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1、第三章 凸轮机构设计,31 凸轮机构的应用和类型,32 从动件常用的运动规律,33 图解法设计凸轮轮廓曲线,34 设计凸轮机构应注意的问题,本章要点,3-1 凸轮机构的应用和分类,1、凸轮机构的应用,2、凸轮机构的分类,1,1,3,2,1、凸轮机构的应用,凸轮机构组成,1,1,3,2,1,1,3,2,1,1,3,2,1,1,3,2,1,3,2,1,3,2,1,3,2,1,3,2,1,3,2,1,3,2,h,1,3,2,h,1,3,2,h,1,3,2,h,1,3,2,h,1,3,2,h,1,3,2,h,1,3,2,h,1,3,2,h,1,3,2,h,3机架,2从动件,h,1凸轮,高副,h,凸轮机
2、构 由凸轮，从动件和机架构成的三杆高副机构。,h,凸轮机构的应用,内燃机气门凸轮机构,配气机构,机床进给机构,例1,例2,例3,例4,例5,2、凸轮机构的分类,按凸轮的形状分类,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 移动凸轮 圆柱凸轮,按从动件的形状分类,尖端从动件,曲面从动件,尖端能以任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。但尖端处极易磨损，只适用于低速场合。,磨损比尖端从动件小。,滚子从动件,平底从动件,凸轮与从动件之间为滚动摩擦，因此摩擦磨损较小，可用于传递较大的动力。,从动件与凸轮之间易形成油
3、膜，润滑状况好，受力平稳，传动效率高，常用于高速场合。但与之相配合的凸轮轮廓须全部外凸。,按从动件的运动形式分类,移动从动件 摆动从动件,移动从动件：从动件作往复移动，其运动轨迹为一段直线；摆动从动件：从动件作往复摆动，其运动轨迹为一段圆弧。,32 从动件常用的运动规律,1、基圆：,一、基本概念,2、偏距e：,从动件导路偏离凸轮回转中心的距离。,w,O,w,rmin,O,凸轮理论轮廓上最小向径为半径所画的圆。,3、推程：,4、升程：,从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定的运动规律由离回转中心最近位置A到达最远位置B的过程。,从动件在推程中所走过的距离h。,5、推程运动角：,6、远休止角：,t=AO
4、B（升程角）,与推程相应的凸轮转角t。,S=BOC,从动件在最远位置停止不动所对应的凸轮转角s。,9、近休止角：,8、回程运动角：,h=COD,s=AOD,7、回程：,从动件在弹簧力或重力作用下，以一定的运动规律回到起始位置的过程。,与回程相应的凸轮转角h。,从动件在最近位置停止不动所对应的凸轮转角s。,以纵坐标代表从动件位移s2，横坐标代表凸轮转角1或t，所画出的位移与转角之间的关系曲线。,10、从动件位移线图：,上升停降停,从动件位移线图决定于凸轮轮廓曲线的形状。,1、推程：,2、升程：,3、推程运动角：,4、远休止角：,7、近休止角：,6、回程运动角：,5、回程：,偏置尖顶直动从动件盘形
5、凸轮,h,t,s,h,s,理论廓线、工作廓线,基圆半径指的是理论廓线上的最小向径.,工,理,升停回停型(RDRD),升回停型(RRD),升停回型(RDR),升回型(RR),运动循环的类型,一、等速运动规律：从动件运动的速度为常数(直线位移运动规律、一次多项式运动规律),S2,d1,d0,H,V2,d1,d0,a2,d1,Hw,d0,d0,特点：设计简单、匀速进给、amax 最小。始点、末点有刚性冲击。适于低速、轻载、从动杆质量不大，以及要求匀速的情况。,v2=Hw/d0,二、等加速等减速运动规律:从动件在前半程或回程（h/2）中作等加速运动，后半推程或回程（h/2）中作等减速运动(抛物线位移运
6、动规律、二次多项式运动规律),S2,d1,d0,H,V2,d1,d0,a2,d1,2Hw,d0,d0,4Hw2,d02,d0,H,特点:amax 最小,惯性力小。,起、中、末点有软性冲击.适于中速、轻载.,S2,d1,a2max=4Hw2/d02,V2max=2Hw/d0,a2,d1,三、余弦加速度运动规律(简谐运动位移运动规律),d0,H,0 1 2 3 4 5 6 7 8,1,2,3,4,5,6,7,8,S2,d1,V2,d1,0 1 2 3 4 5 6 7 8,d0,pHw,2d0,0,1,2,3,4,5,6,7,8,p2Hw2,2d02,0,1,2,3,4,5,6,特点:加速度变化连续
7、平缓.始、末点有软性冲击.适于中速、中载.,0 1 2 3 4 5 6 7 8,d0,7,8,a2max=p2Hw2/2d02,V2max=pHw/2d0,a2,d1,d0,2pHw2,d02,0,1,2,4,6,7,8,0 1 2 3 4 5 6 7 8,3,四、正弦加速度运动规律,V2,d1,2Hw,d0,0,1,2,3,4,6,8,d0,0 1 2 3 4 5 6 7 8,5,5,7,H,p,特点：加速度变化连续.amax 最大.对加工误差敏感.适于高速、轻载.,(摆线投影位移运动规律),d0,1 2 3 4 5 6 7 8,d1,H,1,2,3,4,5,6,S2,7,0,0,a,d,五
8、、几种常用运动规律的比较,H,等速,余弦,d0,等加,正弦,等速的 amax 最小,省力.正弦的amax 最大.,a,等速的 Vmax 最小,安全.,d0,等加的 amax 最小，惯性小.等速的 a.正弦的 a 连续.,(动量 mVmax 最小,S,d,V,d,即冲力 F=mV/t 最小.),6.多项式运动规律 S=C0+C1d+C2d2+C3d3+Cndn.,六、常用运动规律的选择 1.没有任何要求、轻载、,2.低速、轻载，要求等速、,小行程、手动,可用圆弧或偏心圆.,等位移,3.中低速、中轻载,可用等加减速或余弦加速度运动规律.,可用等速运动规律.,4.较高速、轻载,可用正弦加速度运动规律
9、.,5.组合型.,小结：,等速运动规律：有刚性冲击 低速轻载,等加速等减速运动：柔性冲击 中速轻载,余弦加速度运动规律：柔性冲击 中低速重载,正弦加速度运动规律：无冲击 中高速轻载,五次多项式运动规律：无冲击 高速中载,运动规律 运动特性 适用场合,凸轮设计的基本原理采用的是“反转法”，即凸轮轮廓设计中，是认为凸轮静止不动，从动件相对于凸轮轴心做反方向（反转）运动，并令从动件相对其导路按给定的运动规律运动。,3-3 凸轮廓线曲线的设计,一、对心尖顶移动从动杆例:已知 R0、H、w 的方向、从动杆运动规律和凸轮相应转角,凸轮转角,从动杆运动规律,0180 等速上升 H180 210 上停程210
10、 300 等速下降 H300 360 下停程,解:1.以 mS=作位移曲线.,S,d,0,3600,1800,2100,3000,H,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,2.以同样的 mS 作凸轮廓线,w,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,A,对心直动尖顶推杆凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rb，角速度和推杆的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,设计步骤小结：,选比例尺l作基圆rb。,反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。,确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。,将各尖顶点连接成一条光滑曲线。,rb,对心直动滚子推杆凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rb，角速度和推杆的运动规律，设计该
11、凸轮轮廓曲线。,作各位置滚子圆的内(外)包络线(中心轨迹的等距曲线)。,二、对心直动滚子推杆盘形凸轮,理论轮廓,实际轮廓,rb,对心直动平底推杆凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rb，角速度和推杆的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,作平底直线族的内包络线。,三、对心直动平底推杆盘形凸轮,rb,四、偏置尖顶移动从动杆 例.已知:R0、H、e、w 的方向、,凸轮转角,从动杆运动规律,0180 等速上升 H180 210 上停程210 300 等速下降 H300 360 下停程,解:1.以 mS=作位移曲线.,2.以同样的 mS 作凸轮廓线,w,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,从动杆运动规律
12、和凸轮相应转角:,摆动尖顶推杆凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rb，角速度，摆动推杆长度l以及摆杆回转中心与凸轮回转中心的距离d，摆杆角位移方程，设计该凸轮轮廓曲线。,五、摆动尖顶推杆盘形凸轮机构,一、压力角与作用力的关系,压力角:,从动件上的驱动力与该力作用点绝对速度之间所夹的锐角。,凸轮机构的压力角：,接触点法线与从动件上作用点速度方向所夹的锐角。,34 设计凸轮机构应注意的问题,力 F 分解为沿从动件运动方向的有用分力 F 和使从动件紧压导路的有害分力 F。,1、F一定时，压力角越大，有害分力 F越大，机构的效率越低。,上式表明：,2、自锁：当增大到一定程度，使有害分力F在导路中所引起的摩
13、擦阻力大于F 时，无论凸轮加给从动件的作用力有多大，从动件都不能运动，这种现象称为自锁。,F=Fcos F”=Fsin,推程：移动从动件,=3040,摆动从动件,=3545,回程：,=7080,工程上要求：max,二、压力角与凸轮机构尺寸的关系,公式说明：,由图可得偏心、对心直动滚子从动件盘形凸轮机构在推程任一位置时压力角的表达式为,基圆半径越大，压力角越小。从传力的角度来看，基圆半径越大越好；从机构紧凑的角度来看，基圆半径越小越好。在设计时，应在满足许用压力角要求的前提下，选取最小的基圆半径,工作轮廓的曲率半径，理论轮廓的曲率半径，rT滚子半径,rT,rT,rT,rT,rT0,rT,rT0,轮廓正常,轮廓正常,轮廓变尖,外凸,对于外凸轮廓，要保证正常工作，应使：min rT,rT0.8 min,设计凸轮机构时应注意滚子半径的问题：,滚子半径的确定,
