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1、,机械技术基础,第十二章 凸 轮 机 构,凸轮机构是由凸轮1、从动件2和机架3组成的高副机构，如图12-1所示。本章主要介绍凸轮机构特点、类型、应用、从动件的运动规律、凸轮机构基本尺寸的确定及盘形凸轮轮廓曲线的设计等。,第一节 凸轮机构的类型和应用,一、凸轮机构的应用和特点 图12-2内燃机配气机构凸轮机构应用广泛，尤其在机器的控制机构中应用更广。 图12-2所示为内燃机配气机构。当凸轮1匀速转动时，其轮廓将迫使从动件2(气门推杆)上、下往复移动，以控制气门有规律地开启和关闭(关闭是借助于弹簧的作用)，从而使可燃烧物质进入气缸或使废气排出。气门开启或关闭时间的长短，及其运动速度和加速度的变化规
2、律，完全由凸轮的轮廓形状决定。,图12-3所示为平网印花机的筛网升降机构。当气缸1中的活塞杆带动连杆2作水平移动时，通过固装在连杆2上的移动凸轮3，迫使滚子从动件4作上、下往复移动，带动筛网托架5升降。弹簧6的作用是保证滚子与凸轮接触。 图12-4所示为自动上料机构。当带有凹槽的凸轮1匀速转动时，通过槽中的滚子，使从动件2作往复移动。凸轮每转动一周，从动件即从储料器中推出一个毛坯并将它送到加工位置。 由以上例子可见，通常凸轮1为原动件，作等角速度转动或往复直线运动；从动件2作往复直线运动或摆动。,图12-3平网印花机筛网升降机构图12-4自动上料机构凸轮机构的主要优点是：只要适当地设计凸轮轮廓
3、，就可以使从动件实现各种预期的运动规律。结构简单、紧凑，工作可靠，设计方便，故在各种自动化机械中广泛应用。它的主要缺点是：凸轮与从动件为高副接触，易磨损，故通常用于传力不大的自动机械、仪表及各种控制、调节机构中。 二、凸轮机构的分类 凸轮机构的类型很多，通常可按如下方法分类： 1.按凸轮形状分 (1)盘形凸轮(见图12-1a)是绕固定轴线转动且具有变化向径的盘形构件，是凸轮的基本形式。,(2)移动凸轮(见图12-3)当盘形凸轮的转动中心趋于无穷远时，凸轮相对机架作直线运动，这种凸轮称为移动凸轮。 (3)圆柱凸轮(见图12-1b)将移动凸轮卷成圆柱体，即成为圆柱凸轮。 盘形凸轮和移动凸轮与从动件
4、之间的相对运动是平面运动，属于平面凸轮机构。圆柱凸轮与从动件之间的相对运动是空间运动，属于空间凸轮机构。本章主要介绍平面凸轮机构。 2.按从动件的型式分 (1)尖顶从动件(见图12-1a)尖顶能与任何形状的凸轮轮廓接触，故能实现复杂的运动规律，且结构最简单。但因尖顶易磨损，故只宜用于受力不大的低速凸轮机构，如仪表中的凸轮机构。,(2)滚子从动件(见图12-1b)滚子与凸轮之间为滚动摩擦，磨损较小，可以承受较大载荷，应用最广泛。 (3)平底从动件(见图12-2)从动件与凸轮轮廓表面之间是一平面接触。忽略摩擦时，凸轮与从动件间的作用力始终垂直于平底，受力较平稳，接触处易于形成油膜，有利于润滑，能减
5、少磨损，所以常用于高速凸轮中。但它不适宜于凹槽轮廓的凸轮机构。 3.按从动件的运动方式分 (1)直动从动件从动件作往复直线运动，若从动件的导路中心线，通过凸轮的转动中心时，称为对心直动从动件(见图12-1a)；否则称为偏置从动件(见图12-11)。 (2)摆动从动件从动件作往复摆动(见图12-1b)。,4.按凸轮与从动件的锁合方式分 凸轮机构工作时，必须保证凸轮轮廓与从动件始终接触，这种作用称为锁合。,(1)力锁合凸轮与从动件依靠重力或弹簧力始终接触(见图12-2)。 (2)形锁合凸轮与从动件依靠凸轮几何形状始终接触(见图12-4)。 实际应用中的凸轮机构通常是上述类型的不同综合。,第二节 从
6、动件的基本运动规律及选择,一、凸轮机构的运动过程及有关名称 (1)基圆以凸轮轮廓的最小向径rb为半径所作的圆，称为基圆。rb称为基圆半径。 (2)推程、行程、休止和回程如图12-5所示，凸轮以等角速逆时针方向转动，当凸轮转过角0时，凸轮轮廓按一定的运动规律，将从动件的尖顶从初始位置点A推到了最高位置点B，这个过程称为推程。从动件所走过的距离h，称为从动件的行程。当凸轮继续转动角1时，从动件的尖顶与凸轮上的圆弧BC接触，此时从动件则处于最远位置停留不动，这个过程称为远休止。当凸轮继续转动角2时，从动件在弹簧和重力的作用下，以一定的运动规律回到初始位置，这个过程称为回程。当凸轮继续转过角3时，从动
7、件静止不动，此过程称为近休止。一般推程是凸轮机构的工作行程。,图12-5尖顶直动从动件盘形凸轮机构(3)推程角、休止角和回程角在凸轮的轮廓曲线上，推程段、休止段和回程段所对应的中心角分别称为推程角(0)、休止角(1为远休止角，3为近休止角)和回程角(2)。 (4)从动件的运动规律从动件的位移、速度和加速度随凸轮转角的变化关系，称为从动件的运动规律。如果以凸轮转角或时间t为横坐标，分别以从动件的位移s、速度v和加速度a为纵坐标，即可作出凸轮转角与从动件的位移、速度和加速度变化关系曲线，称为从动件的运动线图。在绘制运动线图时，需选择长度比例尺L和角度比例尺。,二、基本运动规律 1.等速运动规律 从
8、动件在推程或回程的运动速度为定值的运动规律，称为等速运动规律。 以推程为例，设凸轮以等角速转动，当凸轮转过推程角0时，从动件的行程为h,则从动件的运动方程为,现分别以从动件的位移s、速度v和加速度a为纵坐标，以凸轮转角(或时间t)为横坐标，作s-、v-及a-线图(见图12-6a)。同理，可作出回程时从动件作等速运动的运动线图(见图12-6b)。,图12-6等速运动规律线图这种运动规律的特点是：当速度为定值时，加速度为零，惯性力也为零；但在运动开始和终止的瞬间，由于速度有突变，此时理论上的加速度值为无穷大，其惯性力将引起“刚性冲击”。因此，这种运动规律只适用于低速轻载的场合。,2.等加速等减速运
9、动规律 从动件在一个行程h中，前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动，等加速等减速运动加速度的绝对值相等，称为等加速等减速运动规律。,由匀变速运动的加速度、速度、位移方程，可得到推程段从动件的运动方程为等加速段(00/2),等减速段(0/20),由上述方程，可作出在推程时，作等加速等减速运动从动件的运动线图(见图12-7a)。同理可作出在回程时，从动件作等加速等减速运动的运动线图(见图12-7b)。由位移方程可知，位移s是二次函数，所以从动件的位移曲线为抛物线，又称其为抛物线运动规律。 图12-7等加速、等减速运动线图这种运动规律的特点是：当加速度a=常数时，从动件的加速度曲线为平行于轴的
10、直线，在曲线的端点和中点处，加速度发生有限突变，此时惯性力产生有限值的突变，结果使凸轮机构产生“柔性冲击”。因此，等加速等减速运动规律适用于中速、中载的场合。,3.简谐运动规律 当一质点在圆周上作匀速运动时，该点在这个圆直径上的投影所形成的运动，称为简谐运动。从动件作简谐运动时，其推程的运动方程为,这种运动规律的特点是：在整个运动过程，速度和加速度曲线都是连续的。但在曲线的起点和终点处加速度产生有限突变，必会产生柔性冲击，只适用于中速场合。但对升降升型运动(图12-8b中虚线所示)，加速度曲线变成连续的，无柔性冲击，可用于高速。,由运动方程可知，这种运动规律的加速度曲线为余弦曲线，又称其为余弦
11、加速度运动规律。图12-8a和图12-8b分别为作简谐运动的从动件在推程段和回程段的运动线图。,三、运动规律的选择 凸轮轮廓曲线完全取决于从动件的运动规律，因此正确选择从动件的运动规律是凸轮设计的重要环节。选择从动件的运动规律时，要综合考虑机械的工作要求、动力特性和加工制造等。 (1)满足工作要求根据工作要求选择从动件的运动规律。例如，对于内燃机中控制气门启闭的凸轮机构，要求气门的启闭越快越好，全开的时间越长越好，并希望降低气阀机构的冲击和噪声，故要求从动件作等加速等减速运动。 (2)加工制造方便当机器的工作过程对从动件的运动规律没有特殊要求时，对于低速凸轮机构主要考虑便于凸轮的加工，如夹紧送
12、料等凸轮机构，可只考虑方便加工，采用圆弧、直线等组成的凸轮轮廓。 (3)动力特性要好对于高速凸轮机构，主要考虑减小冲击选择从动件的运动规律。,第三节 凸轮机构基本尺寸的确定,设计凸轮机构，不仅要保证从动件能实现预期的运动规律，而且还要求动力性能好，结构紧凑。这些要求与压力角、基圆半径、滚子半径等有关。本节主要讨论这些问题。 一、压力角及许用值 尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构(见图12-9)，当忽略摩擦时，凸轮作用于从动件的力F是沿着法线nn方向，它与从动件在该点的运动速度v方向之间所夹锐角，称为凸轮机构的压力角，用表示。显然，凸轮轮廓上各点的压力角是不同的。 将力F分解为,式中，F1是推动从动
13、件运动的有效力；F2是侧推力，是有害力。 图12-9凸轮机构的压力角显然，角越小，有效力越大，有害力越小，凸轮运转越轻快,传力性能越好。当角增大时，有效力减小，有害力增大，从而使从动件在导路中的侧压力增加，致使导路中的摩擦力也增大，使机构的效率降低，凸轮运转沉重。当角增大到一定程度时，致使有害力所引起的摩擦阻力大于有效力时，那么，无论凸轮作用于从动件的力多大，从动件都不能运动，这种现象称为自锁。,由以上分析可知，为了防止凸轮机构产生自锁，保证机构有良好的传力性能，必须限制凸轮在推程的max，应使,式中，是许用压力角。 一般推程段，凸轮机构的可以如下取值：,凸轮机构的最大压力角max，一般出现在
14、推程的起始位置、理论廓线上比较陡和从动件最大速度的轮廓附近。设计时，可用量角器检验(见图12-10)。 如果max时， 可采用偏置从动件凸轮机构(见图12-11)或增大凸轮基圆半径rb(见图12-12)，以减小max的值，满足使用要求。,二、基圆半径 基圆半径是凸轮设计中的一个重要参数。它对凸轮机构的结构尺寸、传力性能、运动性能等都有影响。目前，凸轮基圆半径常用下述两种方法确定。 (1)根据凸轮的结构确定rb若凸轮与轴做成一体(凸轮轴)时,若凸轮单独制造时,式中，rb是基圆半径(mm)；rT是滚子半径(mm)(图12-17b)；r是凸轮轴的半径(mm)；rk是凸轮轮毂的半径(mm)，一般rk=
15、(1.52)r。 若凸轮机构不是滚子从动件时，式(12-6)和式(12-7)中的rT可不计。 (2)根据max确定基圆半径rb图12-13所示为工程上常用的诺模图。根据max来确定最小基圆半径rbmin。图中上半圆标尺代表凸轮的推程运动角0，下半圆标尺代表最大压力角max，直径标尺代表从动件运动规律的h/rb值。下面举例说明诺模图的使用方法。,图12-13,第四节 凸轮轮廓曲线的设计,根据机器的工作要求，选择从动件运动规律，确定了基圆半径，即可设计凸轮的轮廓。凸轮轮廓曲线的设计，有图解法和解析法两种。图解法直观、方便，但精确度低，只适用于低速运转，运动精度要求低的凸轮机构。解析法精确度高，适于
16、用计算机计算。本节主要介绍图解法。,一、图解法的原理 图解法设计凸轮轮廓曲线，是以相对运动原理为基础的。当凸轮机构工作时，凸轮是运动的图12-15“反转法”原理，而绘制凸轮轮廓曲线时，应使凸轮相对静止。如图12-15所示，设想给整个凸轮机构，加一个与凸轮角速度大小相等，转向相反的公共角速度“-”，则凸轮处于相对静止状态，而从动件一方面随同机架以“-”角速度绕点O转动，另一方面又按已知的运动规律在导路中作往复移动。由于从动件的尖顶始终与凸轮的轮廓保持接触，所以从动件在反转过程中，其尖顶的运动轨迹，就是凸轮轮廓曲线。这就是凸轮轮廓设计的“反转法”原理。,二、对心直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计 1.尖顶从动件 已知凸轮基圆半径rb=30mm，凸轮以等角速度顺时针方向转动，从动件的运动规律为：,设计作图步骤： 1)选取比例尺
