机械设计基础第3章 凸轮机构设计概论
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后半行程： 等减速运动
a2|t =0= 定值 a2|t =T =定值
有柔性冲击
例题2：已知从动件升程h=50mm，推程运动角=150o，远休止角 s=30o，回程运动角’=120o，近休止角s’=60o。从动件的运动规 律是，以等加速等减速运动规律上升，以等速运动规律下降。试绘 制从动件的位移线图。
一、凸轮机构中的作用力与凸轮机构的压力角
1、压力角： 推杆沿凸轮廓线接触
点的法线方向与推杆速度方向之间 所夹的锐角。
压力角α
机构发 生自锁
临界压力角αc
受力分析： 有害力： F”=F’tgα
常用加大凸轮基圆半 径的方法减小αmax
当F’一定时，α↑， F”↑;当α增大到一 定程度时，由F’’引起的摩擦力将大于F’ ， 此时机构发生“自锁”现象。因此，需 控制α。
h/2 h/2
1500
300
1200
600
3600
3. 简谐运动规律——余弦加速度运动规律
简谐运动：当一点在圆周上等速运动时，其在 直径上的投影的运动即为简谐运动。
加速度按余弦曲线变化。
s2= h(1-cosθ) /2
θ= /
a2|t =0= 定值 a2|t =T =定值
有柔性冲击
s
h/2
h/2
s=s(δ) v=v(δ) a=a(δ)
δ=ωt
三、凸轮机构设计的基本名词术语
从动件位移线图 行程
推程
回程
近休止角 回程运动角
基圆 远休rm止in角
★迹点：从动件上一点，用 于生成凸轮理论轮廓。
★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:
★远休、远休止角: s ★回程、回程运动角: ’ ★近休、近休止角: ’s
高副，易磨损，多用于传力不大的场合。
凸轮机构的应用领域 凸轮机构广泛用于自动机械、自动控制装置和装
配生产线中。
内 燃 机 配 汽 机 构
自动机床的进刀机构
盘形凸轮机构在 印刷机中的应用
等径凸轮机构在 机械加工中的应用
利用分度凸轮机构 实现转位
圆柱凸轮机构在 机械加工中的应用
二、凸轮机构的分类
1. 按凸轮形状分：
三、图解法设计凸轮轮廓曲线
1、直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制
已知：从 动件位移线 图，凸轮的 基圆半径rmin , 凸轮角速度 ω1
2.尖顶偏置动从动件 盘形凸轮机构
偏心圆
★先作出基圆和偏距圆，根据推杆偏置方向确定其 起始位置。 ★偏距圆与位移线图对应等分 ★推杆在反转运动中依次占据的位置都是偏距圆的 切线；
移动凸轮机构
圆柱凸轮机构
盘形凸轮机构
2. 按从动件的形状分
构造简单，但易于磨损， 所以只适用于作用力不大和 速度较低的场合。
由于滚子与凸轮之间为滚 动摩擦，所以磨损较小，故 可用来传递较大的动力。
其优点是凸轮与平底接触 面间容易形成油膜，润滑较 好，所以常用于高速传动中。
尖顶推杆 滚子推杆
平底推杆
4. 直动平底推杆盘形凸轮机构
设计步骤： 设计说明：
1) 将平底与推杆导路与 推杆的交点A视为推杆尖 顶, 然后确定出点A在反 转中各位置1’、2’、…。
2) 过1’、2’、 …作一系 列代表推杆平底的直线；
3) 作出该直线族的包络 线，即为凸轮的实际轮 廓曲线。
3.4 设计凸轮设计应注意的问题
等宽凸轮机构
◆形封闭法： 利用凸轮与推杆
构成的高副元素的特 殊几何结构使凸轮与 推杆始终保持接触。
等 径 凸 轮
共轭凸轮
常用的有如下几种：
对心直动尖顶 从动件凸轮机构
偏心直动尖顶 对心直动滚子 对心直动平底从动 从动件凸轮机构 从动件凸轮机构 件凸轮机构
摆动平底从动件 凸轮机构
摆动尖顶从动件 摆动滚子从动件 圆柱凸轮机构
3. 直动滚子推杆盘形凸轮机构
注意：凸轮基圆半径指理
作图步骤：
论廓线的最小半径
设计说明：
1) 将滚子中心看作尖顶，然后 按尖顶推杆凸轮廓线的设计方 法确定滚子中心的轨迹，称其 为凸轮的理论廓线；
2) 以理论廓线上各点为圆心，
以滚子半径rr为半径，作一系 列圆；
3) 再作此圆族的包络线，即 为凸轮工作廓线(实际廓线)。
1200
小结
运动规律
运动特性 适用场合
等速运动规律：
有刚性冲击
等加速等减速运动： 柔性冲击
低速轻载 中低速轻载
简谐运动规律：
柔性冲击 中低速轻载
3.3 盘形凸轮轮廓的设计
一、凸轮廓线的设计方法 ◆图解法 ◆解析法
二、凸轮廓线设计方法的基本原理
反转法原理：
假想给整个机构加 一公共角速度-ω,则凸 轮相对静止不动，而推 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。
第3章 凸轮机构设计
3.1 凸轮机构的应用和分类
3.2 从动件常用运动规律
3.3 盘形凸轮轮廓的设计：图解法
3.4 设计凸轮设计应注意的问题
3.1 凸轮机构的应用和分类
一、凸轮机构的组成与应用
凸轮机构的组成： 凸轮、推杆(从动件)、
机架 凸轮机构的优点:
结构简单、紧凑，通过适当设计凸轮廓线可以 使推杆实现各种预期运动规律，同时还可以实现间 歇运动。 凸轮机构的缺点：
3. 按从动件的运动方式分
摆动从动件：从动件 绕某一固定轴摆动。
直动从动件：从动件 只能沿某一导路做往 复移动；
对心直动推杆 偏置直动从动件
4. 按凸轮与从动件保持接触的方法分
◆力封闭方法： 利用推杆的重力、弹簧
力或其它外力使推杆始终 与凸轮保持接触；
动画
4. 按凸轮与从动件保持接触的方法分
槽凸轮机构
凸轮机构
凸轮机构
四、凸轮机构设计的主要问题
★ 根据设计任务的要求选择凸轮的类型和从动 件运动规律。 ★确定凸轮的基圆半径。 ★确定凸轮的轮廓。 ★进行必要的分析，如凸轮机构的静力分析、 效率计算等。对于高速凸轮机构，有时需进行 动力分析。
3.2 从动件运动规律
一、从动件运动规律与凸轮机构的关系
★推杆的运动规 律：推杆在运动 过程中，其位移、 速度和加速度随 凸轮(时间)变化 的规律。
★行程：h
二、几种常用的从动件运动规律
源自文库
1、等速运动
v2=const=h/T
推程时
s2=h/
v2= hω1/ a2=0
回程时
s2=h(1-/’) v2= -hω1/ ’ a2=0
有刚性冲击
a2|t =0= ∞ a2|t =T =－∞
2、等加速等减速 运动
a2=const=4h/(ω1/)2
前半行程： 等加速运动
a2|t =0= 定值 a2|t =T =定值
有柔性冲击
例题2：已知从动件升程h=50mm，推程运动角=150o，远休止角 s=30o，回程运动角’=120o，近休止角s’=60o。从动件的运动规 律是，以等加速等减速运动规律上升，以等速运动规律下降。试绘 制从动件的位移线图。
一、凸轮机构中的作用力与凸轮机构的压力角
1、压力角： 推杆沿凸轮廓线接触
点的法线方向与推杆速度方向之间 所夹的锐角。
压力角α
机构发 生自锁
临界压力角αc
受力分析： 有害力： F”=F’tgα
常用加大凸轮基圆半 径的方法减小αmax
当F’一定时，α↑， F”↑;当α增大到一 定程度时，由F’’引起的摩擦力将大于F’ ， 此时机构发生“自锁”现象。因此，需 控制α。
h/2 h/2
1500
300
1200
600
3600
3. 简谐运动规律——余弦加速度运动规律
简谐运动：当一点在圆周上等速运动时，其在 直径上的投影的运动即为简谐运动。
加速度按余弦曲线变化。
s2= h(1-cosθ) /2
θ= /
a2|t =0= 定值 a2|t =T =定值
有柔性冲击
s
h/2
h/2
s=s(δ) v=v(δ) a=a(δ)
δ=ωt
三、凸轮机构设计的基本名词术语
从动件位移线图 行程
推程
回程
近休止角 回程运动角
基圆 远休rm止in角
★迹点：从动件上一点，用 于生成凸轮理论轮廓。
★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:
★远休、远休止角: s ★回程、回程运动角: ’ ★近休、近休止角: ’s
高副，易磨损，多用于传力不大的场合。
凸轮机构的应用领域 凸轮机构广泛用于自动机械、自动控制装置和装
配生产线中。
内 燃 机 配 汽 机 构
自动机床的进刀机构
盘形凸轮机构在 印刷机中的应用
等径凸轮机构在 机械加工中的应用
利用分度凸轮机构 实现转位
圆柱凸轮机构在 机械加工中的应用
二、凸轮机构的分类
1. 按凸轮形状分：
三、图解法设计凸轮轮廓曲线
1、直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制
已知：从 动件位移线 图，凸轮的 基圆半径rmin , 凸轮角速度 ω1
2.尖顶偏置动从动件 盘形凸轮机构
偏心圆
★先作出基圆和偏距圆，根据推杆偏置方向确定其 起始位置。 ★偏距圆与位移线图对应等分 ★推杆在反转运动中依次占据的位置都是偏距圆的 切线；
移动凸轮机构
圆柱凸轮机构
盘形凸轮机构
2. 按从动件的形状分
构造简单，但易于磨损， 所以只适用于作用力不大和 速度较低的场合。
由于滚子与凸轮之间为滚 动摩擦，所以磨损较小，故 可用来传递较大的动力。
其优点是凸轮与平底接触 面间容易形成油膜，润滑较 好，所以常用于高速传动中。
尖顶推杆 滚子推杆
平底推杆
4. 直动平底推杆盘形凸轮机构
设计步骤： 设计说明：
1) 将平底与推杆导路与 推杆的交点A视为推杆尖 顶, 然后确定出点A在反 转中各位置1’、2’、…。
2) 过1’、2’、 …作一系 列代表推杆平底的直线；
3) 作出该直线族的包络 线，即为凸轮的实际轮 廓曲线。
3.4 设计凸轮设计应注意的问题
等宽凸轮机构
◆形封闭法： 利用凸轮与推杆
构成的高副元素的特 殊几何结构使凸轮与 推杆始终保持接触。
等 径 凸 轮
共轭凸轮
常用的有如下几种：
对心直动尖顶 从动件凸轮机构
偏心直动尖顶 对心直动滚子 对心直动平底从动 从动件凸轮机构 从动件凸轮机构 件凸轮机构
摆动平底从动件 凸轮机构
摆动尖顶从动件 摆动滚子从动件 圆柱凸轮机构
3. 直动滚子推杆盘形凸轮机构
注意：凸轮基圆半径指理
作图步骤：
论廓线的最小半径
设计说明：
1) 将滚子中心看作尖顶，然后 按尖顶推杆凸轮廓线的设计方 法确定滚子中心的轨迹，称其 为凸轮的理论廓线；
2) 以理论廓线上各点为圆心，
以滚子半径rr为半径，作一系 列圆；
3) 再作此圆族的包络线，即 为凸轮工作廓线(实际廓线)。
1200
小结
运动规律
运动特性 适用场合
等速运动规律：
有刚性冲击
等加速等减速运动： 柔性冲击
低速轻载 中低速轻载
简谐运动规律：
柔性冲击 中低速轻载
3.3 盘形凸轮轮廓的设计
一、凸轮廓线的设计方法 ◆图解法 ◆解析法
二、凸轮廓线设计方法的基本原理
反转法原理：
假想给整个机构加 一公共角速度-ω,则凸 轮相对静止不动，而推 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。
第3章 凸轮机构设计
3.1 凸轮机构的应用和分类
3.2 从动件常用运动规律
3.3 盘形凸轮轮廓的设计：图解法
3.4 设计凸轮设计应注意的问题
3.1 凸轮机构的应用和分类
一、凸轮机构的组成与应用
凸轮机构的组成： 凸轮、推杆(从动件)、
机架 凸轮机构的优点:
结构简单、紧凑，通过适当设计凸轮廓线可以 使推杆实现各种预期运动规律，同时还可以实现间 歇运动。 凸轮机构的缺点：
3. 按从动件的运动方式分
摆动从动件：从动件 绕某一固定轴摆动。
直动从动件：从动件 只能沿某一导路做往 复移动；
对心直动推杆 偏置直动从动件
4. 按凸轮与从动件保持接触的方法分
◆力封闭方法： 利用推杆的重力、弹簧
力或其它外力使推杆始终 与凸轮保持接触；
动画
4. 按凸轮与从动件保持接触的方法分
槽凸轮机构
凸轮机构
凸轮机构
四、凸轮机构设计的主要问题
★ 根据设计任务的要求选择凸轮的类型和从动 件运动规律。 ★确定凸轮的基圆半径。 ★确定凸轮的轮廓。 ★进行必要的分析，如凸轮机构的静力分析、 效率计算等。对于高速凸轮机构，有时需进行 动力分析。
3.2 从动件运动规律
一、从动件运动规律与凸轮机构的关系
★推杆的运动规 律：推杆在运动 过程中，其位移、 速度和加速度随 凸轮(时间)变化 的规律。
★行程：h
二、几种常用的从动件运动规律
源自文库
1、等速运动
v2=const=h/T
推程时
s2=h/
v2= hω1/ a2=0
回程时
s2=h(1-/’) v2= -hω1/ ’ a2=0
有刚性冲击
a2|t =0= ∞ a2|t =T =－∞
2、等加速等减速 运动
a2=const=4h/(ω1/)2
前半行程： 等加速运动