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1、凸轮机构,一、凸轮机构的应用及特点,1凸轮机构的应用凸轮机构是由凸轮、从动件、机架以及附属装置组成的一种高副机构。常用于将主动件的连续转动变为从动件往复移动或摆动。能使从动件获得任意预先给定的运动规律，因而广泛用于各种机械、仪表和操作装置中。下面我们先看凸轮使用的实例。,从动件,机架,锁合装置,凸轮,凸轮机构的组成,2.凸轮机构的特点： （1）只要正确地设计凸轮的轮廓曲线， 就可使从动件实现往复的运动规律，结构简单、紧凑； （2）凸轮与从动件为点或线接触，易磨损，一般仅用于传动功率不大的场合； （3）从动件的工作行程较短； （4）凸轮的轮廓曲线设计和加工比较困难。,二、凸轮机构的分类 根据凸轮
2、及从动件的形状和运动形式的不同，凸轮机构的分类方法有以下四种： 1按凸轮的形状分类 （1）盘形凸轮：如图所示，这种凸轮是一个具有变化向径盘形构件，当它绕固定轴转动时，可推动从动件在垂直与凸轮轴的平面内运动。,（2）移动凸轮：如图所示，当盘状凸轮的径向尺寸为无穷大时，则凸轮相当于作直线移动，称作移动凸轮。当移动凸轮做直线往复运动时，将推动推杆在同一平面内作上下的往复运动。,（3）圆柱凸轮：如图所示，这种凸轮是在圆柱端面上作出曲线轮廓或在圆柱面上开出曲线凹槽。当其转动时，可使从动件在与圆柱凸轮轴线平行的平面内运动。这种凸轮可以看成是将凸轮卷绕在圆柱上形成的。,由于前两类凸轮运动平面与从动件运动平面
3、平行，故称平面凸轮，后一种我们就称为空间凸轮。,2按从动件的形状分类根据从动件与凸轮接触处结构形式的不同，从动件可分为三类：,（1）尖顶从动件； （2）滚子从动件； （3）平底从动件。,（1）尖顶从动件：这种从动件结构简单，但尖顶易于磨损（接触应力很高），故只适用于传力不大的低速凸轮机构中。,（2）滚子从动件：由于滚子与凸轮间为滚动摩擦，不易磨损，可以实现较大动力的传递，应用最为广泛。,（3）平底从动件：这种从动件与凸轮间的作用力方向不变，受力平稳。在高速情况下，凸轮与平底间易形成油膜而减小摩擦与磨损。其缺点是：不能与具有内凹轮廓的凸轮 配对使用；也不能与移动凸 轮和圆柱凸轮配对使用。,应用实
4、例：,三、凸轮机构从动件的运动规律,通过上面的介绍已经知道，凸轮机构是由凸轮旋转或平移带动从动件进行工作的。所以设计凸轮结构时，首先就是要根据实际工作要求确定从动件的运动规律，然后依据这一运动规律设计出凸轮轮廓曲线。由于工作要求的多样性和复杂性，要求推杆满足的运动规律也是各种各样的。下面我们将介绍几种常用的运动规律。为了研究这些运动规律，我们首先介绍一下凸轮机构的运动情况和有关的名词术语。,1、基圆：,凸轮理论轮廓上最小向径为半径所画的圆。,凸轮机构有关名词术语,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,3、推程：,4、升程：,从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定
5、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、运休止角：,t = AOB（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
6、于凸轮轮廓曲线的形状。,1、推程：,2、升程：,3、 推程运动角：,4、 运休止角：,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凸轮,h,t,s,h,s,当凸轮沿顺时针转动一周时，推杆的运动经历了四个阶段：静止、上升、静止、下降，其位移曲线如图所示。这是最常见、最典型的运动形式。,从动件的运动规律分析常见的从动件运动规律有：等速运动、等加速等减速运动、正弦加速度运动、余弦加速度运动等等,等速运动,从动件在运动过程中速度为常数，而在运动的始、末点处速度产生突变，理论上加速度为无穷大，产生无穷大的惯性力，机构将产生极大的冲击，称为刚性冲击，此类运动规律只适用于低速运动
7、的场合。,等加速等减速运动,从动件在运动过程中加速度为常数。而在运动的始末点处加速度有突变，产生较大的加速度和惯性力，由此而引起的冲击称为柔性冲击，这种运动规律只适用于中速运动的场合。,余弦加速度运动,又名简谐运动规律。从动件在整个运动过程中速度皆连续，但在运动的始、末点处加速度有突变，产生柔性冲击，因而也只适用于中速运动的场合。,正弦加速度运动,又名摆线运动规律。从动件在整个运动过程中速度和加速度皆连续无突变，避免了刚性冲击和柔性冲击，可以用于高速运动的场合。,组合运动规律简介,在工程实际中，为使凸轮机构获得更好的工作性能，经常采用以某种基本运动规律为基础，辅之以其他运动规律与其组合，从而获
8、得组合运动规律。 当采用不同的运动规律组合成改进型运动规律时，它们在连接点处的位移、速度和加速度应分别相等；这就是两运动规律组合时必须满足的边界条件。,四、压力角与基圆半径,1、压力角及其许用值当不考虑摩擦时，凸轮作用于从动件的驱动力F是沿法线方向传递的。此力可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“ 。驱动力F与有用分力 F之间的夹角a（或接触点法线与从动件上力作用点速度方向所夹的锐角）称为凸轮机构在图示位置时的压力角。,F,P,F,P,F“ F tg ,F一定时， 压力角越大 ，有害分力 F“越大，由F引起的导路中的摩擦阻力也愈大，故凸轮推动从动件所需的驱动力也
9、就愈大。机构的效率越低。,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。,因此，实际设计中规定了压力角的许用值a。 对摆动从动件，通常取a=4050 ； 对直动从动件通常取a=3040。,2、基圆半径的选择当凸轮机构配置情况、偏距e及从动件运动规律确定之后，基圆半径r0愈小，压力角a愈大。欲结构紧凑应使基圆尽可能小，但基圆太小又会导致压力角超过许用值。因压力角是机构位置的函数，必有某个位置出现最大压力角amax。设计时应在amaxa的前提下，选取尽可能小的基圆半径。,表 3-1 从动件运动
10、规律特性比较,五、凸轮的材料、结构及固定方法 1、凸轮的材料凸轮工作时，往往受到冲击载荷，同时凸轮表面会有严重的磨损。其磨损值在轮廓上各点均不相同，因此在轮廓磨损后，它所传递的运动规律将发生变化。为了减少机构的磨损，要恰当地选择材料和热处理。由上述可知，要求凸轮表明硬度高，以达到耐磨的目的。而心部有较好的韧性，能承受冲击载荷。,目前，大多数凸轮用碳钢制造。 尺寸不大的凸轮用45号钢或40Cr钢制造，进行调质或表面淬火，淬硬到HRC5258；要求较高时，也可以用15号钢或20Cr钢制造，采用渗碳淬火。淬硬到HRC5662，淬碳深度一般为0.81.5mm。重要的凸轮可用35CrMo钢或38CrMo
11、AlA钢进行渗氮处理，使表明硬度达到HRC6067，以增高凸轮表面的耐磨性。尺寸较大的凸轮（直径300mm或厚度30mm）或者是轻载的凸轮，可用优质灰铸铁；载荷较大时，可用耐磨铸铁。,在家用电器、办公设备、仪表等产品中常用塑料作凸轮材料。一般使用共聚甲醛、聚砜、聚碳酸脂等，主要利用其成型简单、耐水、耐磨等优点。,滚子材料的选择主要考虑机构所受的冲击载荷和磨损等问题。可采用与凸轮同样的材料。实际上滚子大多采用45号钢，也可用碳素工具钢T8，T10等制造，采用渗碳淬火，淬硬到HRC5559。要求高的滚子可用20Cr钢制造，采用渗碳淬火。淬硬到HRC5662。某些轻载设备也可用尼龙作滚子材料。,凸轮
12、材料及其热处理,2、凸轮的结构a凸轮轴： 凸轮轮廓尺寸小且接近轴径时。,b整体式： 尺寸较小，无特殊要，不需经常拆卸时，一般采用平键联接。键槽应开在凸轮半径最大的部分。 它具有加工方便，精度高和刚性好的优点。凸轮轮廓尺寸的推荐值为：,C可调式： 对于大型低速凸轮机构的凸轮、或经常调整轮廓形状的凸轮，常用组合凸轮结构，如图所示。 图a所示为凸轮与轮毂分开的结构，利用圆弧槽可调整轮盘与轮毂的相对角度；从而调整凸轮上从动件的起始位置。,图b为另一种可调式凸轮。凸轮由两个凸轮片组成，可以通过调整凸轮盘之间的相对位置来改变从动件在最远位置停留的时间长短。,如图所示为一种快速拆卸的凸轮机构。 这种结构宜用于要求经常拆卸的地方。,凸轮与轴的固定可采用紧定螺钉、键及销钉等方式，如图所示。精度要求不高的情况下可采用键固定，见图a所示。销固定见图b所示，通常是在装配时调整好凸轮位置后，配钻定位销。,3、凸轮在轴上的固定方法,如图为用紧定螺钉定位后，再用锥销固定。 这种方法可用于传力较大的场合。 但装好后不能再调整。,如图为用开槽锥形套筒固定。 这种方法调整灵活性的大，但不能用于受力大的结构。,如图为用细齿面离合器固定。 这种方法调整方便，传力也大，但结构复杂。,
