4.1凸轮机构的应用和分类
第四章 凸轮机构
直动从动件凸轮机构
摆动从动件凸轮机构
7
4.1 凸轮机构的应用和类型
凸轮机构分类 按从动件的形式分：
尖顶从动件凸轮机构
平底从动件凸轮机构
滚子从动件凸轮机构
8
4.1 凸轮机构的应用和类型
凸轮机构分类
按凸轮与从动件保持接触的方式分类（锁合方式）：
重力锁合
,t
h cos 2 2
2 2
,t
加速度曲线不连续，存在 柔性冲击。余弦加速度运动 规律适用于中低速中载场 合。
a
amax4.93h2Φ 2
,t
4.2 从动件的运动规律
3. 余弦加速度运动规律
v 5 h /20 4 3 6 2
速度线图
7 1
8 0
第四章 凸轮机构
4.1 凸轮机构的应用和类型
4.2 从动件的常用运动规律 4.3 凸轮机构的压力角
4.4 图解法设计凸轮轮廓
1
4.1 凸轮机构的应用和类型
凸轮机构实例
内燃机配气机构
2
4.1 凸轮机构的应用和类型
凸轮机构实例
自动机床进刀机构
3
4.1 凸轮机构的应用和类型
凸轮机构实例
绕线机构
4
4.1 凸轮机构的应用和类型
弹簧力锁合
槽道凸轮机构
等宽凸轮机构
力封闭凸轮机构
等径凸轮机构
共轭凸轮机构
几何结构封闭凸轮机构
4.1 凸轮机构的应用和类型 凸轮机构的特点：
优点：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，并且结构简单、紧凑，设计方便。
缺点：凸轮廓线与推杆之间为点接触或线接触，易 磨损，所以凸轮机构多用在传力不大的场合。
机械设计基础-第4章-1-凸轮机构
30
30
120
120
90
δ
360
七、解析法设计凸轮轮廓曲线
1、偏置直动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计
建立凸轮转轴中心的坐标系xOy
根据反转法原理，凸轮以w转过j角；
B点坐标为
x y
(s0 (s0
s) sin j s) cosj
e cosj esinj
上式即为凸轮理论廓线方程
实际廓线与理论廓线在法线上相距
凸轮机构由凸轮、从动件和机架三部分组成。
凸轮机构是高副机构，易于磨损，因此只适用于传 递动力不大的场合。
示例一 内燃机配气机构
示例二 靠模车削机构
示例 绕线机的凸轮绕线机构
示例 缝纫机的凸轮拉线机构
凸轮机构的主要优点： 使从动件实现预定的运动规律，结接触，容易磨损。 用于传递动力不大的控制机构或调节机构。
2、自D0起，沿-ω方向取δ1-4 角，等分各部分，从D1起以 从动件长度为半径作圆，与基 圆交于C点。
3、C1D1起，分别量取β角， 与2的圆交于B点，连接B0、 B1、B2…，即为凸轮曲线。
例题：设计盘形凸轮机构，已知凸轮角速度ω1逆时针转动， 基圆半径r0=30mm，从动件的行程h=40mm。从动件的 位移线图如下：
第四章 凸轮机构及间歇运动机构
§4-1 凸轮机构的应用和分类 §4-2 从动件常用的运动规律 §4-3 盘形凸轮轮廓曲线的设计 §4-4 凸轮机构设计中应注意的问题 §4-5 间歇运动机构
§4-1 凸轮机构的应用和分类
凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，它通过与从 动件的高副接触，在运动时可以使从动件获得连续或不 连续的任意预期运动。
当凸轮继续以角速度ω1逆时针 转过角度δ2时，从动件尖顶从 C到D，在最远位置停止不动， 对应的δ2是远休止角。
凸轮机构的应用和分类ppt课件
运动规律的组合原则
➢ 按凸轮机构的工作要求选择一种基本运动规律作为主体运动 规律，然后用其它运动规律与之组合，通过优化对比，寻求最 佳的组合型式。 ➢ 行程的起点和终点处有较好的边界条件。
➢ 根据不同的使用要求，运动规律的连接点处应满足位移、速 度、加速度甚至是更高一阶导数的连续条件，以减少或避免冲 击。
t
s
h
' S
360
t s
h
s'
四、凸轮与从动件的材料及结构
1、材料
凸轮机构工作时，往往承受动载荷的作用，同时凸轮表 面承受强烈磨损。因此，要求凸轮的工作表面硬度高，具 有良好的耐磨性，心部有良好的韧性。当低速、轻载时， 可以选用铸铁作为凸轮的材料。中速、中载时可以选用优 质碳素结构钢、合金钢作为凸轮的材料,并经表面淬火或滲 碳淬火，使硬度达到。高速、重载凸轮可以用优质合金钢 材料，并经表面淬火或滲氮处理。
从动件：材料与凸轮相同，但从动件磨损更严重更早。 所以一般从动件硬度比凸轮要高一些。
2、结构
(1)凸轮轴 当凸轮尺寸小且接近轴径时，则凸轮与轴做成一 体，称为凸轮轴，如图所示。
(2)整体式凸轮 当凸轮尺寸较小又无特殊要求或不需经常装拆 时，一般采用整体式凸轮，如图所示。
(3)可调式凸轮（组合式）
按凸轮与从动件维持高副接触的方式分类
力封闭式 型封闭式
三、凸轮传动的工作过程
★基圆：以凸轮最小半径r0所 作的圆，r0称为凸轮的基圆半
径。
★推程、推程运动角： t
★远休、远休止角： s
★回程、回程运动角： h ★近休、近休止角： s '
★行程：h
★位移：s=r-r0 ★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。
凸轮机构的应用和分类
凸轮机构的寿命与维护
凸轮机构的寿命与运行条件、材料选择和润滑方式等有关，定期维护和保养可以延长凸轮机构的使用寿 命。
凸轮机构的保养和保养周期
凸轮机构的保养包括润滑、清洁和检查等内容，保养周期根据使用情况和负荷要求进行合理调整。
凸轮机构故障分析与排除
凸轮机构故障的原因多种多样，需要通过仔细分析和维修措施进行故障排除，以确保机械系统的正常运 行。
通过凸轮和滑块的协同运动，实现直线运动 和简单的机构功能。
摆线凸轮机构
通过凸轮的摆线运动，实现平滑且复杂的运 动轨迹和机构功能。
在IC发动机中的应用
凸轮机构在IC发动机中起到控制气门开闭时机和时序的重要作用，影响发动 机的动力性能、燃油经济性和排放控制等方面。
在汽车传动系统中的应用
凸轮机构在汽车传动系统中被广泛应用于离合器、变速器和传动轴等部位，实现动力输出和车速调节等 功能。
凸轮机构的应用和分类
凸轮机构是一种广泛应用于机械系统中的机构，通过凸轮和可动关节的协同 运动，实现了多种复杂的动作和功能。本文将介绍凸轮机构的应用和分类。
什么是凸轮机构
凸轮机构是一种由凸轮和可动关节组成的机械系统，通过凸轮的旋转运动， 使其上的可动关节产生规定的运动轨迹，从而实现特定的功能和动作。
凸轮机构的技术发展趋势
凸轮机构在现代工程中具有广泛的应用前景，随着技术的发展，凸轮机构将 更加智能化、高效化和可持续化。
注重人性化设计的凸轮机构
在凸轮机构的设计中，需注重人机工程学和人性化设计原理，提高机器操作人员的舒适度和安全性。
生产自动化中凸轮机构的应用
凸轮机构在生产自动化领域中的应用广泛，用于自动化生产线上的工件定位、 传送和操作等。
凸轮机构现代化设计思路
机械设计基础第4章
第四章凸轮机构在各种机器中，尤其是自动化机器中，为实现各种复杂的运动要求，常采用凸轮机构，其设计比较简便。
只要将凸轮的轮廓曲线按照从动件的运规律设计出来，从动件就能较准确的实现预定的运动规律。
本章将着重研究盘状凸轮轮廓曲线绘制的基本方法和凸轮设计中的相关问题。
§4—1 凸轮机构的应用与分类一、凸轮机构的应用凸轮机构的组成凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。
凸轮通常作等速转动，但也有作往复摆动或移动的。
从动件是被凸轮直接推动的构件。
凸轮机构就是由凸轮、从动件和机架三个主要构件所组成的高副机构。
图4-1所示为内燃机配气凸轮机构。
当具有一定曲线轮廓的凸轮1以等角速度回转时，它的轮廓迫使从动作2（阀杆）按内燃机工作循环的要求启闭阀门。
图4-2为自动机床上控制刀架运动的凸轮机构。
当圆柱凸轮1回转时，凸轮凹槽侧面迫使杆2运动，以驱动刀架运动。
凹槽的形状将决定刀架的运动规律。
内燃机，配气机构凸轮一般作连续等速转动，从动件可作连续或间歇的往复运动或摆动。
凸轮机构广泛用于自动化和半自动化机械中作为控制机构。
但凸轮轮廓与从动件间为点、线接触而易磨损，所以不宜承受重载或冲击载荷。
凸轮机构的特点1)优点：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，且机构简单紧凑。
2)缺点：凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损，所以凸轮机构多用在传力不大的场合。
二、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。
⒈按凸轮的形状分类（1）盘形凸轮它是凸轮的最基本型式。
这种凸轮是一个绕固定轴转动并且具有变化半径的盘形零件，如图4-1。
（2）移动凸轮当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架作直线运动，这种凸轮称为移动凸轮。
在以上两种凸轮机构中，凸轮与从动件之间的相对运动均为平面运动，故又统称为平面凸轮机构。
（3）圆柱凸轮(圆柱凸轮是一个在圆柱面上开有曲线凹槽，或是在圆柱端面上作出曲线轮廓的构件，它可看作是将移动凸轮卷于圆柱体上形成的。
第4章 凸轮机构
滚子半径（rT）的确定
内凹的凸轮轮廓
a min rT
不论滚子半径大小如何， 凸轮的工作廓线总是可 以平滑地作出。
外凸的凸轮轮廓
a min - rT
1）当ρmin= rT，实际轮 廓上将出现尖点
2）当ρmin＜rT时，则 为负值，这时实际的轮 廓出现交叉，从动轮将 不能按照预期的运动规 律运动，这种现象称为
从动件位移曲线
盘形凸轮机构基本概念
凸轮轮廓组成 非圆弧曲线 AB、CD 圆弧曲线 BC、DA
基圆 基圆半径r0 推程 行程h
推程运动角δ0 远休止 远休止角δs 回程 回程运动角δh 近休止 近休止角δs
从动件位移曲线
等速运动规律
从动件速度为定值的运动规律称为等速运动规律。
推程
回程（空回行程） [a ] 70 0 ~ 80 0
压力角的选择和检验
压力角与机构尺寸的关系
由速度合成定理作出 B 点的速 度三角形，可得：
tana PD OP e ds/d e
BD s0 s
r02 e2 s
于是
r0
ds/d
(
e
s) 2
e2
tg[a ]
压力角的选择和检验
检验压力角
注意：若测量结果超过许用值，通常可用加大凸轮
基圆半径的方法使max 减小。
设计凸轮机构应注意的问题
若v、s、 已知，则压力角越大，基圆半径 越小，使得机构尺寸紧凑，但易产生自锁。
压力角越小，无用分力越小，受力性能提 高，传动效率加大，避免自锁。
针对凸轮机构传力性能和尺寸紧凑的矛盾， 设计时通常应考虑许用压力角[a]。 一般只针对推程进行压力角的校核。回程 中从动件是由弹簧、自重等外力驱动，而非由 凸轮驱动，故在回程中通常不产生自锁。
凸轮机构的应用及分类
12
2)移动凸轮：
它可视为盘形凸轮 的演化型式。 是一个相对机架作 直线移动或为机架 且具有变化轮廓的 构件，
(2)空间凸轮机构(Spatial Cam)
14
2、按从动件运动副元素形状分类
(1)尖顶从动件：尖顶能与任意复杂凸轮轮廓保持 接触，因而能实现任意预期的运动规律。尖顶与凸 轮呈点接触，易磨损，故只宜用于受力不大的场合。
二、从动件运动规律
从动件的位移s、速度v和加速度a随凸轮转角φ
（或时间t）的变化规律称为从动件运动规律。
从动件运动规律又可分为基本运动规律和组合运 动规律，
25
1、基本运动规律
(1)等速运动规律 从动件在运动过程中速度为常数，而在运动的
始、末点处速度产生突变，理论上加速度为无 穷大，产生无穷大的惯性力，机构将产生极大 的冲击，称为刚性冲击，此类运动规律只适用 于低速运动的场合。
15
根据运动形式的不同
以上三种从动件还可分为： 直动从动件； 摆动从动件； 作平面复杂运动从动件。
16
1)直动从动件(Translating Follower)：
对心直动尖顶从动件凸轮机构 偏心直动尖顶从动件凸轮机构 对心直动滚子从动件凸轮机构 对心直动平底从动件凸轮机构
17
2)摆动从动件(Oscillating)
摆动平底从动件凸轮机构
摆动尖顶从动件凸轮机构
摆动滚子从动件凸轮机构
18
3、按凸轮高副的锁合方式分
(1)力锁合：利用 重力、弹簧力或其 他外力使组成凸轮 高副的两构件始终 保持接触。
19
(2)形锁合：利用特殊几何形状（虚 约束）使组成凸轮高副的两构件始 终保持接触。
第4章凸轮机构及其设计
●搬运机器人 海尔机器人公司 搬运机器人 海尔机器人公司
●便携式机器人 哈尔滨工业大学
便携式机器人 哈尔滨工业大学
●机器人应用工程 一汽集团 沈阳自动化所 哈尔滨工业大学 一汽“红旗”轿车机器人焊接线 一汽集团 沈阳自动化所 哈尔滨工业大学
特种机器人简介
护士助手 美国TRC公司
约瑟夫.恩格尔伯格 Joseph Engelberger
-∞
4.2.2等加等减速运动规律
s
h
v
特点：有柔性冲击 柔性冲击：加速度有限值突变 引起的冲击。 应用：中速。
a
2
s
4.2.3余弦加速运动规律 (简谐运动规律) v
h
特点：有柔性冲击。
应用：中速。 a
s
4.2.4正弦加速运动规律 （摆线运动规律）
特点：无冲击。 v
h
应用：高速。
应用场合
传力不大的场合。
分类 ●按凸轮形状分： （1）盘形 （2）移动
（3）圆柱凸轮 端面
●按从动件的型式分 （1）尖顶从动件 （2）滚子从动件 （3）平底从动件
●按从动件的运动型式分
（1）直动从动件 （2）摆动从动件
4.2 从动件的常用运动规律
●凸轮机构的运动工作循环（重点）
s h
s s s
火星探测机器 日本
日本的仿人形机器人
●P2（本田公司） 身高1.80米，体重120公斤
P2 本田公司
●P3（本田公司，1977年 ） 身高160cm，体重130公斤
P3 本田公司
ASIMO 本田公司
“阿西莫” 正在与人交流 2005年12月15日
凸轮机构及其设计
h
1
作者：潘存云教授
δ
δ
δ
－∞
2）.二次多项式（等加等减速）运动规律 位移曲线为一抛物线。加、减速各占一半。
推程加速上升段边界条件：
起始点：δ =0，
中间点：δ =δ
1
s=0， v＝ 0 /2，s=h/2
求得：C0＝0， C1＝0，C2＝2h/δ21 加速段推程运动方程为：
s ＝2h/δ21 δ2 v ＝4hω /δ21 δ a ＝4hω2 /δ21
在平面连杆机构中，导杆机构的α＝？
ω r0
O n
2）导杆机构 传动角恒等于90° 有效分力: F’ =Fsinγ
复习：平面连杆机构的压力角和传动角 压力角：从动件上受力点的速度方向与该点的受力方向 之间所夹锐角。用α表示 切向分力 : F’= Fcosα ( 有效分力） α → F ’↑ 法向分力: F”= Fsinα 传动角：压力角的余角。 用γ表示 B
2)理论轮廓为外凸曲线
ρ rT ρ
a
轮廓正常
ρ > rT ρa＝ρ－rT >0 轮廓变尖
rT
ρ
轮廓失真
rT
ρ
作者：潘存云教授
设计：潘存云
ρ ＝ rT ρ <r T ρa＝ρ－rT＝0 ρa＝ρ－rT<0 对于外凸轮廓，要保证正常工作，应使： ρ min> rT=0.4 r0
-ω
ω
作者：潘存云教授
9’ 11’ 12’
13’ 14’ 9 11 13 15
理论轮廓
设计：潘存云
实际轮廓 设计步骤小结： ①选比例尺μ l作基圆r0。 ②反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。 ③确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。 ④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。 基圆半径 ⑤作各位置滚子圆的内(外)包络线。
第4章凸轮机构课件
在此图中R=h/2， 当凸轮转角φ=Φ时，θ＝π，则θ/π=φ/Φ。 将R, θ代入上式并对φ求一阶和二阶导数，可得从动件在推程中 作简谐运动时的运动方程为
s
h 2
1
c
os
v
h
2
sin
(4-4)
a
2h
22
2
cos
当从动件按简谐运动规律运动时，如图4-1１所示，其加速 度曲线为余弦曲线，故又称为余弦加速度运动规律。由加速度 线图可知，这种运动规律在开始和终止两点处加速度有突变， 也会产生柔性冲击，只适用于中速场合。只有当加速度曲线保 持连续(如图4-1１中的虚线所示)时， 才能避免柔性冲击。
可以作出从动件的速度线图(v—φ线图)和从动件的加速度线图
(a—φ线图)， 它们统称为从动件的运动线图。
图4-7 尖顶移动从动件凸轮机构
4.2.1
1.
从动件在推程作等速运动时，其位移、速度和加速度的运 动线图如图4-8所示。在此阶段，经过时间t0(相应的凸轮转角为
Φ)，从动件完成升程h，所以从动件的速度v0＝h／t0为常数， 速
(2) 对从动件的运动规律有特殊要求，而凸轮转速又不高 时，应首先从满足工作需要出发来选择从动件的运动规律，其 次考虑其动力特性和是否便于加工。例如，对于图4-3所示的自 动机床上控制刀架进给的凸轮机构，为了使被加工的零件具有 较好的表面质量，同时使机床载荷稳定，一般要求刀具进刀时 作等速运动。在设计这一凸轮机构时，对应于进刀过程的从动 件的运动规律应选取等速运动规律。但考虑到全推程等速运动 规律在运动起始和终止位置时有刚性冲击，动力学特性较差， 可在这两处作适当改进，以保证在满足刀具等速进刀的前提下， 又具有较好的动力学特性。
第4章 凸轮机构
实际廓线的曲率半径：ra 滚子半径：rr
内凹轮廓：
理论轮廓曲线最小曲率半径的求法：
二、凸轮机构的压力角和自锁
当不计凸轮与从动件之间的摩擦时,凸轮作用于从动件上的 力F将沿接触点法线nn 方向
力F可分解成F 1 和 F 2 两个分 力 F２ = F cosα F１ = F sinα 自锁 F1≤F
假想给整个机构加一公 共角速度-ω,
凸轮：相对静止不动
推杆：一方面随导轨以-ω 绕凸轮轴心转动
另一方面又沿导轨作预期的 往复移动 推杆尖顶在这种复合运动中 的运动轨迹即为凸轮轮廓曲 线。
(二)、图解法的方法和步骤
设计凸轮廓线的图解法是根据反转法原 理作出从动件推杆尖顶在反转运动中依 次占据的各位置，然后作出其高副元素 所形成的曲线族；并作从动件高副元素 所形成的曲线族的包络线，即是所求的 凸轮轮廓曲线。
3、对心直动平底从动件盘形凸轮机构 已知条件: 凸轮的基圆半径为r0,凸轮沿逆时针方向等速回转。推 杆的运动规律如图所示。试设计对心直动平底从动件盘形凸轮机构 的凸轮廓线。
4、偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构 已知条件:已知凸轮的基圆半径为r0,凸轮沿逆时针方向等速回转。 从动画中看，从动件 而推杆的运动规律已知，已知偏距e。试设计。
通常设计凸轮机构时是先根据结构要求初步确定基圆半径r0 后校核凸轮机构的最 大压力角αmax .
(4)、压力角校核 αmax一般出现在 1）从动件的起点位置 2）从动件最大速度位置 3）凸轮轮廓向径变化最大部分
滚子从动件按理论轮廓校核 平底从动件一般α=0，不需校核 若αmax > [α]: 增大基圆半径 偏置从动件
三、凸轮基圆半径的确定
r0
第四章-凸轮机构解读
首先,作出理论廓线
B
o
理论廓线与实际廓 线是两条平行线
o
B T
滚子与实际廓线的接 触点T不一定在滚子中 心与导路的方向线上。
所以不能用理论廓 线的各点向径OB减
o 去滚子半径rT，求实
际廓线.
n
B
d
T
3、平底从动件
（1）取平底与导路的交点B0为参考点 （2）把B0看作尖底，运用上述方法找到B1、B2… （3）过B1、B2…点作出一系列平底，得到一直线族。 作出直线族的包络线，便得到凸轮实际轮廓曲线。
s) cos s)sin
式2
（2）摆动从动件盘形凸轮机构
摆动滚子从动件盘形凸轮机构。仍用反转法使凸轮固定不动，而
从动件沿-ω方向转过角度，滚子中心将位于B点。B点的坐标，
亦即理论廓线的方程为：
x y
a cos a sin
l l
cos( sin(
0 0
3、还有5次多项式等其他的多项式运动规律，但多项式的次数 一般不超过7次。
4、为了获得更好的运动特征，可以把上述几种运动规律组合 起来应用。组合时，两条曲线在拼接处必须保持连续。
§4-3 凸轮轮廓的设计
设计方法：作图法，解析法
已知 0 , e, S , 转向。作图法设计凸轮轮廓
一、直动从动件盘形凸轮机构反转法
缺点
(1) 高副接触，传力小，易磨损。 (2) 不易保持高副接触。 (3) 加工较困难。 (4) 从动件的行程不能过大。
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凸轮机构的设计任务
为满足凸轮机构的输出件提出的运动要求、动力 要求等，凸轮机构的设计大致可分成以下四步：
机械基础(凸轮机构)
s h
3.余弦加速度运动规律：
O
从动件加速度在起点和终点存在 v
有限值突变，故有柔性冲击;
0/2 p h /20
若从动件作无停歇的升－降－升
O
连续往复运动，加速度曲线变为 a
连续曲线，可以避免柔性冲击;
O
可适用于高速的场合。
0/2 p22 h /202
0/2 -p22 h /202
0
0 0
凸轮机构
一.任务资讯
（一）凸轮机构的应用及分类
凸轮：具有控制从动件运动规律的某种曲线或凹槽的主动件。 作等速回转运动或往复移动。 凸轮机构：由凸轮、从动件（推杆）和机架组成的高副机构。
机架3
从动件2
1 O1
凸轮1
（一）凸轮机构的应用及分类
1、凸轮机构的应用(Application of Cams)
定的运动规律回到起始位置的过程。
8、回程运动角：
与回程相应的凸轮转角δ0 ' 。 δ0 ' =∠COD
9、近休止：
从动件停留在凸轮最近处。
10、近休止角：
从动件在最近位置停止不动所 对应的凸轮转角δs'。
δs' =∠AOD
O
B'
h
A
δs' D δt
δh δs
w
B
C
11、从动件位移线图： 以纵坐标代表从动件位移s2 ，横坐标代表凸轮转角 δ1或时间t，所画出的图形为位移曲线图。
与推程相应的凸轮转角δ0。 δ0= ∠AOB
O
B'
h
A
δs' D δ0
δ0 ' δs
w
B
C
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
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凸轮机构的应用和分类
凸轮机构的应用和分类凸轮机构是一种常见于机械工程领域的机构，它被广泛应用于各种机械系统中，如汽车发动机、起重机、工业生产线等。
凸轮机构是一种能够将旋转运动转化为直线运动的装置，它利用凸轮的运动，带动相应的机构运动。
凸轮机构的应用和分类，是一个非常重要的机械工程知识点，下面我们就来详细讨论一下这个问题。
凸轮机构的应用：凸轮机构在机械工程中的应用非常广泛，以下列举几个例子：1.汽车发动机中，凸轮机构用于控制气门的开闭。
2.起重机中，凸轮机构用于控制臂的升降和伸缩。
3.工业生产线中，凸轮机构用于控制机械手臂的运动。
4.印刷机中，利用凸轮机构控制覆盖印刷部件的橡皮辊的平移和压力。
5.普通柴油机中，利用凸轮机构控制喷油泵的柱塞运动。
凸轮机构的分类：凸轮机构可以根据凸轮的类型、传动方式、运动形式等多种方式进行分类，下面我们分别进行介绍：1.按照凸轮类型分类：（1）圆柱凸轮机构：凸轮为圆柱形，常见于发动机的气门机构。
（2）球柱凸轮机构：凸轮为球柱形，常见于重型机械的伸缩臂等。
（3）椭圆凸轮机构：凸轮为椭圆形，可以控制机械构件的速度和加速度，常用于机械加工。
（4）凸缘凸轮机构：凸轮为凸缘形，和环形凸轮不同的是，它的凸轮周长不是圆周，可以通过改变凸轮的外形来控制机构运动。
2.按照传动方式分类：（1）平面副凸轮机构：凸轮的轴线和从动件的轴线在同一平面内，例如喷油泵的凸轮机构。
（2）空间副凸轮机构：凸轮的轴线和从动件的轴线不在同一个平面内，例如空间伸缩臂。
3.按照运动形式分类：（1）转角运动凸轮机构：凸轮可以带动从动件做角度转动，例如喷油泵。
（2）轴向运动凸轮机构：凸轮可以带动从动件做轴向运动，例如发动机气门机构。
（3）直线运动凸轮机构：凸轮可以带动从动件做直线运动，例如冲压机的工作台。
总结：凸轮机构是机械工程中非常常见的机构之一，它具有将旋转运动转化为直线运动的功能，可以控制机械装置的运动，广泛应用于各种机械系统中，如汽车发动机、起重机、工业生产线等。
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机械设计基础课程教案
授课时间第3 周第7节课次2
授课方式（请打2）理论课□
其他口
讨论课□实验课□ 习题课□课时安
排
2
授课题目:
第四章凸轮机构
主要教学方法教学方法：利用动画演示机构运动，工程应用案例展示其应用场合。
与手段教学手段：
本课次教学目的、要求：1. 了解凸轮机构的组成、特点、分类及应用
2.掌握从动件的常用运动规律；了解其冲击特性及应用
教学重点及难点：
重点：凸轮机构的从动件的常用运动规律。
难点：立体凸轮机构运动的实现
教学基本内容及过程
4.1 凸轮机构的应用和分类
4.1.1 凸轮机构的应用
凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，主要由凸轮、从动件和机架三个构件组成。
凸轮通常作连续等速转动，从动件则按预定运动规律作间歇（或连续）直线往复移动或摆动。
请看下图所示的内燃机配气凸轮机构。
凸轮1以等角速度回转,
杆）按预期的运动规律启闭阀门。
它的轮廓驱使从动件（阀
内燃机配气机构
送料机构
上图所示则是自动送料机构。
当有凹槽的凸轮
1转动时，通过槽中的滚子
件2作往复移动。
凸轮每转一周，从动件即从储料器中推出一个毛坯送到加工位置。
4.1.2
凸轮机构的分类
接下来学习凸轮机构的分类。
如果按凸轮的形状分，可以分为: ① 盘形凸轮：如下图（a ）所示。
② 移动凸轮：如下图（b ）所示。
③ 圆柱凸轮：如下图（c ）所示。
凸轮的类型
如果按从动件的形状分，可以分为: ① 尖顶从动件：如下图（a ）所示。
② 滚子从动件：如下图（b ）所示。
③ 平底从动件：如下图（c ）
所示。
3,驱使从动
从动件的类型
4.2 从动件的常用运动规律
从动件的常用运动规律有下面三种：
1.等速运动规律
2.等加速等减速运动规律
3.简谐运动规律
机械设计基础课程教案
授课时间第3 周第8节课次2
授课方式（请打2）理论课□
其他口
讨论课□实验课□ 习题课□课时安
排
2
授课题目：盘形凸轮轮廓的设计
主要教学方法教学方法：
与手段|教学手段：
本课次教学目的、要求：掌握反转法，能用图解法绘制凸轮轮廓线，能编程设计凸轮廓线。
教学重点及难点：着重讲清反转法”原理。
重点：着重讲清反转法"原理。
难点：着重讲清反转法"原理。
教学基本内容及过程
3.3 图解法设计盘形凸轮轮廓
凸轮轮廓的设计原理
按从动件的已知运动规律绘制凸轮轮廓的基本原理是反转法。
根据相对运动原理，若将
上图所示的整个凸轮机构（凸轮、从动件、机架）加上一个与凸轮角速度大小相等、方向相反的公共角速度（一二），此时各构件之间的相对运动关系不变。
这样，凸轮静止不动，而从
动件一方面随机架和导路一起以等角速度“儒”绕凸轮转动，另一方面又按已知运动规律
3.3.1 图解法原理
在导路中作往复移动（或摆动）。
由于从动件的尖顶始终与凸轮轮廓保持接触，所以反转后从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓。
凸轮机构的类型虽然有多种，但绘制凸轮轮廓的基本原理及方法是相同的，凸轮轮廓都
按反转法原理绘出。
下面以常见的盘形凸轮为例，说明凸轮轮廓曲线的绘制方法。
432 尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓的设计
我们来看一个例题
试设计此凸轮轮廓曲线。
解：设计步骤如下：
1.按一定比例尺甩=0.002 m/mm绘制从动件的位移线图（见下图（a））。
2.按同一比例尺用=%，以G为半径作基圆，基圆与导路的交点厅即为从动件尖顶的
起始位置。
3.等分位移线图的横坐标和基圆。
根据反转法原理，按位移线图中横坐标的等分数，
从乃开始，沿的方向将基圆圆周分成相应的等分数，以射线… w，吗，…代表机构反转时各个相应位置的导路，各射线与基圆的交点为叫，珞，叫，…。
4.从位移线图量取朋理，虫卅，轡，…，得叽乞乞…。
5.以光滑曲线连接斷，陌，巧，…，即得凸轮的轮廓曲线（见下图（b））。
如果采用滚子从动件，由于滚子中心是从动件上的一个固定点，它的运动就是从动件的
运动。
因此，首先把滚子中心看成是尖顶从动件的尖点，此时按尖顶从动件设计得到的轮廓线称为理论轮廓曲线。
再以理论轮廓线上各点为圆心画一系列滚子圆，然后绘出此滚子圆的
包络线，它就是滚子从动件凸轮机构的实际轮廓线。
但须注意，此时凸轮的基圆半径是指理论轮廓线上的最小半径（见下图（c））。
对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计
机械设计基础课程教案
本课次教学目的、要求：了解凸轮机构基本尺寸的确定
教学重点及难点：
重点：凸轮机构基本尺寸的确定难点：凸轮机构基本尺寸的确定
教学基本内容及过程
4.4 凸轮机构设计中应注意的问题
3.4.1 凸轮机构的压力角和自锁
压力角是决定凸轮机构能否正常工作的重要参数，确定凸轮机构尺寸时必须考虑对压力角的影响。
(J
ft +S
式中牛一一从动件的线速度; %――从动件在序处的位移。
当V吁时，如下图（c）所示，这时，「V 0，产生交叉的轮廓曲线，交叉部分在实际加工时将被切削掉，使这一部分运动规律无法实现，因此从动件的运动将会失真。
经过上述分析可以得到结论，为了使凸轮轮廓在任何位置既不变尖也不相交，滚子半径E必须小于外凸理论轮廓曲线的最小曲率半径小。
另外，滚子半径匕必须小于基圆半径序。
设计时应使斤满足以下经验公式
/啣“和F浪忆
滚子半径的选择。