7第七章 凸轮机构

d)端面凸轮
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。 （4）曲面从动件
r
B
s
A v
A0 1
2
3

4
5
6
a
h
,t ,t ,t
运动规律特点：
等速运动规律：速度为常数、始末两点存在 硬冲、用于低速 等加速等减速：加速度为常数、始末中三点存 在软冲、不宜用于高速 余弦加速度： 停─升─停型：始末两点存在软冲、 不宜用于高速 升─降─升型：无冲击、可用于高速 正弦加速度：无冲击、可用于高速
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。
7.4 盘形凸轮轮廓的设计
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。
反转原理、图解法绘制四种凸轮
• 7.5凸轮机构的基本尺寸设计
基圆半径、滚子半径、压力角的确定
7.1 概述
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。
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
s
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。
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。
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
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。 将从动件所受力F分解为两个 力：
机械设计基础（陈定国版）
第七章 凸轮机构 By：秦霆 Time：2013.11.1
本章主要内容：
• 7.1概述
凸轮的组成：凸轮＋从动件＋机架──高副机构 凸轮机构组成和特点
• 7.2凸轮机构的基本形式及演化
凸轮的分类及命名，锁合
• 7.3从动件的几种常用运动规律
8个基本名词、4中常用运动规律
• 7.4盘型凸轮轮廓曲线的设计
4.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
(1)选取长度比例尺μL, 根据已知从动件的运动规律, 绘 出位移曲线, 并将横坐标分段等分, 如图9(b)所示。 (2) 取任意点O为圆心, 以偏距e/μL和基圆半径r0/μL分 别为半径, 作偏距圆和基圆 (3) 在基圆上取点B0作为从动件升程的起始点, 并过B0作 偏距圆的切线, 该切线即是从动件导路的起始位置。 (4) 由B0点开始, 沿ω1相反方向将基圆分成与位移线图相 同的等份, 得等分点B′1, B′2, B′3, …。 过B′1, B′2, B′3, …各点作偏距圆的切线并延长, 则这些切线即 为从动件在反转过程中依次占据的位置。 (5) 在各切线上自B′1, B′2, B′3, …分别截取 B′1B1=11′, B′2B2=22′, B′3B3=33′, …, 得B1, B2, B3, …系列点。 将B0, B1, B2, B3, …连成光滑的曲 线, 即是所要求的凸轮轮廓曲线。
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
1.凸轮的类型
（1）平面凸轮
7.2 凸轮机构的类型和应用
a)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。 b)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。 （2）空间凸轮 a)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。 b)圆锥凸轮 c)弧面凸轮
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，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
1、滚子半径的选择
1.对于外凸的凸轮廓线
min K c min 0
（二）凸轮基圆径的确定
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。
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。
课后练习
• • • • 7-6 7-7 7-12 7-15
问题反馈
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°, 摆动从动件 ［α］=45°～50°； 回程时，通常取 ［α］=70°～80°。
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
（1) 将滚子的回转中心视为从动件的尖端, 按照上 例步骤先绘出尖顶从动件的凸轮轮廓曲线β0(即滚 子中心轨迹), 如图10中的细实线所示, 该曲线称为 理论轮廓曲线。 (2) 以理论轮廓曲线上的点为圆心, 以滚子半径为 半径, 作系列圆, 然后再作该系列圆的内包络线β, 如图10中的粗实线所示, 它便是凸轮的实际轮廓曲 线。 必须注意, 凸轮的基圆半径r0是指理论轮廓曲 线上的最小向径。
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
（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。
移动从动件
摆动从动件
7.3 常用的从动件运动规律
7.3.1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
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 。
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。