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1、第03章凸轮机构设计(新)本讲稿第一页，共三十二页一一.凸轮机构的组成及其凸轮机构的组成及其特点特点凸轮凸轮1从动件从动件2机架机架3O11当凸轮作等速转动时，迫使从动件完成某种预期的运动。当凸轮作等速转动时，迫使从动件完成某种预期的运动。V2凸轮（凸轮（cam）1从动件（从动件（follower）2（或称推杆）（或称推杆）机架机架(frame、fixed linkage)3一）一）凸轮机凸轮机 构的组成构的组成由由组成组成本讲稿第二页，共三十二页 优点：优点：结构紧凑设计便，复杂运动能实现。结构紧凑设计便，复杂运动能实现。二）凸轮机构的特点二）凸轮机构的特点二二.本章的本章的主要内容主要内容
2、1.1.凸轮机构的类型选择凸轮机构的类型选择2.从动件常用运动规律设计从动件常用运动规律设计3.3.用作图法设计凸轮轮廓曲线用作图法设计凸轮轮廓曲线 缺点：缺点：传力不大较易磨，行程较小自控件传力不大较易磨，行程较小自控件。4.4.凸轮机构基本尺寸的确定。凸轮机构基本尺寸的确定。凸轮机构基本尺寸的确定。凸轮机构基本尺寸的确定。平面凸轮轮廓曲线的设计；平面凸轮轮廓曲线的设计；重点重点 难点难点-用反转法设计平面凸轮轮廓曲线用反转法设计平面凸轮轮廓曲线本讲稿第三页，共三十二页 多用在传递动力不大的各种自动机械、仪表及自动控制装置中。如：多用在传递动力不大的各种自动机械、仪表及自动控制装置中。如：3
3、-1 3-1 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类一一.凸轮机构的应用凸轮机构的应用内燃机的内燃机的配气凸轮机构配气凸轮机构缝纫机的凸轮拉线机构缝纫机的凸轮拉线机构本讲稿第四页，共三十二页粉料压片机机构系统图粉料压片机机构系统图4O1123567810911O212型腔型腔（上冲头）（上冲头）（下冲头）（下冲头）（1）移动料斗移动料斗4，装入粉料。，装入粉料。（2）下冲头下冲头5下沉，防止粉料抖出。下沉，防止粉料抖出。（3）上、下冲头对粉料加压，上、下冲头对粉料加压，（4）上冲头退出，下冲头顶出药片。上冲头退出，下冲头顶出药片。（料斗料斗）粉料压片机机构粉料压片机机构本讲稿第五页，共三十二
4、页二二.凸轮机构的分类凸轮机构的分类（一）按凸轮的形状分：（一）按凸轮的形状分：盘形凸轮盘形凸轮移动凸轮移动凸轮圆柱凸轮圆柱凸轮本讲稿第六页，共三十二页（二）按从动件上高副元（二）按从动件上高副元素的几何形状分：素的几何形状分：尖顶从动件尖顶从动件滚子从动件滚子从动件平底从动件平底从动件 本讲稿第七页，共三十二页（三）按从动件的运动分：三）按从动件的运动分：摆动从动件摆动从动件移动从动件移动从动件偏置移动从动件偏置移动从动件对心移动从动件对心移动从动件摆动从动件摆动从动件移动从动件移动从动件偏偏置置移移动动从从动动件件对对心心移移动动从从动动件件本讲稿第八页，共三十二页（四）按凸轮与从动（四）
5、按凸轮与从动件维持接触（锁合）件维持接触（锁合）的方式分：的方式分：力锁合力锁合内燃机凸轮与挺杆依靠弹内燃机凸轮与挺杆依靠弹 簧力保持接触簧力保持接触等宽凸轮等宽凸轮等径凸轮等径凸轮等宽凸轮等宽凸轮等径凸轮等径凸轮形锁合形锁合本讲稿第九页，共三十二页（四）按凸轮与从动件维持接（四）按凸轮与从动件维持接 触（锁合）的方式分：触（锁合）的方式分：力锁合力锁合形锁合形锁合尖顶从动件尖顶从动件滚子从动件滚子从动件平底从动件平底从动件二）按从动件上高副元二）按从动件上高副元 素的几何形状分：素的几何形状分：摆动从动件摆动从动件移动从动件移动从动件偏置移动从动件偏置移动从动件对心移动从动件对心移动从动件三
6、）按从动件的运动分三）按从动件的运动分盘形凸轮盘形凸轮移动凸轮移动凸轮圆柱凸轮圆柱凸轮一）按凸轮的形状分：一）按凸轮的形状分：凸凸轮轮机机构构的的分分类类分类小结分类小结：本讲稿第十页，共三十二页 为满足凸轮机构的输出件提出的运动要求、动力为满足凸轮机构的输出件提出的运动要求、动力力要求等，凸轮机构的设计包括以下四方面内容：力要求等，凸轮机构的设计包括以下四方面内容：（1）从动件运动规律的设计）从动件运动规律的设计（2）凸轮机构基本尺寸的设计）凸轮机构基本尺寸的设计（3）凸轮机构轮廓曲线的设计）凸轮机构轮廓曲线的设计（4）绘制凸轮机构工作图）绘制凸轮机构工作图三三.凸轮机构的设计任务凸轮机构的
7、设计任务一一.凸轮机构工作时的运动情况及基本术语凸轮机构工作时的运动情况及基本术语3-2 3-2 从动件常用的运动规律从动件常用的运动规律本讲稿第十一页，共三十二页CBDr0Aot凸轮的基圆凸轮的基圆初始位置初始位置CDB凸轮的基圆凸轮的基圆以凸轮的最小向径以凸轮的最小向径r0所作的圆称为基圆。所作的圆称为基圆。行程行程Sht推程运动角推程运动角s远休止角远休止角h回程运动角回程运动角s 近休止角近休止角推程运动角推程运动角t 从动件推程过程，对应凸轮转角称为推程运动角从动件推程过程，对应凸轮转角称为推程运动角近休止角近休止角s 推杆在最低位置静止不动，凸轮相应的转角推杆在最低位置静止不动，凸
8、轮相应的转角远休止角远休止角s推杆在最高位置静止不动，凸轮相应的转角推杆在最高位置静止不动，凸轮相应的转角回程回程 从动件从距离凸轮回转中心最远位置到起始位置，从从动件从距离凸轮回转中心最远位置到起始位置，从动件移向凸轮轴线的行程，称为回程。对应凸轮转角动件移向凸轮轴线的行程，称为回程。对应凸轮转角h称为称为回程运动角。回程运动角。推程推程从动件从距离凸轮回转中心最近位置到距离凸轮回从动件从距离凸轮回转中心最近位置到距离凸轮回转中心最远位置的过程，称为推程。相应移动的距离转中心最远位置的过程，称为推程。相应移动的距离h称为称为行程行程本讲稿第十二页，共三十二页Oatv0 从动件在运动起始和终止
9、两瞬时的加速度在理论上由从动件在运动起始和终止两瞬时的加速度在理论上由零值突变为无穷大，惯性力也为无穷大。由此的冲击称为零值突变为无穷大，惯性力也为无穷大。由此的冲击称为刚性冲击。刚性冲击。适用于低速场合。适用于低速场合。二二.基本运动规律基本运动规律.（一）等速运动规律（一）等速运动规律常数常数a=0hO tOv t凸轮开始或停止转动时：凸轮开始或停止转动时：本讲稿第十三页，共三十二页二二.基本运动规律基本运动规律二）等加速等减速运动规律二）等加速等减速运动规律适用于中、低速场合。适用于中、低速场合。在运动规律推程的始末点和前在运动规律推程的始末点和前后半程的交接处，加速度变化为有限值，由此
10、引起的后半程的交接处，加速度变化为有限值，由此引起的冲击称为冲击称为柔性冲击柔性冲击。常数常数h142356o t10vmaxt/2t0amax-amaxt/2t本讲稿第十四页，共三十二页149410h142356o tt等加速等减速运动规律从动件位移曲线绘制方法等加速等减速运动规律从动件位移曲线绘制方法因为因为当当t=1,2,3时时,则则若已知若已知h1”2”3”123本讲稿第十五页，共三十二页3.余弦加速度余弦加速度(简谐简谐)运动规律运动规律 102345s612345qhs0avdadt-特点：特点：存在柔冲击。存在柔冲击。位置：位置：发生在运动的起始点和终止点。发生在运动的起始点和终
11、止点。a=p p2hw w2cos(pdpd/d d0 0)/(2d d20 0)本讲稿第十六页，共三十二页4.正弦加速度（摆线）运动规律正弦加速度（摆线）运动规律 2741653h/8特点：特点：既无柔性更无刚性冲击。既无柔性更无刚性冲击。摆线a=2p phw w2sin(2pdpd/d d0 0)/d d20 0)sh3457O1268va本讲稿第十七页，共三十二页低速轻负荷低速轻负荷中速轻负荷中速轻负荷中低速中负荷中低速中负荷中高速轻负荷中高速轻负荷高速中负荷高速中负荷低速重负荷低速重负荷中高速重负荷中高速重负荷高速轻负荷高速轻负荷从动件运动规律选择从动件运动规律选择运动规律运动规律d
12、d)/(0maxw whvd d)/(202maxw wha冲冲 击击应用场合应用场合等速等速等加速等减速等加速等减速余弦加速度余弦加速度正弦加速度正弦加速度3-4-5多项式多项式改进型等速改进型等速改进型正弦加速度改进型正弦加速度改进型梯形加速度改进型梯形加速度刚刚 性性柔柔 性性柔柔 性性4.004.936.285.778.385.534.891.002.001.572.001.881.331.762.00本讲稿第十八页，共三十二页3-3 凸轮轮廓曲线的设计凸轮轮廓曲线的设计一、对心式凸轮机构凸轮廓线的设计一、对心式凸轮机构凸轮廓线的设计1.尖顶从动件尖顶从动件1)凸轮机构相对运动分析凸轮
13、机构相对运动分析凸轮上的观察结果凸轮上的观察结果机架上的观察结果机架上的观察结果本讲稿第十九页，共三十二页os2）.反转法原理反转法原理 假想给正在运动着的整个凸假想给正在运动着的整个凸轮机构加上一个与凸轮角速度轮机构加上一个与凸轮角速度 大小相等、方向相反的公共角速大小相等、方向相反的公共角速度（度（-），这样，各构件的相对），这样，各构件的相对运动关系并不改变，但原来以运动关系并不改变，但原来以角角速度速度 转动的凸轮将处于静止状转动的凸轮将处于静止状态；机架（从动件的导路）则以态；机架（从动件的导路）则以（-）的角速度围绕凸轮原来）的角速度围绕凸轮原来的转动轴线转动；而从动件一方的转动轴
14、线转动；而从动件一方面随机架转动，另一方面又按照面随机架转动，另一方面又按照给定的位移规律给定的位移规律S相对机架作往相对机架作往复运动。复运动。反转前反转前反转后反转后机架机架凸轮凸轮从动件从动件不动不动不动不动 转动转动-转动转动S移动移动S移动移动-转动转动-o 1r0BB0S-S本讲稿第二十页，共三十二页oS90120123567h15048-二二.移动从动件盘型凸轮机构设计移动从动件盘型凸轮机构设计作图法作图法（一）尖顶移动从动件盘型凸轮机构（一）尖顶移动从动件盘型凸轮机构（1）按已设计好的运动规律作出按已设计好的运动规律作出 位移线图；位移线图；（2）按基本按基本 尺寸作出凸轮机构
15、的尺寸作出凸轮机构的 初始位置；初始位置；（3）按按-方向划分基圆周得方向划分基圆周得 c0、c1、c2 等等 点；并点；并过这过这 些点作射些点作射线，即为反转后的导路线；线，即为反转后的导路线；（4）在各反转导路线上量取与位移在各反转导路线上量取与位移 图相应的位移，得图相应的位移，得B1、B2、等点，即为凸轮轮廓上的点。等点，即为凸轮轮廓上的点。rbB0B1B2B4B8B5c1c2c4c5120c8B6B7c6c7c0c315090B3本讲稿第二十一页，共三十二页二二)滚子从动件盘型凸轮机构滚子从动件盘型凸轮机构理论轮廓曲线理论轮廓曲线实际轮廓曲线实际轮廓曲线本讲稿第二十二页，共三十二页
16、滚子从动件盘型凸轮机构轮廓曲线的设计步骤：滚子从动件盘型凸轮机构轮廓曲线的设计步骤：（1）画出滚子中心的轨画出滚子中心的轨迹迹（称为理论轮廓称为理论轮廓）（2）以以理论轮廓理论轮廓为圆心，为圆心，滚子半径滚子半径rS为为半径画圆，再半径画圆，再画滚子圆族的包络线，则为画滚子圆族的包络线，则为从动件凸轮的工作轮廓曲线从动件凸轮的工作轮廓曲线（称为实际轮廓曲线称为实际轮廓曲线）。）。注意：注意：（1）理论轮廓与实际轮廓互为等距曲线；）理论轮廓与实际轮廓互为等距曲线；（2）凸轮的基圆半径是指理论轮廓曲线的最小向径。凸轮的基圆半径是指理论轮廓曲线的最小向径。nnBCr0rS实际轮廓曲线实际轮廓曲线 理
17、论轮廓曲线理论轮廓曲线本讲稿第二十三页，共三十二页B1B2从动件摆角从动件摆角最大摆角最大摆角摆角摆角 最大摆角最大摆角三三.摆动摆动(oscillating)oscillating)从动件盘形凸轮轮廓设计从动件盘形凸轮轮廓设计CDoBs 近休止角近休止角tB0OA一）摆动从动件一）摆动从动件 凸轮机构特点凸轮机构特点1.1.从动件的运动为绕从动件的运动为绕某一固定点的摆动某一固定点的摆动2.从动件的位移为角位从动件的位移为角位移移，而不是直线位移而不是直线位移推程运动角推程运动角t远休止角远休止角s回程运动角回程运动角h0本讲稿第二十四页，共三十二页B1B-A0反转前反转前反转后反转后机架机
18、架凸轮凸轮从动件从动件不动不动不动不动 转动（转动（）-反转反转-转动转动 转转动动-反转反转-LB0OAar00对于摆动从动件对于摆动从动件二）尖顶摆动从动件盘形凸轮机构设计二）尖顶摆动从动件盘形凸轮机构设计本讲稿第二十五页，共三十二页尖顶摆动从动件盘形凸轮机构设计方法及步骤尖顶摆动从动件盘形凸轮机构设计方法及步骤18012060o12345678910（1）作出角位移线图；作出角位移线图；（2）作初始位置；作初始位置；（4）找从动件反转后的一系找从动件反转后的一系列位置列位置AiBi，再按角位移规律，再按角位移规律得得 C1、C2、等点，即等点，即为凸轮轮廓上的点。为凸轮轮廓上的点。A1A
19、2A3A5A6A7A8A9A10A40000000000（3）按按-方向划分圆方向划分圆R得得A0、A1、A2等点；即得机架等点；即得机架 反转的一系列位置；反转的一系列位置；0rbB0L18060120B1B2B3B4B5B6B7B8B9B101C12C23C3C4C5C6C7C8C9C10ROA0a-本讲稿第二十六页，共三十二页FQo3r0113ttnnBFyFxFn2v23-4 3-4 设计凸轮机构基本尺寸的确定设计凸轮机构基本尺寸的确定一、压力角与凸轮基圆半径一、压力角与凸轮基圆半径1.1.压力角压力角法向力法向力Fn与从动件运动方向之间所夹的锐角与从动件运动方向之间所夹的锐角a则则F
20、Y FX，设计时应使，设计时应使 max 许用压力角的推荐值：许用压力角的推荐值：工作行程工作行程对于移动从动件，对于移动从动件，=3038对于摆动从动件，对于摆动从动件，=4045非工作行程：可在非工作行程：可在7080之间选取之间选取S2r r本讲稿第二十七页，共三十二页2.基圆半径的确定基圆半径的确定若结构尺寸无严格限制若结构尺寸无严格限制,为减少压为减少压力角，可适当取较大的基圆半径。力角，可适当取较大的基圆半径。FQo3r0113ttnnBFyFxFn2v2S2r rr01.8r+(410)mm本讲稿第二十八页，共三十二页二、滚子半径的确定二、滚子半径的确定 min SminSmin
21、minrr minrS min=rSminrS minrS为避免运动失真，为避免运动失真，Smin=min-rS 3mm建议：建议：rS 0.8 min，或，或rS 0.4r0本讲稿第二十九页，共三十二页rS min理论廓线理论廓线rS min实际廓线实际廓线 滚子半径对凸轮轮滚子半径对凸轮轮廓形状的影响廓形状的影响本讲稿第三十页，共三十二页本章内容小结本章内容小结一一.凸轮机构类型选择凸轮机构类型选择三三.盘状凸轮轮盘状凸轮轮 廓曲线设计廓曲线设计对心直动尖端从动件盘状凸轮轮廓设计对心直动尖端从动件盘状凸轮轮廓设计（重点）（重点）对心直动滚子从动件盘状凸轮轮廓设计对心直动滚子从动件盘状凸轮轮廓设计二二.从动件的运动规律选择从动件的运动规律选择基本术语基本术语 重点重点从动件位移从动件位移线的绘制线的绘制等速运动规律等速运动规律等加等减速运动规律等加等减速运动规律作业：作业：3-4，3-10本讲稿第三十一页，共三十二页结束结束本讲稿第三十二页，共三十二页