课程设计凸轮机构

一、概述
（一）凸轮机构的应用 1. 组成
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。
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。 3. 应用： 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。
2
1
1—凸轮；2—从动件
内燃机配气凸轮机构
4
2
3
靠模车削机构
2
1 自动机床上的走刀机构
（二）凸轮机构的分类
（一）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 F cos F1 F sin
F1是推动从动件移动的有效分力，随着α的增大而减小；
F2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，有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αmax≤［α］。凸轮 机构的许用压力角［α］可取如下数值: 推程时，移动从动件 ［α］=30°～40°,
项目三 凸轮机构
概述
常用从动件的运动规律
盘形凸轮轮廓的设计与加工方法
凸轮机构基本尺寸的确定
（一）教学要求 1、了解凸轮机构的特点、类型及应用。 2、掌握凸轮机构的从动件的常用运动规律
3、掌握凸轮轮廓曲线的设计。
4、熟悉凸轮机构基本尺寸的确定。
（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轮 廓曲线的设计。
3.余弦加速度运动规律
从动件加速度按余弦规律变 化的运动规律。 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。
4、正弦加速度运动规律
从动件加速度按正 弦规律变化的运动规律。 运动特征：没有冲击， 故可用于高速。

1.等速运动规律：
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。
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。
2.等加速等减速运动规律
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。 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。
1.按凸轮的形状分
（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， 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。
8、为什么不能为了机构紧凑，而任意减小盘形凸轮 的基圆半径？
9、连杆机构和凸轮机构在组成方面有何不同，各有什么 优缺点？ 10、凸轮机构常用的四种从动件运动规律中，那种运动 规律有刚性冲击？那种运动规律有柔性冲击？那种运动规律 没有冲击？如何来选择从动件运动规律？ 11、何谓凸轮的理论轮廓与实际轮廓？ 12、工程上设计凸轮机构时，其基圆半径一般如何选取？
3.按锁合方式分
（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。
（2）形锁合凸轮机构 依靠凸轮和从动件几何形状来锁合。
4.按从动件相对机架的运动方式分
（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。 （2）摆动从动件凸轮机构
（三）滚子半径的选择
1.对于外凸的凸轮廓线
min K c min 0
实际轮廓为光滑曲线
min K c min 0
min K c min 0
实际轮廓相交而造成 从动件运动失真 2.对于内凹的凸轮廓线 实际轮廓为光滑曲线 实际廓线出现尖点
c 0
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。
s
r
B
s
A v
A0 1
2
3

4
5
6
a
h
,t ,t ,t
（三）凸轮和滚子的材料
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。 1.凸轮的材料 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。
（二）作图法设计凸轮轮廓曲线
1.对心尖顶移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计
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
作图步骤如下 1.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.自基圆圆周向外量取位 移线图中相应位移量 ；
4.光滑连接各点即为所求 的凸轮轮廓。
摆动从动件 ［α］=45°～50°； 回程时，通常取 ［α］=70°～80°。
（二）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： 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。 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。
2.滚子的材料 滚子材料用合金钢材料，经滲碳淬火，达到较大表面 硬度。
三、盘形凸轮轮廓的设计与加工方法
设计方法：
1.图解法 2.解析法 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。
基本原理：
反转法原理
（一）反转法原理
给整个凸轮机构加上一个与凸轮转动角度 ω 数值相 等、方向相反的“-ω”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、凸轮机构的从动件运动规律与凸轮的（ ）有关。 （a）实际廓线 （b）理论廓线 （c） 表面硬度
6、当从动件的运动规律已定时，凸轮的基圆半径r0与 压力角α的关系为：( )
（a）r0越大α越大 （c）r0与α无关 7、设计滚子从动件盘形凸轮机构时，如实际轮廓上出 现尖点，将可能出现什么后果？面对这一实际结果， 设计上应如何加以处理？ （b）r0越大α越小
移动从动件
摆动从动件
二、常用的从动件运动规律
（一）平面凸轮机构的基本尺寸及运动参数
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ω1 逆时针转动。凸轮机构运动过 程如下：
升—停—降—停
凸轮机构的运动过程
（二）常用的从动件运动规律
2.滚子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
3.偏置尖顶移动从动件盘形凸轮轮廓曲线设计 已知偏距e、基圆半径、凸轮转 向、从动件位移曲线
e
四、凸轮机构基本尺寸的确定
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Hale Waihona Puke Baidu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
2.按从动件末端形状分
（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。
总 结
1、凸轮机构的特点和类型及应用。
2、凸轮机构的从动件的常用运动规律。 3、凸轮轮廓曲线的设计。 4、凸轮机构基本尺寸的确定。
复习思考题
1.从动件运动规律相同，基圆半径越大，压力角 （ ）。 2、凸轮机构在从动件运动规律不变的情况下，如果 （ ）基圆半径，最大压力角减小。 3、为改善凸轮机构的传力性能，应减小凸轮轮廓的 压力角，为此设计凸轮时应（ ）基圆半径。 4、滚子从动件盘形凸轮的理论廓线最小曲率半径 （ ）滚子半径时，会发生运动失真现象。