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1、第七章 凸轮机构,凸轮机构：是一种高副机构。广泛应用于各种机械，尤其是自动机械中。,第七章 凸轮机构,凸轮机构的应用和分类 从动件的运动规律 平面凸轮廓线设计 平面凸轮机构基本尺寸的确定,凸轮机构的组成 凸轮机构的应用 凸轮机构的分类,7.1 凸轮机构的应用和分类,凸轮机构的组成,凸轮机构的应用和分类,1-凸轮 2-气阀 3-内燃机壳体,如图所示为内燃机中的配气凸轮机构。内燃机在燃烧过程中，驱动凸轮轴及其上的凸轮转动，并通过凸轮的曲线轮廓推动气阀2按特定的规律往复移动，从而达到控制燃烧室中进、排气的功能。,凸轮机构的应用和分类,1-圆柱凸轮 2-摆杆 3-滚子,如图所示为自动机床中的进刀凸轮机
2、构。 当圆柱凸轮绕其轴线转动时，通过其沟槽与摆杆一端的滚子接触，并推动摆杆绕固定轴按特定的规律作往复摆动，同时通过摆杆另一端的扇形齿轮驱动刀架实现进刀或退刀运动。,凸轮机构的应用和分类,凸轮 从动件 机架,高副机构,凸轮：具有特定曲线轮廓或沟槽的构件，通常在 机构运动中作主动件。,从动件：与凸轮接触并被直接推动的构件。,机架：支撑凸轮和从动件的构件。,凸轮机构的应用,凸轮机构的应用和分类,自动送料凸轮 1-圆柱凸轮 2-直动从动件 3-毛坯,1、实现预期的位置要求,这种自动送料凸轮机构，能够完成输送毛坯到达预期位置的功能，但对毛坯在移动过程中的运动没有特殊的要求,凸轮机构的应用和分类,绕线机凸
3、轮 1-凸轮 2-摆动从动件 3-线轴,2、实现预期的运动规律要求,这种凸轮在运动中能推动摆动从动件2实现均匀缠绕线绳的运动学要求。,凸轮机构的应用和分类,3、实现运动和动力特性要求,这种凸轮机构能够实现气阀的运动学要求，并且具有良好的动力学特性。,1-凸轮 2-气阀 3-内燃机壳体,盘形凸轮：结构简单，易于加工。应用最为广泛 移动凸轮：可视为盘形凸轮的回转轴心处于无穷远处时演化而成的 圆柱凸轮：空间凸轮机构,盘形凸轮 移动凸轮 圆柱凸轮,凸轮机构的分类,凸轮机构的应用和分类,1、按凸轮的形状分类,2、按从动件的形状分类,尖底从动件,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
4、动规律。但尖端处极易磨损，只适用于低速场合。,凸轮机构的应用和分类,滚子从动件,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。,凸轮机构的应用和分类,平底从动件,从动件与凸轮之间易形成油膜，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。,凸轮机构的应用和分类,对心直动从动件 偏置直动从动件,凸轮机构的应用和分类,从动件作往复移动，其运动轨迹为一段直线,3、按从动件的运动形式分类,直动从动件,从动件作往复摆动，其运动轨迹为一段圆弧。,凸轮机构的应用和分类,摆动从动件,凸轮机构的应用和分类,4、按凸轮与从动件维持接触的方式分类,力锁合：利
5、用从动件自身重力、回复弹簧力或其它外力，使从动件与凸轮廓线始终保持接触,(2) 型锁合：利用构成高副元素本身的几何形状，使从动件与凸轮始终接触。,盘形槽凸轮机构,通过其沟槽两侧的廓线始终保持与从动件接触。,凸轮机构的应用和分类,凸轮廓线上任意两条平行切线间的距离都相等，且等于从动件矩形框架2内侧两个平底之间的距离H。,等宽凸轮机构,凸轮机构的应用和分类,等径凸轮机构 过凸轮轴心O所作任一径向线上与凸轮相接触的两滚子中心间的距离处处相等。,等宽与等径凸轮，其从动件运动规律的选择或设计会受到一定的限制。,凸轮机构的应用和分类,共轭凸轮机构,主凸轮1推动从动件完成沿逆时针方向正行程的摆动，另一个凸轮
6、1/推动完成沿顺时针方向的反行程的摆动。这种凸轮机构又称为主回凸轮机构,凸轮机构的应用和分类,反凸轮机构,摆杆为主动件，凸轮为从动件,基本概念 从动件的常用运动规律 运动规律特性分析 选择或设计运动规律时需注意的问题 组合型运动规律简介,7.2 从动件的运动规律,基本概念,从动件的运动规律,从动件的运动规律,在凸轮廓线的推动下，从动件的位移、速度、加速度、跃度（加速度对时间的导数）随时间变化的规律，常以图线表示，又称为从动件运动曲线。 一般假定凸轮轴作等速运转，故凸轮转角与时间成正比，因此凸轮机构从动件的运动规律通常又可以表示为凸轮转角的函数。,尖底直动从动件的位移曲线,从动件的运动规律,从动
7、件的运动规律,基圆：凸轮上具有最小半径ro的圆 推程与推程角：当凸轮廓线上的曲线段与从动件接触时，推动从动件沿导路由起始位置运动到离凸轮轴心最远的位置。从动件的这一运动行程称为推程。此过程对应凸轮所转过的角度称为推程角，从动件沿导路移动的最大位移称为升距h。,远休止与远休止角： 当凸轮廓线上对应的圆弧段与从动件接触时，从动件在距凸轮轴心的最远处静止不动。这一过程称为远休止，此过程对应凸轮所转过的角度称为远休止角s 。,从动件的运动规律,近休止与近休止角: 当凸轮廓线上对应的圆弧段与从动件接触时，从动件处于位移的起始位置，静止不动，这一过程称为近休止。此过程对应凸轮所转过的角度称为近休止角/s
8、。,从动件的运动规律,回程与回程角: 当凸轮廓线上的曲线段与从动件接触时，引导从动件由最远位置返回到位移的起始位置。从动件的这一运动行程称回程，此过程对应凸轮所转过的角度称为回程角/。,从动件的运动规律,从动件常用运动规律,一、多项式运动规律,设从动件的位移为s，凸轮转角为 ，则多项式运动规律的一般表达式为 根据对从动件运动规律的具体要求，确定相应的边界条件代入上式，求出待定系数，即可推导出各种多项式运动规律。 下面分别推导工程中经常采用的几种多项式运动规律方程。,一次多项式 一次多项式运动规律的一般表达式为 由于一次多项式函数的一阶导数为常数，故通常又称为等速运动规律。其运动方程和运动线图如
9、下所示,从动件的运动规律,等速运动规律运动线图,推程运动方程,从动件的运动规律,由于加速度无穷大而产生的冲击称为刚性冲击。当然，在实际的凸轮机构中由于构件的弹性、阻尼等多种因素，不可能产生无穷大的惯性力。,这种运动规律通常只适用于低速轻载的工况下，或是对从动件有实现等速运动要求的场合,从动件的运动规律,2.二次多项式 工程中通常采用的二次多项式运动规律，是指在从动件的一个运动行程中（推程或回程），前半段采用等加速，后半段采用等减速，其位移曲线为两段光滑相连的反向抛物线，故有时又称为抛物线运动规律。其运动方程和运动线图如下所示,从动件的运动规律,速度曲线连续，而加速度曲线在运动的起始、中间点和终
10、点处不连续。将这种由于有限值的加速度突变而产生的冲击称为柔性冲击。适用于中、低速轻载。,推程运动方程,等加速等减速运动规律运动线图,从动件的运动规律,3.五次多项式 五次多项式运动规律的位移、速度和加速度方程的一般表达式为,从动件的运动规律,将边界条件分别代入，可解得6个待定系数，得到从动件在推程中五次多项式运动规律的方程为,位移方程中仅含有3、4、5次幂，故又称为3-4-5次多项式,从动件的运动规律,该种运动规律的速度与加速度曲线均连续，因而不产生刚性与柔性冲击，可适用于高速中载工况,五次多项式运动规律,从动件的运动规律,从动件的运动规律,二、三角函数运动规律,1、简谐运动规律,图a所示为描
11、述简谐运动轨迹的示意图。图中横坐标为凸轮转角 ，纵坐标为从动件位移s 。设当质点沿圆周转过任一角度时 ，对应凸轮的转角为 ，则质点沿圆周等速运动时向纵坐标方向的投影，即为简谐运动规律的位移曲线。,简谐运动规律运动线图,推程运动方程,由于该种运动规律的加速度曲线按余弦规律变化，故又称为余弦加速度运动规律。,可知该运动规律的起始与终点处加速度突变为有限值，因而会产生柔性冲击。如果从动件的运动仅具有推程和回程阶段，则其加速度曲线也连续，不产生柔性冲击，因而可应用于高速工况场合。,从动件的运动规律,从动件的运动规律,2、摆线运动规律,图a所示为描述摆线运动轨迹的示意图。由解析几何可知，当一个半径为R的
12、滚圆，沿纵坐标从起始点A0 匀速纯滚动时，圆周上点A的运动轨迹即为摆线，而点A的运动轨迹向纵坐标方向的投影即构成摆线运动规律。,摆线运动规律运动线图,推程运动方程,由于加速度曲线按正弦规律变化，故又称为正弦加速度运动规律。该种运动规律的速度与加速度曲线均连续，不产生刚性与柔性冲击，适用于高速场合,从动件的运动规律,运动规律特性分析,一、衡量运动特性的主要指标,1、最大速度 最大速度值越大，则从动件系统的动量也大。若机构在工作中遇到需要紧急停车的情况，由于从动件系统动量过大，会出现操控失灵，造成机构损坏等安全事故。因此希望从动件运动速度的最大值越小越好。,从动件的运动规律,2、最大加速度 最大加
13、速度值的大小，会直接影响从动件系统的惯性力，从动件与凸轮廓线的接触应力，从动件的强度等。因此希望从动件在运动过程中的加速度最大值越小越好。,从动件的运动规律,3、运动规律的高阶导数。 运动规律的高阶导数是否连续也是衡量运动规律特性的主要指标。 研究表明，为有效改善凸轮机构的动力学特性，减小系统的残余振动，应选取跃度连续的运动规律进行凸轮廓线设计。,二、特性指标的无量纲化,为在相同的条件下对各种运动规律的特性参数进行分析比较，通常需对运动规律的特性指标进行无量纲化。几种常用运动规律的无量纲化指标和适用场合如下表所示,从动件的运动规律,从动件的运动规律,从动件常用运动规律特性比较及适用场合,三、特
14、性指标的分析与比较,高阶导数连续性较好的运动规律，如摆线、五次多项式等，其最大速度和最大加速度值一般也较大。 具有较小的最大速度和最大加速度值的运动规律，其高阶导数往往是不连续的。 在选择或设计从动件运动规律时，根据凸轮机构的实际应用场合，在综合权衡各项特性指标的基础上作具体的分析。,从动件的运动规律,选择和设计运动规律时需注意的问题,1.根据工作要求选择或设计运动规律 当工作场合对从动件运动规律有特殊要求，且凸轮转速不太高时，从动件运动规律的选择或设计，应在满足工作要求的基础上，考虑动力特性等其他因素。,从动件的运动规律,2.兼顾运动学和动力特性两方面要求 当工作场合对从动件的运动规律有特殊
15、要求，且凸轮转速又较高时，应兼顾运动学和动力特性两方面要求，选择或设计从动件的运动规律。,3.综合考虑运动规律的各项特性指标 在满足从动件工作要求的前提下，还应在仔细权衡运动规律各项特性指标优劣的基础上，选择或设计从动件运动规律。,从动件的运动规律,在工程实际中需针对具体的设计问题，在综合考虑运动学、动力学等多方面因素的基础上来选择或设计从动件的运动规律。,组合型运动规律简介,从动件的运动规律,为满足工程实际的需要，综合几种不同运动规律的优点，设计出一种具有良好综合特性的运动规律。这种通过几种不同函数组合在一起而设计出的从动件运动规律，称为组合型运动规律。,1、修正正弦运动规律 该曲线在运动起
16、始的段和终止的段，采用周期相同的正弦函数；在两段中间的段则采用一段周期较长的简谐函数。,从动件的运动规律,2、修正梯形运动规律 用几段简谐函数使加速度成为连续曲线。加速段和减速段的加速度曲线是对称的。,组合型运动规律运动线图,凸轮廓线设计的基本原理反转法 用作图法设计凸轮廓线 用解析法设计凸轮廓线,7.3 平面凸轮廓线设计,凸轮廓线设计的基本原理反转法,平面凸轮廓线设计,为了便于绘出凸轮轮廓曲线, 应使工作中转动着的凸轮与不动的图纸间保持相对静止。 如果给整个凸轮机构加上一个与凸轮转动角度数值相等、 方向相反的“-”角速度, 则凸轮处于相对静止状态。,从动件尖底的运动轨迹就是凸轮的廓线,、尖底从动件盘形凸轮 已知：凸轮以等角速度 顺时针方向转动，凸轮基圆半径ro，导路与凸轮回转中心间的相对位置及偏距e,从动件的运动规律。,用作图法设计凸轮廓线,一、直动从动件盘形凸轮廓线设计,平面凸轮廓线设计,设计步骤 、 作从动件的位移线图 、确定从动件尖底的初始位置
