凸轮轴结构与设计
机械原理第九章凸轮机构及其设计
凸轮的设计和参数选择
设计原则
凸轮的设计应考虑载荷、速度 和精度等因素，并满足运动学 和强度学的要求。
参数选择
凸轮的参数包括凸轮半径、凸 轮轴角度和凸轮顶点位置等， 应根据具体需求进行选择。
优化方法
通过数学模型和仿真分析，可 以优化凸轮的形状和参数，以 提高凸轮机构的性能。
凸轮机构的运动分析
1
转动运动
通过凸轮的旋转，实现机构的直线或曲线运动。
2
滑动运动
随着凸轮轮廓的变化，机构的接触点会产生水平或竖直方向的滑动运动。
3
摇摆运动
凸轮的摇杆或滚柱可以实现机构的摇摆运动。
凸轮机构的布置和设计原则
1 布置方式
根据机构的运动要求和空间限制，选择合适 的凸轮布置方式，如列状、行状或环状。
2 设计原则
在凸轮机构的设计过程中，要考虑机构的刚 度、强度和稳定性等因素，以提高机构的性 能。
凸轮机构的应用案例
发动机气门机构
凸轮机构用于控制发动机气门的 开闭，保证发动机的正常运行。
印刷机印版定位
凸轮机构用于实现印刷机印版的 准确定位，提高印刷质量。
纸张折叠机构
凸轮机构用于纸张折叠机构，实 现精确的折叠操作。
小结和要点
1 2 3 4
5
6
凸轮机构是一种常见的机械传动机构。 凸轮机构具有多种分类和特点。 凸轮的设计和参数选择需要考虑多个因素。 凸轮机构的运动分析可以通过几何和动力学方法 实现。 凸轮机构的布置和设计应根据具体要求进行选择。
凸轮机构在多个领域都有广泛应用。
凸轮机构是机械工程中常见的一种机构，用于将轮系运动转化为直线或曲线 的机械动作。它具有简单可靠的特点，广泛应用于各个领域。
第9章_凸轮机构及其设计
ω
V
V
ω
ω
2、按推杆末端(the follower end)形状分：（如图9-5） 1）尖顶(knife-edge)推杆（图a、b）： (a) (a) 结构简单，因是点接触，又是滑动 (d 摩擦，故易磨损。只宜用在受力不 (a)(a) ( (a) 大的低速凸轮机构中，如仪表机构。 图a） 图b）
▲ 注意：
1）所有运动过程的推杆位 移s是从行程的最近位臵 开始度量。回程时，推 杆的位移s是逐渐减小的。 2）凸轮的转角δ是从各个 运动过程的开始来度量。 如：在推程时，δ是从推程开始时进行度量；
在回程时，δ是从回程开始时进行度量。
3）有的凸轮δ01=0° （无远休）,有的δ02=0°（无近休）， 有的同时无远休和无近休。 e
2）运动线图——用于图解法
s = s(δ)—位移线图;如图9-8b所示。 v = v(δ)—速度线图； a = a(δ)—加速度线图。
图9-8
推杆的运动规律可分为基本运动规律和组合运动规律。 e
一）基本(Basic)运动规律
1、等速运动规律（一次多项式运动规律） v=常数。 s 1）方程： s=hδ/δ0 推程 v=hω/δ0 a=0 （9-3a） （δ：0~δ0）
对心直动尖顶 推杆盘形凸轮 机构
偏臵直动尖顶 推杆盘形凸轮 机构
对心直动滚子 直动平底推杆 推杆盘形凸轮 盘形凸轮机构 机构
摆动尖顶推杆 盘形凸轮机构
摆动滚子推杆 盘形凸轮机构
摆动平底推杆 盘形凸轮机构
上面介绍的是一些传统的凸轮机构，目前还研究出了 一些新型的凸轮机触，增加了接触面积， 提高了凸轮机构的承载能力。
凸轮机构及其设计ppt课件
反转法原理
给整个凸轮机构加上一个与凸轮转动的角速度ω大 小相等、方 向相反的角速度－ω，此时凸轮不动，从动件一方面随导路以－ ω绕轴转动，另一方面又在导路中按预定的运动规律作往复移动。 由于从动件的尖顶始终与凸轮轮廓相接触，其尖顶的运动轨迹就 是凸轮轮廓曲线
依据此原理可以用几何作图的方法 设计凸轮的轮廓曲线，例如：
格要求。则应选择直线或圆弧等易加工 o
δ
曲线作为凸轮的轮廓曲线。如夹紧凸轮。 a
+∞Biblioteka 2. 机器的工作过程对推杆运动有要求，
δ
则应严格按工作要求的运动规律来设计凸 o
轮廓线。如刀架进给凸轮。
-∞
3. 对高速凸轮，要求有较好的动力特性， 正弦改进等速
除了避免出现刚性或柔性冲击外，还应当
考虑Vmax和 amax。
作时振动、噪音都比较小，可以用于高 速、轻载的场合。
δ
a amax=6.28hω2/δ02
无冲击，但amax 较大。
δ
将几种运动规律组合，以改善运动特性。 s
二、选择运动规律
h
选择原则：
o 1.机器的工作过程只要求凸轮转过一角
δ
δ
度δ0时，推杆完成一行程h〔直动推杆〕 v
0
或φ〔摆动推杆），对运动规律并无严
的基圆半径r0，角速度ω和推杆的运动规 律，设计该凸轮轮廓曲线。
-ω
8’ 9’
ω
7’
11’
5’ 3’
12’
1’
13’
14’
12 345 67 8 9 11 13 15
设计步骤小结： ①选比例尺μl作基圆r0。 ②反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。 ③确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。 ④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。
凸轮轴结构与设计
第15单元：学时数：2学时教学目的与要求：1．掌握凸轮机构的组成、分类、特点及其应用；2．了解从动件的常用运动规律；3．加深机械由多种机构组成的概念。
教学重点与难点：重点：1．凸轮机构的基本类型及其应用2．从动件的常用运动规律难点：从动件的常用运动规律教学手段与方式：课堂讲授，实物模型教学，提问，课堂练习教学内容：第五章常用机构第二节凸轮机构一、凸轮机构的基本类型及其应用二、从动件的常用运动规律第五章常用机构第二节凸轮机构一、凸轮机构的基本类型及其应用1. 凸轮机构的组成和应用凸轮——具有曲线轮廓或沟槽的构件。
传动时，凸轮用轮廓或沟槽驱动从动件运动。
凸轮机构的主要组成：凸轮、从动件及机架三个基本构件。
是一种含高副的常用机构。
实例：内燃机配气凸轮机构。
（图形见课件）功用：凸轮等速回转，用其曲线轮廓驱动从动件开启和关闭（关闭需借助弹簧的作用），实现进气口或排气口。
实例：绕线机（图形见课件）功用：凸轮作等速回转时，其曲线轮廓驱动布线杆往复摆动，将线均匀地缠绕在绕线轴3上。
实例：行程控制凸轮机构（图形见课件）功用：凸轮固定在机器的运动部件上并随之移动，当到达预定位置时，其轮廓推动行程开关的推杆，使之发生电信号，以实现控制运动部件变速、停止或换向等。
实例：机床自动进给机构（图形见课件）功用：凸轮作等速回转，并用其曲线形沟槽驱动从动件绕固定回转副O作往复摆动，通过扇形齿轮和齿条带动刀架，完成刀具的进给运动。
凸轮机构的特点：①结构简单、紧凑；工作可靠，只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到准确的任意预期运动。
②凸轮与从动件间为高副接触，易磨损。
常用于传力不大的场合。
如：自动机床进刀机构、上料机构、内燃机配气机构、印刷机、纺织机等。
2. 凸轮机构的分类凸轮机构的种类繁多，常用凸轮机构分类如下：（图形见课件）（1）按凸轮的形状分①盘形凸轮——凸轮形状如盘，绕定轴转动且具有变化的向径。
它是凸轮的基本型式。
②移动凸轮——凸轮形状如板，沿直线相对机架作往复移动，并具有曲线形的侧轮廓。
凸轮机构及其设计详解
第二节 凸轮机构的传力特性 G
传力特性分析目的 确定构件之间相互的作用力，为 解决磨损及强度尺寸设计提供可靠的 数据。
压力角—不计摩擦时，凸轮对
从动件作用力方向线nn与从动件上 力作用点的速度方向之间所夹的锐 角。
FR2 2
d
vl
F2R1
n
tb
B
t
1 F
n
传力特性分析
Fx 0 F sin( 1) (FR1 FR2 )cos2 0
确定凸轮的基圆半径rb。 步骤
● 确定凸轮转动轴心的位置
● 确定从动件的正确偏置方位以及偏距e
● 将[]代入前式
rb
d
s d tan[ ]
e
s
2
e2
● 确定ss()，求出dsd，代入上式求出一系列rb值，选
取其中的最大值作为凸轮的基圆半径
工程上常常借助于诺模图(Nomogram)来确定凸轮的 最小基圆半径。借助于诺模图既可以近似确定凸轮的最大 压力角，也可以根据所选择的基圆半径来校核最大压力 角。
一、工作循环图与凸轮工作转角的确定 凸轮的工作转角应当根据机器中各个执行机构动作之间 的配合关系，由工作循环图(Working cycle diagram)来确 定。
电阻坯件 电阻送料机构凸轮
电阻帽 送帽压帽机构凸轮
送帽压帽机构凸轮
夹紧机构凸轮
工艺过程
电阻自动压帽机传动系统图
电阻体上料
电阻体夹紧
送帽
合。
,t
⑸ 3–4–5次多项式运动规律(Law of polynomial motion)
推程
s
h10
3
15
4
6
5
凸轮机构的分析和设计
3．滚子推杆滚子半径的选择 采用滚子推杆时，滚子半径的选择，要考虑滚子的结构、强 度及凸轮轮廓曲线的形状等多方面的因素。 （1）凸轮轮廓曲线与滚子半径的关系 1）当凸轮廓线内凹时，则ρa＝ρ＋rr。 此时，无论滚子半径大小如何，凸轮的工作廓线总是可以平 滑地作出来。 2）当凸轮廓线外凸时， 则ρa＝ρ－rr。 若ρ＝rr时， 则ρa＝0，工作廓线出现变尖现象。 若ρ <rr时， 则ρa<0， 工作廓线出现交叉， 推杆运动规 律出现失真现象。
凸轮机构的分析和设计
一、 凸轮机构的应用和分类
1．凸轮机构的应用 （1）实例 内燃机配气凸轮机构 自动机床进刀机构 自动机床凸轮机构 （2）特点
适当的设计凸轮廓线可实现各种运动规律，结构简单，紧凑； 但易磨损，传力不大。
2．凸轮机构的分类 （1）按凸轮的形状分
1）盘形凸轮（移动凸轮）
2）圆柱凸轮 （2）按推杆形状及运动形式分 1）尖顶推杆、滚子推杆和平底推杆 2）对心直动推杆、偏置直动推杆和摆动推杆 （3）按保持高副接触方法分 1）力封闭的凸轮机构 2）几何封闭的凸轮机构
最大速度vmax (hω /δ0)×
1.00
最大加速度amax 2 2 (hω /δ0 )×
∞ 4.00
最大跃度jmax 2 2 (hω /δ0 )×
适用场合
低速轻载
∞ ∞ 39.5 60.0
2.00
1.57 2.00 1.88
中速轻载 中低速重载
中高速轻载 高速中载
余弦加速度 正弦加速度
5次多项式
（2）凸轮廓线设计方法的基本原理 在设计凸轮廓线时，可假设凸轮静止不动，时其推杆相对凸 轮作反转运动，同时又在其导轨内作往复运动，作出推杆在这种 复合运动中的一系列位置，则其尖顶的轨迹就是所要求的凸轮廓 线。这就是凸轮廓线设计的反转法原理。 2．用作图法设计凸轮廓线 （1）直动推杆盘形推杆凸轮廓线的设计 1）偏置直动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计 2）偏置直动滚子推杆盘形凸轮廓线的设计 3） 对心直动平底推杆盘形凸轮廓线的设计 结论 尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计是滚子推杆和平底 推杆盘形凸轮设计的基本问题及方法。
机械原理第9章凸轮机构及其设计
第二十一页，编辑于星期日：十四点 分。
②等减速推程段：
当δ =δ0/2 时，s = h /2，h/2 = C0＋C1δ0/2＋C2δ02/4 当δ = δ0 时，s = h ，v = 0，h = C0＋C1δ0＋C2δ02
0 = ωC1＋2ωC2δ ，C1=－2 C2δ0 C0=－h，C1= 4h/δ0, C2=－2h/δ02
如图所示，选取Oxy坐标系，B0 点为凸轮廓线起始点。当凸轮转过δ 角度时，推杆位移为s。此时滚子中 心B点的坐标为
x (s0 s) sin e cos
y
(s0
s) cos
A7
C8 A6 C7
w
A8
-w
A9
C9 B8 B9 B7 r0
C10
B12100 ° B0
O
B1 a B2
C1 L C2φ1φ0
A10 A0
φ
Φ
o
2
1
2 3 456
180º
7 8 9 10
60º 120º
δ
(1)作出角位移线图；
(2)作初始位置；
A5
C6
B6 B1580°B4
C4
C5
φ3
φC23
A1
↓对心直动平底推杆盘形凸 轮机构
↑偏置直动尖端推杆盘形凸轮机 构
第十一页，编辑于星期日：十四点 分。
↑尖端摆动凸轮机构
↓平底摆动凸轮机构
↑滚子摆动凸轮机构
第十二页，编辑于星期日：十四点 分。
(4)按凸轮与从动件保持接触的方式分
力封闭型凸轮机构
利用推杆的重力、弹簧力或其他外力使推杆与凸轮保持接
触的
此外，还要考虑机构的冲击性能。
凸轮机构及其设计
第三章凸轮机构及其设计§3-1 概述1 凸轮机构的基本组成及应用特点组成：凸轮、从动件、机架运动特征：主动件（凸轮）作匀角速回转，或作匀速直线运动，从动件能实现各种复杂的预期运动规律。
尖底直动从动件盘形凸轮机构、尖底摆动从动件盘形凸轮机构滚子直动从动件盘形凸轮机构、滚子摆动从动件盘形凸轮机构圆柱凸轮机构、移动凸轮机构、平底直动从动件盘形凸轮机构端面圆柱凸轮机构、内燃机配气凸轮机构优点：（1）从动件易于实现各种复杂的预期运动规律。
（2）结构简单、紧凑。
（3）便于设计。
缺点：（1）高副机构，点或线接触，压强大、易磨损，传力小。
（2）加工制造比低副机构困难。
应用：主要用于自动机械、自动控制中（如轻纺、印刷机械）。
2 凸轮机构的分类1．按凸轮形状分：盘型、移动、圆柱2．按从动件运动副元素分：尖底、滚子、平底、球面（P197）3．按从动件运动形式分：直动、摆动4．按从动件与凸轮维持接触的形式分：力封闭、形封闭3 凸轮机构的工作循环与运动学设计参数§3-2凸轮机构基本运动参数设计一．有关名词行程－从动件最大位移h。
推程－S↑的过程。
回程－S↓的过程。
推程运动角－从动件上升h，对应凸轮转过的角度。
远休止角－从动件停留在最远位置，对应凸轮转过的角度。
回程运动角－从动件下降h，对应凸轮转过的角度。
近休止角－从动件停留在低远位置，对应凸轮转过的角度。
一个运动循环凸轮：转过2π，从动件：升→停→降→停基圆－以理论廓线最小向径r0作的圆。
尖底从动件：理论廓线即是实际廓线。
滚子从动件：以理论廓线上任意点为圆心，作一系列滚子圆，其内包络线为实际廓线。
从动件位移线图——从动件位移S与凸轮转角 （或时间t）之间的对应关系曲线。
从动件速度线图——位移对时间的一次导数加速度线图——位移对时间的二次导数 统称从动件运动线图 度量基准（在理论廓线上）1）从动件位移S ：推程、回程均从最低位置度量。
2）凸轮转角δ：从行程开始对应的向径度量（以O 为圆心，O 至行程起始点为半径作弧与导路中心线相交得P 点，∠POX=δ）。
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第15单元：学时数：2学时教学目的与要求：
1．掌握凸轮机构的组成、分类、特点及其应用；
2．了解从动件的常用运动规律；
3．加深机械由多种机构组成的概念。
教学重点与难点：
重点：1．凸轮机构的基本类型及其应用
2．从动件的常用运动规律
难点：从动件的常用运动规律
教学手段与方式：
课堂讲授，实物模型教学，提问，课堂练习
教学内容：
第五章常用机构
第二节凸轮机构
一、凸轮机构的基本类型及其应用
二、从动件的常用运动规律
第五章常用机构
第二节凸轮机构
一、凸轮机构的基本类型及其应用
1. 凸轮机构的组成和应用
凸轮——具有曲线轮廓或沟槽的构件。
传动时，凸轮用轮廓或沟槽驱动从动件运动。
凸轮机构的主要组成：凸轮、从动件及机架三个基本构件。
是一种含高副的常用机构。
实例：内燃机配气凸轮机构。
（图形见课件）
功用：凸轮等速回转，用其曲线轮廓驱动从动件开启和关闭（关闭需借助弹簧的作用），实现进气口或排气口。
实例：绕线机（图形见课件）
功用：凸轮作等速回转时，其曲线轮廓驱动布线杆往复摆动，将线均匀地缠绕在绕线轴3上。
实例：行程控制凸轮机构（图形见课件）
功用：凸轮固定在机器的运动部件上并随之移动，当到达预定位置时，其轮廓推动行程开关的推杆，使之发生电信号，以实现控制运动部件变速、停止或换向等。
实例：机床自动进给机构（图形见课件）
功用：凸轮作等速回转，并用其曲线形沟槽驱动从动件绕固定回转副O作往复摆动，通过扇形齿轮和齿条带动刀架，完成刀具的进给运动。
凸轮机构的特点：
①结构简单、紧凑；工作可靠，只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到准确的任意预期运动。
②凸轮与从动件间为高副接触，易磨损。
常用于传力不大的场合。
如：自动机床进刀机构、上料机构、内燃机配气机构、印刷机、纺织机等。
2. 凸轮机构的分类
凸轮机构的种类繁多，常用凸轮机构分类如下：（图形见课件）
（1）按凸轮的形状分
①盘形凸轮——凸轮形状如盘，绕定轴转动且具有变化的向径。
它是凸轮的基本型式。
②移动凸轮——凸轮形状如板，沿直线相对机架作往复移动，并具有曲线形的侧轮廓。
③圆柱凸轮——凸轮形状如圆柱，绕其轴线定轴转动且有曲线形沟槽。
圆柱凸轮可视为是移动凸轮卷成圆柱而成的。
平面凸轮机构——有盘形凸轮、移动凸轮构成凸轮机构。
空间凸轮机构——圆柱凸轮等构成的凸轮机构。
（2）按从动件的结构形式分
①尖端从动——从动件端部呈尖点或凿刃形。
能与任何凸轮廓线保持接触，从动件可实现任意运动。
特点及应用：端部与凸轮是高副接触，接触应力大，易磨损，故只用于轻载低速的场合。
在实际应用中，尖端常做成半径不大的圆头形。
②滚子从动件——从动件端部装有可以自由转动的滚子。
能减小摩擦和磨损、传递较大的动力。
特点及应用：端部结构复杂，质量较大，不易润滑，故不宜用于高速。
③平底从动件——不计摩擦时，凸轮对从动件的驱动力垂直于平底，有效作用力较大。
特点及应用：凸轮与平底接触处易形成楔形油膜，故常用于高速凸轮。
但不能用于有内凹或直线轮廓的凸轮。
（3）按从动件运动形式分
①直动从动件——作往复直线移动。
对心直动从动件：从动件导路通过盘形凸轮回转中心。
偏置直动从动件：从动件导路不通过盘形凸轮回转中心。
偏距e——从动件导路与凸轮回转中心的距离。
②摆动从动件——从动件作往复摆动。
（4）按锁合方式分
锁合——使凸轮轮廓与从动件始终保持接触。
锁合的方式有：
①力锁合——靠重力、弹簧力或其它力锁合。
例如：弹簧力锁合
②几何锁合——靠凸轮和从动件的特殊几何形状锁合。
例如：圆柱凸轮的凹槽两侧面间的距离处处等于滚子直径，能保证滚子与凸轮始终接触，以实现锁合。
其它常用的几何锁合方式有“主回凸轮”、“等径凸轮”及“等宽凸轮”等。
二、从动件的常用运动规律
1. 凸轮机构运动概述
例：对心尖端直动从动件盘形凸轮机构。
运动过程分析：凸轮逆时针方向匀速转动，从动件尖端在离轮心最近（低）位置A和最远（高）位置B'之间按某一运动规律往复移动。
(a) (b)
基圆——以凸轮轮廓上最小半径r 图5-39 凸轮机构及其运动
A b 为半径作的圆。
从动件与基圆上的点接触时处于“最低”位置，是从动件上升的起始位置。
AB 推程：凸轮转过Ф角时，从动件与凸轮轮廓t 段接触，并上升h 至最高位置B'。
h ——升程
Ф——推程运动角
t 远程休止过程：凸轮转过ФS 角时，从动件与凸轮轮廓段接触，并在最高处静止不动。
BC ——远程休止角
ФS A C ′段接触，从动件下降h 。
回程：凸轮转过Ф角时，从动件与凸轮轮廓上h ——回程运动角
Фh 近程休止过程：凸轮转过Фs ˊ角时，从动件尖端与凸轮轮廓上A'A 段接触，从动件在最低处保持不动。
Ф——近程休止角
s 凸轮连续回转时，从动件重复上述升一停一降一停运动过程。
从动件的位移与凸轮转角（或时间）的关系可用位移线图表示。
[如图5-39(b)]
升一停一降一停是最典型的运动过程。
在工程实践中，有缺少远程休止、缺少近程休止或同时缺少远、近程休止的情况，都可视为典型运动过程的特殊情况。
凸轮轮廓上的AB 段和CA'段的形状尺寸决定了从动件推程和回程的运动规律。
2. 从动件常用位移线图
在工程实际应用中，凸轮的轮廓要根据从动件的位移线图确定，而从动件的位移线图又要根据工作要求来决定。
几种从动件常用的位移线图、作图方法、特点及适用范围如下表：。