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1、第六章 凸 轮 机 构,在机器和仪器中，有时候要求其中某些从动件的位移、速度或加速度按照预定的运动规律变化。这种要求，利用连杆机构不便实现，而凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，它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，设计比较简便。,【基本要求】 (1) 了解凸轮的类型、特点及应用。 (2) 了解凸轮机构常用运动规律的特点和应用。 (3) 掌握对心直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制和校核压力角的方法,【重点和难点】 (1) 凸轮机构的类型、特点和应用。 (2) 凸轮机构常用的运动规律。 (3) 盘形凸轮轮廓曲线的绘制。 (4) 凸轮的常用材料及结构。,第一节 凸
2、轮机构的应用与分类,一、凸轮机构的应用,在机器中，为了实现各种复杂的运动要求经常用到凸轮机构，在自动化和半自动化机械中应用更为广泛。 图6-1所示为内燃机配气凸轮机构。凸轮1以等角速度回转，它的轮廓驱使从动件2(阀杆)按预期的运动规律启闭阀门。,从以上的例子可以看出：凸轮机构主要由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。 凸轮机构的优点为：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到所需的运动规律，并且结构简单、紧凑、设计方便。它的缺点是凸轮轮廓与从动件之间为点接触或线接触，易于磨损，所以通常用于传力不大而需要实现特殊运动规律的场合。,二、凸轮机构的分类,凸轮机构的形式很多，不同形式的凸轮机构由不同类
3、型的凸轮和从动件所组成。 1.按凸轮的形状分类 (1) 盘形凸轮 盘形凸轮是一个绕固定轴转动并具有变化半径的盘形零件，是凸轮最基本的形式。当凸轮转动时，推动推杆在垂直于凸轮轴线的平面内运动。 (2) 移动凸轮 当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，盘形凸轮变成了移动凸轮，其底面是平面，顶面是波状起伏的曲面。当移动凸轮左右移动时，将推动从动件作有规律的运动(直动或摆动)。 (3) 圆柱凸轮 圆柱凸轮可看成是将移动凸轮卷成圆柱体而得到的。这种凸轮是在圆柱面上开有曲线凹槽或在圆柱端面上做出曲线轮廓，转动时使推杆在平行其轴线或包括其轴线的平面内运动，属于空间凸轮机构。,2.按从动件的运动方式分类 按从动件
4、的运动方式可分为直动从动件(对心直动从动件和偏置直动从动件)和摆动从动件两种。,3.按从动件的形状分类 (1) 尖顶从动件 尖顶从动件结构简单，能实现任意预期的运动规律。尖顶与凸轮是点接触，磨损快，只宜用于受力不大的低速凸轮机构。 (2) 滚子从动件 从动件以铰接的滚子与凸轮轮廓接触，滚子与凸轮轮廓间为滚动摩擦，耐磨损，可以承受较大的载荷，是从动件中最常用的一种形式。 (3) 平底从动件 从动件与凸轮轮廓表面接触的端面为平面，不能与内凹或直线轮廓相接触。这种接触状态在接触处易形成油膜，利用油润滑减少磨损，且由于凸轮与从动件之间的作用力始终与从动件的平底相垂直，传动效率较高，常用于高速凸轮机构中
5、。,4.按锁合方式分类 为了保证凸轮机构能正常工作，必须始终保持从动件与凸轮轮廓相接触，称为锁合。 (1) 力锁合凸轮机构 靠重力、弹簧力或其他外力使从动件与凸轮始终保持接触的凸轮机构称为力锁合凸轮机构。 (2) 形锁合凸轮机构 利用高副元素本身的几何形状使从动件与凸轮始终保持接触的凸轮机构称为形锁合凸轮机构。,第二节 从动件的常用运动规律,一、凸轮与从动件的运动关系,设计凸轮机构时，首先应根据工作要求确定从动件的运动规律，然后按照这一运动规律确定凸轮轮廓线。如图6-3a所示，以凸轮轮廓的最小向径rmin(凸轮轮廓上任意一点到回转中心之间的距离)为半径所绘的圆称为基圆，基圆与凸轮轮廓线有两个连
6、接点A和D。A点为从动件处于上升的起始位置。当凸轮以1等角速度绕O点逆时针回转时，从动件从A点开始被凸轮轮廓以一定的运动规律推动，由A到达距O点最远位置B，从动件由A到B,二、从动件常用的运动规律,从动件在升程和回程中常用的运动规律如下。 1.等速运动规律 凸轮角速度1为常数时，从动件速度不变，称为等速运动规律。位移方程可表达为s=h1t/0，如图6-4所示为等速运动规律的位移(图6-4a)、速度(图6-4b)、加速度线图(图6-4c)。对于等速运动规律，起点和终点瞬时的加速度a为无穷大，因此产生刚性冲击，应用于中、小功律和低速场合。,推程时从动件的运动规律方程为,回程时从动件的运动规律方程为
7、,为避免由此产生的刚性冲击，实际应用时常用圆弧或其他曲线修正位移线图的始、未两端，修正后的加速度a为有限值，此时引起的有限冲击称为柔性冲击。,2.等加速、等减速运动规律 等加速、等减速运动规律是指在前半程用等加速运动规律，后半程采用等减速运动规律，两部分加速度绝对值相等。对前半程，当凸轮转过角度为时，运动方程为,后半程运动方程为,三、余弦加速度运动规律,余弦加速度运动规律(又称简谐运动规律)的加速度曲线为1/2个周期的余弦曲线，位,移曲线为简谐运动曲线，运动方程为,如图6-7所示为余弦加速度运动规律位移线图、速度线图和加速度线图。余弦加速度运动规律在运动起始和终止位置，加速度曲线不连续，存在柔
8、性冲击，用于中速场合。但对于升降升型运动的凸轮机构，加速度曲线变成连续曲线，则无柔性冲击，可用于较高速场合。,第三节 图解法设计盘形凸轮的轮廓曲线,在合理地选择从动件的运动规律之后，根据工作要求、结构所允许的空间、凸轮转向和凸轮的基圆半径，就可设计凸轮的轮廓曲线。设计方法通常有图解法和解析法。图解法简单、直观，但精度有限，因此用于低速或精度要求不高的场合。解析法精度较高，适用于高速或精度要求较高的场合。本节介绍几种常见的凸轮轮廓的绘制方法。,一、基本原理,根据相对运动原理，对于如图6-8所示的凸轮机构，如果给整个机构加上一个公共角速度-，则凸轮静止不动，而从动件连同导路将沿-方向沿导路移动与凸
9、轮转角相对应的位移。显然，在这种复合运动中，从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。这就是用图解法绘制凸轮轮廓曲线的基本方法，称为“反转法”，如图6-8所示为其原理图。,二、尖顶对心移动从动件盘形凸轮,如图6-9a所示为从动件导路通过凸轮回转中心的尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构。已知从动件的位移线图(图6-9b)、凸轮的基圆半径rb(最小半径rmin)，凸轮以等角速度1顺时针回转，要求绘出此凸轮的轮廓。,三、滚子直动从动件盘形凸轮,把尖顶从动件改为滚子从动件时，凸轮轮廓设计方法如图6-10所示。首先，把滚子中心看作尖顶从动件的尖顶，按照上面的方法求出一条轮廓曲线0；然后以0上各点为圆心，以滚子
10、半径为半径，画一系列圆；最后作这些圆的包络线，它便是使用滚子从动件时凸轮的实际轮廓，而0称为凸轮的理论轮廓。由作图过程可知，滚子从动件凸轮基圆半径rb应在理论轮廓上度量。,四、偏置从动件盘形凸轮,当凸轮机构的构造不允许从动件轴线通过凸轮轴心，或者为了获得较小的机构尺寸，机械中有时采用偏置从动件盘形凸轮机构。此外，若为平底从动件，采用偏置的方法还可使从动件得到微小的转动，以减少平底与凸轮间的摩擦。,五、图解法绘制凸轮轮廓的注意事项,1) 由于应用反转法绘制轮廓曲线，所以一定要沿-方向在基圆周上按位移线图的顺序截取分点，否则将不符合给定的运动规律。 2) 凡绘制同一轮廓的有关长度尺寸(从动件位移s
11、、基圆半径rb、滚子半径rr等)，必须用同一长度比例尺画出。 3) 取分点越多所得的凸轮轮廓越准确，实际作图时取分点的多少可根据对凸轮工作的准确度的要求适当决定。 4) 连接各分点的曲线必须圆滑。,第四节 凸轮机构设计中应注意的问题,设计凸轮机构时，不仅要保证从动件实现预定的运动规律，还要求传动时受力良好、结构紧凑。选择凸轮滚子半径时，应考虑其对凸轮轮廓的影响；基圆半径是凸轮轮廓的一个重要参数，它对凸轮机构尺寸、受力、磨损和效率有重要的影响。,一、滚子半径的选择,从减少凸轮与滚子间的接触应力的角度来看，滚子半径越大越好，但是必须注意，滚子半径增大后对凸轮实际轮廓曲线有很大影响。如图6-10所示
12、，设理论轮廓外凸部分的最小曲率半径为min，滚子半径为rT，则相应位置实际轮廓的曲率半径为=min-rT。,二、压力角的校核,凸轮机构也和连杆机构一样，从动件运动方向和接触轮廓法线方向之间所夹的锐角称为压力角。如图6-14所示为尖顶直动从动件凸轮机构。当不考虑摩擦时，凸轮给从动件的作用力R是沿法线方向的，从动件运动方向与R方向之间所夹的锐角即压力角。R可分解为沿从动件运动方向的轴向分力R和与之垂直的侧向分力R，且,三、基圆半径的确定,如果从动件位移已给出，增大基圆半径rb，则凸轮上各点对应的向径也增大，凸轮机构的尺寸也会增大。所以凸轮的基圆半径应尽可能取得小些，以使所设计的凸轮机构尽可能紧凑些。显然，基圆半径rb越大，凸轮推程轮廓越平缓，压力角也越小；而基圆半径越小，凸轮推程轮廓越陡峻，压力角也越大，致使机构工作情况变坏。从压力角的计算公式可以清楚地看到基圆半径对压力角的影响。,在其他条件都不变的情况下，基圆半径rb过小，压力角就会超过许用值，使机构效率太低，甚至发生自锁。因此实际设计中，只是在保证凸轮推程轮廓的最大压力角不超过许用值的前提下，考虑缩小凸轮的尺寸。 基圆半径与压力角的关系为,具体的基圆半径可利用诺模图确定：由最大压力角max和凸轮转角的度数连直线得出。,
