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1、第3章 凸轮机构I凸轮：具有曲线轮廓的构件凸轮：具有曲线轮廓的构件I通过高副带动从动件实现预期运动通过高副带动从动件实现预期运动第1页/共81页3.1凸轮机构的组成和类型3.2凸轮机构的特点和功能3.3从动件运动规律设计3.4凸轮轮廓的设计3.5凸轮机构基本参数设计3.6凸轮机构的计算机辅助设计第第3 3章章 凸轮机构凸轮机构(Cams)(Cams)第2页/共81页3.13.1凸轮机构的组成与类型3.1.1 凸轮机构的组成3.1.2 凸轮机构的类型第3页/共81页3.1.1 3.1.1 凸轮机构的组成高副机构高副机构3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型从动件凸轮机架第4页/共8
2、1页3.1.2 3.1.2 凸轮机构的类型盘形凸轮：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：空间凸轮机构盘形凸轮盘形凸轮按凸轮的形状分类按凸轮的形状分类移动凸轮移动凸轮圆柱凸轮圆柱凸轮3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型第5页/共81页按从动件的形状分类尖端从动件尖端从动件(Knife-edge follower)曲面从动件曲面从动件(Curved-shoe follower)u能与任意形状的凸轮轮廓保能与任意形状的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。意的运动规律。u尖端处极易磨损，只适用于尖端处极易
3、磨损，只适用于低速场合。低速场合。u磨损比尖端从动件小磨损比尖端从动件小3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型第6页/共81页 滚子从动件滚子从动件(Roller follower)平底从动件平底从动件(Flat-faced follower)l滚动摩擦，磨损小滚动摩擦，磨损小l用于传递较大的动力用于传递较大的动力u从从动动件件与与凸凸轮轮之之间间易易形形成成油油膜膜，润润滑滑好好，受受力力平平稳，传动效率高稳，传动效率高u高高速速场场合合；但但凸凸轮轮轮轮廓廓须全部外凸须全部外凸按从动件的形状分类3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型第7页/共81页按从动件的运动
4、形式分类移动从动件移动从动件u移动从动件移动从动件：从动件往复移动，运动轨迹为一段直线；：从动件往复移动，运动轨迹为一段直线；u摆动从动件摆动从动件：从动件往复摆动，运动轨迹为一段圆弧。：从动件往复摆动，运动轨迹为一段圆弧。摆动从动件摆动从动件3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型第8页/共81页按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类力封闭：弹簧力、从动力封闭：弹簧力、从动件重力或其它外力件重力或其它外力形封闭形封闭利用高副元素利用高副元素本身的几何形状本身的几何形状u槽两侧面的距离等于滚子直径；槽两侧面的距离等于滚子直径；u优点：封闭方式结构简单优点：封闭方式结构简单u缺点：加大
5、了凸轮的尺寸和重量缺点：加大了凸轮的尺寸和重量槽凸轮机构槽凸轮机构3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型第9页/共81页凸轮廓线上任意两条平行切线间的距离都等于框架内侧的宽度缺点：从动件的运动规律的选择受到一定的限制形封闭凸轮形封闭凸轮等宽凸轮机构等宽凸轮机构等径凸轮机构等径凸轮机构u两滚子中心间的距离始终保持两滚子中心间的距离始终保持不变不变u缺点：从动件运动规律的选择缺点：从动件运动规律的选择受到一定的限制受到一定的限制3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型第10页/共81页主回凸轮机构(共轭凸轮机构)u优点：克服了等宽、等径凸轮的缺点优点：克服了等宽、等径凸轮
6、的缺点u缺点：结构复杂，制造精度要求高缺点：结构复杂，制造精度要求高一一个个凸凸轮轮推推动动从从动动件件完完成成正正行行程程运运动动，另另一一个个凸凸轮轮推推动动从从动动件件完完成成反反行程的运动行程的运动形封闭凸轮形封闭凸轮3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型第11页/共81页常用常用形封闭凸轮形封闭凸轮第12页/共81页摆杆为主动件，凸轮为从动件摆杆为主动件，凸轮为从动件反凸轮机构反凸轮机构3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型第13页/共81页凸轮机构的特点u优点：优点：l构件少；结构简单、紧凑构件少；结构简单、紧凑l可方便地设计出任意要求的从动件运动规律可
7、方便地设计出任意要求的从动件运动规律u缺点：缺点：l高副接触，易磨损，用于受力不大的场合高副接触，易磨损，用于受力不大的场合3.23.2 凸轮机构的特点和功能凸轮机构的特点和功能第14页/共81页 凸轮机构的功能凸轮机构的功能u实现无特定运动规律要求的工作行程实现无特定运动规律要求的工作行程u实现有特定运动规律要求的工作行程实现有特定运动规律要求的工作行程u实现对运动和动力特性有特殊要求的工作行程实现对运动和动力特性有特殊要求的工作行程u实现复杂的运动轨迹实现复杂的运动轨迹3.23.2 凸轮机构的特点和功能第15页/共81页3.3 3.3 从动件运动规律设计3.3.1 基础知识：凸轮机构的工作
8、情况3.3.2从动件常用运动规律3.3.3从动件运动规律的选择3.3.4从动件运动规律的组合第16页/共81页3.3.1 3.3.1 凸轮机构的工作情况第17页/共81页u回程运动角回程运动角u从动件运动规律（从动件位移线图）基圆以凸轮轮廓的最小向径rb所作的圆升程从动件上升的最大距离h推程运动角第18页/共81页Terminology推程：Rise停歇：Dwell回程：Fall升距：Stroke凸轮廓线：Cam profile第19页/共81页1.等速运动2.等加速等减速(抛物线)运动3.简谐运动(余弦加速度运动)4.摆线运动5.3-4-5多项式运动3.3.2 从动件常用运动规律第20页/共
9、81页3.3.2 从动件常用运动规律u特特点点：速速度度有有突突变变，加加速速度度理理论论上上由由零零至至无无穷穷大大，从从而而使使从从动动件件产产生生巨巨大大的的惯惯性性力力，机机构构受受到到强强烈烈冲冲击击刚性冲击刚性冲击u适应场合适应场合：低速轻载低速轻载1.等速运动等速运动第21页/共81页2.等加速等减速(抛物线)运动u特特点点：加加速速度度曲曲线线有有突突变变，加加速速度度的的变变化化率率(即即跃跃度度j)在在这这些些位位置为无穷大置为无穷大柔性冲击柔性冲击u适应场合适应场合：中速轻载中速轻载3.3.2 3.3.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律第22页/共81页3.简谐运动
10、(余弦加速度运动)u 当当质质点点在在圆圆周周上上作作匀匀速速运运动动时时，它它在在该该圆圆直直径径上上的的投投影影所所构构成成的的运运动动规规律律简谐运动简谐运动u特点特点：有：有柔性冲击柔性冲击u适适用用场场合合：中中速速轻轻载载(当当从从动动件件作作连续运动时，可用于高速连续运动时，可用于高速)3.3.2 3.3.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律第23页/共81页4.摆线运动规律u半半径径R=h/2的的圆圆沿沿纵纵座座标标作作纯纯滚滚动动，圆圆上上最最初初位位于于座座标标原原点点的的点点其其位位移移随随时间变化的规律时间变化的规律摆线运动摆线运动特点：特点：无刚性、柔性冲击无刚性
11、、柔性冲击适用场合：适用场合：适于高速适于高速3.3.2 3.3.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律第24页/共81页5.3-4-5次多项式运动规律特点：特点：无刚性冲击、柔性冲击无刚性冲击、柔性冲击适用场合：适用场合：高速、中载高速、中载3.3.2 3.3.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律第25页/共81页3.3.3 从动件运动规律的选择1.从动件常用运动规律性能比较从动件常用运动规律性能比较第26页/共81页2.从动件运动规律的选择原则对运动规律的要求u凸轮的转速和荷载（动力特性和便于加工）3.3.3 3.3.3 从动件运动规律的选择从动件运动规律的选择第27页/共81页3.
12、3.4 从动件运动规律的组合从动件运动规律的组合u1.满足工作对运动规律的特殊要求；满足工作对运动规律的特殊要求；u2.为避免刚性冲击，位移曲线和速度为避免刚性冲击，位移曲线和速度曲线必须连续；而为避免柔性冲击，加曲线必须连续；而为避免柔性冲击，加速度曲线也必须连续。速度曲线也必须连续。u3.尽量减小速度和加速度的最大值。尽量减小速度和加速度的最大值。第28页/共81页第29页/共81页第30页/共81页第31页/共81页第32页/共81页第33页/共81页第34页/共81页第35页/共81页3.4 凸轮轮廓的设计凸轮轮廓的设计3.4.1 基本原理（反转法）3.4.2 图解法设计凸轮廓线1.移
13、动从动件盘形凸轮l尖底从动件l滚子从动件l平底从动件2.摆动从动件盘形凸轮设计总结3.4.3 解析法设计凸轮廓线第36页/共81页3.4.1 基本原理（反转法）3.4 凸轮轮廓的设计某一时刻某一时刻反转后从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线反转后从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线第37页/共81页s1注意：凸轮转角、从动件位置第38页/共81页从动件位置：从动件位置：对心对心 偏置（右偏）偏置（右偏）思考：如果从动件有偏置，反转后其位置？思考：如果从动件有偏置，反转后其位置？第39页/共81页S偏心圆、从动件位置、凸轮转角第40页/共81页3.4.2 3.4.2 图解法设计凸轮轮廓1.移
14、移动动从从动动件件盘盘形形凸凸轮轮(1)尖底从动件尖底从动件3.4 凸轮轮廓的设计第41页/共81页1.切分偏心圆切分偏心圆2.找反转后从动件找反转后从动件所在的位置线所在的位置线3.截取相应位移，截取相应位移，求凸轮廓线求凸轮廓线第42页/共81页凸轮转角 及转过某一角度的位移第43页/共81页1.移动从动件盘形凸轮（2）滚子从动件考虑：滚子从动件与尖端从动件的关系第44页/共81页1.移动从动件盘形凸轮（2）滚子从动件滚子滚子中心中心将描绘将描绘-条与凸轮廓线法向等条与凸轮廓线法向等距的曲线距的曲线-理论廓线理论廓线。r rb b指的是指的是理论廓线理论廓线的基圆。的基圆。第45页/共81
15、页u作内包络线，得到凸轮的实际廓线；作内包络线，得到凸轮的实际廓线；u若同时作外包络线，形成槽凸轮廓线若同时作外包络线，形成槽凸轮廓线基圆半径为理论廓线的最小值第46页/共81页取平底从动件表面上的点取平底从动件表面上的点B B0 0作作为假想的尖端从动件的尖端。为假想的尖端从动件的尖端。1.移动从动件盘形凸轮移动从动件盘形凸轮（3 3）平底从动件）平底从动件第47页/共81页为了保证在所有位置从动件平为了保证在所有位置从动件平底都能与凸轮轮廓曲线相切，底都能与凸轮轮廓曲线相切，凸轮廓线必须是外凸的。凸轮廓线必须是外凸的。第48页/共81页2.摆动从动件盘形凸轮第49页/共81页凸轮轮廓设计总
16、结：基本概念：从动件位移、凸轮转角、基圆半径、理论轮廓和实际轮廓找反转后从动件所在的位置线关键：第50页/共81页3.4.3 3.4.3 解析法设计凸轮廓线1 移动滚子从动件盘形凸轮机构第51页/共81页If in-line,e=0，s0=rbPosition of point BPosition of point B3.4.3 3.4.3 解析法设计凸轮廓线解析法设计凸轮廓线第52页/共81页刀具中心轨迹：第53页/共81页 基圆半径基圆半径 rb 偏置方向偏置方向 e 滚子半径滚子半径 rr第54页/共81页3.5 3.5 凸轮机构基本参数设计3.5.1移动滚子从动件盘形凸轮：移动滚子从动
17、件盘形凸轮：基圆半径基圆半径 偏置方向偏置方向 滚子半径滚子半径第55页/共81页1、压力角及其许用值第56页/共81页2、凸轮基圆半径的确定基圆半径越大，压力角越小，基圆半径越大，压力角越小，但结构尺寸较大但结构尺寸较大第57页/共81页方法1：根据满足最大压力角a的要求确定方法2：令基圆半径大于1.62倍的凸轮轴径，校验压力角a2、凸轮基圆半径的确定凸轮基圆半径的确定第58页/共81页3、从动件偏置方向的选择l凸轮逆时针回转，从动凸轮逆时针回转，从动件右偏置，取件右偏置，取l凸轮顺时针回转，从动凸轮顺时针回转，从动件左偏置，取件左偏置，取l其他情况其他情况取取+BDP中中第60页/共81页
18、3、从动件偏置方向的选择n合理选择偏置方向合理选择偏置方向n偏偏置置的的目目的的是是为为了了减减小小从从动动件件在推程阶段所受的压力角在推程阶段所受的压力角。第61页/共81页4、滚子半径的选择第62页/共81页4、滚子半径的选择外凸凸轮廓线第63页/共81页实际廓线出现尖点实际廓线出现尖点第64页/共81页实际廓线出现交叉，从动件实际廓线出现交叉，从动件不能准确地实现预期的运动不能准确地实现预期的运动规律规律运动失真运动失真第65页/共81页运动失真 原因：避免方法：设计要求：设计要求：第66页/共81页内凹凸轮廓线无论滚子半径多大，总能由理论轮廓求出实际无论滚子半径多大，总能由理论轮廓求出
19、实际轮廓。轮廓。第67页/共81页滚子半径的选择：考虑结构、强度等因素第68页/共81页3.5.2 移动平底从动件盘形凸轮 凸轮出现过度切割的现象，凸轮出现过度切割的现象，从动件无法完全实现预期的运从动件无法完全实现预期的运动规律。动规律。原因？第69页/共81页减小升程h或：增大相应的凸轮转角增大基圆rb增大偏心e？第70页/共81页运动失真基圆半径与哪些参数相关？如何确定合理的基圆半径避免运动失真基圆半径过小基圆半径过小从动件升程过大从动件升程过大第71页/共81页从动件偏置方向的选择从动件偏置并不影响凸轮廓线的形状从动件偏置并不影响凸轮廓线的形状选择偏置的主要目的是为了减小从动件在推程选
20、择偏置的主要目的是为了减小从动件在推程阶段所受的弯曲应力。阶段所受的弯曲应力。第72页/共81页凸轮上某点的坐标：第73页/共81页平地宽度的确定第74页/共81页3.6 凸轮机构的计算机辅助设计设计过程设计过程:1.根据使用场合和工作要求根据使用场合和工作要求,选择凸轮类型选择凸轮类型2.根据工作要求根据工作要求,选择和设计从动件运动规律选择和设计从动件运动规律3.根据机构的结构条件根据机构的结构条件,初选基圆半径初选基圆半径4.对凸轮机构进行计算机辅助设计对凸轮机构进行计算机辅助设计第75页/共81页例题设计一凸轮,工作要求凸轮顺时针转过1800时,从动件上升50mm;当凸轮接着转过900
21、时,从动件停歇不动;当凸轮再转过900时从动件返回原处,已知凸轮的转速为10rad/s,工作机要求既无刚性冲击,又无柔性冲击,试设计该凸轮机构.解:1.根据使用场合和工作要求,选择凸轮类型:对心滚子移动从动件盘形凸轮2.根据工作要求,选择和设计从动件运动规律:摆线运动规律3.根据机构的结构条件,初选基圆半径:8mm4.凸轮的计算机辅助设计:推程压力角380;回程压力角7005.编程框图:第76页/共81页第77页/共81页软件设计第78页/共81页本章总结及重点根据设计要求选择凸轮类型、从动件运动规律掌握反转法原理，设计凸轮的轮廓机器中的相关概念掌握凸轮各参数与凸轮运动学和动力学特性间的关系清楚凸轮的计算机辅助设计思路第79页/共81页机械原理网站机械原理教学资源讨论课题目和要求第80页/共81页感谢您的观看！第81页/共81页