1、第第6章章 凸轮机构凸轮机构 1 1、凸轮机构的组成及特征、凸轮机构的组成及特征特征特征凸轮绕固定轴转动凸轮绕固定轴转动并具有变化的半径并具有变化的半径轮廓曲线的零件。轮廓曲线的零件。主、从件之间形成主、从件之间形成( (点、线点、线) )高副并时刻接触。高副并时刻接触。组成组成从动件往复直线运动或摆动从动件往复直线运动或摆动2、凸轮机构的分类、凸轮机构的分类2.1 按凸轮的形状分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回转中心趋回转中心趋于无穷大于无穷大回转中心趋于无穷大，回转中心趋于无穷大，相对于移动凸轮来说移相对于移动凸轮来说移动方向尺寸减小动方向尺寸减小回转半径回
2、转半径为有限值为有限值2.2 按从动件上高副元素的几何形状分按从动件上高副元素的几何形状分 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点接触，磨损快，点接触，磨损快，运动准确，低速运动准确，低速线接触，滚动磨擦，线接触，滚动磨擦，承受较大载荷承受较大载荷线接触，滑动磨擦，线接触，滑动磨擦，承受较大载荷，高承受较大载荷，高速速2.3 按凸轮与从动件的锁合方式分按凸轮与从动件的锁合方式分 力锁合的凸轮机构力锁合的凸轮机构 利用弹簧力或从动件重力使从动件与凸轮保持接触的凸轮机构。利用弹簧力或从动件重力使从动件与凸轮保持接触的凸轮机构。重力封闭重力封闭弹簧力封闭弹簧力封闭形锁合的凸轮
3、机构形锁合的凸轮机构利用凸轮或从动件的特殊形状而始终保持接触。利用凸轮或从动件的特殊形状而始终保持接触。沟槽凸轮机构沟槽凸轮机构等宽凸轮机构等宽凸轮机构等径凸轮机构等径凸轮机构主回主回(共厄共厄)凸轮机构凸轮机构2.4 根据从动件的运动形式分根据从动件的运动形式分移动从移动从动件凸动件凸轮机构轮机构对心凸轮机构对心凸轮机构 从动件导路中心线通过凸轮回转中心。从动件导路中心线通过凸轮回转中心。偏心凸轮机构偏心凸轮机构 从动件导路中心线不通过凸轮回转中从动件导路中心线不通过凸轮回转中心，而存在一偏置距离。心，而存在一偏置距离。摆动从动件凸轮机构摆动从动件凸轮机构当凸轮以等角速度转动时，从动件运动规
4、律由谁决定？当凸轮以等角速度转动时，从动件运动规律由谁决定？从动件的不同运动规律要求凸轮具有不同的轮廓曲线。从动件的不同运动规律要求凸轮具有不同的轮廓曲线。解决的问题：解决的问题： 使用不同的高副对轮使用不同的高副对轮廓线的影响；廓线的影响；从动件不同运动规律从动件不同运动规律下，凸轮轮廓线的设下，凸轮轮廓线的设计；计；确定基圆的大小确定基圆的大小t推程运动角推程运动角,ts远休止角远休止角,回程运动角回程运动角,hs近休止角近休止角,1 运动过程及曲线特征运动过程及曲线特征远休止远休止向径不变的曲线向径不变的曲线；回程回程向径逐渐变小的曲线；向径逐渐变小的曲线；推程推程向径逐渐变大的曲线；向
5、径逐渐变大的曲线；近休止近休止向径不变且为最小的圆弧；向径不变且为最小的圆弧；基圆半径基圆半径（rmin 或或r0)：以向径最小画出的圆的半径。：以向径最小画出的圆的半径。h：升程：升程6.2 常用从动件运动规律常用从动件运动规律升升停停回回停型停型升升回回停型停型升升停停回型回型升升回型回型典型运动循环的类型典型运动循环的类型SSS21( )tsshS12( )tsh12( )tsh2( )th1注意：注意：各行程的运动规律可以不同，运动角也可以不同。各行程的运动规律可以不同，运动角也可以不同。t ,t ,t ,tv;ChThvt;tththTthvts0ddtva刚性冲刚性冲击击设从动件上
6、升设从动件上升h所用时间为所用时间为T： 2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律 l 从动件匀速运动规律从动件匀速运动规律, 主动件凸轮：以主动件凸轮：以C转动转动 (t=T)刚性冲击：刚性冲击：加速度为无穷大而造加速度为无穷大而造成的惯性冲击。成的惯性冲击。从动件运动方程从动件运动方程(00 0时，一平滑曲线，可用；时，一平滑曲线，可用；结论结论：r rT T :u增大基圆半径增大基圆半径u采用偏置从动件采用偏置从动件 一、凸轮机构的组成一、凸轮机构的组成u凸轮是一个具有曲线轮廓或凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，和从动件之间凹槽的构件，和从动件之间形成高副接触形成高副接触。u含有凸轮的
7、机构称为凸轮机含有凸轮的机构称为凸轮机构。它由构。它由凸轮凸轮、从动件从动件和和机机架架组成。组成。n 作业：作业：3-13-1，3-23-2，3-33-3，3-43-4u教学目标教学目标1了解了解凸轮机构的类型，凸轮机构的类型，明确明确凸轮机构的优缺点及适用的工业场合。凸轮机构的优缺点及适用的工业场合。2能能正确绘制从动件常用运动规律的位移线图，正确绘制从动件常用运动规律的位移线图，*能用数学公式正确表能用数学公式正确表示这些位移线图。示这些位移线图。3掌握掌握反转法，反转法，能能用图解法绘制凸轮轮廓线，用图解法绘制凸轮轮廓线，*能编程设计凸轮廓线。能编程设计凸轮廓线。4明确明确影响凸轮机构
8、工作性能和空间尺寸的有关因素。影响凸轮机构工作性能和空间尺寸的有关因素。u重点重点从动件的常用运动规律；从动件的常用运动规律；凸轮廓线的图解设计；凸轮廓线的图解设计；影响凸轮机构性能的因素。影响凸轮机构性能的因素。u难点难点从动件运动规律的公式表达；从动件运动规律的公式表达；凸轮廓线的解析设计。凸轮廓线的解析设计。u内容内容3 1 凸轮机构的应用及其分类凸轮机构的应用及其分类3 2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律 3 3 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定 3 4 图解法设计凸轮轮廓图解法设计凸轮轮廓3 5 解析法设计凸轮轮廓解析法设计凸轮轮廓五）五）根据凸轮廓线曲线分根据凸轮
9、廓线曲线分u根据凸轮廓线是平面曲线还是空间曲线，凸轮机构分为根据凸轮廓线是平面曲线还是空间曲线，凸轮机构分为平面平面凸轮机构凸轮机构和和空间凸轮机构空间凸轮机构，左下图的内燃机配气机构是平面，左下图的内燃机配气机构是平面凸轮机构，右下图的送料机构是空间凸轮机构。凸轮机构，右下图的送料机构是空间凸轮机构。u圆锥凸轮、回转面凸轮等也是空间凸轮机构。圆锥凸轮、回转面凸轮等也是空间凸轮机构。u如图为弹子锁与钥匙组成的凸轮机构，钥匙是凸轮，插入弹如图为弹子锁与钥匙组成的凸轮机构，钥匙是凸轮，插入弹子锁的锁芯中，凸轮廓线将不同长度的弹子子锁的锁芯中，凸轮廓线将不同长度的弹子2推到同样的高推到同样的高度，即
10、每一对弹子（度，即每一对弹子（2与与7）的分界面与锁芯和锁体的分界面）的分界面与锁芯和锁体的分界面相齐，则通过锁体可以转动锁芯，拨开琐闩相齐，则通过锁体可以转动锁芯，拨开琐闩4。 u下图为自动送刀机构，下图为自动送刀机构， 当带有凹槽的凸轮当带有凹槽的凸轮1转动时，通过槽转动时，通过槽中的滚子，驱使推杆中的滚子，驱使推杆2作往复移动。凸轮每转过一周，推杆作往复移动。凸轮每转过一周，推杆即从储料器中推出一个毛坯，送到加工位置。即从储料器中推出一个毛坯，送到加工位置。自动机床的进刀机构自动机床的进刀机构冲压机冲压机播放凸轮机构在胶印机中的应用凸轮机构在胶印机中的应用凸轮机构在对开印刷机中的应用凸轮
11、机构在对开印刷机中的应用自动车床凸轮机构自动车床凸轮机构此自动车床在加工有台阶的销套时，其送料、夹紧、车外圆此自动车床在加工有台阶的销套时，其送料、夹紧、车外圆与钻孔及切断四道工序的运动及其时序配合要求，均由凸轮与钻孔及切断四道工序的运动及其时序配合要求，均由凸轮机构来实现。机构来实现。u以横坐标代表凸轮的转角以横坐标代表凸轮的转角1，以纵坐标代表从动件位移，以纵坐标代表从动件位移S2（两（两坐标均应取一适当的比例尺坐标均应取一适当的比例尺 ，s），在凸轮转一周的工作循），在凸轮转一周的工作循环中所画出的曲线环中所画出的曲线S2 = S2 (1)就称为从动件的就称为从动件的位移线图位移线图。2
12、.凸轮机构典型工作循环分析凸轮机构典型工作循环分析u推程运动：凸轮转过角度推程运动：凸轮转过角度 t ，从动件在凸轮轮廓的作用下由距从动件在凸轮轮廓的作用下由距凸轮轴心最近位置被推到距凸轮轴心最远位置的过程凸轮轴心最近位置被推到距凸轮轴心最远位置的过程称为从动称为从动件的件的推程推程，在推程中从动件位移由，在推程中从动件位移由0 S2max = h ，h称为称为从动从动件行程件行程（升程升程） 。推程对应的凸轮转角推程对应的凸轮转角 t称为称为推程运动角推程运动角，如，如图图所示。所示。u远休止：凸轮转过角远休止：凸轮转过角 s ，从动件在，从动件在距凸轮轴心最远处静止不动距凸轮轴心最远处静止
13、不动。对应的凸轮转角对应的凸轮转角 s称为称为远休止角远休止角，如图所示。如图所示。4. 正弦加速度运动规律正弦加速度运动规律 u为了获得无冲击的运动规律，可为了获得无冲击的运动规律，可采用正弦规律作为加速度的变化采用正弦规律作为加速度的变化规律，其推程从动件的运动方程规律，其推程从动件的运动方程为为 122121121122sin22cos12sin21 tttttthahvhs正弦加速度运动规律图线如右图正弦加速度运动规律图线如右图所示。所示。推程段的运动线图推程段的运动线图1,tvmax=2h / ttamax=6.28h( / t)21R=h/21,t1,t正弦加速度运动规律的加速度曲
14、线光滑、连续，所以振动、噪正弦加速度运动规律的加速度曲线光滑、连续，所以振动、噪音都比较小，可应用于高速、轻载的场合音都比较小，可应用于高速、轻载的场合。u除了上述几种运动规律外，为了满足特殊工作要求，或为了克除了上述几种运动规律外，为了满足特殊工作要求，或为了克服上述单一运动规律的缺陷，可将几种运动规律拼接起来，成服上述单一运动规律的缺陷，可将几种运动规律拼接起来，成为组合运动规律，获得较理想的动力特性，以满足设计要求。为组合运动规律，获得较理想的动力特性，以满足设计要求。u从动件运动规律的选择，涉及很多方面的问题。首先需满足机从动件运动规律的选择，涉及很多方面的问题。首先需满足机器的工作要
15、求。同时还应使凸轮机构具有良好的动力性能以及器的工作要求。同时还应使凸轮机构具有良好的动力性能以及使设计的凸轮便于加工等。使设计的凸轮便于加工等。u试在凸轮机构简图上标出图示位置的压力角试在凸轮机构简图上标出图示位置的压力角 。e）f）u反转法的本质是改变参照系，即把原来建立在机架上的运动反转法的本质是改变参照系，即把原来建立在机架上的运动参照系改建到凸轮上面。参照系改建到凸轮上面。 二、直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制二、直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制1尖顶直动从动件盘形凸轮尖顶直动从动件盘形凸轮 对心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制步骤：对心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制步骤：u已知对心尖顶直
16、动从动件盘形凸轮机构位移线图、凸轮的基已知对心尖顶直动从动件盘形凸轮机构位移线图、凸轮的基圆半径圆半径rmin（ r0）以及凸轮以等角速度）以及凸轮以等角速度1逆时针方向回转，逆时针方向回转，要求绘出此凸轮的轮廓。要求绘出此凸轮的轮廓。u绘制步骤如下：绘制步骤如下：偏置直动尖动从动件盘形凸轮轮廓的绘制步骤：偏置直动尖动从动件盘形凸轮轮廓的绘制步骤：u偏置直动从动件盘形凸轮机构的特点是，偏置直动从动件盘形凸轮机构的特点是，反转后从动件始终反转后从动件始终与以与以O为圆心、以为圆心、以e为半径的偏距圆相切为半径的偏距圆相切， 作图步骤如下：作图步骤如下：将位移线图适当分成若干等分。以将位移线图适当
17、分成若干等分。以O为为圆心，圆心，以偏距以偏距e e、rmin为半径作为半径作偏距圆、偏距圆、基圆，在偏距圆上基圆，在偏距圆上K0点作其切线即为点作其切线即为从动件的导路方向；从动件的导路方向；从偏距圆上从偏距圆上K0开始沿开始沿- 方向将偏距圆方向将偏距圆分为与位移线图相对应的若干等分；分为与位移线图相对应的若干等分；过各等分点沿过各等分点沿- 方向作偏距圆的切线，方向作偏距圆的切线，与与 基圆分别交于基圆分别交于A0、 A1、 A2 、A3 、，各切线位置即为反转后从动件移各切线位置即为反转后从动件移动导路的方位动导路的方位；在在各切线上各切线上量取量取A1A1 、A2 A2 、A3 A3
18、 、等于各对应点等于各对应点位移位移，得反转后尖顶所占据的一系列位置得反转后尖顶所占据的一系列位置A1、A2、A3、；将将A0 、A1、A2、A3、 连成光滑曲线，便是所要求的凸轮轮连成光滑曲线，便是所要求的凸轮轮廓曲线，廓曲线，如图如图所示。所示。u注意注意：从动件在反转过程中导路所占据的各个位置不再是过凸从动件在反转过程中导路所占据的各个位置不再是过凸轮轴心的径向线，而是始终切于偏距圆的切线，从动件的位移轮轴心的径向线，而是始终切于偏距圆的切线，从动件的位移是沿这些切线从基圆上向外量取的是沿这些切线从基圆上向外量取的。 2.滚子直动从动件盘形凸轮滚子直动从动件盘形凸轮对心滚子直动从动件盘形
19、凸轮对心滚子直动从动件盘形凸轮u滚子式可改善尖顶型从动件与滚子式可改善尖顶型从动件与凸轮接触处的摩擦、磨损情况，凸轮接触处的摩擦、磨损情况，其凸轮轮廓设计方法如右图所其凸轮轮廓设计方法如右图所示。把滚子中心看作尖顶从动示。把滚子中心看作尖顶从动件的尖顶，按上述方法求出一件的尖顶，按上述方法求出一条条理论轮廓理论轮廓 0，再以，再以 0上各点为上各点为圆心，以滚子半径为半径，作圆心，以滚子半径为半径，作一系列圆，并作这一系列圆的一系列圆，并作这一系列圆的内包络线内包络线 ，就得到滚子从动件，就得到滚子从动件凸轮的凸轮的实际廓线实际廓线。1. 1. 偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构偏置直动滚子推杆盘形
20、凸轮机构 凸轮理论廓线方程式：凸轮理论廓线方程式：u滚子中心在初始点滚子中心在初始点B0处坐标为：处坐标为：(e,s0)2200ers 其其中中u滚子中心到达滚子中心到达B点时，凸轮转过点时，凸轮转过d，推杆产生位移，推杆产生位移s，理论廓线理论廓线上上B点坐标为点坐标为 sincos)(cossin)(00essyessx u此式即为凸轮理论廓线方程式。此式即为凸轮理论廓线方程式。凸轮实际廓线方程式：凸轮实际廓线方程式：u分析：实际廓线与理论廓线在法线方向的距离处处相等，且分析：实际廓线与理论廓线在法线方向的距离处处相等，且等于滚子半径等于滚子半径rr。u已知理论廓线任一点已知理论廓线任一点
21、B(x,y)，),(yxB ddyddxdydxtg sin)(cos/cos)(sin/00sseddsddysseddsddx u沿理论廓线取该点法向距离沿理论廓线取该点法向距离rr，得实际廓线上相应点得实际廓线上相应点u法向法向nn与与x方向的夹角为方向的夹角为u其中其中u凸轮实际廓线方程式凸轮实际廓线方程式cossinrrxxryyr “” 号用于内等距曲线，号用于内等距曲线，“+”号为外等距曲线。号为外等距曲线。 2222)/()/(/)/(sin)/()/(/)/(cos ddxddxddyddxddxddx式中：式中：v分析：取坐标系的分析：取坐标系的y轴与从动件轴线重合；轴与从
22、动件轴线重合；v从动件反转与凸轮在从动件反转与凸轮在B点相切：凸轮转过点相切：凸轮转过，从动件产生位移，从动件产生位移s OPvvP sincos)(cossin)(00ddssryddssrx 2. 对心平底从动件对心平底从动件(平底与从动件轴线垂直平底与从动件轴线垂直)盘形凸轮机构盘形凸轮机构P点为凸轮与点为凸轮与推杆相对瞬心推杆相对瞬心从动件的速度为从动件的速度为ddsvOPB点坐标点坐标为凸轮实际廓线方程式为凸轮实际廓线方程式v设计分析：取摆动推杆轴心设计分析：取摆动推杆轴心A0与凸轮轴心与凸轮轴心O之连线为之连线为y轴；推杆轴；推杆反转处于反转处于AB位置：凸轮转过位置：凸轮转过角，
23、推杆角位移为角，推杆角位移为。)cos(cos)sin(sin00 laylax3. 摆动滚子推杆盘形凸轮机构摆动滚子推杆盘形凸轮机构v则则点之坐标为点之坐标为cossinrrxxryyr v此式为理论廓线方程式。此式为理论廓线方程式。v凸轮实际廓线方程式为凸轮实际廓线方程式为u如图所示为内燃机气门配气机构如图所示为内燃机气门配气机构 。凸轮。凸轮1以等角速度回转，以等角速度回转，驱动从动件驱动从动件2按预期的运动规律启闭阀门。按预期的运动规律启闭阀门。u右图的绕线机构中，当右图的绕线机构中，当绕线轴快速转动时，绕线轴快速转动时，蜗杆带动蜗轮及与之固蜗杆带动蜗轮及与之固连的凸轮缓慢地转动。连的
24、凸轮缓慢地转动。通过凸轮轮廓与从动件通过凸轮轮廓与从动件尖顶间的作用，驱使从尖顶间的作用，驱使从动件往复摆动，从而动件往复摆动，从而使线均匀地绕在绕线轴使线均匀地绕在绕线轴上。上。u送料机构中。当圆柱凸轮匀速转动时，通过凹槽中的滚送料机构中。当圆柱凸轮匀速转动时，通过凹槽中的滚子驱使从动件往复移动。凸轮每回转一周，从动件即从子驱使从动件往复移动。凸轮每回转一周，从动件即从储料器中推出一个毛坯，送到加工位置。储料器中推出一个毛坯，送到加工位置。 二二. . 凸轮机构的特点与应用凸轮机构的特点与应用优点优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件实现精确的运动规律，且结构简单紧凑、设计实现精确的运动规律，且结构简单紧凑、设计方便。方便。缺点：缺点：凸轮轮廓与从动件之间是点、线接触，接凸轮轮廓与从动件之间是点、线接触，接触应力很大，容易磨损，凸轮轮廓加工困难。触应力很大，容易磨损，凸轮轮廓加工困难。应用范围：应用范围：广泛应用于传力不大的控制机构中。广泛应用于传力不大的控制机构中。
