1、,第5章 凸轮机构,机械设计基础,5.1 概述,适用：传递动力不大的场合。,第5章 凸轮机构,高副,配气机构（上置凸轮轴式）,第5章 凸轮机构,5.1.1 凸轮机构的应用,(1)盘形回转凸轮,第5章 凸轮机构,配气机构(顶置式）,靠模车削机构,第5章 凸轮机构,（2）平板移动凸轮,第5章 凸轮机构,(3)圆柱回转凸轮,第5章 凸轮机构,(4) 蜗杆凸轮,第5章 凸轮机构,5.1.2 凸轮机构的分类,（1）盘形凸轮,1.按凸轮的形状分,（2）移动凸轮,（3）圆柱凸轮,（4）曲面凸轮,（1）盘形凸轮,第5章 凸轮机构,（2）移动凸轮,第5章 凸轮机构,（3）圆柱凸轮,（4）曲面凸轮,第5章 凸轮机
2、构,2.按锁合（从动件与凸轮保持接触）分类：,（1）力锁合凸轮机构,如：重力、弹簧力锁合等。,第5章 凸轮机构,（2）几何（形）锁合凸轮机构,如：沟槽凸轮、等径与等宽凸轮、共轭凸轮等。,第5章 凸轮机构,等径凸轮-从动件上装有两个滚子，凸轮廓线同时与两个滚子 接触。由于两个滚子中心距不变，所以1800范围内 的凸轮廓线按等径的原则确定。,第5章 凸轮机构,等宽凸轮-从动件做成框形，凸轮廓线上任意 两条平行切线之间的距离都等于框 内侧的宽度。,第5章 凸轮机构,共轭凸轮-用两个固结在一起的凸轮控制一个 从动件，其中一个驱使从动件朝某 一方向运动，而另一个驱使从动件 朝反方向运动。,第5章 凸轮机
3、构,3.按从动件形状分类：,(1)尖顶从动件,优点：接触性好，实现任意预期的运动规律。,缺点：点或线接触，易磨损。,适用：受力较小、低速。,第5章 凸轮机构,优点：滚动摩擦，磨损小，承受较大的载荷。,缺点：凸轮上凹陷的轮廓未必能很好地与滚子接触， 影响预期运动规律。,(2)滚子从动件,应用：广泛。,第5章 凸轮机构,优点：易形成油膜，利于润滑。驱动力平底，传动效率高。,缺点：凸轮上凹陷的轮廓未必能很好地与平底接触，影响预期 运动规律。,(3)平底从动件,适用：高速。,第5章 凸轮机构,4.按从动件的运动形式分类：,(1)直动从动件,对心,偏置,第5章 凸轮机构,(2)摆动从动件,对心,偏置,第
4、5章 凸轮机构,不同型式的从动件,不同型式的凸轮,组合,各种不同类型的凸轮机构,对心直动滚子从动件盘形凸轮,偏置摆动平底从动件盘形凸轮,第5章 凸轮机构,5.1.3 凸轮和滚子的材料,凸轮机构的主要失效形式： 磨损和疲劳点蚀,凸轮和滚子的工作表面要求：硬度高 耐磨 有足够接触强度,经常受冲击的：凸轮芯部有较强的韧性,凸轮材料：40Cr钢（表面淬火，HRC4045) 20Cr、20CrMnTi（表面淬火,HRC5662),滚子材料：20Cr钢（渗碳淬火，HRC5662) 用滚子轴承作为滚子,作用在零件上的脉动循环变应力超过其接触疲劳极限时，出现疲劳裂纹，裂纹逐渐扩大使表面金属小片剥落形成疲劳点蚀
5、,5.2 常用从动件运动规律,第5章 凸轮机构,5.2.1 平面凸轮机构的基本尺寸和运动参数,基圆以凸轮轮廓曲线的最小向径r0 为半径所作的圆。 r0-基圆半径。,第5章 凸轮机构,凸轮回转一周，从动件：升停降停。,推程从动件尖顶从最近位置A到达最远位置B的过程。,推程运动角-,行程（升程）h,远程休止角s-,从动件位移线图,第5章 凸轮机构,回程从动件尖顶从达最远位置C到最近位置D 的过程。,回程运动角 -对应回程凸轮转角。,近程休止角 -从动件在最近位置停留不动所对应相 应的凸 轮转角。,第5章 凸轮机构,第5章 凸轮机构,第5章 凸轮机构,5.2.2 常用的从动件运动规律,1.从动件运动
6、规律,等速运动规律,等加速-等减速运动规律,简谐运动规律（余弦加速度运动规律）,正弦加速度运动规律 摆线运动规律,第5章 凸轮机构,2.运动线图,a).等速运动规律,运动特性：当采用匀速运动规律时，推杆在运动的起始点和终止点因速度有突变，在理论上加速度值为瞬时无穷大，使推杆产生非常大的惯性力，致使凸轮受到很大的冲击，称为刚性冲击。,适用场合：低速、轻载。,第5章 凸轮机构,第5章 凸轮机构,b).等加速等减速运动规律,适用场合：中速、轻载。,运动特性：当采用等加速等减速运动规律时，在起点、中点和终点时，加速度有突变，因而推杆的惯性力也将有突变，不过这一突变为有限值，所以，凸轮机构中由此而引起的
7、冲击称为柔性冲击。,第5章 凸轮机构,第5章 凸轮机构,第5章 凸轮机构,第5章 凸轮机构,c).简谐运动规律（余弦加速度运动规律）,简谐运动：当一点在圆周上等速 运动时，它在直径上 的投影的运动.,运动特性：这种运动规律的加速度在起点和终点时有有限数值的突变，故也有柔性冲击。,适用场合：中速、中载。,第5章 凸轮机构,第5章 凸轮机构,d).正弦加速度运动规律 摆线运动规律,适用场合：高速、轻载。,无冲击,第5章 凸轮机构,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 中速、中载,正弦加速度运动规律： 无冲击 高速、
8、轻载,运动规律 运动特性 适用场合,第5章 凸轮机构,5.2.3 从动件运动规律的选择,1.选择推杆运动规律的基本要求,满足机器的工作要求； 使凸轮机构具有良好的动力特性； 使所设计的凸轮便于加工。,(1)对无一定运动要求,只需对从动件工作行程有要求。,2.根据工作条件确定从动件运动规律,推杆运动规律选取：从便于加工和动力特性来考虑。 低速轻载凸轮机构：采用圆弧、直线等易于加工的 曲线作为凸轮轮廓曲线。,第5章 凸轮机构,高速凸轮机构：首先考虑动力特性，以避免产生过 大的冲击。 大质量从动件：不宜选用max太大的运动规律。 高速度从动件：不宜选用amax太大的运动规律。,(2)机器工作过程对从
9、动件的运动规律有特殊要求 凸轮转速不高：按工作要求选择运动规律。 凸轮转速较高：选定主运动规律后，进行组合改进。,第5章 凸轮机构,设计,5.3 盘形凸轮轮廓设计与加工方法,从动件运动规律,凸轮的基圆半径,凸轮轮廓,设计方法,图解法,解析法,第5章 凸轮机构,5.3.1 反转法原理,凸轮：相对静止不动。推杆：一方面随导轨以-绕凸轮轴心转动，另一方面又沿导轨作预期的往复移动。,假想在整个机构上加一等角速度-,推杆尖顶在这种复合运动中的运动轨迹-凸轮轮廓曲线。,第5章 凸轮机构,第5章 凸轮机构,5.3.2 作图法设计盘形凸轮轮廓曲线,1.对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构 已知：基圆半径为r0, 逆
10、时针，推杆的运动规律如图所示。 设计：对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。,第5章 凸轮机构,第5章 凸轮机构,第5章 凸轮机构,2.对心直动滚子从动件盘形凸轮机构 已知: 基圆半径为r0,滚子半径rT, 逆时针。 推杆的运动规律如图所示。设计：对心直动滚子从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。,第5章 凸轮机构,第5章 凸轮机构,3.对心直动平底从动件盘形凸轮机构 已知: 基圆半径为r0, 逆时针。推杆的运动规律如图所示。设计：对心直动平底从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。,第5章 凸轮机构,第5章 凸轮机构,4.偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构 已知:偏距e，基圆半径为r0,逆时针，推杆的运动规律
11、。 设计：偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构 。,第5章 凸轮机构,5.偏置摆动尖顶从动件盘形凸轮机构 已知:基圆半径为r0,凸轮转动方向。凸轮转动中心与从动件摆动 中心的距离，摆动从动件的长度。从动件的运动规律。设计:偏置摆动尖顶从动件盘形凸轮机构（从动件的位移是角位移）,第5章 凸轮机构,5.3.3 解析法设计凸轮轮廓曲线,已知: 滚子半径为rT，基圆半径为r0,偏距e ,1顺时针。 推杆的运动规律s=s(）。凸轮回转中心就是极 坐标的极点。设计：凸轮轮廓曲线。,第5章 凸轮机构,从动件滚子中心点B的极坐标：,式中：,实际轮廓线上对应点T的极坐标：,式中：,第5章 凸轮机构,5.3.4 凸轮轮
12、廓的加工方法,1.铣、锉削加工,适用：低速、轻载,凸轮轮坯,铣床加工或手工锉削,反转法作图绘制出轮廓,淬 火（必要时）,2.数控加工-采用数控线切割机床对淬火凸轮进行加工。,适用：高速、重载,解析法求出凸轮轮廓曲线的极坐标值（、）,应用专用编程软件切割,第5章 凸轮机构,5.4 凸轮机构基本尺寸的确定,5.4.1 凸轮机构的压力角,-有效分力,-有害分力,第5章 凸轮机构,第5章 凸轮机构,第5章 凸轮机构,推程：直动从动件凸轮机构 =300 摆动从动件凸轮机构 =400500,回程： 一般不会发生自锁 =700800, 传动效率 凸轮尺寸,要权衡两者关系。,第5章 凸轮机构,第5章 凸轮机构
13、,5.4.2 基圆半径的确定,r0，凸轮机构紧凑,，会造成 max ，所以r0不能过小。,r0， ，凸轮机构传力性能越好，但机构不紧凑。,可通过增大基圆半径r0来获得较小的压力角 。,根据结构条件基圆半径r0,第5章 凸轮机构,第5章 凸轮机构,5.4.3 滚子半径的确定,设：滚子半径为rT ，理论廓线的曲率半径为，,实际廓线的曲率半径为。,1.当理论轮廓线内凹时：,第5章 凸轮机构,2.当理论轮廓线外凸时：,第5章 凸轮机构,第5章 凸轮机构,为了避免失真并减少磨损，滚子半径rT应满足：,若满足不了上述要求，可增大基圆半径r0或修改从动件的运动规律。,min-理论廓线的最小曲率半径,-实际廓
14、线的最小曲率半径,第5章 凸轮机构,理论轮廓曲线最小曲率半径的近似求法：,在理论轮廓曲线上选择曲率最大的一点B，以B为圆心作任意半径的小圆，再以该圆与理论廓线的两个交点B1和B2为圆心，以相同的半径作两个小圆，连接三个小圆的交点得交点O，BO即为最小曲率半径。,第5章 凸轮机构,5.5 凸轮机构的结构和精度,5.5.1 凸轮机构的结构,1.凸轮的结构,（1）尺寸较小：凸轮与轴制成一体；,（2）尺寸较大：凸轮与轴分开制造。,在凸轮上刻出起始位置，作为加工和装配的依据。,凸轮轴,整体式,组合式,第5章 凸轮机构,凸轮在轴上的固定形式：,第5章 凸轮机构,2.从动件的端部结构,第5章 凸轮机构,5.5.2 凸轮精度,
