第第5章章 凸轮机构凸轮机构 5-1 凸轮机构的应用及分类 5-2 推杆的运动规律 5-3 凸轮轮廓曲线的设计 5-4 凸轮机构基本尺寸的确定基本要求基本要求: :v了解凸轮机构的类型及特点了解凸轮机构的类型及特点v掌握从动件常用运动规律的特点掌握从动件常用运动规律的特点v掌握凸轮机构基本尺寸确定的原则掌握凸轮机构基本尺寸确定的原则v熟练掌握反转法原理并进行凸轮机构设计熟练掌握反转法原理并进行凸轮机构设计机械设计基础凸轮机构2024/8/3015-1 凸轮机构的组成及分类凸轮机构的组成及分类一、组成二、特点三、分类四、应用机械设计基础凸轮机构2024/8/302一、组成一、组成v由三个构件组成的一种高副机构由三个构件组成的一种高副机构v凸凸轮轮：具具有有曲曲线线轮轮廓廓或或凹凹槽槽的的构构件件v推推杆杆/ 从从动动件件，运运动动规规律律由由凸凸轮轮廓廓线和运动尺寸决定线和运动尺寸决定v机架机架推杆凸轮机械设计基础凸轮机构2024/8/303二、特点二、特点优点：优点：v实现各种复杂的运动要求实现各种复杂的运动要求v结构简单、紧凑结构简单、紧凑v设计方便设计方便缺点：缺点：v点、线接触，易磨损，不适合高速、重载点、线接触，易磨损，不适合高速、重载推杆凸轮机械设计基础凸轮机构2024/8/304三、分类三、分类1 按凸轮的形状分2 按从动件的形状分3 按从动件的运动形式分4 按从动件的布置形式分5 凸轮机构的基本概念与参数推杆凸轮机械设计基础凸轮机构2024/8/3051 按凸轮的形状分按凸轮的形状分v盘形凸轮盘形凸轮, 实例实例凸轮呈向径变化的盘形凸轮呈向径变化的盘形结构简单结构简单, 应用最广泛应用最广泛v移动凸轮移动凸轮v凸轮呈板型凸轮呈板型, 直线移动直线移动v圆柱凸轮圆柱凸轮, 实例实例空间凸轮机构空间凸轮机构凸轮轮廓做在圆柱体上凸轮轮廓做在圆柱体上空间运动空间运动推杆凸轮凸轮推杆推杆凸轮机械设计基础凸轮机构2024/8/3062 按从动件的形状分按从动件的形状分尖顶推杆尖顶推杆 v尖顶始终能够与凸轮轮尖顶始终能够与凸轮轮廓保持接触，可实现复廓保持接触，可实现复杂的运动规律杂的运动规律v易磨损，只宜用于轻载、易磨损，只宜用于轻载、低速低速滚子推杆滚子推杆 v耐磨、承载大，较常用耐磨、承载大，较常用平底推杆平底推杆 v接触面易形成油膜，利于接触面易形成油膜，利于润滑，常用于高速运动润滑，常用于高速运动v配合的凸轮轮廓必须全部配合的凸轮轮廓必须全部外凸外凸尖顶推杆尖顶推杆滚子推杆滚子推杆平底推杆平底推杆平底推杆平底推杆机械设计基础凸轮机构2024/8/3073 按从动件的运动形式分按从动件的运动形式分v直动推杆直动推杆往复移动往复移动轨迹为直线轨迹为直线v摆动推杆摆动推杆往复摆动往复摆动轨迹为圆弧轨迹为圆弧尖顶推杆尖顶推杆滚子推杆滚子推杆平底推杆平底推杆直直动动推推杆杆摆摆动动推推杆杆机械设计基础凸轮机构2024/8/3084 按从动件的布置形式分按从动件的布置形式分v对心直动推杆对心直动推杆v偏置偏置直动推杆直动推杆尖顶推杆尖顶推杆滚子推杆滚子推杆机械设计基础凸轮机构2024/8/309v一般凸轮机构的命名原则一般凸轮机构的命名原则:布置形式布置形式+运动形式运动形式+推杆形状推杆形状+凸轮形状凸轮形状对心对心直动直动尖尖顶推杆顶推杆盘形盘形凸轮凸轮机构机构偏置偏置直动直动滚滚子推杆子推杆盘形盘形凸轮凸轮机构机构摆摆动动平底推杆平底推杆盘盘形凸轮形凸轮机构机构机械设计基础凸轮机构2024/8/30101 1、基圆：、基圆： 凸轮凸轮理论轮廓理论轮廓上最小向径为半径所画的圆。上最小向径为半径所画的圆。6 6、凸轮机构的基本概念与参数、凸轮机构的基本概念与参数2 2、偏距、偏距e e： 从动件导路从动件导路偏离偏离凸轮凸轮回转中心的距离回转中心的距离。w wO Or rminminw wr rminminO Oe e机械设计基础凸轮机构2024/8/30113 3、推程：、推程： 4 4、升程：、升程： 从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定的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运动规律由离回转中心最近位置A A到达到达最远位置最远位置B B的过程。的过程。从动件在推程中所走过的距离从动件在推程中所走过的距离h h。5 5、推程运动角：、推程运动角：6 6、远休止角：、远休止角： t t = AOB= AOB（升程角）（升程角）与推程相应的凸轮转角与推程相应的凸轮转角t t。S S = = BOCBOC从动件在最远位置停止不动所对从动件在最远位置停止不动所对应的凸轮转角应的凸轮转角s s。w wA AB B r rminminO OB BC CD Dt ts sh h机械设计基础凸轮机构2024/8/30129 9、近休止角：、近休止角：8 8、回程运动角：、回程运动角：h h =COD =CODs s =AOD=AOD7 7、回程：、回程：从动件在弹簧力或重力作用下，以一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。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与回程相应的凸轮转角h h。从动件在最近位置停止不动从动件在最近位置停止不动所对应的凸轮转角所对应的凸轮转角ss。h hssw wA ABBrminO OB BC CD Dt ts sh h机械设计基础凸轮机构2024/8/3013 以以纵纵坐坐标标代代表表从从动动件件位位移移s s2 2 ，横横坐坐标标代代表表凸凸轮轮转转角角1 1或或t t，所画出的位移与转角之间的关系曲线。，所画出的位移与转角之间的关系曲线。1010、从动件位移线图：、从动件位移线图：上升上升停停降降停停t t1 1s s2 2A AB BC CD Dh h2p2ph hsst ts sA Ah hssw wA ABBr rminminO OB BC CD Dt ts sh h 从动件位移线图决定从动件位移线图决定于凸轮轮廓曲线的形状。于凸轮轮廓曲线的形状。机械设计基础凸轮机构2024/8/30141 1、推程：、推程： 2 2、升程：、升程： 3 3、 推程运动角：推程运动角：4 4、 运休止角：运休止角：7 7、近休止角：、近休止角：6 6、 回程运动角：回程运动角：5 5、 回程：回程：ABAB偏置尖顶直动从动件盘形凸轮偏置尖顶直动从动件盘形凸轮 t t s s h h ssw wA ABBO OB BC CD Dh hCDCDh ht t s s h h ss2024/8/3015 左图为自动机床左图为自动机床中的横向进给机构，中的横向进给机构，当凸轮等速回转一周当凸轮等速回转一周时，凸轮的曲线外廓时，凸轮的曲线外廓推动从动件带动刀架推动从动件带动刀架完成以下动作：车刀完成以下动作：车刀快速接近工件，等速快速接近工件，等速进刀切削，切削结束进刀切削，切削结束刀具快速退回，停留刀具快速退回，停留一段时间再进行下一一段时间再进行下一个运动循环。个运动循环。 四、应用四、应用2024/8/30162024/8/30175-2 推杆的运动规律推杆的运动规律一、凸轮机构的运动过程二、推杆常用运动规律三、选择运动规律应注意的问题机械设计基础凸轮机构2024/8/3018A一、凸轮机构的运动过程一、凸轮机构的运动过程v从从动动件件的的运运动动规规律律是是指指从从动动件件的的位位移移、速速度度、加加速速度度等等随随时时间间t t或凸轮转角或凸轮转角j j变化的规律变化的规律v基圆基圆( (以凸轮轮廓最小向径所组成的圆以凸轮轮廓最小向径所组成的圆) )，基圆半径，基圆半径r r0 0v推程推程，推程运动角，推程运动角 0 0v远休止远休止，远休止角，远休止角 0101 v回程回程，回程运动角，回程运动角 0 0 v近休止近休止，近休止角，近休止角 0202 v行程（升程）行程（升程），h hv运动线图运动线图: 从动件的位移、速度、加速度等随时从动件的位移、速度、加速度等随时间间t t或凸轮转角或凸轮转角j j变化关系图变化关系图0 010 02r0 0推程推程 01远休止远休止 0回程回程 02近休止近休止ts0BCDhA机械设计基础凸轮机构2024/8/3019二、推杆常用运动规律二、推杆常用运动规律1 等速运动2 等加速等减速运动3 摆线运动v注意：注意：v为便于理解各种运动规律特性为便于理解各种运动规律特性, 本章将运动规律单独应用于推程本章将运动规律单独应用于推程或回程或回程机械设计基础凸轮机构2024/8/30201 等速等速推程推程运动运动一次多项式运动规律一次多项式运动规律推程推程(00)v运动方程：运动方程：v位移方程：位移方程：v速度方程：速度方程：v加速度方程：加速度方程：v运动线图运动线图v冲击特性：冲击特性：始点、末点刚性冲击始点、末点刚性冲击v适用场合：适用场合：低速轻载低速轻载hs 0 0v 0a 0- + 机械设计基础凸轮机构2024/8/3021等速等速回程回程运动运动（续）（续）回程回程(00)v运动方程：运动方程：v位移方程：位移方程：v速度方程：速度方程：v加速度方程：加速度方程：v运动线图运动线图v冲击特性：冲击特性：始点、末点刚始点、末点刚性冲击性冲击v适用场合：适用场合：低速轻载低速轻载s 0v 0a 00- + - 0h 机械设计基础凸轮机构2024/8/30222 等加速等减速运动等加速等减速运动二次多项式运动规律二次多项式运动规律v推程推程v运动方程运动方程:v运动线图运动线图v冲击特性：冲击特性：起、中、末点柔性冲击起、中、末点柔性冲击v适用场合：适用场合：低速轻载低速轻载s 00v 0a 0h/2h/20/20/2h(00/2)(0/20)加速段加速段减速段减速段位移方程位移方程速度方程速度方程加速度方程加速度方程机械设计基础凸轮机构2024/8/30233 摆线运动摆线运动正弦加速度运动正弦加速度运动推程推程v运动方程：运动方程：v运动线图运动线图v冲击特性：冲击特性：无冲击无冲击v适用场合：适用场合：高速轻载高速轻载av0 00 1 2 3 4 5 6 7 8shA2ph0 机械设计基础凸轮机构2024/8/3024三、选择运动规律应注意的问题三、选择运动规律应注意的问题v实实际际使使用用时时, 推推程程或或回回程程的的运运动动规规律律可可采采用用单单一一运运动动规规律律,也也可可以以将几种运动规律复合使用将几种运动规律复合使用1. 当当机机械械的的工工作作过过程程只只要要求求推推杆杆实实现现一一定定的的工工作作行行程程，而而对对运运动动规规律无特殊要求时，主要考虑动力特性和便于加工律无特殊要求时，主要考虑动力特性和便于加工v低速轻载时，便于加工优先；低速轻载时，便于加工优先；v速度较高时，动力特性优先。速度较高时，动力特性优先。2. 当机械的工作过程对推杆运动规律有特殊要求时：当机械的工作过程对推杆运动规律有特殊要求时：v转速较低时，首先满足运动规律，其次再考虑动力特性和加工转速较低时，首先满足运动规律，其次再考虑动力特性和加工v转速较高时，兼顾运动规律和动力特性，采用组合运动转速较高时，兼顾运动规律和动力特性，采用组合运动机械设计基础凸轮机构2024/8/30255-3 凸轮轮廓曲线的设计凸轮轮廓曲线的设计一、凸轮廓线设计的基本原理二、作图法设计凸轮廓线机械设计基础凸轮机构2024/8/3026AAAAAAAAAAA A A一、凸轮廓线设计的基本原理一、凸轮廓线设计的基本原理v解析法、作图法解析法、作图法相相对对运运动动原原理理法法:(也也称称反反转转法法):v对整个系统施加对整个系统施加- 运动运动v此时，凸轮保持不动此时，凸轮保持不动v推杆作复合运动推杆作复合运动=反转运动反转运动(- ) +预期运动预期运动(s)A Ar0 - r0机械设计基础凸轮机构2024/8/3027二、作图法设计凸轮廓线二、作图法设计凸轮廓线v作图步骤：作图步骤：1 根根据据从从动动件件的的运运动动规规律律：作作出出位位移移线线图图S2-1，并等分角度，并等分角度2 定基圆定基圆3 作出推杆在反转运动中依次占据的位置作出推杆在反转运动中依次占据的位置4 据据运运动动规规律律，求求出出从从动动件件在在预预期期运运动动中中依次占据的位置依次占据的位置5 将将两两种种运运动动复复合合，就就求求出出了了从从动动件件尖尖端端在复合运动中依次占据的位置点在复合运动中依次占据的位置点6 将各位置点联接成光滑的曲线将各位置点联接成光滑的曲线7 在理论轮廓上再作出凸轮的实际轮廓在理论轮廓上再作出凸轮的实际轮廓1 对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构2 对心直动滚子推杆盘形凸轮机构机械设计基础凸轮机构2024/8/30281 对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构已知：已知：r0，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动设计：设计：凸轮廓线凸轮廓线解：解： 1. 定比例尺定比例尺 l v2. 初始位置及推杆位移曲线初始位置及推杆位移曲线v3. 确定推杆确定推杆反转运动反转运动占据的占据的各位置各位置v4. 确定推杆确定推杆预期运动预期运动占据的占据的各位置各位置v5. 推杆高副元素族推杆高副元素族v6. 推杆高副元素的包络线推杆高副元素的包络线s0h机械设计基础凸轮机构2024/8/30292 对心直动滚子推杆盘形凸轮机构对心直动滚子推杆盘形凸轮机构已知：已知：r0，推杆运动规律，滚子半径，推杆运动规律，滚子半径rr, 凸轮逆时针方向转动凸轮逆时针方向转动设计：设计：凸轮廓线凸轮廓线解：解： 1. 定比例尺定比例尺 l v2. 初始位置及推杆位移曲线初始位置及推杆位移曲线v注：两条廓线，理论注：两条廓线，理论实际廓线实际廓线v实际廓线基圆实际廓线基圆rminv理论廓线基圆理论廓线基圆r0v3. 确定推杆确定推杆反转运动反转运动占据的各位占据的各位置置v4. 确定推杆确定推杆预期运动预期运动占据的各位占据的各位置置v5. 推杆高副元素族推杆高副元素族v6. 推杆高副元素的包络线推杆高副元素的包络线s0h理论轮廓理论轮廓实际轮廓实际轮廓机械设计基础凸轮机构2024/8/30303小结小结应用反转法时应注意：应用反转法时应注意：v要能正确理解凸轮要能正确理解凸轮实际廓线实际廓线和和理论廓线理论廓线的关系的关系v要正确确定推杆的反转方向要正确确定推杆的反转方向v正确确定推杆在反转运动中占据的位置正确确定推杆在反转运动中占据的位置直动推杆：直动推杆：推杆在反转前后两位置线的夹角应等于凸轮的转角推杆在反转前后两位置线的夹角应等于凸轮的转角摆动推杆：摆动推杆：反转前后推杆摆动中心和凸轮轴心的两连线之间的夹角应等于反转前后推杆摆动中心和凸轮轴心的两连线之间的夹角应等于凸轮的转角凸轮的转角v正确确定推杆的位移或摆角正确确定推杆的位移或摆角直动推杆：直动推杆：位移等于推杆所在位置与理论廓线的交点和与基圆交点之间的位移等于推杆所在位置与理论廓线的交点和与基圆交点之间的距离距离摆动推杆：摆动推杆：角位移等于推杆所在位置与推杆起始位置之间的夹角角位移等于推杆所在位置与推杆起始位置之间的夹角机械设计基础凸轮机构2024/8/30315-4 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定一、压力角二、基圆半径的选择三、滚子半径的确定四、凸轮和滚子的材料五、凸轮的加工方法机械设计基础凸轮机构2024/8/3032一、 压力角与许用值2024/8/3033二、 凸轮基圆半径的确定 基圆半径越大，压力基圆半径越大，压力角越小，但结构尺寸较大角越小，但结构尺寸较大2024/8/3034(3) 从动件偏置方向的选择凸轮逆时针回转，从动件右偏置凸轮顺时针回转，从动件左偏置2024/8/3035三、凸轮轮廓形状与滚子半径的关系v外凸凸轮廓线2024/8/3036实际廓线出现尖点2024/8/3037实际廓线出现交叉，从动件不能准确地实现预期的运动规律运动失真2024/8/3038v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轮廓。2024/8/3039v运动失真原因：避免方法：v滚子半径的选择考虑结构、强度与运动规律等因素2024/8/3040结论结论:内凹凸轮廓线：内凹凸轮廓线：v滚子半径无限制滚子半径无限制外凸凸轮廓线：外凸凸轮廓线：v理论轮廓的最小曲率半径大于滚子半径理论轮廓的最小曲率半径大于滚子半径, 即即 minrr实际设计时，应保证实际设计时，应保证 amin = min -rr a =35 mm机械设计基础凸轮机构2024/8/3041四、凸轮和滚子的材料四、凸轮和滚子的材料凸轮的主要失效形式为磨损和疲劳点蚀。凸轮的主要失效形式为磨损和疲劳点蚀。对凸轮和滚子的材料要求：对凸轮和滚子的材料要求：工作表面硬度高工作表面硬度高耐磨耐磨有足够的表面接触强度有足够的表面接触强度凸轮芯部有较强的韧性凸轮芯部有较强的韧性常用的凸轮材料：常用的凸轮材料： 40Cr40Cr、 2 20Cr0Cr、 40CrMnTi40CrMnTi常用的滚子材料：常用的滚子材料： 20Cr20Cr或者滚动轴承或者滚动轴承2024/8/3042五、五、 凸轮轮廓的加工凸轮轮廓的加工凸轮轮廓的加工方法通常有两种凸轮轮廓的加工方法通常有两种1.1.铣、锉削加工铣、锉削加工 对用于低速、轻载场合的凸轮，可以应用反转法原理在未淬火凸对用于低速、轻载场合的凸轮，可以应用反转法原理在未淬火凸轮轮坯上通过作图法绘制轮廓曲线，采用铣床或用手工锉削办法加工而成。轮轮坯上通过作图法绘制轮廓曲线，采用铣床或用手工锉削办法加工而成。必要时可进行淬火处理，但用这种方法则凸轮的变形难以得到修正。必要时可进行淬火处理，但用这种方法则凸轮的变形难以得到修正。2.2.数控加工数控加工 采用数控线切割机床对淬火凸轮进行加工，这是目前最常用的一采用数控线切割机床对淬火凸轮进行加工，这是目前最常用的一种凸轮加工方法。加工时应用解析法，求出凸轮轮廓曲线的种凸轮加工方法。加工时应用解析法，求出凸轮轮廓曲线的x,yx,y坐标，并将坐标，并将xOyxOy坐标系的原点换算成切割时的起点，而滚子半径相当于钼丝半径再加上坐标系的原点换算成切割时的起点，而滚子半径相当于钼丝半径再加上放电间隙。放电间隙。2024/8/3043作业：、2024/8/3044