凸轮机构
机械原理9凸轮机构
复合型橡胶凸轮
未来凸轮机构中将逐步使用复 合型橡胶凸轮代替铸铁或钢凸 轮，以降低噪音、提高安卓性 等。
绿色环保
凸轮机构的绿色环保趋势也将 是未来重要的发展方向，主要 包括材料的生产过程及使用环 保等方面。
凸轮机构在汽车发动机中的应用
汽车发动机气门控制
凸轮机构通过传递卡盘、摇臂等 控制部分实现汽车发动机的运转 规律。
汽车变速器控制机构
凸轮机构也可用于汽车变速器的 运转，控制配合机构实现汽车的 变速和前进后退等功能。
汽车转向机构
前轮转向机构和汽车转向机构都 可以使用凸轮机构来实现控制驾 驶员操作，具有精度和可靠性等 优点。
特点
设计简单，使用广泛。凸轮在 运动过程中会带动其他机构的 工作。
应用
• 汽车发动机的进气门和 排气门传动机构。
• 纺织设备中控制织机各 部件升降、打开、闭合、 控制采纱、切纱等工作。
• 数控机床、切割等机械 设备中的传动与定位机 构。
双动凸轮机构
定义
双动凸轮机构主要由两个凸轮 和一对滑块组成，可以实现两 个互不相同的运动规律。
特点
控制运动精确、运动简单、且 适用于高速运动，长时间负载 等方面。
应用
• 工业设备中的精密机构、 机械手臂等，在精度要 求高的应用中广泛使用。
• 汽车发动机中控制滑门 和配油器的开关等。
• 用于复杂的机电一体化 的设计中，如机床、生 产线等方面。
凸轮轮廓的设计
确定轮廓确定参数
在凸轮轮廓设计中参数的确定 是很关键的，需要考虑一些因 素：凸轮的型号、运动学、力 学特性等方面，使得凸轮轮廓 达到最优的效果。
3 最重要的运动特点是
具有非规律的运动过程，同时常与制动件、相切滑块联合使用。
凸轮机构
凸轮机构§１凸轮机构的应用和分类一、凸轮机构的组成1、凸轮机构－－由凸轮、推杆和机架三构件组成的高副机构。
凸轮－－具有曲线轮廓或凹槽的构件，是主动件。
推杆－－被凸轮直接推动的构件，作间隙的连续的移动或摆动。
优点：1)只要适当设计凸轮廓线，可得到任意需要的从动件运动规律；2)结构简单，尺寸紧凑。
缺点：1)高副机构，点、线接触，承载能力低，易磨损；2)凸轮廓线加工复杂，不容易保证精度。
2、应用举例二、凸轮机构的分类1、按凸轮形状分1)盘状凸轮－－径向尺寸变化；2)移动凸轮－－回转中心处于无穷远处的盘状凸轮；3)圆柱凸轮－－将移动凸轮卷成圆柱体而成；4)圆锥凸轮－－将盘状凸轮的一部分（扇形）卷成圆锥体而成。
2、按从动件形状分1)尖端推杆2)滚子推杆3)平底推杆附加：按推杆运动情况分：直动推杆和摆动推杆(摆杆)3、按照凸轮与推杆维持高副接触的形式分1)力封闭的凸轮机构(力锁合)利用重力或弹簧力等外力进行锁合。
2)几何封闭的凸轮机构(形锁合)利用从动件本身的几何形状使凸轮与之保持接触。
§2 凸轮机构推杆常用运动规律凸轮的有关术语：(以尖端直动从动件盘状凸轮为例)基圆---以凸轮最小向径r o为半径所作的圆；推程---推杆从最低位置运动到最高位置的过程·h；回程---推杆从最高位置运动到最低位置的过程·h；推程运动角---推程中凸轮转过的角度·Φ；回程运动角---回程中凸轮转过的角度·Φ'；近休止角---推杆在最低位置停留时，凸轮转过的角度·Φs'；远休止角---推杆在最高位置停留时，凸轮转过的角度·Φs；升程---推杆的最大位移·h。
1、等速运动推程：V=C1，（常数）S=∫Vdt=∫C1dt=C1t +C2 ，a=dv/dt=0, 代入初始条件，可得：t=0,S=0→C2=0 ; t= Φ/ω，S=h ,→C1=hω/Φ;所以推程从动件运动方程为：S=t hω/Φ=hφ/Φ; V=hω/Φ; a=0 ; φ∈(0,Φ)回程：V=C'1，（常数）S=∫Vdt=∫C'1dt=C'1t +C'2 ，a=dv/dt=0,代入初始条件，可得：t=0,S=h→C'2=h ,t=Φ'/ω, S=0→C'1= - hω/Φ' ;所以回程从动件运动方程为：S=h(1-φ/Φ' ) ; V= - hω/Φ' ; a=0 ; φ∈(0,Φ' )由于等速运动在行程始末存在刚性冲击（a→∞）,故只能用于低速工况。
机械设计基础凸轮机构
机械设计基础凸轮机构凸轮机构是机械设计中常见的一种机构，用于实现转动运动和直线运动的转换。
它由凸轮和连杆机构组成，具有简单、可靠、紧凑的优点。
本文将介绍机械设计基础凸轮机构的工作原理、应用领域以及设计要点。
一、凸轮机构的工作原理凸轮机构是通过凹凸轮运动对连杆机构施加力，使其发生直线运动。
凸轮的外轮廓形状决定了连杆机构的运动规律。
凸轮可以分为四种基本形状：圆形、椭圆形、心形和指字形。
不同形状的凸轮在工作过程中会给连杆机构带来不同的速度和加速度。
凸轮机构的工作过程可以分为四个阶段：进给段、暂停段、退出段和暂停段。
在进给段，凸轮逐渐使连杆机构向前运动，实现直线运动。
在暂停段，凸轮暂停与连杆机构接触，使连杆机构停止运动。
在退出段，凸轮逐渐使连杆机构向后运动，实现回程。
最后，在暂停段凸轮继续暂停与连杆机构接触，使连杆机构再次停止。
二、凸轮机构的应用领域凸轮机构广泛应用于机械设计中的各个领域。
以下是几个常见的应用领域：1. 发动机：凸轮机构用于气门控制，通过凸轮来控制气门的开闭，实现燃烧室内的气体进出，从而实现发动机的工作。
2. 压力机：凸轮机构用于控制压力机的上下运动，实现工件的压制或切割。
3. 包装机械：凸轮机构用于控制包装机械的送料、密封和分切等工作，实现自动化包装的功能。
4. 自动化流水线：凸轮机构用于控制流水线上的传送带、工作台等部件的运动，实现产品的加工和组装。
5. 机床：凸轮机构用于控制机床上的工作台、进给机构等部件的运动，实现加工工件的精确定位和运动控制。
三、凸轮机构的设计要点在设计凸轮机构时，需要注意以下几个要点：1. 凸轮的轮廓形状：根据实际需求选择合适的凸轮轮廓形状，确保连杆机构的运动规律符合设计要求。
2. 凸轮与连杆机构的配合方式：凸轮与连杆机构之间应具有良好的配合性能，避免偏差和间隙过大导致机构失效或运动不稳定。
3. 连杆机构的设计：根据实际应用需求设计连杆机构，包括长度、角度和材料等参数的选择，确保机构的工作性能满足要求。
凸轮机构
B6
４. 偏心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计
第四节凸轮机构基本尺寸的确定
凸轮工作轮廓必须满足以下要求： (1)保证从动件能实现预定的运动规律
(2)传力性能良好，不能自锁
(3)结构紧凑
(4)满足强度和安装等要求 为此，设计时应注意处理好
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
（a)推程 (b)回程
２．等加速等减速运动规律
是指凸轮以等角速度转动时，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。推程位移线图作图 方法演示。
由图可见，在推（回） 程的始末点和前、后半程 的交接处，加速度有限的 突变，因而惯性力也产生 有限的突变，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”。因此这种运 动规律只适用于中速、中 载的场合。
3.按锁合方式分：力锁合、形锁合
锁合是指从动件与凸轮之间始终保持的高副接触的装置。
（1）力锁合凸轮机构
依靠重力、弹 力或其他外力 来锁合
（2）形锁合凸轮机构
依靠凸轮和从 动件几何形状 来保证锁合
4.按从动件运动方式分：
从动件导路是否通过凸轮回转中心
对心直动从动件凸轮机构 偏置移动从动件凸轮机构
直动从动件凸轮机构 摆动从动件凸轮机构
rT＜0.8ρmin ρmin＞1～5mm rT =（0.1～0.5）rb
二、凸轮机构的压力角
１.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 ：
机械设计基础凸轮机构
机械设计基础凸轮机构1. 引言凸轮机构是机械设计中常用的一种机构，通过凸轮的旋转运动，使其上的凸轮副与其他零部件发生相对运动，从而实现特定的机械功能。
本文将介绍凸轮机构的基本概念、设计原则以及常见的凸轮机构类型。
2. 凸轮机构的基本概念凸轮机构由凸轮和从动件组成，其中凸轮是凸轮机构的核心部件，决定了从动件的运动规律。
凸轮可以是圆形、椭圆形、心形等不同形状，根据不同的设计需求选择不同的形状。
从动件是凸轮上的接触件，通过凸轮的旋转运动，从动件与其他零部件发生相对运动，实现机械功能。
常见的从动件有凸轮挤压件、滑块和摇杆等。
3. 凸轮机构的设计原则设计凸轮机构时应遵循以下原则：•机构运动规律：根据机械功能需求确定凸轮的运动规律，将其转化为凸轮的轮廓曲线，从而确定凸轮的形状。
•受力分析：在凸轮机构运动过程中，对从动件受力进行合理的分析和计算，确保从动件不会发生过大的应力和变形，保证机构的可靠性和稳定性。
•声、振动和能量损失的控制：凸轮机构在运动过程中会产生一定的声音、振动和能量损失，需要通过合理的设计控制其产生的程度，降低噪声、振动和能量损失。
•结构的紧凑性和制造的可行性：凸轮机构的结构需尽可能紧凑，减少零部件数量，简化制造工艺，降低制造成本。
4. 常见的凸轮机构类型4.1 凸轮挤压件机构凸轮挤压件机构是最常见的凸轮机构类型之一。
它由凸轮和挤压件组成，通常用于压铸、冷挤压、热压实等加工过程中。
通过凸轮的旋转运动，挤压件对工件进行加工，使工件形成特定的形状。
凸轮挤压件机构凸轮挤压件机构4.2 滑块机构滑块机构是另一种常见的凸轮机构类型。
它由凸轮和滑块组成，通过凸轮的旋转运动，滑块在滑道上做直线运动。
滑块机构常用于液压系统、工艺装备等领域。
滑块机构滑块机构4.3 摇杆机构摇杆机构由凸轮和摇杆组成，通过凸轮的旋转运动，驱动摇杆做往复运动。
摇杆机构常用于发动机、输送带等机械设备中。
摇杆机构摇杆机构5. 结论凸轮机构在机械设计中扮演着重要的角色，通过不同凸轮形状和从动件的组合，可以实现多种不同的机械功能。
凸轮机构
第六章凸轮机构第一节凸轮机构的基本类型一．凸轮机构的组成凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个基本构件所组成的一种高副机构。
凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，当它运动时，通过其上的曲线轮廓与从动件的高副接触，使从动件获得预期的运动。
凸轮机构在各种机械，尤其是在自动化生产设备中得到了广泛的应用。
图6-1所示为一内燃机的配气机构。
凸轮1是一个具有变化向径的盘形构件，当它回转时，迫使推杆2在固定导路3内作往复运动，以控制燃气在适当的时间进入气缸或排出废气。
图6-1 内燃机配气机构图6-2所示为自动机床的进刀机构。
当具有凹槽的凸轮1回转时，其凹槽的侧面迫使从动件2绕O点作往复摆动，通过扇形齿轮2和刀架上的齿条3控制刀架作进刀和退刀运动。
图6-2 自动机床进刀机构二．凸轮机构的分类在工程实际中，凸轮机构的形式多种多样，常用的分类方法有以下三种：1．按凸轮的形状分（1）盘形凸轮机构（图6-1）凸轮是绕固定轴转动且具有变化向径的盘形构件，当凸轮绕其固定轴转动时，从动件在垂直于凸轮轴的平面内运动。
它是凸轮的基本形式，结构简单，应用广泛。
（2）移动凸轮机构（图6-3）凸轮是具有曲线轮廓且只能作相对往复直线移动的构件，它可看作是轴心在无穷远处的盘形凸轮。
（3）圆柱凸轮机构（图6-2）凸轮的轮廓曲线位于圆柱面上，它可以看作是把移动凸轮卷成圆柱体而得。
图6-3移动凸轮机构2．按从动件的形状分（1）尖底从动件（图6-4a）从动件的尖端能够与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，使从动件实现任意的运动规律。
这种从动件结构最简单，但易于磨损，故仅适用于速度较低和作用力不大的场合。
（2）滚子从动件（图6-4b）从动件端部装有可自由转动的滚子，凸轮与从动件之间的摩擦为滚动摩擦，减小了摩擦磨损，可用来传递较大的动力，故应用较广。
（3）平底从动件（图6-4c）从动件与凸轮之间为线接触，接触处易形成油膜，润滑状况好，传动效率高，常用于高速场合，但仅能与轮廓全部外凸的凸轮相配合。
生活中运用凸轮机构的例子
生活中运用凸轮机构的例子凸轮机构是一种利用凸轮运动实现动力转换的装置，被广泛应用于生活中的各种场景。
以下是一些常见的生活中运用凸轮机构的例子：1.汽车发动机：汽车的发动机中使用了凸轮机构来控制汽缸的进气和排气过程。
凸轮通过凸轮轴驱动，控制气门的开闭，实现气缸中混合气的进出。
凸轮机构的运用使发动机能够高效地进行燃烧和动力输出。
2.洗衣机搅拌装置：在洗衣机中，搅拌装置通常通过凸轮机构来完成。
凸轮通过驱动电机的转动，使得洗衣桶内的衣物得到充分搅拌，提高洗涤效果。
3.手动缝纫机：手动缝纫机中也运用了凸轮机构。
缝纫机通过驱动轴上的凸轮，实现针杆的上下运动，从而使得针线逐针地贯穿织物，完成缝纫作业。
4.锁具：一些高级的锁具中也使用了凸轮机构。
凸轮的设计使得钥匙在正确插入后，凸轮与锁芯的齿轮形成匹配，进而可以顺利开启锁。
5.车钥匙：现代汽车的遥控钥匙中，通常有一个小型凸轮机构。
当按下按钮时，凸轮的运动会触发芯片，使其发送信号给车辆，实现远程开锁等功能。
6.矿山机械：在煤矿等地下工作场景中，常会使用凸轮机构来驱动提升机、输送机以及破碎机等设备的工作。
凸轮的旋转运动通过连杆来驱动相应机械部件，帮助完成矿山的开采和运输工作。
7.邮件分拣机：在邮件分拣中心，凸轮机构也广泛运用。
凸轮通过机械运动，将邮件按照不同的规则和范围进行分拣和归类，提高邮件处理效率。
8.噪音玩具：一些玩具中会使用凸轮机构来制造声音效果。
凸轮通过旋转时的布条和其他物体的摩擦，产生不同的声音，增加玩具的趣味性。
9.机器人手臂：机器人的手臂通常也运用了凸轮机构。
凸轮通过运动带动连杆的运动，从而使机器人手臂实现精确的抓取和定位功能。
10.雷达系统：在雷达系统中，凸轮机构能够实现收发天线的定位和转动。
凸轮机构可以控制天线的角度和方向，从而准确地接收和发送信号，帮助雷达系统实现目标探测和跟踪。
通过以上例子可以看出，凸轮机构在生活中被广泛运用。
它以其结构简单、运动灵活等特点，提高了各种装置的效率和功能，为我们的生活和工作提供了极大的便利。
凸轮机构
机械技术应用基础
(3) 平底从动件 凸轮与从动件间的作用始 终垂直于从动件的平底，因 此传动平稳； 接触面间容易形成油膜， 润滑较好,传动效率高，常用 于高速凸轮机构。 运动规律受到一定的限制。
机械技术应用基础
3、按从动件运动形式 、 （1）移动凸轮机构 ） （2）摆动凸轮机构 ）
机械技术应用基础
B6 B7 e
－ω
B8 B8 ′ B′ 7 B′ 6
B9
B0 B1 B1 ′ K K8 K9 K6 7 K0 K5 K1 K4 K K2
3
B2 B′ 2
B3 ′ B′ 4
B3
B′ 5
ω
B4
B5
机械技术应用基础
二、凸轮机构压力角的校核 凸轮对从动件作用力的方向 与从动件上力作用点的速度方 向之间所夹的锐角，用α表示。 将从动件所受力Ｆ沿接触点 的法线n-n方向和切线t-t方向分 n-n t-t 解为 Ft=Fcosα Fn=Fsinα
机械技术应用基础
（2）作基圆取分点
为圆心， 任取一点O为圆心，以点B为从动件 尖顶的最低点, 尖顶的最低点,由长度比例尺取rb=15 mm作基圆。 点始, mm作基圆。从B点始,按(－ω）方向取 作基圆 推程角、回程角和近停程角， 推程角、回程角和近停程角，并分成 与位移线图对应的相同等分， 与位移线图对应的相同等分，得分点 点重合。 B1、B2、…、B11与B点重合。 、
■ 凸轮机构的运动过程 机械技术应用基础
二、常用从动件的运动规律 推杆的运动规律：是指推杆在运动过程中，其位移、 速度和加速度随时间变化（凸轮转角δ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等。 1. 等速运动规律 从动件推程或回程的运动速度为常数的运动规律。即： 等速上升和等速下降（两个速度不不一定相等）。 其运动方程和运动线图所示。
第三章凸轮机构
作图:
四.摆线运动规律（正弦运动规律）：
s hh[1/[10 csoisn2(2(//0]0/)/(02)]
a2h12 sin2(/0)/02
速度、加速度均连 续没有突变，无冲击。 可用于高速传动。
冲击。用于中、低
速场合。
V0=0,
等加速等减速
s
1 2
at 2
当时间为→ 位移为 →
1 1
: :
2 4
: :
3 9
:4 :16
作图: (推程)
前半行程(h/2)→等加速 →将每半行程时 →位 1 : 4 : 9 :16 后半行程(h/2)→等减速 间分为χ(4) 份 移 16 : 9 : 4 : 1
3.3 凸轮机构的压力角
凸轮机构中的作用力与凸轮机构压力角
压力角：从动件运动方向与受力方向 夹角的锐角。 压力角越小，机构传动效率越好。 压力角过大，机构将处于自锁状态。 许用压力角：推程[α]=30°-40°
max
压力角与凸轮机构尺寸的关系
tanPCOP OC
BC BC
OCe
BCs r02e2
凸轮的轮廓线是按照从动件的运动规律来设计的
§3－2从动件的常用运动规律 p.41
(一)凸轮运动常用术语：图3-5 p.42
基圆：以轮廓的最小向径所作的圆r0－基圆半径 推程：从动件从离回转中心最近→最远的这一过程。 升程ｈ：推程所移动的距离。
推程运动角φ0 ： 与推程对应的凸轮转角
远休止角φS: 从动件在最远位置不动时对应的凸轮转角
凸轮机构
2 从动件的常用运动规律
一、基础知识
设计凸轮机构时，首先应根据工作要求确定从动件的运动规律， 然后按照这一运动规律设计凸轮轮廓线。 下面以尖顶直动从动件盘形凸轮机构为例，说明从动件的运 动规律与凸轮轮廓线之间的相互关系。
凸轮机构
1
凸轮机构的应用和类型
2
从动件的常用运动规律
1 凸轮机构的应用和类型
凸轮机构是机械中的一种常用机构，在自动化和半自动化机械 中应用非常广泛。
一、凸轮机构的组成 主要由： 凸轮、 从动件 机架 三个基本构件的组成。 凸轮机构是由具有曲线轮廓 或凹槽的构件，通过高副接触带 动从动件实现预期运动规律的一 种高副机构
1 凸轮机构的应用和类型
三、类型 2.按从动件的结构形式分 (2)滚子从动件 如图示。为了克服尖顶从动 件的缺点，在从动件的尖顶处安 装一个滚子，即成为滚子从动件。 滚子和凸轮轮廓之间为滚动 摩擦，耐磨损，可以承受较大载 荷，所以是从动件中最常用的一 种型式。 但滚子与转轴之间有间隙， 故不适用于高速的凸轮机构。
2 从动件的常用运动规律
一、基础知识 6.回程: 从动件尖顶以一定运动 规律回到起始位置，这个过 程称为回程。 7.回程运动角δh : 与回程对应的凸轮转角δh。
8.近休止角δs′:从动件在最近位置停留不动，凸轮转角δs′。
9.从动件位移线图:从动件位移S2与凸轮转角δ1之间的关系曲线。
2 从动件的常用运动规律
§3-3
凸轮机构的压力角
第3章 凸轮机构
应用：中速、中载。
h s2 1 cos( 1 ) 2 t h1 v2 sin( 1 ) 2 t t h 2 12 a2 cos( 1 ) 2 2 t t
24
余弦加速度运动规律
从动件回程简谐运动方程
25
从动件运动规律的选择
（1）满足机器的工作要求； （2）使凸轮机构具有良好的动力性能； （3）使凸轮轮廓便于加工，尽量采用圆弧、直线等 易加工曲线。
26
3.3 凸轮轮廓设计
根据工作要求合理地选择从动件的运动 规律后，可按照结构允许的空间等具体要求， 初步确定凸轮的基圆半径，然后绘制凸轮的 轮廓。 图解法 解析法
看其中最大值max是否超 过许用压力角[] 。如超过，
应修改，常用的办法是加大
基圆半径。
42
3.4.2 基圆半径的确定
基圆大小影响凸轮机构的尺寸，欲使结构紧 凑，应减小基圆半径；但基圆半径减小会增大压 力角。 先根据凸轮的具体结构条件试选凸轮基圆半 径，对所作的凸轮轮廓校核压力角，若不满足要 求，则增大基圆半径然后再设计校核，直至满足
8’
9’ 11’ 12’
13’ 14’ 9 11 13 15
e
ω A
k12 k11 k10 k9 kk k1314 15
-ω 1
1 3 5 78
15’ 15 14’ 14 13’
设计过程
1、选比例尺μ
l
=μ s作基圆r0，偏置圆e；
12’
k 13 k21 12 k k8 k4 3 k7k6 k5 11 10 9
27
直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制—— 反转法原理 1 对心尖顶移动从动件盘形凸轮 2 偏置尖顶移动从动件盘形凸轮 3 对心滚子移动从动件盘形凸轮 4 偏置滚子移动从动件盘形凸轮 5 摆动从动件盘形凸轮轮廓的绘制
凸轮机构
速度曲线也必须连续。
③尽量减小速度和加速度的最大值。
特点: amax 最小 → 惯性力小。
0
起、中、末点有软性冲击. 适于中低速、中轻载.
低速轻载凸轮机构：
采用圆弧、直线等易于加工的曲线作为凸轮轮廓
曲线，如气门开闭。
高速重载凸轮机构：
①首先考虑动力特性，以避免产生过
大的冲击。 ②为避免刚性冲击，位移曲线和速度 曲线必须连续；而为避免柔性冲击，加
s
2
S
s
2
O
S
O
S
（1）升-停-回-停型（RDRD型） （2）升-回-停型（RRD型）
s
2
s
2
O
S
O
（3）升-停-回型（RDR型）
（4）升-回型（RR型）
二、凸轮从动件的运动规律
• 常用的从动件的运动规律有等速运动规律 和等加速等减速运动规律。
一、等速运动规律 (直线位移运动规律、 一次多项式运动规律)
8.3凸轮机构工作过程及从动件运动规律
• 一、凸轮机构的工作过程 • 凸轮机构中最常用的运动形式为凸轮作 等速回转运动，从动件作往复移动。凸轮 回转时，从动件作升—停—降—停的运动 循环。
圆弧段
圆弧段
圆弧段
基圆（rmin）——以最短向径所作的圆
600 rmin 1200
1200 600
S2
对心尖顶直动从动件 盘形凸轮机构
偏置尖顶直动从动件 盘形凸轮机构
滚子摆动从动件盘形 凸轮机构
沟 槽 凸 轮 重力锁合凸轮
弹 力 锁 合 凸 轮
机械原理凸轮机构
O
Ov
1
1
2 3 4 5 6 234 56
速度的变化率(即跃度j)在这些 位置为无穷大——柔性冲击
v
O
2
适应场合：中速轻载
O
2
a a0
O 2
j
3.简谐运动(余弦加速度运动)
当质点在圆周上作匀速运动 时，它在该圆直径上的投影所构 成的运动规律—简谐运动
s
h 2
1
cos
π Φ
φ
特点：有柔性冲击
作平底的内包络线，即为所要设计 的凸轮廓线
4.4 解析法设计平面凸轮轮廓曲线
一、直动滚子从动件盘形凸轮
已知：凸轮以等角速度 逆
y
时针方向转动，凸轮基园半
径ro、滚子半径rr，导路和凸
e
轮轴心间的相对位置及偏距e，
B0 ''
n
从动件的运动规律 s s(。)
1. 理论廓线方程: B(x, y)
s0 O
4.1.2 凸轮机构的分类
1. 按凸轮的形状分类
盘形凸轮 移动凸轮
圆柱凸轮
盘形凸轮：最基本的形式，结构简单，应用最为广泛
移动凸轮：凸轮相对机架做直线运动
圆柱凸轮：空间凸轮机构
2. 按从动件的形状分类
尖端能以任意复杂的凸轮轮廓 保持接触，从而使从动件实现 任意的运动规律。但尖端处极 易磨损，只适用于低速场合。
d
min
s
e
L
rρ
rb r' Cu
O
4.6 圆柱凸轮机构
一、直动从动件圆柱凸轮机构
O
rm 1
O a)
v1
η η
1
η 2
v2
凸轮机构
23
尖 端 能 与 任 意复 杂 的 凸 轮 轮 廓 保 持接 触 ， 从 而 使 从 动 件实 现 任
意的运动规律。但尖
端处极易磨损，只适 用 于 低 速 、 传动 灵 敏 的场合。
机械基础部分
24
凸轮与从动件之间为滚动摩 擦，因此摩擦磨损较小，可 用于传递较大的动力。滚子 轴处有间隙，不宜高速。
机械基础部分
35
3.3.2 从动件的常用运动规律
一、凸轮机构的运动循环及基本名词术语
凸轮基圆 ： 以凸轮轴心为圆心,以 其轮廓最小向径rb为半径的圆；
偏 距 : 凸轮回转中心与从动件导路 间的偏置距离，用e表示。
偏距圆：以O为圆心，偏距e为半径 的所作的圆。
e
36 机械基础部分 从动件推程：简称推程，从动件在凸轮推动下远离凸
凸轮1、从动件2、机架、锁合装置4
机械基础部分 2 .应用：
8
凸轮机构具有结构简单，可以准确实现要求 的运动规律等优点，因而在工业生产中得到广 泛的应用。
凸轮机构在机床中的应用
凸轮机构印刷机中的应用
9 机械基础部分 凸轮机构是机械中的一种常用机构，在自动化 和半自动化机械中应用非常广泛。
当凸轮等速回转 时，利用其轮廓向径 变化，迫使从动件(气 门挺杆)作上、下移动， 以控制气门的打开或 关闭(关闭是靠弹簧的 作用)，从而按预定的 运动规律吸入燃气或 排出废气。
尖顶从动件 滚子从动件 平底从动件 移动从动件 对心移动从动件 偏置移动从动件
二）按从动件上高副元 素的几何形状分：
三）按从动件的运动分
摆动从动件
（四）按凸轮与从动件维持接 触（锁合）的方式分： 力锁合
形锁合
机械基础部分 不同类型的凸轮与从动件组合：
凸轮机构
从动件的运动规律
从动件的运动规律
• 远休止与远休止角： 当凸轮廓线上对应的圆弧段与
从动件接触时，从动件在距凸轮轴心的最远处静止不动。 这一过程称为远休止，此过程对应凸轮所转过的角度称为 远休止角Φs 。
从动件的运动规律
• 回程与回程角: 当凸轮廓线上的曲线段与从动件接
触时，引导从动件由最远位置返回到位移的起始位置。 从动件的这一运动行程称回程，此过程对应凸轮所转过 的角度称为回程角Φ/。
1-凸轮 2-气阀 3-内燃机壳体
如图所示为自动机床中 的进刀凸轮机构。
凸轮机构的应用和分类
当圆柱凸轮绕其轴线转动 时，通过其沟槽与摆杆一 端的滚子接触，并推动摆 杆绕固定轴按特定的规律 作往复摆动，同时通过摆 杆另一端的扇形齿轮驱动 刀架实现进刀或退刀运动。
1-圆柱凸轮 3-滚子
2-摆杆
凸轮机构的应用和分类
平面凸轮机构基本尺寸的确定
2、常见的盘形凸轮机构的压力角
平面凸轮机构基本尺寸的确定
3、压力角对凸轮机构受力的影响
其他条件相同时，压力角 越大，推动从动件所需的 作用力越大；
当压力角非常大时，理论 上作用力为无穷大时才能 推动从动件，此时凸轮机 构将发生自锁。
平面凸轮机构基本尺寸的确定
二、基圆半径对压力角的影响
增大基圆半径，可使凸轮机构的压力角减小；
增大基圆半径会使凸轮机构的整体尺寸增大 在压力角不超过许用值的原则下，应尽可能采用较 小的基圆半径。
平面凸轮机构基本尺寸的确定
三、滚子半径的选择 1、滚子半径对实际廓线的影响
平面凸轮机构基本尺寸的确定
r
可画出正常的实际廓线
r
实际廓线变尖
r
实际廓线干涉，导致 运动失真。
凸轮机构设计(图文)
凸轮机构设计（图文）一、凸轮机构概述凸轮机构是一种常见的机械传动装置，主要由凸轮、从动件和机架组成。
它通过凸轮的轮廓曲线，使从动件实现预期的运动规律。
凸轮机构具有结构简单、运动可靠、传动精度高等优点，广泛应用于各种自动化设备和机械中。
二、凸轮机构设计要点1. 确定从动件的运动规律在设计凸轮机构之前，要明确从动件的运动规律，包括位移、速度和加速度等。
这将为后续的凸轮轮廓设计提供依据。
2. 选择合适的凸轮类型根据从动件的运动规律和实际应用需求，选择合适的凸轮类型，如平面凸轮、圆柱凸轮、摆动凸轮等。
3. 设计凸轮轮廓曲线凸轮轮廓曲线是凸轮机构设计的核心部分。
设计时，要确保凸轮与从动件之间的运动协调，避免干涉和冲击。
三、凸轮机构设计步骤1. 分析运动需求在设计之初，我们需要深入了解设备的工作原理和从动件的运动需求。
这包括从动件的运动轨迹、速度、加速度以及所需的力和行程。
这些信息将帮助我们确定凸轮的基本尺寸和形状。
2. 初步确定凸轮尺寸基于运动需求分析，我们可以初步确定凸轮的直径、基圆半径和宽度等关键尺寸。
这些尺寸将直接影响凸轮的强度、刚度和运动性能。
3. 设计凸轮轮廓确保从动件的运动平稳，避免突变和冲击。
考虑凸轮与从动件之间的间隙，防止运动干涉。
优化轮廓曲线，减少加工难度和提高耐磨性。
四、凸轮机构材料选择考虑耐磨性：凸轮在连续工作中会与从动件接触，因此应选择耐磨材料，如钢、铸铁或耐磨塑料。
考虑重量和成本：在满足性能要求的前提下，可以选择重量轻、成本较低的材料。
考虑环境因素：如果凸轮机构将工作在特殊环境中，如高温或腐蚀性环境，需要选择相应的耐高温或耐腐蚀材料。
五、凸轮机构的加工与装配精确加工：凸轮的轮廓必须严格按照设计图纸加工，以确保运动的精确性。
间隙调整：在装配时，需要适当调整凸轮与从动件之间的间隙，以确保运动的顺畅。
校验运动：装配完成后，应对凸轮机构进行运动校验，确保从动件的运动符合预期。
六、凸轮机构动态分析与优化在设计过程中，动态分析是不可或缺的一环。
第三章 凸轮机构
凸轮机构的应用和类型 从动件的常用运动规律 图解法设计凸轮轮廓 设计凸轮机构应注意的问题
§3-1 凸轮机构的应用和类型
凸轮机构是一种常用机构，常用于自动化和 凸轮机构是一种常用机构， 半自动化机械中。 半自动化机械中。 一、凸轮机构的组成
凸轮机构由机架、 凸轮机构由机架、 凸轮和从动件组成。 凸轮和从动件组成。 通常，凸轮为主动件， 通常，凸轮为主动件， 作匀速运动， 作匀速运动，从动件 随主动件按一定规律 运动。改变凸轮形状， 运动。改变凸轮形状， 从动件运动规律改变。 从动件运动规律改变。
常用加大凸轮基圆半 受力分析： F”=F’tgα 受力分析： 有害力 F”=F’tgα 径的方法减小α 径的方法减小αmax F’一定时 一定时， F”↑ 当F’一定时，α↑， F”↑;当α增 大到一定程度时， F’’引起的摩 大到一定程度时，由F’’引起的摩 擦力将大于F’ 擦力将大于F’ ，此时机构发生 自锁”现象。因此，需控制α “自锁”现象。因此，需控制α。 直动从动件 [α]max=30° =30° 摆动从动件 [α]max=45° =45°
§3-2 从动件的常用运动规律
设计凸轮机构时，首先应根据工作要求确定从动件 设计凸轮机构时， 的运动规律．然后按照这一运动规律设计凸轮轮廓线。 的运动规律．然后按照这一运动规律设计凸轮轮廓线。
一、凸轮机构运动 中的基本概念
从动件位移线图: 从动件位移线图: 在以凸轮转角 凸轮转角为 在以凸轮转角为 横坐标, 横坐标, 从动件位移 为纵坐标的直角坐 纵坐标的直角坐 标系中画出从动件 位移和凸轮转角间 的关系曲线。 的关系曲线。
习题讲解
P51： P51：题3-1、3-2
作 业
P51： P51：题3-3、3-4、3-6
名词解释凸轮机构
名词解释凸轮机构
凸轮机构是一种机械机构,用于驱动汽车、摩托车和其他车辆的引擎和其他动力装置。
凸轮机构由一组相互连接的齿轮和轴组成,这些齿轮和轴在工厂中制造,然后被安装到发动机外壳上。
凸轮机构的作用是将燃料的燃烧转化为动力的传递。
在凸轮机构中,每个齿轮都对应着一个节气门或进气道,当发动机需要增加燃料时,凸轮机构会通过齿轮的旋转将燃料传递到节气门或进气道中。
当发动机需要减少燃料时,凸轮机构会通过齿轮的旋转将燃料传递到节气门或进气道中,以控制进气量。
除了控制燃料的输入,凸轮机构还起着控制引擎转速的作用。
通过调整凸轮机构的齿轮数量和位置,可以控制引擎的转速。
在汽车行驶过程中,凸轮机构会根据车速和引擎负荷等因素来调整齿轮的数量和位置,从而使引擎达到其最佳的转速和输出功率。
凸轮机构在汽车制造中扮演着至关重要的角色,其设计和制造对于引擎的性能和可靠性有着重要的影响。
随着汽车技术的发展,凸轮机构也在不断地进行改进和优化,以提供更好的性能和可靠性。
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机械设计基础
3.4 凸轮设计中的几个问题 设计凸轮机构时，不仅要保证从动件能实 现预定的运动规律，还要求整个机构传力性能 良好、结构紧凑。这些要求与凸轮机构的压力 角、基圆半径、滚子半径等因素相关。 3.4.1 凸轮机构的压力角问题 如图3-15所示为凸轮机构在推程中某瞬时 位置的情况，为作用在从动件上的外载荷，在 忽略摩擦的情况下，则凸轮作用在从动件上的 力将沿着接触点处的法线方向。此时凸轮机构 中凸轮对从动件的作用力（法向力）方向与从 动件上受力点速度方向所夹的锐角即为机构在 该瞬时的压力角，如图3-15所示。将力正交分 解为沿从动件轴向和径向两个分力，即
min
3.4.2 基圆半径的确定
从传动效率来看，压力角越小越好，但压力角减小将导致凸轮尺寸增大。由图315得压力角的计算公式
ds e d arctan
r02 e2 s
机械设计基础
其中，“-”为导路在凸轮轴的右侧，“+”为导路在凸轮轴的左侧。
显然，如果从动件位移s已给定，代表运动规律的
机械设计基础
2）滚子从动件凸轮机构 在从动件的尖顶处安装一个滚子，即成为滚子从动件，这样通过 将滑动摩擦转变为滚动摩擦，克服了尖顶从动件易磨损的缺点。滚子从 动件耐磨损，可以承受较大载荷，是最常用的一种从动件型式，如图35（b）所示。缺点是凸轮上凹陷的轮廓未必能很好地与滚子接触，从 而影响实现预期的运动规律。 3）平底从动件凸轮机构 在从动件的尖顶处固定一个平板，即成为平底从动件，这种从动 件与凸轮轮廓表面接触的端面为一平面，所以它不能与凹陷的凸轮轮廓 相接触，如图3-5（c）所示。这种从动件的优点是：当不考虑摩擦时， 凸轮与从动件之间的作用力始终与从动件的平底相垂直，传动效率较高， 且接触面易于形成油膜，利于润滑，故常用于高速凸轮机构。 在凸轮机构中，从动件不仅有不同的形状，而且也可以有不同的 运动形式。根据从动件的运动形式不同，可以把从动件分为直动从动件 （直线运动）和摆动从动件两种。在直动从动件中，若导路轴线通过凸 轮的回转轴，则称为对心直动从动件，否则称为偏置直动从动件。将不 同形式的从动件和相应的凸轮组合起来，就构成了种类繁多的各种不同 的凸轮机构。
机械设计基础
2．按从动件形状分类 1）尖顶从动件凸轮机构 尖顶能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，因而能实现任 意预期的运动规律，如图3-5（a）所示。但因为凸轮与从 动件为点或线接触，尖顶易发生磨损，所以只宜用于受力 不大的低速凸轮机构中。
（a） （b） （c） 图3-5 凸轮机构从动件的形式 （a）尖顶从动件；（b）滚子从动件；（c）平底从动件
目录
绪论 第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章
平面机构的运动简图和自由度 平面连杆机构 凸轮机构 齿轮机构 齿轮系 间歇运动机构 刚性回转的平衡 键联接和销联接
机械设计基础
目录
第9章 第10章 第11章 第12章 第13章 第14章 第15章 第16章 螺纹联接和螺旋传动 带传动 链传动 齿轮传动 轴 轴承 联轴器和离合器 机械传动系统设计
（b）
（c）
（d） 图3-6 锁合方式
（e）
（f）
（a）、（b）、（c）力锁合；（d）、（e）、（f）形锁合
机械设计基础
3.2 凸轮机构的基本参数和从动件常用运动规律 凸轮机构设计的主要任务是根据实际工作要求确定从动 件的运动规律，根据从动件的运动规律设计凸轮轮廓曲线。 因此确定从动件的运动规律是凸轮设计的前提。 3.2.1 平面凸轮机构的基本参数和工作过程 如图3-7所示为一偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构， 从动件移动导路至凸轮转动中心的偏执距离为。
图3-10 余弦加速度运动规律 正弦加速度运动规律其加速度运 动曲线为正弦曲线，其运动规律运 动线图如图3-11所示。 从动件按正弦加速度规律运动时， 在全行程中无速度和加速度的突变， 因此不产生冲击，适用于高速场合。 以上介绍了从动件常用的运动规 律，实际生产中还有更多的运动规 律，如复杂多项式运动规律、摆线 运动规律等，了解从动件的运动规 律，便于在凸轮机构设计时，根据 机器的工作要求进行合理选择。
机械设计基础
根据“反转法”的原理，作图步骤如下（见图3-13）：
（1）以与位移线图相同的比例尺作出偏距圆（以为半径的圆） 和基圆，过偏距圆上任一点作偏距圆的切线作为从动件导路，并与 基圆相交于点，该点也就是从动件尖顶的起始位置。 （2）自开始沿的方向在基圆上画出推程运动角、远休止角、回程运动角、 近休止角，并在相应段与位移线图划分出若干等份，得、、、…… 点。 （3）过各分点、、……向偏距圆做切线，作为从动件反转后的导路线。 （4）在以上的导路线上，从基圆上的点、、……开始向外量取相应的位 移量，即取、、……得反转后尖顶的一系列位置、、……。 （5）将、、……点连成光滑的曲线，便得到所要求的凸轮轮廓，如图312（a）所示。
4、应用：适用于传力不大的控制机构和调节机构
机械设计基础
3.1.2 凸轮机构的分类 凸轮机构的类型很多，通常按凸轮和从动件的形状、运动形式分类。 1．按凸轮的形状分类 1）盘形凸轮机构 它是凸轮的最基本型式。这种凸轮是一个绕固定轴转动且有变化半 径的盘形零件，凸轮与从动件互作平面运动，是平面凸轮机构，如图31所示。 2）移动凸轮机构 当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架作往复直线运 动，这种凸轮称为移动凸轮，也是平面凸轮机构的一种，如图3-2所示。 3）圆柱凸轮 这种凸轮可看成是将移动凸轮卷成圆柱体而得到的凸轮，从动件与 凸轮之间的相对运动为空间运动，因此圆柱凸轮机构是一个空间凸轮机 构，如图3-3所示。 4）曲面凸轮 当圆柱表面用圆弧面代替时，就演化成曲面凸轮，它也是一种空间 凸轮机构，如图3-4所示。
机械设计基础
3.2.2 从动件常用运动规律 1．等速运动规律 从动件上升或下降的速度 为常数的运动规律，称为等速 运动规律，如图3-8所示为从动 件匀速上升过程。 由图3-8可知，从动件在运 动开始和终止的瞬间，速度有 突变，其加速度和惯性力在理 论上为无穷大，致使凸轮机构 产生强烈的振动、冲击、噪声 和磨损，这种冲击为刚性冲击。 因此，等速运动规律只适用于 低速、轻载的场合。
图3-15 凸轮机构的压力角
F1 F cos F2 F sin
机械设计基础
显然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α的增大而增大。当α增大到一 定数值时，由是引起的摩擦阻力超过有效分力F1 ，此时凸轮将无法推 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。通常设计凸轮机构时，要提出压力角条件，即 max≤ 或者 ≥ 。一般情况下，推程时对直动从动件凸轮机构许用 压力角 30 40 ，对摆动从动件凸轮机构许用压力角 ；作 40 50 回程运动时 70 80 。
0 径 r，会减小机构的压力角，但凸轮上各点对应的向径也增大，凸轮机构的尺寸也 会增大；反之，减小基圆半径 r0 ，机构的结构紧凑了，但机构的压力角却增大 了，机构效率降低，容易引起自锁。由此可以清楚地看到基圆半径对压力角的影响。
图3-7 偏置直动尖顶从动件 盘形凸轮机构 （a）偏置直动尖顶从动 件盘形凸机构； （b）从动件位移线图
机械设计基础
基圆：以凸轮的最小向径为半径所作的圆称为基圆，基圆半径用表示。
推程运动角：如图3-7所示，主动件凸轮匀速转动，从动件被凸轮推动，从 动件的尖顶以一定运动规律从最近位置到达最远位置，从动 件位移，这一过程称为推程，对应的凸轮转角称为推程运动角。 远休止角：当凸轮继续回转时，由于凸轮的向径没发生变化，从动件的尖 顶在最远位置划过凸轮表面从点到点保持不动，这一过程称为 远停程，此时凸轮转过的角度，称为远休止角。 回程运动角：当凸轮再继续回转，从动件的尖顶以一定运动规律从最远位 置回到最近位置，这一过程称为回程，对应的凸轮转角称为回 程运动角。 近休止角：当凸轮继续回转时，从动件的尖顶划过凸轮表面从点回到点保 持不动，这一过程称为近停程，凸轮转过的角度，称为近休止 角。 当凸轮继续回转时，从动件又重复上述升—停—降—停的运动循环。上述 过程可以用从动件的位移曲线图来描述。以从动件的位移s为纵坐标，对应的凸 轮转角为横坐标，将凸轮转角或时间与对应的从动件位移之间的函数关系用曲 线表达出来的图形称为从动件的位移线图，如图3-7（b）所示。
图3-8 等速运动规律
机械设计基础
2．等加速等减速运动规律 从动件在推程过程中，前半程作等加 速运动，后半程作等减速运动，这种运 动规律称为等加速等减速运动规律，通 常加速度和减速度的绝对值相等，其运 动线图如图3-9所示。同理，在回程过程 中，前半程作等减速运动，后半程作等 加速运动，这种运动规律称为等减速等 加速运动规律。 由运动线图可知，当采用等加速等减 速运动规律时，在起点、中点和终点时， 加速度有突变，因而从动件的惯性力也 将有突变，不过这一突变为有限值，所 以，凸轮机构在这三个时间点引起的冲 击称为柔性冲击。与等速运动规律相比， 其冲击程度大为减小。因此，等加速等 减速运动规律适用于中速的场合。
机械设计基础
第3章 凸轮机构
3.1 凸轮机构的应用和分类
3.1.1 凸轮机构的组成、应用和特点
内燃机 机械设计基础
配气机构
第3章 凸轮机构
机械设计基础
图3-2 靠模车削机构 图3-1 配气机构
机械设计基础
图3-3 自动车床走刀机构
图3-4 分度转位机构
机械设计基础
1、组成：凸轮，从动件，机架 2、作用：将凸轮的转动或移动转变为从动件的移动或摆 动。 3、特点:(1)只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得 到所需的运动规律 (1)结构简单、紧凑，工作可靠，容易设计； (2)高副接触，易磨损
机械设计基础
3．按从动件与凸轮保持接触（即锁合）的方式分类 1）力锁合的凸轮机构即依靠重力、弹簧力锁合的凸轮机构， 如图3-6（a）、（b）、（c）所示。 2）几何锁合的凸轮机构。如沟槽凸轮、等径及等宽凸轮、共 轭凸轮等，如图3-6（d）、（e）、（f）所示，都是利用几 何形状来锁合的凸轮机构。