凸轮机构及其应用
机械设计基础第3章凸轮机构
2）运动线图（推程）：表3-1
s
h
3）运动特点：产生刚性冲击
ψ
∵ 从动件在运动开始和终止的瞬
Φ
t
时，因速度有突变，则加速度 v
a在理论上出现瞬时的无穷大，
hω/Φ
ψ
导致从动件突然产生非常大的 a
t
惯性力，因而使凸轮机构受到
ψ
极大的冲击，这种冲击称为刚
t
性冲击。
4）适用场合：低速运动或不宜单独使用。
ψ
点作各自的垂线与水平线，交点
v
Φ
即为s曲线上的点，光滑连接这
些点，得到s图。
ψ a
3）运动特点：产生柔性冲击
∵在首、末两点从动件的加速度
ψ
有突变，因此也有柔性冲击。
4）适用场合：中、低速运动。
4、正弦加速度（摆线）运动规律 从动件在运动过程中加速度呈正弦曲线规律变化。
1）运动方程：表3-1 s=h[ψ/Φ-sin(2πψ/Φ)/2π]
一、压力角α与作用力的关系
（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。
压力角α：作用在从动件上的驱动力 方向（即沿接触点处的法线方向）与该力 作用点的绝对速度方向之间所夹的锐角。 注意：对于滚子从动件，压力角要作在
理论廓线上。
F可分解为：F′= Fcosα——有效分力
4 2 3
1
图3-4
如图所示的靠模车削机 构，工件1转动时，并和靠模 板3一起向右移动，由于靠模 板的曲线轮廓推动，刀架2带 着车刀按一定的运动规律作 横向运动，从而车削出具有 曲线表面的手柄。
如图所示的绕线机构，当 具有凹槽的圆柱凸轮转动时， 迫使从动件作往复移动，从而 均匀地将线绕在轴上。
凸轮机构的应用及分类推杆的运动规律凸轮轮
无论是采用作图法还是解析法设计凸轮廓线，所依据的基本 原理都是反转法原理。
例 偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构 （1）凸轮的轮廓曲线与推杆的相对运动关系
一、凸轮机构的基本名词术语
基圆 基圆半径 r0 推程 推程运动角 δ0 远休 远休止角 δ01 回程 回程运动角 δ0′ 近休 近休止角 δ02 行程 h
尖顶直动推杆的位移曲线
二、推杆常用的运动规律
1、等速运动规律 2. 等加速等减速运动规律 3. 余弦加速度运动规律 4. 正弦加速度运动规律 5. 3-4-5多项式运动规律
(2) 空间凸轮机构
圆柱凸轮机构在 机械加工中的应用
凸轮机构在其它机器中的应用
2、按推杆形状分类
• (1)尖顶推杆： • 尖端能与任意复杂凸轮轮廓保持接触，因而能实现任意预期的运动规
律。 • 尖顶与凸轮呈点接触，易磨损，用于受力不大的场合。 • (2)滚子推杆： • 它改善了从动件与凸轮轮廓间的接触条件，耐磨损，可承受较大载荷，
凸轮机构基本尺寸的确定
为保证凸轮机构能正常运转，应使其最大压力角αmax小于临
界压力角αc， 增大l， 减小b，可以使αc值提高。
生产实际中，为了提高机构的效率，改善其受力情况， 通常 规定：凸轮机构的最大压力角αmax应小于某一许用压力角[α]， 即
αmax<[α]
([α]<<αc)
许用压力角[α]的一般取值为
• (2) 空间凸轮机构：两活动构件之间的相对运动 为空间运动的凸轮机构，
(1) 平面凸轮机构
凸轮机构的设计和应用
凸轮机构的设计和应用I. 引言凸轮机构是现代机械的重要组成部分之一，是普遍用于各种机械传动机构中的一种机构。
凸轮机构在机械设计和制造中有着重要的作用，能够实现机械的运动和控制，使机械能够快速、准确地实现各种复杂任务。
本文将系统地介绍凸轮机构的设计和应用。
II. 凸轮机构的定义凸轮机构是一种通过凸轮的运动来控制其他机械部件运动的机械传动机构。
简单来说，凸轮机构包括凸轮，凸轮轴和随动件三个部分。
其中，凸轮是一个轴对称的螺旋条形曲线，轮廓形状通常为正弦曲线或梯形曲线等；凸轮轴是一个旋转轴，一般与凸轮相切且在一定角度范围内连续转动；随动件则是通过凸轮的运动随之做往复或旋转运动的机械部件。
III. 凸轮机构的分类凸轮机构按照凸轮的运动形式不同，可以分为以下几类：1. 往复式凸轮机构往复式凸轮机构是指凸轮轴的旋转运动转化为往复运动的机构。
其中，偏心轮就是一种往复式凸轮机构，它通常用于汽车发动机机械驱动系统中，用于调整汽车发动机气门的开闭时间。
2. 旋转式凸轮机构旋转式凸轮机构是指凸轮轴的旋转运动转化为旋转运动的机构。
常见的旋转式凸轮机构有摆线凸轮机构、正弦凸轮机构和梯形凸轮机构等。
摆线凸轮机构在打孔机、水泵等机械设备中得到了广泛的应用。
IV. 凸轮机构设计的基本要点凸轮机构的设计需要考虑多方面的因素，其中最主要的三个因素是凸轮轮廓线形状、凸轮轴的旋转速度和随动件的运动形式。
在设计凸轮轮廓线形状时，需要根据机械设备的实际工作要求来选取合适的轮廓线形状。
在选取凸轮轴的旋转速度时，需要根据随动件的运动规律以及实际工作要求来决定。
在选取随动件的运动形式时，需要根据机械设备的实际工作要求来确定。
V. 凸轮机构的应用凸轮机构广泛应用于各种机械设备中，包括自动化生产线、机床、车辆、飞机、船舶、农业机械等。
其中，飞机发动机中的凸轮机构是实现各种复杂功能的关键部件之一。
此外，凸轮机构还广泛应用于柴油机、汽油机、水泵、压缩机等。
生活中的凸轮机构
生活中的凸轮机构
生活中的凸轮机构，其实无处不在。
无论是汽车发动机、自行车踏板，还是打印机、钟表等各种机械设备，都离不开凸轮机构的运转。
凸轮机构是一种能够将旋转运动转换为直线运动或者其他形式运动的机构，其作用十分广泛。
在汽车发动机中，凸轮机构起到了控制气门开闭的重要作用。
通过凸轮轴上的凸轮来推动气门的开闭，从而实现了气门的精确控制，保证了发动机的正常运转。
在自行车踏板上，凸轮机构则是将踏板的旋转运动转换为链条的直线运动，从而推动自行车前进。
这些都是凸轮机构在生活中的实际应用。
除了机械设备，凸轮机构在生活中的应用还体现在了各种日常用品中。
比如打印机中的凸轮机构能够精确控制打印头的移动，从而实现打印的精准定位。
钟表中的凸轮机构则能够通过精确的设计和制造，实现钟表的准确计时功能。
生活中的凸轮机构不仅仅是一种机械结构，更是人类智慧的结晶。
它的应用不仅让我们的生活更加便利，也推动了科技的进步。
随着科技的不断发展，凸轮机构的应用也将会变得更加广泛，为我们的生活带来更多的便利和惊喜。
凸轮机构的作用
凸轮机构的作用凸轮机构是一种常见的机械传动装置，它主要由凸轮、摆杆、滑块等部件组成。
凸轮机构的作用是将旋转运动转化为直线运动或者将直线运动转化为旋转运动，从而实现机械设备的运动控制和动力传递。
下面将从凸轮机构的原理、分类、应用等方面展开介绍。
一、凸轮机构的原理凸轮机构的原理是利用凸轮的不规则形状，使得凸轮在旋转时，摆杆或滑块的运动轨迹呈现出规律性的变化，从而实现机械设备的运动控制。
凸轮的形状可以根据需要进行设计，常见的凸轮形状有圆形、椭圆形、心形、三角形等。
不同形状的凸轮可以实现不同的运动轨迹，从而满足不同的机械设备的运动要求。
二、凸轮机构的分类根据凸轮的形状和运动方式，凸轮机构可以分为以下几类：1. 圆柱凸轮机构：凸轮为圆柱形，摆杆或滑块在圆柱面上运动，常用于机床、自动化生产线等设备中。
2. 椭圆凸轮机构：凸轮为椭圆形，摆杆或滑块在椭圆面上运动，常用于汽车发动机、船舶等设备中。
3. 心形凸轮机构：凸轮为心形，摆杆或滑块在心形面上运动，常用于煤矿机械、冶金设备等设备中。
4. 三角凸轮机构：凸轮为三角形，摆杆或滑块在三角形面上运动，常用于纺织机械、印刷机械等设备中。
三、凸轮机构的应用凸轮机构广泛应用于各种机械设备中，主要用于实现机械设备的运动控制和动力传递。
以下是凸轮机构的一些应用：1. 机床：凸轮机构常用于机床中，用于控制刀具的进给、退刀、升降等运动。
2. 汽车发动机：汽车发动机中的凸轮机构用于控制气门的开关，从而实现汽车的正常运转。
3. 纺织机械：纺织机械中的凸轮机构用于控制纱线的张力、卷绕等运动。
4. 冶金设备：冶金设备中的凸轮机构用于控制钢水的倾倒、转移等运动。
总之，凸轮机构是一种重要的机械传动装置，它可以实现机械设备的运动控制和动力传递，广泛应用于各种机械设备中。
在实际应用中，需要根据具体的要求选择合适的凸轮形状和运动方式，从而实现最佳的运动效果。
凸轮机构的应用和分类
凸轮机构的寿命与维护
凸轮机构的寿命与运行条件、材料选择和润滑方式等有关，定期维护和保养可以延长凸轮机构的使用寿 命。
凸轮机构的保养和保养周期
凸轮机构的保养包括润滑、清洁和检查等内容，保养周期根据使用情况和负荷要求进行合理调整。
凸轮机构故障分析与排除
凸轮机构故障的原因多种多样，需要通过仔细分析和维修措施进行故障排除，以确保机械系统的正常运 行。
通过凸轮和滑块的协同运动，实现直线运动 和简单的机构功能。
摆线凸轮机构
通过凸轮的摆线运动，实现平滑且复杂的运 动轨迹和机构功能。
在IC发动机中的应用
凸轮机构在IC发动机中起到控制气门开闭时机和时序的重要作用，影响发动 机的动力性能、燃油经济性和排放控制等方面。
在汽车传动系统中的应用
凸轮机构在汽车传动系统中被广泛应用于离合器、变速器和传动轴等部位，实现动力输出和车速调节等 功能。
凸轮机构的应用和分类
凸轮机构是一种广泛应用于机械系统中的机构，通过凸轮和可动关节的协同 运动，实现了多种复杂的动作和功能。本文将介绍凸轮机构的应用和分类。
什么是凸轮机构
凸轮机构是一种由凸轮和可动关节组成的机械系统，通过凸轮的旋转运动， 使其上的可动关节产生规定的运动轨迹，从而实现特定的功能和动作。
凸轮机构的技术发展趋势
凸轮机构在现代工程中具有广泛的应用前景，随着技术的发展，凸轮机构将 更加智能化、高效化和可持续化。
注重人性化设计的凸轮机构
在凸轮机构的设计中，需注重人机工程学和人性化设计原理，提高机器操作人员的舒适度和安全性。
生产自动化中凸轮机构的应用
凸轮机构在生产自动化领域中的应用广泛，用于自动化生产线上的工件定位、 传送和操作等。
凸轮机构现代化设计思路
生活中运用凸轮机构的例子
生活中运用凸轮机构的例子凸轮机构是一种利用凸轮运动实现动力转换的装置，被广泛应用于生活中的各种场景。
以下是一些常见的生活中运用凸轮机构的例子：1.汽车发动机：汽车的发动机中使用了凸轮机构来控制汽缸的进气和排气过程。
凸轮通过凸轮轴驱动，控制气门的开闭，实现气缸中混合气的进出。
凸轮机构的运用使发动机能够高效地进行燃烧和动力输出。
2.洗衣机搅拌装置：在洗衣机中，搅拌装置通常通过凸轮机构来完成。
凸轮通过驱动电机的转动，使得洗衣桶内的衣物得到充分搅拌，提高洗涤效果。
3.手动缝纫机：手动缝纫机中也运用了凸轮机构。
缝纫机通过驱动轴上的凸轮，实现针杆的上下运动，从而使得针线逐针地贯穿织物，完成缝纫作业。
4.锁具：一些高级的锁具中也使用了凸轮机构。
凸轮的设计使得钥匙在正确插入后，凸轮与锁芯的齿轮形成匹配，进而可以顺利开启锁。
5.车钥匙：现代汽车的遥控钥匙中，通常有一个小型凸轮机构。
当按下按钮时，凸轮的运动会触发芯片，使其发送信号给车辆，实现远程开锁等功能。
6.矿山机械：在煤矿等地下工作场景中，常会使用凸轮机构来驱动提升机、输送机以及破碎机等设备的工作。
凸轮的旋转运动通过连杆来驱动相应机械部件，帮助完成矿山的开采和运输工作。
7.邮件分拣机：在邮件分拣中心，凸轮机构也广泛运用。
凸轮通过机械运动，将邮件按照不同的规则和范围进行分拣和归类，提高邮件处理效率。
8.噪音玩具：一些玩具中会使用凸轮机构来制造声音效果。
凸轮通过旋转时的布条和其他物体的摩擦，产生不同的声音，增加玩具的趣味性。
9.机器人手臂：机器人的手臂通常也运用了凸轮机构。
凸轮通过运动带动连杆的运动，从而使机器人手臂实现精确的抓取和定位功能。
10.雷达系统：在雷达系统中，凸轮机构能够实现收发天线的定位和转动。
凸轮机构可以控制天线的角度和方向，从而准确地接收和发送信号，帮助雷达系统实现目标探测和跟踪。
通过以上例子可以看出，凸轮机构在生活中被广泛运用。
它以其结构简单、运动灵活等特点，提高了各种装置的效率和功能，为我们的生活和工作提供了极大的便利。
第三章凸轮机构
作图:
四.摆线运动规律（正弦运动规律）：
s hh[1/[10 csoisn2(2(//0]0/)/(02)]
a2h12 sin2(/0)/02
速度、加速度均连 续没有突变，无冲击。 可用于高速传动。
冲击。用于中、低
速场合。
V0=0,
等加速等减速
s
1 2
at 2
当时间为→ 位移为 →
1 1
: :
2 4
: :
3 9
:4 :16
作图: (推程)
前半行程(h/2)→等加速 →将每半行程时 →位 1 : 4 : 9 :16 后半行程(h/2)→等减速 间分为χ(4) 份 移 16 : 9 : 4 : 1
3.3 凸轮机构的压力角
凸轮机构中的作用力与凸轮机构压力角
压力角：从动件运动方向与受力方向 夹角的锐角。 压力角越小，机构传动效率越好。 压力角过大，机构将处于自锁状态。 许用压力角：推程[α]=30°-40°
max
压力角与凸轮机构尺寸的关系
tanPCOP OC
BC BC
OCe
BCs r02e2
凸轮的轮廓线是按照从动件的运动规律来设计的
§3－2从动件的常用运动规律 p.41
(一)凸轮运动常用术语：图3-5 p.42
基圆：以轮廓的最小向径所作的圆r0－基圆半径 推程：从动件从离回转中心最近→最远的这一过程。 升程ｈ：推程所移动的距离。
推程运动角φ0 ： 与推程对应的凸轮转角
远休止角φS: 从动件在最远位置不动时对应的凸轮转角
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械 压力角为0°，传力性能好。
制
造
与
v
自
F
动
化
科目 机械原理
⑶按推杆的运动型式分
专 直动推杆：作往复直线运动，又分对心直动 业 推杆和偏置直动推杆。 机 摆动推杆：作往复摆动。 械 制 造 与 自 动 化
科目 机械原理
根据凸轮与推杆保持接触的方法不同分
专 ①力封闭凸轮机构：利用推杆的重力、弹簧 业 力来使推杆与凸轮保持接触；
δ0 δ01
δ0'
ω δ02
为推 远 的近程 休 角休凸 止 度止轮 。 称。所 远 为近转 休 回休过 止 程止的 所 运所角对动对度应角应δ称凸0凸为轮'。轮推转转程过 过运 的的动 角角度度δ称0称为，为远从近休动休止件止角沿角δ导0δ路1。02移。动的
最大位移称为升距h。
自
动
化
科目 机械原理
高速场合
制
造
与
自
动
化
科目 机械原理
⑶运动规律特性分析
①最大速度
专 最大速度值越大，则从动件系统的动量也越大。若 业 机构在工作中遇到需要紧急停车的情况，由于从动
机 件系统动量过大，会出现操控失灵，造成机构损坏
械 制
等安全事故。
造 希望推杆运动速度的最大值越小越好。
与 ②最大加速度
自 最大加速度值的大小，会直接影响从动件系统的惯
科目 机械原理
第9章 凸轮机构及其应用
专 业
9-1 凸轮机构的应用和分类
机
9-2 推杆的运动规律
械 制
9-3 凸轮轮廓曲线的设计
造
9-4 凸轮机构的基本尺寸的确定
与
自
动
化
科目 机械原理
9-1 凸轮机构的应用
1、凸轮机构的应用
专 业
凸轮机构主要由凸轮、从动件和机架组成，
机 通常凸轮为主动件，若凸轮为从动件则称为
动 性力，推杆与凸轮廓线的接触应力、强度等。
化
科目 机械原理
希望推杆在运动过程中的加速度最大值越小越好。
专 ③运动规律的高阶导数。 业 运动规律的高阶导数是否连续也是衡量运动规律特
机 性的主要指标。
械 研究表明，为有效改善凸轮机构的动力学特性，减
制 小系统的残余振动，应选取跃度连续的运动规律进
造 行凸轮廓线设计。
推杆的多项式运动规律的一般表达式为
专 业
s=C0+C1δ1+C2δ2+…+Cnδn
机 δ为凸轮转角，s为推杆位移，C0、C1、C2、
械 Cn为待定系数。
制 常用的多项式运动规律：
造 与
①一次多项式运动规律
自 设凸轮以等角速ω转动，在推程时凸轮的运
动 化
动角为δ0、推杆完成行程h，当采用一次多
科目 机械原理
业
动位 杆 返件置 接 回接运 触 到触动 时 位时到 ， 移，离 推 的推凸 杆 起杆轮 在 始处轴距位于心凸置位最轮的移远轴运的心动起位的行
机 械 制 造 与
始置 最 程位的 远 称置运 处 回，动 静 程静行 止 。止程 不 回不称 动 程动为 ， 对，推这应这程一凸一。过轮过程所程称转称为过
2
4C4
3
5C5
4
机 械
a
dv dt
2C2 2
6C3 2
12C4 2
2
20C5 2
3
设边界条件为
制 造
在始点处：δ=0、s=0、v=0、a=0
与 在终点处：δ=δ0、s=h、v=0、a=0
自 则：C0=C1=C2=0、C3=10h/δ03、C4=-
动 化
15h/δ04、C5=6h/δ05
制 造 与
成沿顺时针方向的反行程 的摆动,又称为主回凸轮
自
机构
动
化
科目 机械原理
专
业
反凸轮机构
机
摆杆为主动件，
械 制
凸轮为从动件
造
与
自
动
化
科目 机械原理
9-2 推杆的运动规律
专 凸1、轮推机杆构常设用计运的动基规本律任务是根据工作要求选 业 定尖合顶适推的杆凸轮机构的，型以式凸、轮推轮杆的运动规律
械 制
2
s
2h
2 0
造 与
v
4h
2 0
4h 2
自
a
2 0
动 化
δ的变化范围为0~δ0/2。
科目 机械原理 推程减速段的边界条件为
在始点处：δ=δ0/2，s =h/2
专 业
机
在终点处：δ=δ0，s =h，v=0 则：C0=-h，C1=4h/δ0，C2=-2h/δ02
械 制 造 与
动
高速中载工况。
化
科目 机械原理
⑵三角函数运动规律
专 ①余弦加速度运动规律
业 其加速度方程是关于凸轮转角δ的余弦函数
机 相当于一个质点在直径为h的圆周上做匀速
械 制
圆周运动，该质点的运动在其直径线上的投
造 影所构成的运动，又称简谐运动规律。
与
自
动
化
推程时
专 业
机 械 制 回程时 造 与 自 动 化
与
自
动
化
科目 机械原理
等径凸轮机构
专
过凸轮轴心O所作任一径
业
向线上与凸轮相接触的两
机 械
滚子中心间的距离处处相
制
等。
造
等宽与等径凸轮，其从动
与 自 动
件运动规律的选择或设计 会受到一定的限制。
化
科目 机械原理
专 业
共轭凸轮机构 主凸轮1推动从动件完成
机
沿逆时针方向正行程的摆
械
动，另一个凸轮1'推动完
推杆的运动规律是指推杆的位移s、速度v、
专 加速度a随时间t变化的规律。 业 凸轮一般为等角速转动，故推杆的运动规律
机 常表示为推杆的运动参数随凸轮转角δ变化
械 制
的规律。
造 常以图线表示，称为推杆的运动曲线。
与 推杆的运动规律常用的主要有多项式运动规
自 动
律和三角函数运动规律。
化
科目 机械原理
⑴多项式运动规律
为了保证凸轮机构运动的平稳性，通常应使
与 推杆先作加速运动，后作减速运动。
自 设在加速段和减速段凸轮的运动角及推杆的
动 行程各占一半，称等加速等减速运动规律。 化
科目 机械原理
推程加速段的边界条件为
在始点处：δ=0，s =0，v =0
专 业
在终点处：δ=δ0/2，s =h/2
机 则：C0=0、C1=0、C2=2h/δ02
与O
自
加速度和惯性力，使凸轮
δ
机构受到极大的冲击，称
为刚性冲击。
δ -∞
通常只适用于低速轻载或
动 是对从动件有实现等速运动要求的场合。 化
科目 机械原理
②二次多项式运动规律
s C0 C1 C2 2
专 业
v
ds dt
C1
2C2
机 械 制 造
a
dv dt
2C2 2
这时加速度为常数。
多项式运动规律时，则有
专 业
s C0 C1
v
ds dt
C1
机
a dv 0
械
dt
制 设取边界条件为
造 与 自
在始点处：δ=0，s=0 在终点处：δ=δ0，s=h
动 则：C0=0、C1=h/δ0
化
科目 机械原理
s h 0
h
专
v
0
业
a0
机 在回程时，因规定推杆的位移总是由最低位
s
h
2h(0
2 0
)2
v
4h
(
0
2 0
)
4h 2
自
a
2 0
动 化
δ的变化范围为δ0/2~δ0。
科目 机械原理
0
s
1
4
9
专
4
业
1
O
1 2 3δ0 4 5 6
v
机
械
h
等加速等减速运动规 律，速度线图存在拐 δ 点，而在运动开始、 中间和终止的瞬时， 加速度及惯性力均存
机 和心有为关圆的心基，本凸尺轮寸最，小然向后径根r0为据选定的推杆运
械 动半规径律所设作计的凸圆轮称轮为廓凸曲轮线的。基圆
制 造
图示位置是凸轮机构的初始位
与 置，推杆与基圆上的一点相接
自 触，处于最低位置。 动
化
科目 机械原理
近推 远 回休程止与与推 回近程 远休角止角
专
当凸凸轮轮廓廓线线推上动 引对推 导应杆 推的沿杆圆导由弧路最段由远与起位从始推置
科目 机械原理
h
s (1 cos )
2
0
h
v sin
2 0 0
2h 2
a
2
2 0
cos
0
h
s (1 cos )
2
0
h
v sin
2
0
0
2h 2
a
2 02
cos
0
科目 机械原理
余弦加速度运动规律的起
科目 机械原理
3
4