凸轮-齿轮组合机构
机械制造常用机构
规定: 和在圆销进入区为正，在圆 销离开区为负，变化区间为：
ω1
o1
R
α
α1 -α1
L
－α1≤α≤α1 －φ2≤φ≤φ2
A
φ B
φ2
O2 -φ2
在△ABO2中有如下关系：
AB R sin tg O2 B L R cos
ω2
令λ＝ R / L，并代入上式得： sin 1 ＝ tg 1 cos
槽数z 圆销数n 3 1~6 1/6~1
k≤1 得：n≤2z/ (z -2)
4
1~4 0.25~1 5 、6 1~3 ≥7
提问：why k≤1？ 事实上，当k=1时，槽轮机构已经不具备间歇运动特性了。
1~2
0.36~1
运动系数k
0.3~1
当z=4及n=2时 k=n(1/2－1/z) = 0.5 说明此时槽轮的运动时间和静止时间相等。
运动特性分析： ①槽轮运动的ω max、amax随槽数z的增多而减小。 ②存在柔性冲击。Z愈少，冲击愈大。
参赛专用版
运动特性曲线
圆销进入或退出径向槽时，角速度有突变，
国防科大潘存云教授研制
(2)内啮合槽轮机构
用同样方法可求得内啮合槽轮机构 的运动曲线如图所示。
2 12
1.0 0.75 0.5 0.25 0 -0.25 -0.5 -0.75 0.8 0.6 0.4 0.2
∵
F= Pn f 代入得： tgα> f =tgφ ∴ α >φ
da
o1
当 f=0.2 时，φ＝11°30’
参赛专用版
通常取α＝20°
国防科大潘存云教授研制
棘轮几何尺寸计算公式 棘轮参数 齿数z 模数m 计算公式或取值 12~25
齿轮凸轮组合机构的函数最优综合及动态模拟
对 式 （ ）进行 积 分 得 ： １
ｒ， ｒｒ ｒ
‘
Ｕ
Ｉ ｌ ＝（ ～ ） ｄ ＋ Ｉ ２ｔ Ⅲｄ ｔ １ Ｉ ｔ Ⅲｄ Ｈ
ｕ Ｕ
此 处 ｔ为 系杆 Ｈ 转 动所 需 的 时 间 ， 由式 （ ） 知 ， ２ 可
系杆 Ｈ 和齿 轮 ２转 一 圈 的 转 角 为 ２ 所 以 ， ｎ， 中心 轮 １
图 １ 固 定 凸 轮 的 齿 轮 一 凸 轮 机 构
由图 １可 知 ， Ｈ为构 件 ２相 对 于 系杆 Ｈ 的转 角 ， ２ （２ ０ ＯＨ） 为构 件 ２在 ｔ＝ ０时相 对 于 系杆 Ｈ 的转 角 ， 、 １ 分 别 为齿 轮 １ 系杆 Ｈ 在 任一 位 置 的 转角 。 、 由于 在 ｔ
＝
２ 机 构 的 综合 方 程 式 的推 导
由图 １ 知 ， 可 由齿 轮 １ 齿 轮 ２ 系杆 Ｈ 组 成 的差 动 ， ，
０时 ， 】： ０ ，
口Ｈ＝ （：） ＋ ： 口Ｈ 。
＝ ０ 所 以有 ： ，
ｚ１ ２
（） ３
轮系的传动 比 ２ Ｈ计算公式为 ：
＝
即如 设 计 该 机 构 时 ， 定 了 运 动 规 律 为 给
－ 收｛ １日期 ：０ １ １—１ ； 订 日期 ：０ ２一Ｏ ２ ０ —１ ９修 ２０ ３—１ ８
作者简介 ： 刁燕 （９ ０一）女 ， 川 西 昌人 ， 师 ， 士 ， 要 从 事 机 械 设 计 及 计 算 机 辅 助 设 计 。 １７ ， 四 讲 硕 主
维普资讯
０ 、 ２ — 分 别 为 齿 轮 １ 齿 轮 ２的 齿 数 。 ｌ０— 、
１ 前 言
齿 轮 凸 轮机 构 是 一 种 正 在 发 展 的新 型 组 合 机 构 。 它 可 以将 主 动件 的连 续 匀 速 整 周 回 转 ， 换 为 从 动 件 变 的单 向整 周 变速 回转 、 停 歇 的单 向整周 转 动 等 。 带 它兼 有 凸 轮和 齿 轮 的特 性 ， 制 准确 有 效 ， 构 紧凑 、 巧 。 控 结 灵 由于它 使 用 了 凸轮 副 ， 以 ， 以精 确 地 实现 任 意 复杂 所 可 的运 动规 律 … ； 由于 它 使 用 了齿 轮 副 ， 以它 能 实 现 所 整周 回转 ， 且 有 良好 的 动力 性 能 和运 动 的 可靠 性 。 而 因 此， 齿轮 凸轮 机 构在 轻 工 机 械 、 织 食 品 ， 别 是 精 度 纺 特
凸轮机构原理
凸轮机构原理凸轮机构是一种常见的机械传动装置，它通过凸轮的旋转运动将其上连接的零件带动实现特定的运动规律。
在本文中，将介绍凸轮机构的原理及其应用。
一、凸轮机构的基本原理凸轮机构由凸轮、从动件和驱动件组成。
其中，凸轮是核心部件，它通常形状为圆柱体，其轴线与从动件轴线平行。
凸轮的外表面通常具有不规则的形状，以满足特定的运动要求。
从动件与凸轮接触并被驱动进行运动，驱动从动件的力来自于驱动件。
凸轮机构的工作原理是基于凸轮的旋转运动。
当凸轮旋转时，凸轮上的形状会与从动件进行接触，从而产生驱动力。
凸轮的形状决定了从动件的运动规律，可以实现直线运动、转动运动或复杂的轨迹运动等。
在凸轮机构中，凸轮的运动通常是以连续的方式完成的。
当凸轮旋转一周后，以不同速度和运动规律运动的从动件会回到初始位置，从而实现特定的往复或连续运动。
在某些凸轮机构中，凸轮的速度和角度可以通过其他传动装置进行调节，以实现调整从动件的运动规律。
二、凸轮机构的应用凸轮机构广泛应用于各种机械设备中，其中最常见的是内燃机的气门控制系统。
在内燃机中，凸轮机构负责控制气门的开关，以实现燃烧室的进气和排气。
凸轮机构通过凸轮和气门杆的连接，将凸轮的旋转运动转换为气门的上下运动，从而实现气门的开启和关闭。
不同类型内燃机根据其工作原理和要求，凸轮机构的设计和形状也会有所不同。
此外，凸轮机构还应用于机床、自动化生产线、纺织机械等领域。
在机床中，凸轮机构可以用于驱动工作台、进给机构和切削工具等，以实现工件的加工和加工过程的自动化。
在自动化生产线中，凸轮机构可以配合其他传动装置，如链条、齿轮等，实现物料的输送和组装。
而在纺织机械领域，凸轮机构则常用于纺纱机、织布机等的驱动系统，以实现纱线的拉伸和布匹的运动。
凸轮机构的应用范围非常广泛，其原理简单可靠，具有良好的可控性和稳定性。
通过根据具体的运动要求设计凸轮的形状和相关的传动装置，可以实现各种复杂的运动规律，为机械运动的控制和操作提供了有效的解决方案。
机械设计基础第五章凸轮机构
其他应用实例
01
纺织机械
02
包装机械
03
印刷机械
在纺织机械中，凸轮机构被用于控制织 物的引纬、打纬和卷取等运动。通过合 理设计凸轮的形状和尺寸，可以实现织 物的高速、高效织造。
在包装机械中，凸轮机构常用于控制包 装材料的输送、定位、折叠和封口等操 作。通过凸轮的精确控制，可以实现包 装过程的自动化和高效化。
传动比的计算 根据凸轮的轮廓形状和尺寸，以及从动件的运动 规律，可以通过几何关系或解析方法计算出凸轮 机构的传动比。
传动比的影响因素 凸轮机构的传动比受到凸轮轮廓形状、从动件运 动规律、机构中的摩擦和间隙等因素的影响。
凸轮机构的压力角与自锁
压力角的定义
压力角是指从动件受力方向与从动件运动方向之间的夹角。在凸轮机构中，压力角的大小反 映了从动件所受推力的方向与其运动方向之间的关系。
等速运动规律
从动件在推程和回程中均保持匀速运动。
等加速等减速运动规律
从动件在推程和回程中按等加速和等减速规律运动。
简谐运动规律
从动件按简谐运动规律振动。
组合运动规律
根据实际需要，将从动件的运动规律组合成复杂的运动形式。
凸轮机构的尺寸设计
凸轮基圆半径的确定
根据从动件的运动规律和机构的结构要求，确定 凸轮的基圆半径。
03
凸轮机构的类型与特性
盘形凸轮机构
凸轮形状
盘形凸轮是一个具有特定 轮廓的圆盘，其轮廓线决 定了从动件的运动规律。
工作原理
通过凸轮的旋转，驱动从 动件按照预定的运动规律 进行往复直线运动或摆动。
应用范围
广泛应用于内燃机、压缩 机、自动机械等领域。
移动凸轮机构
凸轮形状
移动凸轮是一个在平面上移动的具有特定轮廓的 构件。
齿轮凸轮组合机构解析法设计
齿轮凸轮组合机构解析法设计摘要：齿轮凸轮组合机构是一种常见的机械传动装置，广泛应用于各种机械设备中。
本文将采用解析法进行齿轮凸轮组合机构的设计，通过对齿轮凸轮组合机构的结构和原理进行分析，结合运动学方程和几何关系，以及相应的计算方法，可以得到齿轮凸轮组合机构的设计参数。
最后，通过实例验证了解析法的有效性和可行性。
1.引言齿轮凸轮组合机构是一种将齿轮和凸轮两种机构组合在一起的传动装置。
在齿轮机构中，利用互相啮合的齿轮来传递力矩和运动。
而在凸轮机构中，通过凸轮的凸起部分与从动件接触或离开来实现运动传递。
齿轮凸轮组合机构的设计涉及到几何形状、尺寸、齿轮齿数等多个参数，因此需要采用解析法进行设计。
2.齿轮凸轮组合机构的结构和原理齿轮凸轮组合机构由齿轮轴、凸轮轴和从动件组成。
齿轮轴上固定有一个或多个齿轮，凸轮轴上固定有一个凸轮。
从动件由凸轮的凸起部分与齿轮的齿啮合或分离来实现传动。
齿轮的齿数和凸轮的凸起部分的形状决定了齿轮和凸轮之间的运动规律。
3.齿轮凸轮组合机构的解析法设计步骤（1）确定齿轮和凸轮的齿数和凸起部分的形状。
齿轮和凸轮的齿数可以根据所需的传动比进行确定。
凸轮的凸起部分的形状可以通过给定的运动规律进行确定，比如简谐运动规律、等角速度运动规律等。
（2）建立齿轮凸轮组合机构的运动学方程。
运动学方程是描述齿轮凸轮组合机构各部件运动规律的方程。
通过建立从动件运动轨迹与凸轮轴的相对位置之间的关系，可以建立运动学方程。
（3）根据几何关系推导出相关参数。
通过几何关系，可以得到齿轮凸轮组合机构的相关参数，如齿轮的模数、分度圆直径、凸轮的基圆半径、凸起部分的形状参数等。
（4）根据计算方法计算设计参数。
根据所得到的齿轮凸轮组合机构的相关参数，可以利用计算方法进行具体的计算，如齿轮啮合位置的计算、齿轮啮合角的计算、齿轮模数的计算等。
（5）验证设计结果的可行性。
通过实例验证所得到的设计结果的可行性和有效性。
可以利用CAD软件进行设计和模拟仿真，通过调整设计参数，得到最佳的设计方案。
凸轮机构
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。
机械设计综合课程设计题目
第1题加热炉推料机的执行机构综合与传动装置设计一、设计题目图1－1为加热炉推料机结构总图与机构运动示意图。
该机器用于向热处理加热炉内送料。
推料机由电动机驱动，通过传动装置使推料机的执行构件（滑块）5做往复移动，将物料7送入加热炉内。
设计该推料机的执行机构和传动装置。
图1－1 加热炉推料机结构总图与机构运动示意图二、设计参数与要求加热炉推料机设计参数如表1－1所示。
该机器在室内工作，要求冲击振动小。
原动机为三相交流电动机，电动机单向转动，载荷较平稳，转速误差<4%；使用期限为10年，每年工作300天，每天工作16小时。
表1－1 加热炉推料机设计参数分组参数滑块工作行程最大压力角三、设计任务1.针对图1－1所示的加热炉推料机传动方案，依据设计要求和已知参数，确定各构件的运动尺寸，绘制机构运动简图；2.假设曲柄AB等速转动，画出滑块F的位移和速度的变化规律曲线；3.在工作行程中，滑块F所受的阻力为常数F r1，在空回行程中，滑块F所受的阻力为常数F r2；不考虑各处摩擦、其他构件重力和惯性力的条件下，分析曲柄所需的驱动力矩；4.确定电动机的功率与转速；5.取曲柄轴为等效构件，确定应加于曲柄轴上的飞轮转动惯量；6.设计减速传动系统中各零部件的结构尺寸；7.绘制减速传动系统的装配图和齿轮、轴的零件图；8.编写课程设计说明书。
第2题块状物品推送机的机构综合与结构设计一、设计题目在自动包裹机的包装作业过程中，经常需要将物品从前一工序转送到下一工序。
现要求设计一用于糖果、香皂等包裹机中的物品推送机，将块状物品从一位置向上推送到所需的另一位置，如图2－1所示。
二、设计数据与要求1.向上推送距离H=120mm，生产率为每分钟推送物品120件；2.推送机的原动机为同步转速为3000转/分的三相交流电动机，通过减速装置带动执行机构主动件等速转动；3.由物品处于最低位置时开始，当执行机构主动件转过1500时，推杆从最低位置运动到最高位置；当主动件再转过1200时，推杆从最高位置又回到最低位置；最后当主动件再转过900时，推杆在最低位置停留不动；4.设推杆在上升运动过程中，推杆所受的物品重力和摩擦力为常数，其值为500N；设推杆在下降运动过程中，推杆所受的摩擦力为常数，其值为100N；图2－1 推送机工作要求5.使用寿命10年，每年300工作日，每日工作16小时；6.在满足行程的条件下，要求推送机的效率高（推程最大压力角小于350），结构紧凑，振动噪声小。
间歇运动机构(选用)
圆珠笔芯线上的自动送料机构
凸轮－齿轮组合机构
机床校正机构
蜗杆主动，因制造误差使蜗轮运动精度达不到 要求，由误差设计一凸轮机构，经齿轮齿条、 差动机构K使蜗杆得到一附加转动，以校正误差。
凸轮－齿轮组合机构
凸轮－连杆组合机构可实现多种复杂的运动规律 相当于连架杆长度可变的四杆机构。
相当于连杆长度(BD)可变的四杆机构。
卷片槽轮机构
又如图所示的六角车床刀架 的转位槽轮机构, 刀架3上可 装六把刀具并与具有相应的 径向槽的槽轮2固连, 拨盘上 装有一个圆销A。 拨盘每转 一周, 圆销A进入槽轮一次, 驱 使 槽 轮 ( 即 刀 架 ) 转 60°, 从而将下一工序的刀具转换 到工作位置。
刀架转位槽轮机构
5.3 不完全齿轮机构
外啮合槽轮机构
平面槽轮机构
外啮合槽轮机构
内啮合槽轮机构
槽轮机构中拨盘（杆）上的圆柱销数、槽轮上的径向槽数
以及槽的几何尺寸等均可视运动要求的不同而定。
空间槽轮机构
球面棘轮机构
二、槽轮机构的主要参数
槽轮机构的主要参数是槽数z和拨盘圆销 数K。
如右所示，为了使槽轮2在开始和终止转
动时的瞬时角速度为零，以避免圆销与槽发 生撞击，圆销进入或脱出径向槽的瞬时， 槽的中心线O2A应与O1A垂直。设z为均匀 分布的径向槽数目，则槽轮2转过2φ2=2π/z 弧度时，拨盘1的转角2φ1将为
凸轮—连杆机构 可实现预定轨迹。
罐头封口机构，要求 C点沿接合缝运动。
9(凸轮)
8 3
2 1
4
5(上冲头)
10(耐火砖) 压砖机成型机构
6(下冲头) 重物
饼干、香烟包装 机中的推包机构
• 当棘爪与棘轮开始在齿顶P啮合时，棘轮工作齿面对棘爪 的总反力FR相对法向反力FN偏转一摩擦角φ。FN对O1点 的力矩使棘爪滑入棘轮齿根，而齿面摩擦力 f FN有阻止棘 爪滑入棘轮齿根的作用。为使棘爪顺利滑入棘轮齿根并 啮紧齿根，两力对O1点的力矩应满足
间歇运动机构
二、棘轮机构的类型与应用
1、棘轮机构的类型
内接棘轮机构 外接棘轮机构
单动式棘轮机构 双动式棘轮机构
单向式棘轮机构 双向式棘轮机构
齿式棘轮机构 合器 摩擦式棘轮机构— —单向离合器和超越离
棘轮转角的调整
齿式棘轮机构中, 在原动件摇杆摆角一定的条件 下, 棘轮每次的转角是不变的。棘轮每次转动单 动角度都是齿距角的倍数，即棘轮转角是有级 可调的。若要调节棘轮的转角, 则可通过以下两 种方法调整：
槽轮机构的分类
单销外啮合槽轮机构 外啮合槽轮机构 双销外啮合槽轮机构
平面槽轮机构 内啮合槽轮机构
空间槽轮机构
槽轮机构的特点和应用
槽轮机构结构简单、工作可靠, 机械效率高, 在 进入和脱离接触时运动比较平稳, 能准确控制转 动的角度。但槽轮的转角不可调节, 故只能用于 定转角的间歇运动机构中, 如自动机床、电影机 械、包装机械等。
第五章 间歇运动机构
在机器工作时，当主动件作连续运动时，常需要 从动件产生周期性的运动和停歇，实现这种运动 的机构，称为间歇运动机构。最常见的间歇运动 机构有棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构和 凸轮式间歇机构等，它们广泛用于自动机床的进 给机构、送料机构、刀架的转位机构、精纺机的 成形机构等。
第一节 棘轮机构
如图所示为不完全齿轮齿条机构，当主动 轮 连续转动时,从动轮作时动时停的往复移动。
不完全齿轮机构 1
如图机构,当齿条做往复运动时,带动不完 全齿轮摆动,从而将工件夹紧.
二、特点和应用
特点:
1) 从动轮每转一周的停歇时间、运动时间及每 次转动的角度变化范围都较大，设计较灵活； 2) 制造加工工艺复杂; 3) 从动轮在运动开始，终了时冲击较大.
第3章 凸轮机构
2 0
02
a
4h12
/
2 0
推程时等减速段
s
h 2h(0 4h1 (0
)2 /
)
/
2 0
2 0
a
4h12
/
2 0
速度连续，加速度不
连续，称为柔性冲击。
用于中、低速场合。
§3 – 2 从动件的常用运动规律
V0=0,
等加速等减速
s
1 2
at 2
当时间为→ 位移为 →
1 1
: :
2 4
: :
对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构 摆动滚子从动件盘形凸轮机构
§3 – 2 从动件的常用运动规律
凸轮机构的运动循环及基本名词术语
凸轮机构的一个运动循环大 致包括：推程、远休程、回 程、近休程四个部分
§3 – 2 从动件的常用运动规律
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。
机械设计基础
机械设计基础
绪论
机械零件设计概论
平面机构的自由度和速度分析
连接
平面连杆机构
齿轮传动
凸轮机构
蜗杆传动
齿轮机构
带传动和链传动
轮系
轴间歇运动机构 机构运转速 Nhomakorabea波动的调节
滑动轴承
滚动轴承
联轴器、离合器和制动器
回转件的平衡
弹簧
第3章 凸轮机构
§3 – 1 凸轮机构的应用和类型 §3 – 2 从动件的常用运动规律 §3 – 3 凸轮机构的压力角 §3 – 4 图解法设计凸轮轮廓 §3 – 5 解析法设计凸轮轮廓*
什么是凸轮机构
第9章 组合机构
特征: ▲基础机构为二自由度机构； ▲附加机构为单自由度机构； ▲组合机构为单自由度机构。
作者潘存云
组合机构 结构类型
串联式 并联式 封闭式 装载式 (叠加)
装载式组合机构由叠加方 法组合而成。后一个机构 的运动是在前一个机构运 动的基础上叠加而成。
特征: 组合结构按层次叠加。
作者潘存云
9－2 组合机构的设计 基础机构━━自由度大于1的基本机构 附加机构━━约束（或封闭）基础机构的机构。 设计内容：
潘存云教授研制
改变四杆机构各杆的尺寸，或改变两齿轮的齿 数，可使定轴齿轮获得各种不同的运动规律。
作者潘存云
潘存云教授研制
具有较长时间近似停歇的往复 运动的行星齿轮—连杆机构
作者潘存云
应用案例： ▲冲床的间歇送料机构； ▲轧钢厂成品冷却车间的钢材送进机构； ▲糖果包装机的走纸； ▲送糖条等机构 需要实现短暂停歇的间歇运动。
O 1 e 2 e’ 3 4 t
实现两次折返的连杆—连杆机构
作者潘存云
潘存云教授研制
潘存云教授研制
钉扣机针杆传动机构 连杆—连杆机构
作者潘存云
潘存云教授研制
结构特点：
丝织机开口机构 连杆—连杆机构
两个摇杆滑块机构并联组合，共同连接于曲柄摇杆
机构上。
作者潘存云
应用实例：简易牛头刨床、插床和小型冲床。
作者潘存云
9－3 联动凸轮组合机构 在自动机床中，常采用由两个凸轮机构组成的联 动凸轮组合机构。通过两凸轮的相互协调配合，可控 制从动件在x和y方向的运动，从而能精确实现预定要 求的运动轨迹。
实现任意轨迹的联动凸轮机构
作者潘存云
潘存云教授研制
潘存云教授研制
应用实例
齿轮-凸轮组合机构解析法设计
坐 标参 数方 程 ：
图 １所示 齿 轮 一凸轮 组 合机 构 是 以 相 啮合 的
一
式 中： Ｉ ＝ ０ ， １ ， ２ ， …， Ｎ， 为 了使 设计 准确 ， Ｎ的数
对齿 轮为 基础 ，利 用滚 子 凸轮机 构来 控 制杆 Ｃ Ｄ 的运动 参数 ， 通过 杆 Ａ Ｂ与 杆 Ｂ Ｃ组 成 的 Ｒ Ｒ Ｒ杆组
值应该取足够大 ，一般取凸轮廓线所需点数的 １ ０ 倍 左 右． 设计 中，用到 Ｅ点 的速度 以及 Ｅ点的轨迹坐 标． 在所设计 的凸轮廓线 中， 只要 Ｅ点的轨迹不变 ，
那 么 Ｅ点速度 的变化 就不 会对 其结 果产 生影 响 ． 因 此， 可令 ｄ Ｉ ／ ｄ ｔ ＝ ｌ ， 则得 出 Ｅ点 的速度 为 ：
定 的齿 轮 １的半径 Ｒ １ 、齿 轮 ２的半 径 Ｒ ２ 、杆 Ｃ Ｄ
Ｉ ｆ Ｖ ｘ Ｅ ＝ ｄ ｆ ｌ （ Ｉ ） ／ ｄ Ｉ
ｖ （ Ｉ ） ／ ｄ Ｉ
…
的长 度 Ｌ Ｃ Ｄ、 杆 Ｃ Ｅ的长 度 Ｌ Ｃ Ｅ、 Ａ点 坐标 、 Ｄ点坐 标、 Ｋ点坐 标等 ，因此杆 Ａ Ｂ和杆 Ｂ Ｅ组 成 一 个 Ｒ Ｒ Ｒ Ｉ Ｉ 级杆组． 通 过齿 轮 啮合传 动关 系 由 Ｂ点 的 坐 标确 定可 确定 Ｇ点 的坐标 ．
和杆 Ｃ Ｄ与 杆 Ｃ Ｅ组 成 Ｒ Ｒ Ｒ杆 组 的 运 动 复合 实 现 输 入 与输 出 的运 动 间的关 系 ，从 而 输 出给 定 轨迹 ．
其 中齿 轮 １ 与杆 Ａ Ｂ固联在 一起 ．由于 运 动轨迹 已
知 ，根据 Ａ点坐标 与 Ｅ点轨迹可求 出杆 Ａ Ｂ与杆 Ｂ Ｅ的长度 ； 根 据机 构 的总体 布 置 ， 设 计 者 可预先 确
关 键 词 ： 凸轮 ； 齿轮 ； 组 合 机 构
凸轮连杆组合机构解析法设计
凸轮连杆组合机构解析法设计蒋志华，贺兵，敬宏图，刘忠伟（湖南工业大学机械工程学院，湖南株洲412008）图1凸轮连杆组合机构示意图E D CB 0引言目前已有了许多对凸轮连杆组合机构的研究成果，但在已发表的文献资料中，还未能见到图1所示末端从动件按一定规律往复运动的凸轮连杆组合机构基于解析法的具体设计。
在凸轮连杆的设计中，凸轮轮廓曲线设计的优劣直接影响了凸轮连杆机构的稳定性，因此凸轮轮廓曲线的设计成为研究重点。
常用的凸轮设计方法有解析法和图解法，图解法设计精度低的说法是针对传统的图解法而言的，但利用仿真软件辅助设计时，则具有精确度高、设计周期短等优点[1~3]。
如张磊[4]利用Adams 设计滚子从动件凸轮轮廓曲线，郑彬利[5]用AutoCAD 与Excel 设计凸轮轮廓曲线，黄文权[6]利用Creo 对凸轮机构进行反转设计，王亮[7]采用图解法利用SolidWorks 设计滚子盘形凸轮机构。
利用仿真软件的图解法，能够得到精确的凸轮轮廓，但是只能对某一固定参数的机构进行设计，当机构参数发生改变时，需要利用仿真软件重新建立模型求解，并且不能对凸轮压力角进行检验。
基于上述原因，本文采用解析法并借助MATLAB 对图1所示凸轮连杆组合机构进行设计。
解析法可以对凸轮轮廓曲线的坐标值进行精确的计算，当从动件运动比较复杂，计算复杂时，用MATLAB 软件可以很容易地进行凸轮轮廓曲线的解析法设计[8]。
1凸轮连杆机构设计方法1.1凸轮连杆组合机构工作原理凸轮连杆组合机构如图1所示，凸轮为主动件绕C 点逆时针方向旋转，A D 杆上B 点处的滚子在凸轮槽中滚动，并带动A D 杆绕A 点摆动，A D 杆通过连杆DE 使滑块按一定的运动规律上下往复运动。
在实现相同滑块行程和运动规律的条件下，凸轮连杆机构的凸轮和压力角比单凸轮机构的小得多[9]执行部件按一定运动规律往复运动的机械中具有十分重要的工程意义。
1.2参数确定如图2所示，点为原点，过C 点的水平线为x 轴，过C 点的垂直线为y 轴，垂直xy 平面向外为z 轴建立坐标系。
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
常用间歇运动机构
附加机构：自由度为1的凸轮机构 组合以实现复杂的运动轨迹
平板印刷机上的吸纸机 构，由自由度为2的五杆 机构和两个自由度为1的 摆动从动件凸轮机构所 组成。两个盘形凸轮固 接再同一个转轴上。
三、组合机构的类型及功能 ◆ 凸轮—连杆组合机构
组合以实现复杂的运动轨迹
刻字、成形机构，由 自由度为2的四杆四移 动副机构作为基础机 构，两个自由度为1的 凸轮机构作为附加机 构，经并联组合而形 成的凸轮－连杆组合 机构
2. 组合机构应用
多用来实现一些特殊的运动轨迹或获得特殊的运动 规律，因此广泛应用于纺织、印刷和轻工业等机械中。
二、组合机构的常见组合方式
◆串联式组合 输入 子机构Ⅰ 子机构Ⅱ 输出
串联式组合 是指机构组合系统中前一级子机构的输出 构件即为后一级子机构的输入构件。
二、组合机构的常见组合方式
◆并联式组合 输入 子机构Ⅰ 子机构Ⅱ 子 机 构 Ⅲ 输出
应用实例：
自行车飞轮（内接棘轮）
四、棘轮机构的设计 1. 棘轮齿面倾斜角的设计
是棘轮设计的首要问题
齿面倾斜角：指棘轮齿面与径向线所夹的角α。 为保证棘爪顺利进 入棘轮，要求 ： β<Σ 又 90 90
Hale Waihona Puke 为使棘爪受力最小： 一般取 90
◆单万向铰链机构 两轴瞬时角速 比随时变化，并 不恒等于1
单万向铰链机构两特殊位置的机构运动简图
◆双万向铰链机构
主、从动轴角速度恒等的条件：
◆主、从动轴与中间轴位于同一平面； ◆主、从动轴线与中间轴线之间的夹角相等；
◆中间轴两端叉面应位于同一平面内。
8-7组合机构
一、组合机构及应用 1. 组合机构
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α
pn Σ =90°
pt
α
齿偏角
∵ F= Pn f 代入得：
tgα> f =tgφ
da o1
∴ α>φ
当 f=0.2 时，φ＝11°30’ 通常取α＝20°
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棘轮几何尺寸计算公式
棘轮参数
计算公式或取值
齿数z
12~25
模数m
1、1.5、2、2.5、3、 3.5、4、5、6、8、10
即槽轮的运动时间总是小于其静止时间。
如果想得到k≥0.5的槽轮机构，则可在拨盘上多装几个 圆销，设装有n个均匀分布的圆销，则拨盘转一圈，槽 轮被拨动n次。故运动系数是单圆柱销的n倍，即:
k= n(1/2-1/z) ∵ k≤1 得：n≤2z/ (z -2)
提问：why k≤1？ 事实上，当k=1时，槽轮机构已经不具备间歇运动特性了。
图示槽轮在运动的任一瞬时，设拨盘位置角用α来表示，槽轮位置角用φ表示。
规定: 和在圆销进入区为正，在圆
ω1
销离开区为负，变化区间为：
R
o1
α
－α1≤α≤α1 －φ2≤φ≤φ2
在△ABO2中有如下关系：
tg AB R sin O2B L：
α1 -α1
棘轮 类型
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按工作方式： 单动式、 双动式棘轮机构。
按棘轮转向是否可调: 单向、双向运动棘轮机构。
按转角是否可调: 固定转角、可调转角
调杆长摆角、加滑 动罩
按工作原理分 : 轮齿棘轮、 摩擦棘轮 演示模型
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双动棘轮机构
A
B
B’
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棘轮可双向运动
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顶圆直径da 齿间距p
da =mz 与齿轮不同 P=π m
齿高h
h=0.75m
齿顶弦长a 棘爪工作面长度a1
齿偏角α
a=m
a1=(0.5~0.7)a α＝20°
棘轮宽b
b=(1~4)m
棘爪斜高h1 、齿斜高h’ 棘轮齿根圆角半径rf 棘爪尖端圆角半径r1
棘爪长度L
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h1=h’ ≈h/cosα
为减少冲击，进入或退出啮合时，槽中心线与拨销中 心连线成90°角。故有：
2α1=π －2φ2 =π －(2π /z)
= 2π (z-2)/2z 代入上式
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将2α1代入得：k =1/2-1/z ∵ k>0 ∴ 槽数 z≥3 可知：当只有一个圆销时，k=1/2-1/z < 0.5
rf =1.5 mm r1 =2 mm 一般取 L=2p
L
p
o2
h1 a
h’ a1α
da
o1
h
60°~80
齿槽角 °
r1 rf
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§12－2 槽轮机构（马尔它机构）
一、槽轮机构的组成及其工作特点 拨盘
锁止弧
组成：带圆销的拨盘、带有径向 圆销
ω1
o1
槽的槽轮。拨盘和槽轮上都有锁
止弧：槽轮上的凹圆弧、拨盘上
可调转角的棘轮
φ
0 1 2 3 4 5
调滑动罩
牛头刨床进给调整机构 通过调整杆长来调摆角
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1 2 3
摩擦棘轮
3 2 1
超越离合器
3 4 2
1
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运动特点： 轮齿式棘轮工作时噪音大且转角为步进可调，但运动 准确。而摩擦棘轮正好相反。
应用：在各类机床中实现进给、转位、或分度。 实例：止动器、牛头刨床、冲床转
§12－1 棘轮机构
一、棘轮机构的组成及其工作原理 组成：摆杆、棘爪、棘轮、止动爪。 工作原理：摆杆往复摆动，棘爪推动棘轮间歇转动。
优点：结构简单、制造方便、运动可靠、转角可调。 缺点：工作时有较大的冲击和噪音，运动精度较差。
适用于速度较低和载荷不大的场合。
二、棘轮机构的类型与应用
按轮齿分布： 外缘、 内缘、 端面棘轮机构。
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六角车床转塔
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三、槽轮机构的运动系数及运动特性
1.运动系数 拨盘等速回转，在一个运动循 环内，总的运动时间为：
t＝2π /ω 1 槽轮的运动时间为：
ω1
2α1 90° 90°
2φ2
td＝2α1/ω 1 定义： k=td / t 为运动系数，即： ω 2
k=td / t =2α1/2π
位、超越离合器（单车飞轮）。
C 冲压工位
D 冲头
卸料工位
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装料工位 B
间歇转动
A
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三、设计要点
正压力－Pn 摩擦力－F
要求在工作时，棘爪在Pn和F的作用下，能自动滑入棘
轮齿槽。
L
条件是两者对O2的力 矩要满足如下条件：
o2 M pr
FαFt
Fr A
Mpn>MF 将力分解成切向和径向分量
槽数z
3
4
5 、6
≥7
圆销数n
1~6
1~4
1~3
1~2
运动系数k 1/6~1 0.25~1 0.3~1 0.36~1
当z=4及n=2时 k=n(1/2－1/z) = 0.5
说明此时槽轮的运动时间和静止时间相等。
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2.运动特性 (1)外啮合槽轮机构
槽轮的运动是靠圆销的拨动来实现的，在一个运动循环内，槽轮经历 了从静止→运动→静止的过程，因此，槽轮的角速度是变化的，从而 具有角加速度，以下将分析槽轮运动的变化规律。
12 其中：dω1
槽轮 机构
外啮合槽轮机构 内啮合槽轮机构
轴线平行
类型 球面槽轮机构 轴线相交
放映机的反应用
应用实例： 电影放映机、 自动摄影机、六角车床转塔。
o1
o2
外啮合槽轮机构
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ω 1 2φ
ω2
内啮合槽轮机构 球面槽轮机构
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车螺纹4
3空闲 2车帽口
切尾
5 卸牙6膏筒
1装筒牙膏
六槽内槽轮 圆销 拨盘
的凸圆弧，起锁定作用。
工作过程：拨盘连续回转，当两锁止
o2
槽轮
弧接触时，槽轮静止；反之槽轮运动。
ω2
作用：将连续回转变换为间歇转动。
特点：结构简单、制造容易、工作可靠、机械效率高，
能平稳地、间歇地进行转位。因槽轮运动过程中角速
度有变化 ，不适合高速运动场合。
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二、槽轮机构的类型与应用
L
A φB
φ2
-φ2
O2
ω2
＝tg1 sin 1 cos
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分别对时间求一阶导数、和二阶导数，得：
2
d
dt
1
(cos 1 2 cos
) 2
1 其中：
dα/dt
=ω1
2
d 2
dt2
2 1
(2 1) sin (1 2 cos1 2)2