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1、第四章第四章 凸轮机构凸轮机构第一节第一节 凸轮机构的组成和分类凸轮机构的组成和分类第二节第二节 凸轮机构中从动件常用的运动规律凸轮机构中从动件常用的运动规律第三节第三节 图解法设计凸轮轮廓图解法设计凸轮轮廓第四节第四节 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定第一节第一节 凸轮机构的组成和分类凸轮机构的组成和分类一、凸轮机构的组成一、凸轮机构的组成 凸轮机构的作用是将凸轮的转动转变为从动件的往复移动或凸轮机构的作用是将凸轮的转动转变为从动件的往复移动或摆动。摆动。凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。一般凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。一般以凸轮为主动件以凸轮为
2、主动件.作等速回转运动。作等速回转运动。凸轮机构的主要优点是凸轮机构的主要优点是:只要适当地设计凸轮轮廓曲线只要适当地设计凸轮轮廓曲线.即可即可可使从动件实现各种预期的运动规律。其结构简单、紧凑可使从动件实现各种预期的运动规律。其结构简单、紧凑.工工作可靠作可靠.应用广泛。其主要缺点是应用广泛。其主要缺点是:由于凸轮与从动件间为高由于凸轮与从动件间为高副接触副接触.易于磨损易于磨损.因而凸轮机构多用于传递动力不大的自然因而凸轮机构多用于传递动力不大的自然机械、仪表、控制机构及调节机构中。机械、仪表、控制机构及调节机构中。下一页返回第一节第一节 凸轮机构的组成和分类凸轮机构的组成和分类二、凸轮机
3、构的分类二、凸轮机构的分类 凸轮机构类型繁多凸轮机构类型繁多.常见的分类方法有以下几种。常见的分类方法有以下几种。1.按凸轮形状分类按凸轮形状分类 (1)盘形凸轮。盘形凸轮。(2)圆柱凸轮。圆柱凸轮。(3)移动凸轮。移动凸轮。上一页 下一页返回第一节第一节 凸轮机构的组成和分类凸轮机构的组成和分类 2.按从动件形状分类按从动件形状分类 (1)尖顶从动件。尖顶从动件。(2)滚子从动件如择。滚子从动件如择。(3)平底从动件。平底从动件。3.按凸轮与从动件的接触方式分类按凸轮与从动件的接触方式分类 (1)力封闭型凸轮机构力封闭型凸轮机构 (2)形封闭型凸轮机构形封闭型凸轮机构上一页返回第二节第二节
4、凸轮机构中从动件常用的运凸轮机构中从动件常用的运动规律动规律一、凸轮机构的工作过程一、凸轮机构的工作过程 图图4一一1所示为一尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构。在凸轮所示为一尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构。在凸轮上上.以凸轮理论轮廓的最小向径以凸轮理论轮廓的最小向径rb为半径所作的圆称为基圆为半径所作的圆称为基圆.rb称为基圆半径。在图示位置称为基圆半径。在图示位置.从动件与凸轮在从动件与凸轮在A点接触点接触.从从动件处于上升的起始位置。当凸轮以等角速度动件处于上升的起始位置。当凸轮以等角速度1 1顺时针转动顺时针转动角角t时时.从动件尖顶被凸轮轮廓推动从动件尖顶被凸轮轮廓推动.按一定的运动规律
5、由距按一定的运动规律由距。1转中心最近的位置转中心最近的位置A点到达最远位置点到达最远位置B点。这个过程称为推点。这个过程称为推程程.对应的凸轮转角对应的凸轮转角t称为推程角称为推程角;从动件上升的最大位移从动件上升的最大位移h称称为升程。为升程。下一页返回第二节第二节 凸轮机构中从动件常用的运凸轮机构中从动件常用的运动规律动规律 当凸轮继续转过当凸轮继续转过s.角时角时.由于轮廓由于轮廓BC段为向径不变的圆弧段为向径不变的圆弧.从动件停留在最远位置不动从动件停留在最远位置不动.此过程称为远停程此过程称为远停程.对应的凸轮对应的凸轮转角转角s.称为远停程角。当凸轮继续转过称为远停程角。当凸轮继
6、续转过h角时角时.向径渐减的向径渐减的轮廓轮廓CD段使从动件以一定的运动规律由最远位置回到起始位段使从动件以一定的运动规律由最远位置回到起始位置置.此过程称为回程此过程称为回程.对应的凸轮转角对应的凸轮转角h,称为回程角。当凸轮称为回程角。当凸轮继续转过继续转过s角时角时.由于轮廓由于轮廓DA为向径不变的基圆圆弧为向径不变的基圆圆弧.从动从动件又在最近位置停止不动件又在最近位置停止不动.对应的凸轮转角对应的凸轮转角s称为近停程角。称为近停程角。凸轮继续转动凸轮继续转动.从动件则又开始重复上述升一停一降一停的运从动件则又开始重复上述升一停一降一停的运动循环。动循环。从上述分析可知从上述分析可知.
7、从动件的运动规律是与凸轮轮廓曲线的形状从动件的运动规律是与凸轮轮廓曲线的形状相对应的。通常设计凸轮主要是根据从动件的运动规律绘制相对应的。通常设计凸轮主要是根据从动件的运动规律绘制凸轮轮廓曲线凸轮轮廓曲线上一页 下一页返回第二节第二节 凸轮机构中从动件常用的运凸轮机构中从动件常用的运动规律动规律二、从动件常用的运动规律二、从动件常用的运动规律 所谓从动件的运动规律所谓从动件的运动规律.是指从动件的位移、速度、加速度。是指从动件的位移、速度、加速度。随凸轮转角随凸轮转角(或时间或时间)的变化规律。的变化规律。以从动件的位移、以从动件的位移、(速度、加速度为纵坐标速度、加速度为纵坐标.以对应的凸轮
8、转以对应的凸轮转角角(或时间或时间)为横坐标为横坐标.逐点画出从动件的位移、逐点画出从动件的位移、(速度、加速速度、加速度与凸轮转角度与凸轮转角(或时间或时间)之间的关系曲线之间的关系曲线.称为从动件的运动线称为从动件的运动线图。图。上一页 下一页返回第二节第二节 凸轮机构中从动件常用的运凸轮机构中从动件常用的运动规律动规律 1.等速运动规律等速运动规律 从动件在推程或回程的运动速度为常数从动件在推程或回程的运动速度为常数.称之为等速运动规律称之为等速运动规律 2.等加速等减速运动规律等加速等减速运动规律 从动件在推程或回程中从动件在推程或回程中.其前半行程做等加速运动其前半行程做等加速运动.
9、后半行程后半行程做等减速运动做等减速运动.这种运动规律称为等加速等减速运动规律。这种运动规律称为等加速等减速运动规律。3.简谐运动规律简谐运动规律 当一质点在圆周上做匀速运动时当一质点在圆周上做匀速运动时.该质点在这个圆的直径上的该质点在这个圆的直径上的投影所形成的运动称为简谐运动。从动件做简谐运动时投影所形成的运动称为简谐运动。从动件做简谐运动时.其加其加速度按余弦曲线变化速度按余弦曲线变化.故又称余弦加速度运动规律故又称余弦加速度运动规律.上一页 返回第三节第三节 图解法设计凸轮轮廓图解法设计凸轮轮廓一、凸轮轮廓设计的基本原理一、凸轮轮廓设计的基本原理 当凸轮机构工作时当凸轮机构工作时.凸
10、轮和从动件都是运动的凸轮和从动件都是运动的.而绘制凸轮轮而绘制凸轮轮廓曲线时廓曲线时.应使凸轮相对图纸静止。应使凸轮相对图纸静止。设计凸轮轮廓线时设计凸轮轮廓线时.可假定凸轮静止不动可假定凸轮静止不动.使推杆连同其导路使推杆连同其导路相对于凸轧做反转运动相对于凸轧做反转运动.同时又在其导路内做预期的往复移动同时又在其导路内做预期的往复移动.这种设计凸轮轮廓线的方法称为这种设计凸轮轮廓线的方法称为“反转法反转法”。根据这一原理便可作出凸轮机构的凸轮轮廓曲线。根据这一原理便可作出凸轮机构的凸轮轮廓曲线。下一页返回第三节第三节 图解法设计凸轮轮廓图解法设计凸轮轮廓二、用图解法设计直动从动件凸轮轮廓二
11、、用图解法设计直动从动件凸轮轮廓 1.尖顶对心直动从动件盘形凸轮尖顶对心直动从动件盘形凸轮 一尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构。设凸轮的基圆半径为一尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构。设凸轮的基圆半径为rb,凸轮以等角速度，顺时针方向转动凸轮以等角速度，顺时针方向转动.从动件运动规律已知。从动件运动规律已知。试设计凸轮的轮廓曲线。试设计凸轮的轮廓曲线。根据反转法根据反转法.作图步骤如下。作图步骤如下。上一页 下一页返回第三节第三节 图解法设计凸轮轮廓图解法设计凸轮轮廓 (1)选取适当的比例尺，作出从动件的位移线图选取适当的比例尺，作出从动件的位移线图.(2)取与位移线图相同的比例尺取与位移线图相同的
12、比例尺.以以rb为半径作基圆。基圆与为半径作基圆。基圆与导路的交导路的交A0.即为从动件尖顶的起始位置。即为从动件尖顶的起始位置。(3)在基圆上自在基圆上自A0 开始开始.沿沿“一一”方向依次量取角度方向依次量取角度,并并将它们分成与位移线图对应的若干等分将它们分成与位移线图对应的若干等分.得若干点得若干点.连接各径连接各径向线并延长向线并延长.便得到反转后从动件导路的各个位置。便得到反转后从动件导路的各个位置。(4)量取各个位移量量取各个位移量.沿各等分径向线，由基圆向外量取沿各等分径向线，由基圆向外量取.得得反转后推杆尖顶的一系列位置。将它们连接成光滑的曲线反转后推杆尖顶的一系列位置。将它
13、们连接成光滑的曲线.即即得到所求的凸轮轮廓曲线。得到所求的凸轮轮廓曲线。上一页 下一页返回第三节第三节 图解法设计凸轮轮廓图解法设计凸轮轮廓 2.滚子对心直动从动件盘形凸轮机构滚子对心直动从动件盘形凸轮机构 滚子对心直动从动件盘形凸轮机构滚子对心直动从动件盘形凸轮机构.设计这类凸轮机构的轮廓设计这类凸轮机构的轮廓曲线需分两个步骤进行。曲线需分两个步骤进行。(1)将滚子中心看作尖顶推杆的尖顶将滚子中心看作尖顶推杆的尖顶按前述方法设计出轮廓按前述方法设计出轮廓线。称为凸轮的理论轮廓曲线。线。称为凸轮的理论轮廓曲线。(2)以凸轮的理论轮廓线上的各点为圆心，以滚子半径为半径以凸轮的理论轮廓线上的各点为
14、圆心，以滚子半径为半径作一系列滚子圆，这些圆的内包络线，即为凸轮的实际轮廓作一系列滚子圆，这些圆的内包络线，即为凸轮的实际轮廓曲线曲线(与滚子从动件直接接触的轮廓曲线与滚子从动件直接接触的轮廓曲线)。应当指出应当指出.凸轮的实际轮廓曲线与理论轮廓曲线间的法线距离凸轮的实际轮廓曲线与理论轮廓曲线间的法线距离始终等于滚子半径始终等于滚子半径.此外此外.凸轮的基圆指的是理论轮廓线上的凸轮的基圆指的是理论轮廓线上的基圆。基圆。上一页 下一页返回第三节第三节 图解法设计凸轮轮廓图解法设计凸轮轮廓 3.偏置直动从动件盘形凸轮机构偏置直动从动件盘形凸轮机构 偏置尖顶直动从动件盘形凸轮机构偏置尖顶直动从动件盘
15、形凸轮机构.其从动件导路偏离凸轮回其从动件导路偏离凸轮回转中心的距离称为偏距。以转中心的距离称为偏距。以O为圆心为圆心.以偏距为半径所作的圆以偏距为半径所作的圆称为偏距圆。从动件在反转过程中称为偏距圆。从动件在反转过程中.其导路中心线必然始终与其导路中心线必然始终与偏距圆相切。过基圆上各分点作偏距圆的切线偏距圆相切。过基圆上各分点作偏距圆的切线.并沿这些切线并沿这些切线自基圆向外量取从动件的位移。这是与对心从动件凸轮不同自基圆向外量取从动件的位移。这是与对心从动件凸轮不同的地方的地方.其余作图步骤与对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓线其余作图步骤与对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓线的作法完全相同。的
16、作法完全相同。上一页 下一页返回第三节第三节 图解法设计凸轮轮廓图解法设计凸轮轮廓三、用图解法设计摆动从动件凸轮轮廓三、用图解法设计摆动从动件凸轮轮廓 尖顶摆动从动件盘形凸轮机构。已知尖顶摆动从动件盘形凸轮机构。已知:基圆半径为基圆半径为,凸轮回转凸轮回转中心与摆动从动件轴心的中心距，摆动从动件的长度为中心与摆动从动件轴心的中心距，摆动从动件的长度为(或起或起始角始角)，凸轮为顺时针转动，从动件为逆时针摆动，凸轮为顺时针转动，从动件为逆时针摆动(一般取从一般取从动件推程摆向与凸轮转向相反动件推程摆向与凸轮转向相反)，其最大摆角为必当运动规律，其最大摆角为必当运动规律已定时已定时.凸轮轮廓的画法
17、如下。凸轮轮廓的画法如下。(1)选取适当比例尺画位移线图。选取适当比例尺画位移线图。上一页 下一页返回第三节第三节 图解法设计凸轮轮廓图解法设计凸轮轮廓 (2)以以O为圆心为圆心,以以OA为半径作圆为半径作圆.根据反转法原理根据反转法原理.从动件的从动件的摆动中心摆动中心A将在此圆周上沿将在此圆周上沿-方向做圆周运动。由方向做圆周运动。由A开始沿开始沿凸轮回转的反方向凸轮回转的反方向.按位移线图的等分依次取分点。按位移线图的等分依次取分点。(3)以以A0为圆心，以为圆心，以AB为半径作弧截基圆周于为半径作弧截基圆周于O点点.即为轮即为轮廓线的起始点。同样做类似的点。廓线的起始点。同样做类似的点
18、。(4)分别按从动件摆向量取角位移以位移线图上线段长所表不分别按从动件摆向量取角位移以位移线图上线段长所表不的角度度数得线，将点连成光滑曲线即为所求的凸轮轮廓曲的角度度数得线，将点连成光滑曲线即为所求的凸轮轮廓曲线。线。上一页 返回第四节第四节 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定一、滚子半径与运动失真一、滚子半径与运动失真 当采用滚子从动件时当采用滚子从动件时.如果滚子的大小选择不适当如果滚子的大小选择不适当.从动件将从动件将不能实现设计所预期的运动规律不能实现设计所预期的运动规律.这种现象称为运动失真。这种现象称为运动失真。运动失真与理论轮廓的最小曲率半径和滚子半径的相对大小运动失
19、真与理论轮廓的最小曲率半径和滚子半径的相对大小有关。对于外凸的凸轮有关。对于外凸的凸轮.应使滚子半径小于理论廓线的最小曲应使滚子半径小于理论廓线的最小曲率半径。率半径。若出现运动失真的情况若出现运动失真的情况.可以用减小滚子半径来解决。若由于可以用减小滚子半径来解决。若由于滚子的结构等原因不能减小其半径时滚子的结构等原因不能减小其半径时.可适当增大基圆半径可适当增大基圆半径.以增大理论廓线的最小曲率半径。以增大理论廓线的最小曲率半径。下一页返回第四节第四节 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定二、压力角及其许用值二、压力角及其许用值 凸轮机构在推程的某个位置凸轮机构在推程的某个位置.当
20、不计摩擦时当不计摩擦时.凸轮作用于从动凸轮作用于从动件的推力必沿接触点的法线方向。作用力与从动件速度所夹件的推力必沿接触点的法线方向。作用力与从动件速度所夹的锐角称为凸轮机构在位置的压力角。其意义与前述连杆机的锐角称为凸轮机构在位置的压力角。其意义与前述连杆机构的压力角相同。压力角越大构的压力角相同。压力角越大.推动从动件运动的有效分力越推动从动件运动的有效分力越小小.有害分力越大有害分力越大.由此而引起的摩擦阻力也越大。当压力角由此而引起的摩擦阻力也越大。当压力角达到某一数值时达到某一数值时.有效分力已不能克服由有害分力所引起的摩有效分力已不能克服由有害分力所引起的摩擦阻力擦阻力.于是推力无
21、论多大也不能使从动件运动于是推力无论多大也不能使从动件运动.这种现象就这种现象就是通常所说的自锁。因此是通常所说的自锁。因此.在凸轮机构设计中常对压力角的最在凸轮机构设计中常对压力角的最大值加以限制大值加以限制.规定压力角的许用值称为许用压力角。规定压力角的许用值称为许用压力角。上一页 下一页返回第四节第四节 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定三、基圆半径的选择三、基圆半径的选择 从机构传力性能方面来考虑从机构传力性能方面来考虑.压力角越小越好。但是压力角不压力角越小越好。但是压力角不仅与传力性能有关仅与传力性能有关.而且与基圆半径有关。当凸轮转过相同转而且与基圆半径有关。当凸轮转过
22、相同转角角.从动件上升相同位移时从动件上升相同位移时.在大小不同的两个基圆上在大小不同的两个基圆上.基圆较基圆较小的其廓线较陡小的其廓线较陡.压力角较大压力角较大.基圆较大的其廓线较缓基圆较大的其廓线较缓.压力角压力角较小。显然在相同条件下较小。显然在相同条件下.减小压力角必使基圆增大减小压力角必使基圆增大.从而使从而使整个机构尺寸增大。因此整个机构尺寸增大。因此.在设计中必须适当处理这一矛盾。在设计中必须适当处理这一矛盾。一般情况下一般情况下.如果对机构的尺寸没有严格要求时如果对机构的尺寸没有严格要求时.可将基圆选可将基圆选大一些以减小压力角大一些以减小压力角.使机构有良好的传力性能。如果要
23、求减使机构有良好的传力性能。如果要求减小机构尺寸小机构尺寸.则所选的基圆应保证最大压力角不超过许用值。则所选的基圆应保证最大压力角不超过许用值。对于装配在轴上的盘形凸轮一般基圆半径可先选取初步值。对于装配在轴上的盘形凸轮一般基圆半径可先选取初步值。由初步值设计凸轮轮廓，然后校核机构推程的最大压力角，由初步值设计凸轮轮廓，然后校核机构推程的最大压力角，根据最大压力角的选取，可调整基圆半径的选择。根据最大压力角的选取，可调整基圆半径的选择。上一页 下一页返回第四节第四节 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定四、偏距的大小及其方位四、偏距的大小及其方位 对于偏置从动件盘形凸轮机构对于偏置从动
24、件盘形凸轮机构.当凸轮的转向已定时当凸轮的转向已定时.若从动若从动件偏置的方位不同件偏置的方位不同.则在轮廓的同一点处其压力角的大小也不则在轮廓的同一点处其压力角的大小也不同偏距在与凸轮转向相反的一侧时压力角较小同偏距在与凸轮转向相反的一侧时压力角较小.在与转向相同在与转向相同的一侧时压力角较大。所以为减小机构的压力角的一侧时压力角较大。所以为减小机构的压力角.从动件的偏从动件的偏离方向应与凸轮的转向相反离方向应与凸轮的转向相反.并应适当确定偏距的大小。并应适当确定偏距的大小。上一页 下一页返回第四节第四节 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定五、从动件导路尺寸对传动的影响五、从动件导
25、路尺寸对传动的影响 凸轮对从动件的作用力必将引起导路的反力。由理论力学可凸轮对从动件的作用力必将引起导路的反力。由理论力学可知知.反力的大小与导路长度和从动件悬臂长度的尺寸有关。因反力的大小与导路长度和从动件悬臂长度的尺寸有关。因此设计时应在结构允许的条件下此设计时应在结构允许的条件下.适当增大导路的长度和减小适当增大导路的长度和减小悬臂的长度以便在一定程度上改善凸轮机构的工作条件。如悬臂的长度以便在一定程度上改善凸轮机构的工作条件。如果尺寸和确定不当果尺寸和确定不当.则可导致机构发生自锁。则可导致机构发生自锁。上一页 返回图图4一一1 尖顶对心直动从动件盘形凸尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构轮机构返回