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1、5.1 概述 5.2 常用从动件的运动规律 5.3 盘形凸轮轮廓的设计方法与加工方法 5.4 凸轮机构基本尺寸的确定,第5章 凸轮机构,5.1 概述,凸轮机构由凸轮、从动件和机架三部分组成。,凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，他通过与从动件的高副接触，在运动时可以使从动件获得连续或不连续的任意预期运动。,凸轮机构是高副机构，易于磨损，因此只适用于传递动力不大的场合。,凸轮结构的优点是： 只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使从动件得到各种预期的运动规律； 结构简单、紧凑，运动可靠。 凸轮结构的缺点是： 由于凸轮轮廓与从动件之间为点接触或线接触，故压强较大，容易磨损，而且凸轮轮廓曲线的加工比
2、较困难。,5.1 概述,示例一,5.1.1 凸轮机构的应用,内燃机配气机构,示例二,5.1 概述,靠模车削机构,5.1 概述,示例三,分度转位机构,5.1 概述,5.1.2 凸轮机构的分类,按照凸轮的形状不同可把凸轮分为以下几种：,盘形凸轮,移动凸轮,圆柱凸轮,曲面凸轮,按照凸轮的锁合方式可把凸轮分为以下几种：,力锁合,形锁合,按照从动件的结构型式分： 尖顶从动件,滚子从动件,平底从动件,5.1 概述,5.1.3 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。,对凸轮和滚子的材料要求：,工作表面硬度高 耐磨 有足够的表面接触强度 凸轮芯部有较强的韧性,常用的凸轮材料： 40Cr、 20
3、Cr、 40CrMnTi,常用的滚子材料： 20Cr或者滚动轴承,从动件的位移、速度和加速度的变化规律，全面地反映了从动件的运动特性及其变化的规律性，称为从动件的运动规律。 凸轮的轮廓形状决定了从动件的运动规律。反之，从动杆不同的运动规律，要求凸轮具有不同形状的轮廓曲线。 所以在设计凸轮时，重要的问题之一，就是根据工作要求和条件选择从动件的运动规律。下面简单地讨论一下从动杆常用的运动规律及其选择。,5.2 常用的从动件运动规律,5.2.1 平面凸轮机构的基本尺寸和运动规律,一、凸轮机构的基本参数,图示为一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构。 基本概念： 基 圆：以凸轮回转中心O1为圆心，以凸轮轮廓
4、的最小向径r0为半径所作的圆称为基圆，基圆半径用r0表示。,5.2 常用的从动件运动规律,推程：尖顶与凸轮轮廓上的A点（基圆与轮廓AB的连接点）相接触，该点为从动件上升的起点。当凸轮以等角速度沿逆时针方向回转角时，从动件被凸轮轮廓推动，以一定的运动规律由离O1点最近位置A上升到最远位置B点，此过程称为推程。,5.2 常用的从动件运动规律,推程运动角：从动件被凸轮推动，以一定运动规律，从最近位置到达最远位置，从动件在这过程中经过的距离h称为升程，对应的凸轮转角称为推程运动角。 远休止角：当凸轮继续回转s时，以O1为中心的圆弧BC与尖顶相作用，从动件在最远位置B点停留不动。此时凸轮转过的这个角度S
5、，称为远休止角。,5.2 常用的从动件运动规律,回程运动角： 凸轮再继续回转角，从动件在弹力或重力作用下，以一定运动规律从最远位置回到起点，这段行程称为回程，对应的凸轮转角称为回程运动角。 近休止角：当凸轮继续回转s时，从动件在最低位置停留不动。此时凸轮转过的角度s 称为近休止角。 凸轮连续回转时，从动件 重复上述过程。,5.2 常用的从动件运动规律,5.2 常用的从动件运动规律,5.2.1 平面凸轮机构的基本尺寸和运动参数,图为对心尖顶从动件盘形凸轮机构，凸轮回转时，从动件重复升停降停的运动循环。,从动件的位移s与凸轮转角a的关系可以用从动件的位移线图来表示，如右图所示。,从动件的运动规律是
6、指从动件的位移s、速度v和加速度a的变化规律。 从动件的运动规律取决于凸轮轮廓的曲线形状。,尖顶对心移动从动件盘形凸轮机构,5.2 常用的从动件运动规律, 等速运动规律,等速运动规律,5.2 常用的从动件运动规律,5.2.2 常用的从动件运动规律,运动特性：由于速度为一常数，所以从动件的速度线图为一平行于横轴的直线，惯性力等于零。但在运动开始，由于速度突变，此时理论上的加速度值为+和-（由于材料的弹性等因素的存在，实际上并不能达到无穷大）。由牛顿第二定律可知：从动件所受惯性力F=ma（其中m为从动件的质量）。理论上无穷大的惯性力F致使凸轮受到很大的冲击，即刚性冲击(俗称硬冲），故等速运动只适用
7、于小功率、低速及从动件质量不大的场合。, 等速运动规律,注:等速运动规律是一种基本的运动规律。在实际应用中，为了避免等速运动规律在推程的起点和终点的刚性冲击，通常可用具有过渡曲线的改进型的等速运动规律，如图所示，对位移曲线进行修改。运动规律经过这样的改进后，在BC段内，速度均匀不变，在AB、CD段内，速度是个渐变过程，但在A、B、C、D点的加速度是个有限数值，所以冲击要小得多。, 等速运动规律, 等加速-等减速运动规律,等加速运动方程,等减速运动方程,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
8、此而引起的冲击称为柔性冲击。 适用场合：中速、轻载的凸轮机构。, 等加速-等减速运动规律, 余弦加速运动规律,运动特性及应用：按这种运动规律运动的整个过程，速度和加速度都是连续的，但在始、末两点加速度有有限突变，故也有柔性冲击。 故一般只适用于中速、中载场合。, 余弦加速运动规律, 正弦加速运动规律,运动特性及应用：按这种运动规律运动的整个过程，从动件无速度和加速度的突变，因此不产生冲击。 故可用于高速场合。, 正弦加速运动规律,5.2.3 从动件运动规律的选择,5.2 常用的从动件运动规律,在选择从动件的运动规律时，应根据机器工作时的运动要求来确定。,对无一定运动要求，只需要从动件有一定位移
9、量的凸轮机构。,对于高速机构，应减小惯性力、改善动力性能，可选用正弦加速度运动规律或其他改进型的运动规律。,根据工作要求合理地选择了从动杆的运动规律之后，可以按照所允许的空间和具体要求，初步确定凸轮的基圆半径，然后设计凸轮的轮廓。凸轮的轮廓曲线设计方法一般有两种：图解法（作图法）和解析法。 图解法直观简单、可直接得出凸轮的轮廓；但是精度低，有一定的误差，但是能够满足一般工程的需要，采用较多。 解析法一般用于精密或高速凸轮机构中。 “反转法”：当凸轮机构工作时，凸轮是运动的，而绘制凸轮轮廓时，却需凸轮与图纸相对静止。所以用图解法绘制凸轮轮廓曲线要利用相对运动原理。,5.3 盘形凸轮轮廓的设计方法
10、与加工方法,5.3 盘形凸轮轮廓的设计方法与加工方法,5.3.1 反转法原理,条件：凸轮加角速度w,从动件与导路绕角速度-w (大小相等、方向相反)绕凸轮转动,凸轮静止不动,从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线,从动件相对导路移动,对于滚子从动件，则滚子中心可看作是从动件的尖顶，其运动轨迹就是凸轮的理论轮廓曲线，凸轮的实际轮廓曲线是与理论轮廓曲线相距滚子半径rT的一条等距曲线。,A,对心直动尖顶推杆凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径r0，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r0。,反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。,确定反转后，从动件尖顶在各等分点的位置
11、。,将各尖顶点连接成一条光滑曲线。,1)对心直动尖顶推杆盘形凸轮,对心直动滚子推杆凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径r0，角速度和推杆的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,作各位置滚子圆的内(外)包络线(中心轨迹的等距曲线)。,2)对心直动滚子推杆盘形凸轮,理论轮廓,实际轮廓,对心直动平底推杆凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径r0，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。,3)对心直动平底推杆盘形凸轮,偏置直动尖顶推杆凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径r0，角速度和推杆的运动规律和偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。,4)偏置直动尖顶推杆盘形凸轮,摆动尖顶推杆凸轮机构中，已知凸轮的基圆
12、半径r0，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。,5)摆动尖顶推杆盘形凸轮机构,5.3 盘形凸轮轮廓的设计方法与加工方法,5.3.4 凸轮轮廓的加工,凸轮轮廓的加工方法通常有两种,1.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。,2.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,y坐标，并将xOy坐标系的原点换
13、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。,5.4 凸轮机构基本尺寸的确定,5.4.1 凸轮机构的压力角,从动件的运动方向和凸轮作用于它的法向力Fn方向之间所夹的角a称为压力角。,由上述关系式知，压力角a愈大，有效分力y愈小，有害分力x愈大。当a角大到某一数值时，必将会出现FyFx的情况。这时，不论施加多大的Fn力，都不能使从动件运动，这种现象称为自锁。因此，为了保证凸轮机构的正常工作，必须对凸轮机构的压力角进行限制。,推荐压力角数值,移动从动件a=30,摆动从动件a=45,回程中，一般不会有自锁现象，压力角取值为,a=7080,5.4凸轮机构基本尺寸的确定,5.4.2 基圆半
14、径的确定,设计凸轮时，基圆半径取值较小时，可使凸轮机构结构紧凑，但基圆半径取得过小时凸轮的压力角会增大。,A点:,即,在ABD中,导路在凸轮轴的左边时，式中分子部分取“”，凸轮顺时针转动时，符号取法与上述相反,5.4 凸轮机构基本尺寸的确定,在给定运动规律时，合理设计偏距可减小压力角，增大基圆半径也可以减小压力角。,在设计凸轮时，先根据条件确定基圆半径r0。制作凸轮轴时，r0略大于轴的半径；单独制造凸轮时，r0=(1.62)r。,5.4 凸轮机构基本尺寸的确定,5.4.3 滚子半径的确定,凸轮轮廓曲线形状与滚子半径的关系,r = r + rr,当理论廓线内凹时,此时，无论滚子半径大小，凸轮工作
15、轮廓总是光滑曲线(如图a),a工作轮廓的曲率半径，理论轮廓的曲率半径， rr滚子半径,arr, rr,arr,rr,arr0,rr,arr0,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 rr,5.4 凸轮机构基本尺寸的确定,5.4.3 滚子半径的确定,当理论廓线外凸时(可分为三种情况),r = r - rr,1) r rr时 r 0这时所得的凸轮实际轮廓为光滑的曲线(如图b),2) r = rr 时r = 0，实际轮廓线变尖，极易磨损，不能使用(如图c)。,3) r rr 时r 0， ，即实际曲线出现交叉会出现失真(如图d)。,5.4 凸轮机构基本尺寸的确定,5.4.3 滚子半径的确定,为了避免失真并减小磨损，要求滚子半径rT 与理论轮廓线最小曲率半径r min满足rT 0.8 r min ，并使实际轮廓线的最小半径r min (35)mm。若满足不了该要求，可增大基圆半径或修改从动件的运动规律。,
