凸轮机构的运动分析与设计

凸轮绕定轴转动时，可推动从动件在垂直于凸轮轴 的平面内运动。
盘形凸轮机构
盘形凸轮实物
② 移动凸轮——当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远
时，盘形凸轮就演化成了移动凸轮。凸轮呈板状， 相对机架做直线运动。
移动凸轮
靠模车削机构
③ 圆柱凸轮——凸轮是一个具有曲
线凹槽或端面曲线轮廓的圆柱，可 以看成是把移动凸轮卷成圆柱体演 化而成。
+

（2）、等加速等减速运动规律

运动线图
h/2
s
0
t/2 t t/2

h/2
h

冲击特性：起、中、末点柔性冲击
v
适用场合：低速轻载
0 a 0


（3）、余弦加速度运动规律

运动线图
s
1
2wk.baidu.com
3
4
t
5 6
h δ v δ

冲击特性：始、末点有软性冲击 适用场合：中低速、中轻载
a
δ
δ
（4）、正弦加速度运动规律
定位弧
O2
槽轮机构的特点： 结构简单、工作可靠 适用于分度、转位等步进机构
槽轮
2
（二）、槽轮机构的类型 1、 外槽轮机构
2、 内槽轮机构
3、 空间槽轮机构
三、不完全齿轮机构
一、工作原理 由普通齿轮机构演化而来，不同之处在于轮齿不布满整个 圆周。主动轮转一周，从动轮转1/4周。从动轮停歇时，主动 轮上的锁住弧与从动轮上的锁住弧互相配合锁住，以保证从动 轮停歇在预定位置上。
二、特点和应用
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；但加工工艺复杂，从动轮在运 动开始，终了时冲击较大，故一般用于低速、轻载场合。
环节四、课堂小结与任务布置
小结：
凸轮机构的类型、特点及应用； 凸轮轮廓曲线的设计； 常见的间隙机构。
任务:综合运用前述所学创新设计一机械机构
H S
0
1800
2100
3000
3600
图解法设计凸轮轮廓
解: 1. 把位移曲线等分成12等份，编号 2. 按 1：1 比例作基圆，分12等份，逆着凸轮转向编号 3. 作等分射线 4. 在等分射线上截取相应角度的位移，得尖顶各位置 5. 用曲线光滑连接各点，得凸轮轮廓曲线 0

9
10 1 2
S
缺点：从动件与凸轮接触应力大， 易磨损
用途：载荷较小的运动控制
凸轮机构：凸轮是一个具有 曲线轮廓的构件。含有凸 轮的机构称为凸轮机构。 它由凸轮、从动件和机架 组成。
自动送料机构
靠 模 车 削 机 构
3、凸轮机构的分类
（1）、按凸轮的形状分 盘形凸轮 移动凸轮 圆柱凸轮
凸轮绕固定轴回转
相当于机架往复直线移动
如果要求棘轮作双向间歇运动时，可采用具有矩 形齿的棘轮以及与之相适应的双向棘爪。
有齿的棘轮机构运动可靠，从动棘轮容易实现有级 调节，但是有噪声、冲击，轮齿易摩损，高速时尤其严 重，常用于低速、轻载的间歇传动。 起重机、绞盘常用棘轮机构使提升的重物能停在任 何位置，以防止由于停电等原因造成事故。
自行车后轮
几何锁合凸轮机构 依靠凸轮和从动件的特殊几何形状而始终维持接触。 沟槽凸轮机构 等宽凸轮机构
等径凸轮机构
共轭凸轮机构
（4）、根据从动件的运动形式分 对心移动从动件 偏置移动从动件 摆动从动件
根据从动件的运动形式分
移动从动件凸轮机构 （对心、偏置） 摆动从动件凸轮机构
① 盘形凸轮——凸轮为具有变化向径的盘状构件，

运动线图
h
s
t
0 1 2 3 4 5 6 7 8

v
冲击特性：· 无冲击 适用场合：高速轻载
t
a
t

三、凸轮轮廓轮廓设计
“反转法“原理
-
0 ‘
1” 2”
o o

3” 4”
作图法设计凸轮廓线 作图步骤： ① 根据从动件的运动规律：作出位移线图S-δt，并等分 角度； ② 定基圆； ③ 作出推杆在反转运动中依次占据的位置点； ④ 将各位置点联接成光滑的曲线； ⑤ 在理论轮廓上再作出凸轮的实际轮廓。
③ ④ ⑤ ⑥
⑦
理论轮廓 实际轮廓
（3）、对心直动平底推杆盘形凸轮机构
s


已知：rb ，推杆运动规律，凸 轮逆时针方向转动 设计：凸轮廓线
h

0
120
600
900
900
求解步骤：
① ② ③ ④
实际轮廓
定比例尺 初始位置及推杆位移曲线 确定推杆反转运动占据的各位置点； 作推杆高副元素的包络线。
（1）、对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构
s
h


已知：rb ，推杆运动规律，凸 轮逆时针方向转动。 设计：凸轮廓线

0
120
600
900
900
求解步骤：
① ② ③ ④ 定比例尺 初始位置及推杆位移曲线 确定推杆反转运动占据的 各位置点 将各位置点联接成光滑的 曲线,即为轮廓曲线。
（2）、对心直动滚子推杆盘形凸轮机构
s


已知：rb ，推杆运动规律，滚 子半径rk, 凸轮逆时针方向转动 设计：凸轮廓线
h

0
120
600
900
900
求解步骤：
① ② 定比例尺 初始位置及推杆位移曲线（注：两 条廓线，理论／实际廓线） 实际廓线基圆rmin 理论廓线基圆rb 确定推杆反转运动占据的各位置； 将各位置点联接成光滑的曲线,即 为理论轮廓曲线； 作出高副元素的包络线。
任务：设计内燃机凸轮配气机构。
已 知理论轮廓基圆半径 rb=40mm，从动件的运动规律如 下图所示，凸轮逆时针转动，试用作图法设计内燃机配气机构 盘形凸轮轮廓曲线。
s
30

0
900
600
120
900
图解法设计凸轮轮廓
1、尖顶对心移动从动件盘形凸轮的设计 1）已知条件：位移线图如下，基圆半径为rb=40mm， 凸轮以等角速度ω1逆时针转动，试绘制凸轮的轮廓曲 线。
偏置直动滚子推杆 盘形凸轮机构
摆动平底推杆 盘形凸轮机构
从动件的常用运动规律 一、凸轮机构从动件运动 规律与凸轮形状的关系
位 移 线 图 的 形 成
从动件的常用运动规律
反转 法求 位移 线图
二、从动件常用的运动规律
1、凸轮机构的基本名词术语
从动件的运动规律是指从动件的位移、速度、加速度等随时 间t或凸轮转角δ 变化的规律。 基圆，基圆半径rb s 推程，推程运动角t

0
900
600
120
900
环节二、资讯
一、凸轮机构的应用及分类
1、凸轮机构的组成及特点
凸轮：具有曲线轮廓或凹槽的构件
组成： 从动件（推杆) :运动规律由凸轮廓线决定的构件
机 架
凸轮机构由凸轮1、从动件2、
机架3三个基本构件组成。是一 种高副机构。通常凸轮作连续 等速转动，从动件则在凸轮轮 廓的控制下按预定的运动规律 作往复移动或摆动。
（4）、偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构
s

了解

已知：rb，偏置圆半径e，推杆运 动规律，凸轮逆时针方向转动 设计：凸轮廓线
h

0
120
600
900
900
求解步骤：
① ② ③ ④ ⑤ 定比例尺 初始位置及推杆位移曲线 偏距圆、基圆 确定推杆反转运动占据的各位置点； 作推杆高副元素的包络线。
环节三、小组讨论—完成任务
可看成是移动凸轮卷在圆柱体上
（2）、按从动件几何形状分 尖顶从动件 滚子从动件 平底从动件
能与任意凸轮轮廓保持接触， 可实现复杂的运动规律；易磨 损，只宜用于轻载、低速
耐磨、承载大，较常用
接触面易形成油膜，利于润 滑，常 用于高速运动；配合 的凸轮轮廓必须全部外凸
（3）、按凸轮与从动件的锁合（维持高副接触）形式分 力锁合凸轮机构 依靠从动件的重力、弹簧力或其他外力
h A 0
A’

s’
t s h
D
B
t
推程
s
远休止
h
回程
s’
近休止
t
C

动画演示
回程，回程运动角h 休止，休止角s、s’ 行程（推程或回程中移动的距离），h 运动线图：从动件的位移s、速度v、加速度a 等随时间t或凸轮转角变化的关系图。
2、从动件常用的运动规律
一、棘轮机构
（一）、棘轮机构的组成
棘轮机构由摆杆、 棘爪、棘轮、机架、止 回爪等部分组成。
棘轮机构的工作原理、特点和应用
摆杆1左右摆动，当摆杆左摆时，棘爪4插入棘轮3的齿内 推动棘轮转过某一角度。当摆杆右摆时，棘爪4滑过棘轮3，而 棘轮静止不动，往复循环，制动爪5防止棘轮反转。
如果要求摇杆往复运动时都能使棘轮向同一方 向转动，则可采用图所示的双动式棘轮机构。
自动送料机构
圆柱凸轮实物
2、按从动件形状及运动类型分：
①尖顶从动件 ②滚子从动件 ③平底从动件 ④直动从动件 ⑤摆动从动件
三、凸轮机构的应用举例
1、自动送料机构
2、内燃机配气机构
3、绕线机构
凸轮打包送书机构
一般凸轮机构的命名原则
布置形式＋运动形式＋推杆形状＋凸轮形状
对心直动尖顶推杆 盘形凸轮机构
牛头刨床的横向进给机构
(二)、棘轮机构的类型
1、 外接棘轮机构
2、 内接棘轮机构
3、 双棘爪棘轮机构
4、 双向棘轮机构
二、槽轮机构
（一）、槽轮机构的组成
典型槽轮机构 由主动拨盘、 从动槽轮和机 架等组成。
槽轮机构的结构及工作原理
定位盘 拨盘
O1
1
锁止弧
工作原理：拨盘的连续 运动转换为槽轮的单向 间歇运动。 槽轮每转动一次和停 歇一次构成一个运动 循环。
H
8 7 4 6 5
3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12

图解法设计凸轮轮廓
解: 1. 把位移曲线等分成12等份，编号
2. 以 S =1：1 作基圆，分12等份，逆着凸轮转向编号
3. 作等分射线
4. 在等分射线上截取相应角度的位移，得尖顶各位置 5. 用曲线光滑连接各点，得凸轮轮廓曲线
学习情境四（4课时）
凸轮机构的运动分析与设计
能力目标：
能够正确分析凸轮机构的类型及特点并合理利用；
能够初步进行凸轮机构的设计。
环节一、提出工作任务
任务：设计某凸轮机构。
已 知理论轮廓基圆半径 rb=40mm，从动件的运动规律如 下图所示，凸轮逆时针转动，试用作图法设计盘形凸轮轮廓曲 线。
s
30

S H
9
8 10 0 1 2 3 7 6 4 5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12

2、滚子对心移动从动件盘形凸轮的设计 按尖底从动件的设计方法，
作出理论轮廓曲线在理
论轮廓上画出一系列滚 子，画出滚子的内包络
线得到实际轮廓曲线。
实际廓线
理论廓线
视野拓展 间歇运动机构
用以实现制动、进给、转位或分度功能。
优点：
结构简单、紧凑，占用空间小；
具有多用性和灵活性，只要恰当地设计凸轮的轮廓曲线，可使从动件
实现任意预定的运动规律。
缺点：
易于磨损, 多用于传力不大的场合； 凸轮轮廓精度高，加工难度较大；
从动件的行程不能过大，否则使凸轮笨重。
2、凸轮机构的应用
进刀凸轮机构
凸轮机构的优点：
只需确定适当的凸轮轮廓曲线，即可实现从动件复杂的运动 规律；结构简单，运动可靠。
从动件的运动规律的数学方程式为：
位移
S2 f ( )
dS dS d v2 dt d dt
dv dv d a2 dt d dt
速度
加速度
（1）、等速运动规律

运动线图
位移 h
s
0
t 速度
t’


v
冲击特性：始点、末点刚性冲击 适用场合：低速轻载
0

a
+ 0 - 加速度