凸轮机构及其设计(8学时)(精)

凸轮机构及其设计(8学时)(精)

第四章 凸轮机构及其设计（8学时）

一、教学目的和教学要求

1、 教学目的：使学生掌握凸轮机构设计的基础知识，并能根据生产实

际需要的运动规律设计凸轮机构。

2、 教学要求

1）了解凸轮机构的分类和应用

2）了解推杆常用的运动规律及推杆运动规律的选择原则。由于现代机器

的速度提高，几种常用的运动规律已不能满足实际工作需要，因此，

除常用运动规律外，应简单介绍一些改进型的运动规律。

3）掌握在确定凸轮机构的基本尺寸时应考虑的主要问题（包括压力角对

尺寸的影响，压力角对凸轮受力状况、效率和自锁的影响）

4）能根据选定的凸轮类型和推杆的运动规律设计凸轮的轮廓曲线。设计

时应以解析法为主。

二、本章重点教学内容及教学难点

重点1、推杆常用运动规律的特点及其选择原则；

2、凸轮机构运动过程的分析；

3、凸轮轮廓曲线的设计；

4、凸轮机构压力角与机构基本尺寸的关系。

难点

1、凸轮机构设计的基本方法

凸轮设计的基本方法是反转法，所依据的是相对运动原

理。其求解的关键是确定推杆在复合运动中其尖顶的位置。确

定时应注意以下几点：

1）要注意推杆反转方向。先要明确凸轮的实际转向，然

后在图上用箭头及“－ω”标出推杆的反转方向，以

避免搞错反转方向。

2）要正确确定推杆在反转运动中占据的位置。推杆反转

前后两位置线的夹角应等于凸轮的转角δ。

3）要正确确定推杆的位移s 。推杆在复合运动中，对应的

位移量s 应在对应的反转位置上从基圆上开始向外量

取。

2、凸轮机构的运动分析方法

反转法不仅是凸轮机构设计的基本方法，而且是凸轮机构分

析常用的方法。凸轮机构分析常涉及的问题，如给定一凸轮机构，

即已知凸轮机构的尺寸及其位置、凸轮角速度大小及方向，求解

推程角0δ、远休止角01δ、回程角0

δ'、近休止角02δ以及推杆行程h ；或求解当凸轮转过某一个δ角时，推杆所产生的相应位移s 、

速度v 等运动参数及凸轮与从动件在该位置接触时的压力角α

等。这时，如果让凸轮转过δ角后来求解，显然是很不方便的。

即利用反转法求解，这实际上与凸轮设计的反转法原理相同。

三、教学过程思路

（一）、凸轮机构的应用与分类

1、先举几个凸轮机构应用的例子，并用动画指出什么是凸轮机构，说明凸轮机构是由凸轮、从动杆和机架三个构件组成的高副机构。然后与连杆机构比较，说明凸轮机构结构简单紧凑，设计容易，且能实现复杂的运动规律，但因凸轮与推杆之间是点线接触，故在受力不大的控制机构中得到广泛应用。

2、在讲述按凸轮形状分类时，应指出：

盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮机构的运动特点及其内在联系（即移动凸轮可看作回转轴心在无穷远的盘形凸轮机构，而把移动凸轮卷成一圆筒则为圆柱凸轮）

讲述推杆型式分类时，应说明尖顶推杆虽然容易磨损，在生产实际中很少应用，但可把尖顶作为中心，加一圆滚子，即得到滚子推杆，并由此说明理论廓线与实际廓线的概念，同时说明尖顶推杆凸轮机构的设计是其它形式的凸轮机构的设计基础。

应该说明各种推杆的运动形式既可以是往复直线运动，也可以是往复摆动。直动推杆还可以是对心式的或偏置式，由此将不同形式的推杆和不同形式的凸轮组合起来就可以得到各种不

同类型的凸轮机构。这样讲述，不仅可以使学生了解不同形式的凸轮机构应用的场合，还可使学生掌握各种凸轮机构命名的一般规律。

保持推杆与凸轮始终接触的方法分类，只需作简单介绍，但应使学生知道等宽、等径和共轭凸轮机构等。

（二）推杆运动规律及其特性

1、在讲述推杆运动规律之前，应该讲清楚凸轮机构中有关的名词和术语，务必使学生建立起推杆与凸轮之间的相对运动关系，明确推杆位移与凸轮转角或时间之间的坐标关系。

2、推杆的运动规律是指推杆在运动过程中，其位移s、速度v、加速度a随时间t的变化规律。由于凸轮一般以等角速度ω转动，故其转角ϕ与时间t成正比。所以推杆运动规律更常表示为凸轮转角ϕ的关系。

对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构

对于推杆的运动规律，着重掌握以下三点：（1）、常用的四种运动规律的位移、速度及加速度线图，以及曲线变化情况；

（2）、各运动规律的特点，如

v及m ax a值的大

m ax

小，哪些运动规律存在刚性冲击，哪些运动规律存在柔性冲击，以及它们发生的位置等；

（3）、各运动规律适用的场合，并初步掌握运动规律选择的原则。

3、最后简要介绍一下改进型运动规律。只需介绍改进型运动规律一般可通过采用多种运动规律的组合和采用多项式运动规律来得到，特别是多项式运动规律有多次连续求导后仍是连续函数的特点。因此，高速凸轮机构最宜采用这

种运动规律，然后可介绍其运动方程的建立方法。

（三）、凸轮轮廓曲线的设计

1、由于凸轮机构的类型多，内容复杂，讲授时要注意突出重点，考虑以下几方面：第一、应以滚子推杆盘形凸轮机构和平底推杆盘形凸轮机构为主，讲深讲透。

第二、滚子推杆盘形凸轮机构有直动杆和摆动杆两种，在生产实际中应用较多，因此都要讲到。但因其轮廓曲线设计方法是相同的，故应着重讲授直动推杆盘形凸轮轮廓曲线设计。

第三、滚子直动推杆盘形凸轮机构的推杆有对心和偏心之分，且凸轮与推杆相对位置的布局及凸轮的转向也有不同，讲授时有所交待，实际上是偏心的特例。

第四、由于凸轮轮廓曲线设计的基本方法是根据“反转法”来进行的，因此，无论讲授哪种凸轮轮廓曲线，都应着重讲清楚反转法，只有学生真正掌握反转法，才能灵活应用到凸轮机构的设计中。

2、凸轮廓线设计方法的基本原理

凸轮轮廓曲线设计方法有图解法和解析法。