机械设计基础 第三章 凸轮机构
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机械设计第3章凸轮机构设计PPT课件
4. 自动卡具
5. 自动进刀机构
1. 优点
(1) 结构紧凑； (2)可使从动件得到各种预期 的运动规律。
2. 缺点
(1) 高副接触，易于磨损， 多用于传递力不太大的场合； (2) 加工比较困难； (3) 从动件行程不宜过大，否 则会使凸轮变的笨重。
1.按凸轮形状（1）-- 盘形凸轮 凸轮是个绕固定
3.按锁合的型式（2）-- 形锁合4/5 等宽凸轮
3.按锁合的型式（2）-- 形锁合5/5 优点：避免弹簧附加阻力， 减小驱动力提高效率 缺点：机构外廓尺寸大， 设计工作复杂
4.按从动件运动形式（1）-- 摆动1/2
4.按从动件运动形式（1）-- 摆动2/2
4.按从动件运动形式（2）-- 直动
o
δ0 δ
a
oA
δ0
Bδ
存在两处刚性冲击 低速轻载
机床进刀机构
六、从动件的运动规律
5.等加速等减速运动规律（1）--图形分析
s
h/2
ｏ
h/2
δ0 δ
v
2hω/δ0
ｏ
δ
两段抛物线 两段斜直线
a
ｏA
B
4hω2/δ02
Cδ
ABC三处柔性冲击
六、从动件的运动规律
5.等加速等减速运动规律（2）--运动方程
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一、凸轮机构的定义
凸轮是一种具有曲 线轮廓或凹槽的构件 ，通过高副与从动件 接触，运动时可使从 动件获得连续或者不 连续的任意预期往复 运动
从动件 凸轮
机架
1. 理论描述
当从动件的位移、速度、加速度必须严 格按照预定规律变化时，常用凸轮机构。
1. 内燃机配气机构
2. 靠模
机械设计基础第三章凸轮机构
n
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。
压力角的大小反映了机构传力性能的好坏，是 机构设计的重要参数。为使凸轮机构工作可靠，受 力情况良好，必须对压力角加以限制。 在设计凸 轮机构时，应使最大压力角αmax不超过许用值［ α］。根据工程实践的经验，许用压力角［α］的
B
C
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。
8、回程运动角：
与回程相应的凸轮转角δh。 δh =∠COD
9、近休止角：
从动件在最近位置停止不 动所对应的凸轮转角δs'。
δs' =∠AOD
O
B'
h
A
δs' D δt
δh δs
w
B
C
10、从动件位移线图：
以纵坐标代表从动件位移s2 ，横坐标代表凸轮转角 δ1或t，所画出的位移与转角之间的关系曲线。
§3-1 凸轮机构的应用和分类
一、凸轮机构的应用 二、凸轮机构的分类
一、凸轮机构的应用
1、凸轮机构组成： 凸轮是一个具有曲 线轮廓的构件。含 有凸轮的机构称为 凸轮机构。它由凸 轮、从动件和机架 组成。
2、凸轮机构的应用
凸轮机构是机械中的一种常用机构，在自动化和半 自动化机械中应用十分广泛。主要用于：受力不大的控 制机构或调节机构。
v2
δt
回程： s2＝h[1-δ1/δh +sin(2πδ1/δh)/2π]a2 v2＝hω1[cos(2πδ1/δh)-1]/δh
a2＝-2πhω21 sin(2πδ1/δh)/δh2 无冲击
机械设计基础凸轮机构
+ (2)移动凸轮 当盘形凸轮的回转中心趋于无
穷远时，则成为移动凸轮，当移动凸轮沿 工作直线往复运动时，推动从动件作往复 运动。如靠模车削机构。
+ (3)圆柱凸轮
3.2 凸轮的分类(2)
按从动件的形状分：尖底、滚子、平底。
滚子从动件
平底从动件
从动件与凸轮之间易形
凸轮与从动件之间为滚 成油膜，润滑状况好，受
F1＝Fｃｏｓα （有效分力） F2＝Fｓｉｎ α（有害分力）
a ↑→ F2 ↑ F1 →效率η↓ 当 a 大于一定值, 将自锁. 一般, 推程 [a ] = 30 (移动)
35 — 45 (摆动) 回程无自锁 [a ' ] = 70~ 80
ｎ
F F2 ｔ
Q
ｔ F1 ν
a
ｎ
Q
a' 过大 将造成滑脱
3、 压力角 a 与基圆半径 r0
从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定的
3、推程：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。
4、行程：
从动件在推程中上升的最大位移h。
5、推程运动角：
与推程相应的凸轮转角δ0。 δ0= ∠AOB
O
B'
h
A
δs' D δ0
δ0 ' δs
w
B
C
6、远停程：
凸轮由B转动到C，从 动件在最远位置停止不 动。
3.2 凸轮的分类(4)
按凸轮与从动件维持接触的方式分：外力锁合（重 力、弹簧力、其他力）、几何锁合（通过几何形状来锁 合）
弹簧力锁合
重力锁合
几何锁合
滚子对心移动从动件盘形凸轮机构
机构中凸轮匀速旋转，带动从动件往复移动，滚子接触,摩擦阻 力小，不易摩擦，承载能力较大，但运动规律有局限性，滚子 轴处有间隙，不宜高速。
机械设计基础课件!凸轮机构H(公开课)
凸轮cam：具有曲线轮廓或凹 槽的构件
推杆/ 从动件follower，运动 规律由凸轮廓线和运动尺寸决定
机架 frame
凸轮 推杆
机架
2020/4/13
编制：吕亚清
内燃机配气机构 4
二、特点
优点： 实现各种复杂的运动要求 结构简单、紧凑 设计方便
缺点： 点、线接触，易磨损，不适合高速、
重载
凸轮 推杆 机架
2
10
1
2
3
4
V
pHw 2d0
34 2
1
5 6
7
2020/4/13
0
p2Hw2 2d02
8 012 34
a
10 2 3
4
01 2 3 4
5
6
7
编制：吕亚清
8
56 56 56
H
d0 78 d
d0 78 d
d0 d 78
18
4.正弦加速度运动规律
a
Sine Acceleration
2
1
3
pHw2 0
4
2020/4/13
编制：吕亚清
5
三、分类及应用
1. 按凸轮的形状分 2. 按从动件的形状分 3. 按从动件的运动形式分 4. 按从动件的布置形式分 5. 按凸轮与从动件维持高副接触的方
法分 6. 小结
2020/4/13
编制：吕亚清
凸轮 推杆 机架
6
1 . 按凸轮的形状分
盘形凸轮plate, 应用
➢ 对整个系统施加-ω运动
特点：设计简单、匀速进给、amax 最大。
∞
始点、末点有刚性冲击。
2020/4/13
编制：吕亚清
推杆/ 从动件follower，运动 规律由凸轮廓线和运动尺寸决定
机架 frame
凸轮 推杆
机架
2020/4/13
编制：吕亚清
内燃机配气机构 4
二、特点
优点： 实现各种复杂的运动要求 结构简单、紧凑 设计方便
缺点： 点、线接触，易磨损，不适合高速、
重载
凸轮 推杆 机架
2
10
1
2
3
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V
pHw 2d0
34 2
1
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0
p2Hw2 2d02
8 012 34
a
10 2 3
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01 2 3 4
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编制：吕亚清
8
56 56 56
H
d0 78 d
d0 78 d
d0 d 78
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4.正弦加速度运动规律
a
Sine Acceleration
2
1
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pHw2 0
4
2020/4/13
编制：吕亚清
5
三、分类及应用
1. 按凸轮的形状分 2. 按从动件的形状分 3. 按从动件的运动形式分 4. 按从动件的布置形式分 5. 按凸轮与从动件维持高副接触的方
法分 6. 小结
2020/4/13
编制：吕亚清
凸轮 推杆 机架
6
1 . 按凸轮的形状分
盘形凸轮plate, 应用
➢ 对整个系统施加-ω运动
特点：设计简单、匀速进给、amax 最大。
∞
始点、末点有刚性冲击。
2020/4/13
编制：吕亚清
机械设计基础第3章凸轮
v=lOPω1
rmin↓
n
n
P
→ lOP =v/ω1
e
α
ds2/dδ1
= ds2 /dδ1
= lOC + lCP
又因lCP =
因lOC = e，
所以lCP = ds2/dδ1- e
所以tgα =
S2 + r2min - e2
ds2/dδ1- e
→α↑,
C
(S2+S0 )tgα,而
v2＝-π hω /（2δt ）sin【π /δt （δ1-δt -δs)】
a2＝-hπ2ω2 /（2δt 2）cos【π/δt （δ1-δt -δs)】
简谐运动：点在圆周上匀速运动时，它在该圆直径上的投影构成的运动称为------。 位移线图作法：1）从动件行程h为直径画半圆；2）分半圆若干等份得1”、2”、3”、4”......点；3）分凸轮运动角相应等份，4）作垂线11`、22`、33`、44`、......；5）圆周上等分点投影到相应垂直线上得1`、2`、3`、4`、......点；光滑曲线连接，得到从动件位移线图，方程：
S0= r2min-e2
可增大rmin
s0
s2
D
v2
v2
rmin
（α↑）
当α max< [α]许用
同理，当导路位于中心左侧时，有：
偏置尖顶----
设计：潘存云
O
B
ω1
α
ds2/dδ1
得： tgα =
S2 + r2min - e2
ds2/dδ1 + e
n
n
lOP =lCP- lOC
v2＝hω[1-cos(2πδ1/δt)]/δt
rmin↓
n
n
P
→ lOP =v/ω1
e
α
ds2/dδ1
= ds2 /dδ1
= lOC + lCP
又因lCP =
因lOC = e，
所以lCP = ds2/dδ1- e
所以tgα =
S2 + r2min - e2
ds2/dδ1- e
→α↑,
C
(S2+S0 )tgα,而
v2＝-π hω /（2δt ）sin【π /δt （δ1-δt -δs)】
a2＝-hπ2ω2 /（2δt 2）cos【π/δt （δ1-δt -δs)】
简谐运动：点在圆周上匀速运动时，它在该圆直径上的投影构成的运动称为------。 位移线图作法：1）从动件行程h为直径画半圆；2）分半圆若干等份得1”、2”、3”、4”......点；3）分凸轮运动角相应等份，4）作垂线11`、22`、33`、44`、......；5）圆周上等分点投影到相应垂直线上得1`、2`、3`、4`、......点；光滑曲线连接，得到从动件位移线图，方程：
S0= r2min-e2
可增大rmin
s0
s2
D
v2
v2
rmin
（α↑）
当α max< [α]许用
同理，当导路位于中心左侧时，有：
偏置尖顶----
设计：潘存云
O
B
ω1
α
ds2/dδ1
得： tgα =
S2 + r2min - e2
ds2/dδ1 + e
n
n
lOP =lCP- lOC
v2＝hω[1-cos(2πδ1/δt)]/δt
机械设计基础 凸轮机构
连架杆 机架
3、铰链四杆机构的三种基本形式： 曲柄摇杆机构（1个曲柄） 双曲柄机构（2个曲柄） 双摇杆机构（没有曲柄） 4、铰链四杆机构的演化形式 （1）变转动副为移动副 （2）扩大转动副 （3）更换不同构件为机架
5、铰链四杆机构中曲柄存在的条件 最短杆加上最长杆小于或等于其它两杆杆长之和。最 短杆或其相邻杆应为机架。 推论： （1）当最长杆与最短杆的长度之和大于其余两杆长度 之和时，只能得到双摇杆机构。 （2）若机构满足杆长之和条件时，取不同杆作为机架 ，可得到不同类型的铰链四杆机构： a.最短杆为机架时，得到双曲柄机构； b.最短杆的相邻杆为机架时，得到曲柄摇杆机构； c.最短杆的对面杆为机架时，得到双摇杆机构。
2.动力特性 对于速度较高的凸轮机构，选择从动件规律时要特别 考虑其动力特性，需要考虑各种运动规律的最大速度 和最大加速度，力求避免产生过大的惯性力，减少冲 击和震动。 （1）尽可能选择加速度连续的运动规律（如正弦加速 度运动规律、余弦加速度运动规律等）。同时应考虑 从动件的运动形式（直动/摆动） （2）对质量较大的从动件应该选择最大速度较小的运 动规律，因为最大速度越大，从动件动量越大，当从 动件突然被阻止时，冲击很大。
压力角与基圆半径关系 一、凸轮机构的压力角 前面已讲过，压力角α（或传动角γ ）的大小反映了机构传动性能的好 坏。α↓( 或γ ↑)，机构的传动性 能越好。 凸轮机构压力角α：推杆在接触点B 所受正压力方向（即沿接触点处的 法线方向）与推杆上点B的绝对速度 方向之间所夹的锐角（不计摩擦）
F可分解为：F′= Fcosα——有效分力 F″= Fsinα ——有害分力
移动凸轮 凸轮形状呈平板状，可视为回转中心位于无 穷远处的盘形凸轮。 移动凸轮做直线往复运动，从动件在同一平 面内做往复运动。 靠模切削机构 装卸料机构
3、铰链四杆机构的三种基本形式： 曲柄摇杆机构（1个曲柄） 双曲柄机构（2个曲柄） 双摇杆机构（没有曲柄） 4、铰链四杆机构的演化形式 （1）变转动副为移动副 （2）扩大转动副 （3）更换不同构件为机架
5、铰链四杆机构中曲柄存在的条件 最短杆加上最长杆小于或等于其它两杆杆长之和。最 短杆或其相邻杆应为机架。 推论： （1）当最长杆与最短杆的长度之和大于其余两杆长度 之和时，只能得到双摇杆机构。 （2）若机构满足杆长之和条件时，取不同杆作为机架 ，可得到不同类型的铰链四杆机构： a.最短杆为机架时，得到双曲柄机构； b.最短杆的相邻杆为机架时，得到曲柄摇杆机构； c.最短杆的对面杆为机架时，得到双摇杆机构。
2.动力特性 对于速度较高的凸轮机构，选择从动件规律时要特别 考虑其动力特性，需要考虑各种运动规律的最大速度 和最大加速度，力求避免产生过大的惯性力，减少冲 击和震动。 （1）尽可能选择加速度连续的运动规律（如正弦加速 度运动规律、余弦加速度运动规律等）。同时应考虑 从动件的运动形式（直动/摆动） （2）对质量较大的从动件应该选择最大速度较小的运 动规律，因为最大速度越大，从动件动量越大，当从 动件突然被阻止时，冲击很大。
压力角与基圆半径关系 一、凸轮机构的压力角 前面已讲过，压力角α（或传动角γ ）的大小反映了机构传动性能的好 坏。α↓( 或γ ↑)，机构的传动性 能越好。 凸轮机构压力角α：推杆在接触点B 所受正压力方向（即沿接触点处的 法线方向）与推杆上点B的绝对速度 方向之间所夹的锐角（不计摩擦）
F可分解为：F′= Fcosα——有效分力 F″= Fsinα ——有害分力
移动凸轮 凸轮形状呈平板状，可视为回转中心位于无 穷远处的盘形凸轮。 移动凸轮做直线往复运动，从动件在同一平 面内做往复运动。 靠模切削机构 装卸料机构
《机械设计基础 》课件_第3章
二、 凸轮的分类 1.按凸轮的形状分类 (1)盘形凸轮。如图3-1所示,这种凸轮是绕固定轴转动并
且具有变化向径的盘形构 件,它是凸轮的基本形式。 (2)移动凸轮。这种凸轮外形通常呈平板状,如图3-2所示
的凸轮,可视作回转中心位于无穷远时的盘形凸轮,它相对于 机架作直线移动。
图3-2 移动凸轮
(3)圆柱凸轮。如图3-3所示,凸轮是一个具有曲线凹槽的 圆柱形构件,它可以看成 是将移动凸轮卷成圆柱演化而成的。
2.功用 将主动凸轮的连续转动或往复运动转化为从动件的往复 移动或摆动,而从动件的运动 规律按工作要求拟定。
3.特点(与连杆机构相比) (1)不论从动件要求的运动规律多么复杂,都可以通过适 当地设计凸轮轮廓来实现, 而且设计比较简单。 (2)结构简单紧凑、构件少,传动累积误差很小。 (3)能够准确地实现从动件要求的运动规律。 (4)由于凸轮机构是高副机构,易磨损,只能用于传力不大 的场合。 (5)与圆柱面和平面相比,凸轮轮廓的加工要复杂得多。
(6)远休止:从动件离转轴O 最远处静止不动。凸轮转过 角度Φs 称为远休止角。
(7)回程运动:从动件在弹簧力或重力作用下回到初始位 置,位移由Smax→0,凸轮转 过角度Φ'称为回程运动角。
(8)近休止:从动件在初始位置静止不动。凸轮转过角度 Φ's 称为近休止角。
(9)升程:从动件在推程或回程时移动的距离。
从动件的运动规律是指在推程和回程中,从动件的位移、 速度、加速度随凸轮转角或 图3-8 等速运动规律线图 时间 变化的规律。对于直动从动件来说,存在着如下的函 数关系:
3)从动件的运动线图 通常将从动件在一个运动循环中的运动规律表示成凸 轮转角φ 的函数,与之对应的图形称为从动件的运动线图。 在从动件的运动线图中,表示从动件位移变化规律的 线 图称为位移线图,即s=s(φ )。图3-7(b)表示的是图 3-7(a)所示 的凸轮机构从动件的位移线图,横坐标表示凸 轮的转角φ ,纵 坐标表示从动件的位移s,它是凸轮轮廓曲 线设计的依据。
机械设计基础复习精要：第3章 凸轮机构
图 3.2 理论轮廓 3.3.3 凸轮轮廓上各工作段（例如推程）起讫点的向径所夹圆心角是否就是对应的凸轮在该
工作段的转角（例如推程角）？ 答：在有偏距的情况下，凸轮轮廓上各工作段起讫点的向径所夹圆心角并不是对应的凸轮在 该工作段的转角。例如：图 3.1(a)中，凸轮从实线位置转动到虚线位置，与尖底接触过的凸
即曲线 (经过 B0 B1 B2 等各点)。如图 3.2（b）中，平底从动件的相对于凸轮的运动轨 迹，相当于尖底在 B 点的尖底从动件相对于凸轮的运动轨迹，即经过 B0 B1 B2 等各点
的曲线。从图中可以看出，有的凸轮理论轮廓和实际轮廓是等距离的曲线，有的则不是。但 运动规律取决于理论轮廓，一滚子摆动从动件盘形凸轮机构,如果滚子坏了,更换一个大小不 同的滚子,从动件的运动规律就要发生变化。
图 3.12 题 3 解答
图 3.13 题 4 解答
4．解：从动推杆的运动规律是等速运动规律，这是由于凸轮匀速转动，而根据渐开线的性
质“从渐开线上一点向基圆所作切线与凸轮已转过的弧长相等”故在任何位置，切线长（在
此就是从动件位移）与凸轮转过弧长相等，而弧长是匀速转过的。根据渐开线三线合一的性
质，从渐开线上一点向基圆所引切线就是渐开线上该点的法线，对于组成高副的两构件而言，
3.3.5 计算作图题
1．补全图 3.3 不完整的从动件位移、速度和加速度线图，并判断哪些位置有刚性冲击，哪 些位置有柔性冲击。
图 3.3 题 1 图 2．在图 3.4 的两个凸轮机构中，凸轮均为偏心轮，转向如图。已知参数 R=30mm,LOA=10mm,
e=15mm,rT=5mm,LOB=50mm,LBC=40mm。E，F 为凸轮与磙子的两个接触点。试作图标出：
3.3.3 选择题
工作段的转角（例如推程角）？ 答：在有偏距的情况下，凸轮轮廓上各工作段起讫点的向径所夹圆心角并不是对应的凸轮在 该工作段的转角。例如：图 3.1(a)中，凸轮从实线位置转动到虚线位置，与尖底接触过的凸
即曲线 (经过 B0 B1 B2 等各点)。如图 3.2（b）中，平底从动件的相对于凸轮的运动轨 迹，相当于尖底在 B 点的尖底从动件相对于凸轮的运动轨迹，即经过 B0 B1 B2 等各点
的曲线。从图中可以看出，有的凸轮理论轮廓和实际轮廓是等距离的曲线，有的则不是。但 运动规律取决于理论轮廓，一滚子摆动从动件盘形凸轮机构,如果滚子坏了,更换一个大小不 同的滚子,从动件的运动规律就要发生变化。
图 3.12 题 3 解答
图 3.13 题 4 解答
4．解：从动推杆的运动规律是等速运动规律，这是由于凸轮匀速转动，而根据渐开线的性
质“从渐开线上一点向基圆所作切线与凸轮已转过的弧长相等”故在任何位置，切线长（在
此就是从动件位移）与凸轮转过弧长相等，而弧长是匀速转过的。根据渐开线三线合一的性
质，从渐开线上一点向基圆所引切线就是渐开线上该点的法线，对于组成高副的两构件而言，
3.3.5 计算作图题
1．补全图 3.3 不完整的从动件位移、速度和加速度线图，并判断哪些位置有刚性冲击，哪 些位置有柔性冲击。
图 3.3 题 1 图 2．在图 3.4 的两个凸轮机构中，凸轮均为偏心轮，转向如图。已知参数 R=30mm,LOA=10mm,
e=15mm,rT=5mm,LOB=50mm,LBC=40mm。E，F 为凸轮与磙子的两个接触点。试作图标出：
3.3.3 选择题