线移动，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。5.1 概述1.组成2.特点：优点:只要正确地设计和制造出凸轮的轮廓曲线，就能实现从动件所预期的复杂运动规律的运动；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递动力不大的机械中。尤其广泛应用于自动机械、仪表和自动控制系统中。3.应用：内燃机中的凸轮机构内燃机中利用凸轮机构实现进排气门控制的配气机构，当具有一定曲线轮廓的凸轮等速转动时，它的轮廓迫使从动件（气门推杆）上下移动，以便按内燃机的工作循环要求启闭阀门，实现进气和排气。内燃机配气凸轮机构（三缸）凸轮轴冲压机构图为绕线机中用于排线的凸轮机构。当绕线图为绕线机中用于排线的凸轮机构。当绕线轴快速转动时，经齿轮带动凸轮缓慢地转动，轴快速转动时，经齿轮带动凸轮缓慢地转动，通过凸轮轮廓与尖顶之间的作用，驱使从动通过凸轮轮廓与尖顶之间的作用，驱使从动件往复摆动，因而使线均匀地缠绕在绕线轴件往复摆动，因而使线均匀地缠绕在绕线轴上。上。靠模车削机构图为利用靠模法车削手柄的移动凸轮机构。凸轮图为利用靠模法车削手柄的移动凸轮机构。凸轮1作作为靠模被固定在床身上，滚轮为靠模被固定在床身上，滚轮2在弹簧作用下与凸轮在弹簧作用下与凸轮轮廓紧密接触，当拖板轮廓紧密接触，当拖板3横向运动时，和从动件相连横向运动时，和从动件相连的刀头便走出与凸轮轮廓相同的轨迹，因而切削出工的刀头便走出与凸轮轮廓相同的轨迹，因而切削出工件的复杂形面。件的复杂形面。如图为弹子锁与钥匙组成的凸轮机构，钥匙是凸轮，插入弹子锁的锁芯中，凸轮廓线将不同长度的弹子2推到同样的高度，即每一对弹子（2与7）的分界面与锁芯和锁体的分界面相齐，则通过锁体可以转动锁芯，拨开琐闩4。自动机床上的走刀机构1分度转位机构分度转位机构5.1.2 凸轮机构的分类（1）盘形凸轮 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。（2）移动凸轮 其凸轮是具有曲线轮廓、作往复直线移动的构件，可看成是转动轴线位于无穷远处的盘形凸轮。（3）圆柱凸轮 其凸轮是圆柱面上开有凹槽的圆柱体，或者是端面具有曲曲线线轮轮廓廓的的圆圆柱柱体体，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。1.按凸轮的形状分按凸轮的形状分（1）尖顶从动件凸轮机构 实现预期的运动规律。但从动件尖顶易磨损，故只能用于轻载低速场合。（2）滚子从动件凸轮机构 其磨损显著减少，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，只能用于中低速。（3）平底从动件凸轮机构 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。2.按从动件末端形状分按从动件末端形状分尖顶从动件 滚子从动件 平底从动件（1）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。3.3.按锁合方式分按锁合方式分（2）形锁合凸轮机构 依靠凸轮和从动件几何形状来锁合。类型41、力锁合的凸轮机构利用弹簧力或从动件重力使从动件与凸轮保持接触的凸轮机构。重力封闭重力封闭弹簧力封闭弹簧力封闭类型52、形锁合的凸轮机构利用凸轮或从动件的特殊形状而始终保持接触。沟槽凸轮机构沟槽凸轮机构等宽凸轮机构等宽凸轮机构类型6等径凸轮机构等径凸轮机构共轭凸轮机构共轭凸轮机构（1）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。4.4.按从动件相对机架的运动方式分按从动件相对机架的运动方式分（2）摆动从动件凸轮机构对心凸轮机构对心凸轮机构偏心凸轮机构偏心凸轮机构 一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构，凸轮上有一最小向径，以最小向径r。为半径所作的圆称凸轮基圆，r。称基圆半径，凸轮以等角速度1逆时针转动。凸轮机构运动过程如下：5.2 5.2 常用的从动件运动规律常用的从动件运动规律5.2.1 平面凸轮机构的基本尺寸及运动参数 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。常用的从动件运动规律有等速运动规律、等加速-等减速运动规律、余弦加速度运动规律、正弦加速度运动规律等。5.2.2 常用的从动件运动规律 从动件在推程始末两处，速度有突变，瞬时加速度理论上为无穷大，因而产生理论上无穷大的惯性力，对机构造成强烈的冲击，这种冲击称为“刚性冲击”。因此，等速运动规律只能用于低速轻载的场合。从动件在推程或回程过程中的运动速度为常数的运动规律。1.等速运动规律：在推程的始末点和前、后半程的交接处，产生“柔性冲击”或“软冲”。因此这种运动规律只适用于中速、中载的场合。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。2.等加速等减速运动规律 在推程始末点处仍存在“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。从动件加速度按余弦规律变化的运动规律。3.余弦加速度运动规律4、正弦加速度运动规律运动特征：没有冲击，故可用于高速。从动件加速度按正弦规律变化的运动规律。凸轮机构的主要失效形式是磨损和疲劳点蚀，因此要求凸轮和滚子的工作表面硬度高，具有良好的耐磨性，心部有良好的韧性。5.1.3 凸轮和滚子的材料 低速、轻载时，可以选用铸铁。中速、中载时可以选用优质碳素结构钢、合金钢，并经表面淬火或滲碳淬火，达到一定硬度。高速、重载时可用优质合金钢，并经表面淬火或滲氮处理。滚子材料用合金钢材料，经滲碳淬火，达到较大表面硬度。1.凸轮的材料2.滚子的材料5.3 盘形凸轮轮廓的设计与加工方法 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：设计方法：1.1.图解法图解法 2.2.解析法解析法基本原理：基本原理：反转法原理反转法原理 给整个凸轮机构加上一个与凸轮转动角度数值相等、方向相反的“-”角速度。各构件间的相对运动并不改变，但凸轮视为静止，从动件随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。5.3.1 反转法原理凸轮轮廓曲线设计的基本原理凸轮轮廓曲线设计的基本原理（反转法）（反转法）2 S 1123s1s2hOrb-1 1s122s233h1 1s1偏置尖顶从动件凸轮轮廓曲线设计偏置尖顶从动件凸轮轮廓曲线设计（反转法）（反转法）2 S 1123s1s2h-11 11s1Orb es22h3Fv s1 1已知：已知：S=S（），），rb，e，5.3.2 作图法设计凸轮轮廓曲线已知基圆半径、凸轮转向、从动件位移曲线设计凸轮的轮廓曲线设计：潘存云60rmin120-111对心直动尖顶对心直动尖顶从动件从动件凸轮机构中，已知凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径凸轮的基圆半径rmin，角速度角速度1和从动和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。设计步骤小结：设计步骤小结：选比例尺选比例尺l作基圆作基圆r rminmin。反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。将各尖顶点连接成一条光滑曲线。将各尖顶点连接成一条光滑曲线。1.1.对心直动尖顶对心直动尖顶从动件从动件盘形凸轮盘形凸轮135782345 67 8910111213149090A1876543214131211109 6012090901 3 5 7 8911 13 15s2 191113121410设计：潘存云911 13 151 3 5 7 8O OeA A偏置直动尖顶偏置直动尖顶从动件从动件凸轮机构中，凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径已知凸轮的基圆半径rmin，角速度角速度1和从动件的运动规律和偏心距和从动件的运动规律和偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。设计该凸轮轮廓曲线。2.2.偏置直动尖顶偏置直动尖顶从动件从动件盘形凸轮盘形凸轮13578911131214-11612345781514131211109设计步骤小结：设计步骤小结：选比例尺选比例尺l作基圆作基圆r rminmin;反向等分各运动角反向等分各运动角;确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置;将各尖顶点连接成一条光滑曲线。将各尖顶点连接成一条光滑曲线。1514131211109k9k10k11k12k13k14k1512345678k1k2k3k5k4k6k7k8 601209090s2 1设计：潘存云s2 1911 13 151 3 5 7 8rminA120-11设计步骤小结：设计步骤小结：选比例尺选比例尺l作基圆作基圆r rminmin。反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。将各尖顶点连接成一条光滑曲线。将各尖顶点连接成一条光滑曲线。135789111312142345 67 8910111213146090901876543214131211109理论轮廓理论轮廓实际轮廓实际轮廓作各位置滚子圆的内作各位置滚子圆的内(外外)包络线。包络线。3.3.滚子直动从动件盘形凸轮滚子直动从动件盘形凸轮滚子直动从动件凸轮机构中，已知凸轮滚子直动从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径的基圆半径rmin，角速度角速度1和从动件的和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。6012090901设计：潘存云s2 1911 13 151 3 5 7 8rmin对心直动平底对心直动平底从动件从动件凸轮机构中，已知凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径凸轮的基圆半径rmin，角速度角速度1和从动和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。设计步骤：设计步骤：选比例尺选比例尺l作基圆作基圆r rminmin。反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。确定反转后，从动件平底直线在各等份点的位置。确定反转后，从动件平底直线在各等份点的位置。作平底直线族的内包络线。作平底直线族的内包络线。4.4.对心直动平底对心直动平底从动件从动件盘形凸轮盘形凸轮8765432191011121314-11A13578911131214123456781514131211109 6012090905.4.1 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。将从动件所受力F分解为两个力：F2是推动从动件移动的有效分力，随着的增大而减小；F1是引起导路中摩擦阻力的有害分力，随着的增大而增大。当 增大到一定值时，引起的摩擦阻力超过有效分力，此时凸轮无法推动从动件运动，机构发生自锁。可见，从传力合理、提高传动效率来看，压力角越小越好。在设计凸轮机构时,应使最大压力角max。凸轮机构的许用压力角可取如下数值:推程时，移动从动件=3040,摆动从动件=4550；回程时，通常取 =7080。5.4.2 凸轮基圆半径的确定 基圆半径愈小，压力角愈大；反之，压力角则愈小。因此，在选取基圆半径时应注意：2.在结构空间允许条件下，可适当将基圆半径取大些，以利于改善机构的传力性能，减少磨损和减少凸轮廓线的制造误差。1.滚子从动件凸轮机构，在保证从动件运动不失真的前提下，可将基圆半径取小些。a工作轮廓的曲率半径，工作轮廓的曲率半径，理论轮廓的曲率半径，理论轮廓的曲率半径，rT滚子半径滚子半径rT arT rT 轮廓失真轮廓失真arT rT arT0轮廓正常轮廓正常轮廓变尖轮廓变尖内凹内凹arTrTrT rT arT 轮廓正常轮廓正常外凸外凸rTa5.4.3 滚子半径的选择