凸轮机构 (教案1)

凸 轮 机 构

凸轮机构是机械中的一种常用机构，在自动化、半自动化机械中应用较为广泛。

6.1凸轮机构的特点、应用和分类

6.1.1特点

凸轮机构 是由凸轮1、从动件2和机架3所组成,如图6-1所示。

可以使从动件得到预定的运动规律;

且结构紧凑。但凸轮机构中包含有高副，不宜传递较大的动力;

同时由于凸轮具有曲线轮廓，它的加工制造比较复杂。

6.1.2应用

凸轮机构 应用于各类机械中。

图6-2所示为内燃机的配气机构;

图6-3所示为自动车床上使用的走刀机构;

此外，凸轮机构还应用于其他机械中，不一一列举。

6.1.3类型

凸轮机构的类型是多种多样的，其基本类型可由凸轮和从动件的不同型式来区分。

1．按凸轮的型式分

按凸轮型式分，各类凸轮机构如表6-1所示。

图5-1凸轮机构 图5-3自动车床走刀机构

图5-2内燃机配气机构

2．按从动件的型式分

根据从动件的运动和端部型式区分，基本类型如表6-2所示。

表6-2 凸轮机构从动件的基本类型

表6-1 凸轮的类型

6.2 从动件的运动规律

6.2.1凸轮机构的工作过程

图6-4（a ）所示为对心尖顶移动从动件盘形凸轮机构。

在尖顶移动从动件盘形凸轮机构的凸轮

上以向径0r 为半径所绘的最大圆称为凸轮的

基圆。

当凸轮以ω等速沿逆时针方向回转Φ

时，从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定运

动规律由离回转中心最近位置A 到达最远位

置B 的过程称为推程，这时它所走过的距离

h 称为从动件的升程;而与推程对应的凸轮

转角Φ称为推程角。

当凸轮继续回转s Φ时，以O 点为中心的

圆弧BC 与尖顶相作用，从动件在最远位置停

留不动，这一过程称为远休止，对应的凸轮转角s Φ称为远休止角;

当凸轮继续回转'Φ时，从动件在弹簧力或重力作用下，以一定运动规律回到起始位置，这个过程称为回程，对应的转角'Φ称为回程角。

当凸轮继续回转'Φs 时，从动件在最近位置停留不动为近休止，'Φs 称为近休止角。

如果以直角坐标系的纵坐标代表从动件位移S ，横坐标代表凸轮转角ϕ(转动时间t )，则可以画出S 与ϕ之间的曲线，它简称为从动件位移线图，见图6-4（b ）。A 点为起始点. 由以上可知，从动件的位移线图取决于凸轮轮廓曲线的形状。从动件的不同运动规律，要求凸轮具有不同的轮廓曲线。因此，设计凸轮时必须首先确定从动件的运动规律。从动件的运动规律通常是根据机械的工作要求确定。

6.2.2常用从动件的运动规律

1、等速运动规律

当凸轮等速回转时，从动件上升或下降的速度为一常数，这种运动称为等速运动。图5-5为从动件等速运动时，其位移S 、速度v 和加速度a 是随时间t 变化的曲线（推程）。 由于凸轮作等速运动时，t ωϕ=，故横坐标也可以用ϕ表示。其运动方程见表5-3。 由于速度V 0为常数，所以从动件的速度线图为一平行于横轴的直线。

对速度线图积分，可以得到S= V 0t ，它是一条斜直线。又由图6-5可知，

当速度为常数时，加速度为零，惯性力也等于零，但是在运动开始和终止的瞬间，由于速度突变，此时理论上的加速度为无穷大，其惯性力将引起刚性冲击。

2、等加速、等减速运动规律

这种运动规律推程前半行程作等加速运动，而后半行程作等减速运动;回程则相反,其位移S 、速度V 和加速度a 是随时间t 变化的曲线如图6-6所示。其运动方程见表6-3。

图6-4凸轮机构的运动过程及位移曲线

因加速度或减速度的绝对值相等，且等于常数a 0，故加速度线图为平行于横坐标轴的直线图；V=a 0t ，所以速度线图为两斜线；故位移线图由两段抛物线组成。

这种运动规律的特点是：加速度有突变，但为一有限值，产生的惯性力也是有限，结果表6-3 从动件运动方程

等加速、等减速运动

对凸轮机构产生柔性冲击。

3、余弦加速度运动规律

质点在圆周上作匀速运动，它在这个圆的直径上的投影所构成的运动，加速度符合余弦

规律，称为余弦加速度运动，又称简谐运动。其运动

方程见表6-3。

图6-7为余弦加速度运动规律图。由加速度线图

可知，这种运动规律的从动件在始点、终点有柔性冲

击。

4、正弦加速度运动规律

加速度按正弦规律变化的称为正弦加速度运动规

律。如图5-8所示. 其运动方程见表6-3。

推杆作正弦加速运动时，其加速度没有突变，因

而有加速度引起柔性冲击。

采用多种运动规律组合可以改善其运动特性。如

在工作中要求从动件作等速运动规律，然而等速运动

规律有刚性冲击，这时可在行程始末端拼接正弦加速

度运动规律，使其动力性能得到改善，如图6-9，选

择从动件运动规律时，应根据机器的工作要求确定，并考虑动力性能，加工等因素。

图6-9

组合型运动规图6-7余弦加速度运动 图6-8正弦加速度运动

6.3 用图解法设计凸轮

当从动件运动规律确定之后，凸轮轮廓曲线便可以用图解法和解析法得到。图解法比较简便、直观、但精度不是很高。本节介绍用图解法绘制几种常见的凸轮轮廓。

“反转法” 根据相对运动原理：如果给整个机构加绕凸轮轴心O 的公共角速度-ω，机构各构件间的相对运动不变。凸轮不动，而从动件一方面随导路以角速度-ω绕O 点转动，另一方面又在导路中往复移动。由于尖顶从动件始终与凸轮轮廓相接触，所以反转后尖顶从动件的运动轨迹就是凸轮轮廓。

6.3.1移动从动件盘形凸轮轮廓的绘制

已知 从动件位移线图6-10（b ），凸轮基圆半径0r 以及凸轮以等角速度ω顺时针回转，绘制图6-10（a ）尖顶对心移动从动件盘形凸轮机构。

根据反转法原理，作图法如下：

（1）以0r 为半径作基圆，此基圆与导路的交点B 0便是从动件尖顶的起始位置。

（2）将位移曲线的推程段和回程段分别划分成若干等份

（3）从0OB 开始沿ω的相反方向在基圆上划出推程运动角Φ、远休止角s Φ、回程运动角'Φ和近休止角'Φs ，并在相应段与位移曲线对应划出若干等分，得分点'1B ，'

2B ，

图6-10尖顶对心移动从动件盘形凸轮轮廓设计