机械设计基础 凸轮机构
机械设计基础 第三章 凸轮机构
0
v
0 a +
0 -
机械设计基础——凸轮机构
等速运动（续）
回程(0’0) 运动方程： 位移方程： s h1 / 0 ' 速度方程： v h / 0 加速度方程：a 0
s h 0’
0
0
v
0 - -
s h 2h( 0 )
2
h
推程 运动方程:
s
h/2
0
0/2 0
0/2
s
v
2h
2
4 h
2 0
v
02 4h 2 a 02
0 a 0
运动线图 冲击特性：起、中、末点柔性冲击 适用场合：低速轻载
机械设计基础——凸轮机构
三、从动件运动规律的选择
实际使用时, 推程或回程的运动规律可采用单一运动规律 ,也可以 将几种运动规律复合使用。 1. 当机械的工作过程只要求推杆实现一定的工作行程，而对运 动规律无特殊要求时，主要考虑动力特性和便于加工 低速轻载时，便于加工优先； 速度较高时，动力特性优先。 2. 当机械的工作过程对推杆运动规律有特殊要求时： 转速较低时，首先满足运动规律，其次再考虑动力特性和加工 转速较高时，兼顾运动规律和动力特性，采用组合运动
t
0
推程
01
远休止
rb
0’
回程
02
近休止
C
回程，回程运动角0’ 近休止，近休止角02 行程（升程），h 运动线图: 从动件的位移、速度、加速度等随时 间t或凸轮转角j变化关系图
机械设计基础——凸轮机构
机械设计基础凸轮机构
机械设计基础凸轮机构凸轮机构是机械设计中常见的一种机构，用于实现转动运动和直线运动的转换。
它由凸轮和连杆机构组成，具有简单、可靠、紧凑的优点。
本文将介绍机械设计基础凸轮机构的工作原理、应用领域以及设计要点。
一、凸轮机构的工作原理凸轮机构是通过凹凸轮运动对连杆机构施加力，使其发生直线运动。
凸轮的外轮廓形状决定了连杆机构的运动规律。
凸轮可以分为四种基本形状：圆形、椭圆形、心形和指字形。
不同形状的凸轮在工作过程中会给连杆机构带来不同的速度和加速度。
凸轮机构的工作过程可以分为四个阶段：进给段、暂停段、退出段和暂停段。
在进给段，凸轮逐渐使连杆机构向前运动，实现直线运动。
在暂停段，凸轮暂停与连杆机构接触，使连杆机构停止运动。
在退出段，凸轮逐渐使连杆机构向后运动，实现回程。
最后，在暂停段凸轮继续暂停与连杆机构接触，使连杆机构再次停止。
二、凸轮机构的应用领域凸轮机构广泛应用于机械设计中的各个领域。
以下是几个常见的应用领域：1. 发动机：凸轮机构用于气门控制，通过凸轮来控制气门的开闭，实现燃烧室内的气体进出，从而实现发动机的工作。
2. 压力机：凸轮机构用于控制压力机的上下运动，实现工件的压制或切割。
3. 包装机械：凸轮机构用于控制包装机械的送料、密封和分切等工作，实现自动化包装的功能。
4. 自动化流水线：凸轮机构用于控制流水线上的传送带、工作台等部件的运动，实现产品的加工和组装。
5. 机床：凸轮机构用于控制机床上的工作台、进给机构等部件的运动，实现加工工件的精确定位和运动控制。
三、凸轮机构的设计要点在设计凸轮机构时，需要注意以下几个要点：1. 凸轮的轮廓形状：根据实际需求选择合适的凸轮轮廓形状，确保连杆机构的运动规律符合设计要求。
2. 凸轮与连杆机构的配合方式：凸轮与连杆机构之间应具有良好的配合性能，避免偏差和间隙过大导致机构失效或运动不稳定。
3. 连杆机构的设计：根据实际应用需求设计连杆机构，包括长度、角度和材料等参数的选择，确保机构的工作性能满足要求。
机械设计基础——凸轮机构
结论:
内凹凸轮廓线： 滚子半径无限制
外凸凸轮廓线： 理论轮廓的最小曲率半径大于滚子半径, 即rmin>rr
一般rr=0.8 rmin实际设计时，应保证rmin -rr [ra] =3~5 mm
故如果不满足要求，可以：增加整个理论轮廓的 曲率半径；缩小滚子半径。
3.6.2. 凸轮机构的压力角 1. 压力角a 与驱动力 F
-
实际廓线
3.6 凸轮机构设计中应注意的几个问题
（1）滚子半径的选择
设计滚子从动件时若从强度和耐用性考虑，滚子 的半径应取大些。滚子半径取大时，对凸轮的实际轮 廓曲线影响很大，有时甚至使从动件不能完成预期的 运动规律。
滚子半径的选择
①.凸轮理论轮廓为内凹时
由图(a)可得
ρ' =ρmin+rT
实际轮廓曲线曲率半径总大于理论轮廓曲线曲率 半径。因此，不论选择多大的滚子，都能作出实际轮 廓曲线。
ω和从动件的运动规律，设计该凸
轮轮廓曲线。
2. 凸轮轮廓设计——作图法 （1）选取适当的比例尺作出
尖顶移动从动件盘型凸轮机构 位移线图； S
B0 B1
c0 c1
B2
o
h 2p
1 234567 8
90º 120º 150º
δ
（2）按基本尺寸作出凸轮机构的
rb
90º c2
初始位置；
c8
B8
c7 c6
B7
移动凸轮
当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，即成为移动 凸轮，一般作往复移动，多用于靠模仿形机械中 。
形锁合凸轮
为保证凸轮机构能正常工作，必须保持凸轮轮廓与从动件 相接触，该机构是靠凸轮与从动件的特殊几何结构来保持 两者的接触。
《机械设计基础》凸轮机构
2、按从动件型式分 尖顶从动件
5.1 概述
3、根据从动件的运动形式分
移动从动件凸轮机构
摆动从动件凸轮机构
对心
偏置
5.1 概述
4、按照凸轮的锁合方式可把Байду номын сангаас轮分为： 力锁合
5.1 概述
形锁合
沟槽凸轮机构
等径凸轮机构
5.1 概述
三、凸轮机构的基本尺寸和运动参数
基圆：以凸轮最小半径r0所 作的圆，r0称为凸轮的 基圆半径。 ①推程： 推程运动角 t 从动件移动距离为升程h
5.3 盘形凸轮轮廓设计
二、 作图法设计凸轮轮廓曲线
1、对心尖顶移动从动件盘形凸轮轮廓的设计
5.3 盘形凸轮轮廓设计
2、偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计
5.3 盘形凸轮轮廓设计
3、滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计
5.3 盘形凸轮轮廓设计
4、尖顶摆动从动件盘形凸轮轮廓的设计
5.3 盘形凸轮轮廓设计
形锁合
5.4 凸轮机构基本尺寸的确定
三、滚子半径的确定
凸轮轮廓曲线形状与滚子半径的关系 当理论廓线内凹时 当理论廓线外凸时(可分为三种情况) 1) r 2) r
min min
r min' = r min + r
T
此时，无论滚子半径大小，凸轮工作轮廓总是光滑曲线(如图a)
r min ' = r min - r
推荐压力角数值
移动从动件[a]=30
摆动从动件[a]=45
回程中，一般不会有自锁现象，压力角取值为 [a]=70～80
5.4 凸轮机构基本尺寸的确定
二、基圆半径的确定
ds / d e OD e tan a AB r02 e 2 s
机械设计基础凸轮机构
机械设计基础凸轮机构1. 引言凸轮机构是机械设计中常用的一种机构，通过凸轮的旋转运动，使其上的凸轮副与其他零部件发生相对运动，从而实现特定的机械功能。
本文将介绍凸轮机构的基本概念、设计原则以及常见的凸轮机构类型。
2. 凸轮机构的基本概念凸轮机构由凸轮和从动件组成，其中凸轮是凸轮机构的核心部件，决定了从动件的运动规律。
凸轮可以是圆形、椭圆形、心形等不同形状，根据不同的设计需求选择不同的形状。
从动件是凸轮上的接触件，通过凸轮的旋转运动，从动件与其他零部件发生相对运动，实现机械功能。
常见的从动件有凸轮挤压件、滑块和摇杆等。
3. 凸轮机构的设计原则设计凸轮机构时应遵循以下原则：•机构运动规律：根据机械功能需求确定凸轮的运动规律，将其转化为凸轮的轮廓曲线，从而确定凸轮的形状。
•受力分析：在凸轮机构运动过程中，对从动件受力进行合理的分析和计算，确保从动件不会发生过大的应力和变形，保证机构的可靠性和稳定性。
•声、振动和能量损失的控制：凸轮机构在运动过程中会产生一定的声音、振动和能量损失，需要通过合理的设计控制其产生的程度，降低噪声、振动和能量损失。
•结构的紧凑性和制造的可行性：凸轮机构的结构需尽可能紧凑，减少零部件数量，简化制造工艺，降低制造成本。
4. 常见的凸轮机构类型4.1 凸轮挤压件机构凸轮挤压件机构是最常见的凸轮机构类型之一。
它由凸轮和挤压件组成，通常用于压铸、冷挤压、热压实等加工过程中。
通过凸轮的旋转运动，挤压件对工件进行加工，使工件形成特定的形状。
凸轮挤压件机构凸轮挤压件机构4.2 滑块机构滑块机构是另一种常见的凸轮机构类型。
它由凸轮和滑块组成，通过凸轮的旋转运动，滑块在滑道上做直线运动。
滑块机构常用于液压系统、工艺装备等领域。
滑块机构滑块机构4.3 摇杆机构摇杆机构由凸轮和摇杆组成，通过凸轮的旋转运动，驱动摇杆做往复运动。
摇杆机构常用于发动机、输送带等机械设备中。
摇杆机构摇杆机构5. 结论凸轮机构在机械设计中扮演着重要的角色，通过不同凸轮形状和从动件的组合，可以实现多种不同的机械功能。
机械设计基础 第六章 凸轮机构
6.2.1 凸轮机构的运动循环及基本名词术语
凸轮机构的一个运动循环大 致包括：推程、远休程、回 程、近休程四个部分
术语： 基圆 偏距 近休程 近休止角 推程 推程运动角 远休程 远休止角 回程 回程运动角 行程 推杆运动规律
6.2.2 几种常用的推杆运动规律
等速运动规律：
s h / 0 h 1 / 0 a0
凸轮廓线设计步骤： （1）划分位移曲线；
（2）取长度比例尺，绘出凸轮基圆，偏心距圆；
（3）获取基圆上的等分点； （4）绘出反转过程中的导路位置线；
（5）计算推杆的预期位移；
（6）将从动件尖顶点连成光滑曲线，即为凸轮轮廓。
理论轮廓线 实际轮廓线
尖顶从动件
滚子从动件
滚子半径的选择
滚子从动件作用： 1、化滑动摩擦为滚动摩擦； 2、降低凸轮与从动件之间的局 部接触应力。
6.3.2 压力角与凸轮机构尺寸的关系
tan
OC e
PC OP OC BC BC
BC s r02 e 2
P为凸轮和从动件的速度瞬心，故：
v OP
即： OP
v
ds d
于是：
tan
ds e d s r02 e 2
增大基圆半径或设置偏置均可减小压力角，
存在速度突变，加速 度及惯性力理论上将无穷 大，称为刚性冲击。用于 低速轻载场合。
等加速等减速运动规律：
s 2h 2 / 02 4h1 / 02 2 a 4h1 / 02
s h 2h( 0 ) 2 / 02 4h1 ( 0 ) / 02 2 a 4h1 / 02
机械设计基础第五章凸轮机构
其他应用实例
01
纺织机械
02
包装机械
03
印刷机械
在纺织机械中，凸轮机构被用于控制织 物的引纬、打纬和卷取等运动。通过合 理设计凸轮的形状和尺寸，可以实现织 物的高速、高效织造。
在包装机械中，凸轮机构常用于控制包 装材料的输送、定位、折叠和封口等操 作。通过凸轮的精确控制，可以实现包 装过程的自动化和高效化。
传动比的计算 根据凸轮的轮廓形状和尺寸，以及从动件的运动 规律，可以通过几何关系或解析方法计算出凸轮 机构的传动比。
传动比的影响因素 凸轮机构的传动比受到凸轮轮廓形状、从动件运 动规律、机构中的摩擦和间隙等因素的影响。
凸轮机构的压力角与自锁
压力角的定义
压力角是指从动件受力方向与从动件运动方向之间的夹角。在凸轮机构中，压力角的大小反 映了从动件所受推力的方向与其运动方向之间的关系。
等速运动规律
从动件在推程和回程中均保持匀速运动。
等加速等减速运动规律
从动件在推程和回程中按等加速和等减速规律运动。
简谐运动规律
从动件按简谐运动规律振动。
组合运动规律
根据实际需要，将从动件的运动规律组合成复杂的运动形式。
凸轮机构的尺寸设计
凸轮基圆半径的确定
根据从动件的运动规律和机构的结构要求，确定 凸轮的基圆半径。
03
凸轮机构的类型与特性
盘形凸轮机构
凸轮形状
盘形凸轮是一个具有特定 轮廓的圆盘，其轮廓线决 定了从动件的运动规律。
工作原理
通过凸轮的旋转，驱动从 动件按照预定的运动规律 进行往复直线运动或摆动。
应用范围
广泛应用于内燃机、压缩 机、自动机械等领域。
移动凸轮机构
凸轮形状
移动凸轮是一个在平面上移动的具有特定轮廓的 构件。
机械设计基础 凸轮机构
凸轮机构
19
1）按前述方法求得尖顶从动件的 B0、B1、B2、
...... 各点； 2）过 B0、B1、B2、B3、...... 各点作平底的 各个位置； 3）作这些平底的包络线即为对心直动 平底从动件盘形凸轮的实际轮廓曲线。 注意：这种凸轮不能设计成 有内凹部分的；
平板移动凸轮： rb —→ ∞
圆柱回转凸轮： 可以看成是绕在圆柱体上的移动凸轮。
工业设计机械基础
2）按从动件端部的形状分： 尖顶从动件： 平底从动件： 滚子从动件：
凸轮机构
4
3）按从动件的运动方式分： 直动从动件：
摆动从动件：
4）按凸轮与从动件的封闭方式分： 力闭合（封闭）： 形闭合（封闭）：
工业设计机械基础
凸轮机构
16
5）确定从动件与凸轮在不同转角处接触点的位置；
过 B’1、B’2、B’3、......各点沿导路方向分别截取线段 B’1B1 = 11’、 B’2B2 = 22’、 B’3B3 = 33’、...... ，所以 B0、 B1、B2、B3、...... 各点就是反
转后尖顶从动件尖端与凸轮接触点的一系列位置。
t 2 t 1 s2 h sin t1 t1 2 h v2 t1 2 t 1 cos t1 2 h 2 t a 2 2 sin 加速度 —→ 正弦 t1 t1
由图知，在从动件行程的始、末位置加速
度均无突变，且为零。 —→ 凸轮机构将不产生任何冲击。 ∴ 摆线运动规律适用于高速凸轮传动。
应保证平底总与
凸轮相切而不相交。
工业设计机械基础
四、摆动从动件盘形凸轮廓线的设计
凸轮机构
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第六章 凸轮机构
9
0
s2
1
二、等加速等减速运动 4
9
0→δt/2：加速,上升h/2 δt/2→δt：减速,上升h/2
4 10
12
δt/2
v2
345
δt
h/2
h
6 δ1
中间位置：加速度有突变
0
δ1
（有限值），柔性冲击。 a2
——不适合高速。
0
δ1
第六章 凸轮机构
10
s2 6
5
三、简谐运动(余旋加速度) 4
直动 按推杆运动分
摆动
对心
按推杆位置分 偏置
第六章 凸轮机构
6
按接触封闭方式分 凸轮传动中，从动件与凸轮应始终保持接触。
力封闭法
重力
弹簧压力
形封闭法
凹槽
等径凸轮
等宽凸轮
第六章 凸轮机构
§2 推杆的常用运动规律
设计凸轮传动：
工作要求
推杆运动规律
推杆运动：上升——停——下降——停
A→B：推程
δt ：推程运动角 δs ：远休止角 δt’ ：回程运动角 δs’ ：近休止角 C→D：回程
s2
4’ 5’
3’
6’
r0
2’
7’
B1’
B0
B1
B2’
B2
O
1’
8’9’
0 1 2 3 4 5678 9
δ1
120° 60° 60° 120°
B3
B3’ 步骤：
B9’ B9
B4
B8 B7 B6 B5
B8’
B7’ B6’ B5’
1、按比例作位移线图,分成若干份。
B4’
2、画基圆,确定推杆起始位置B0。
第工六 业章设计凸机轮械机基构础
1
第六章 凸轮机构
§1 凸轮机构的组成、应用和分类 §2 推杆的常用运动规律 §3 凸轮轮廓曲线设计 §4 凸轮设计中的几个问题
第六章 凸轮机构
2
§1 凸轮机构的组成、应用和分类
一、组成 凸轮1、推杆 (从动件)2、机 架3
二、应用 广泛用于s、v、a要求严格的自动、
2. 作图法设计凸轮轮廓的基本原理为（ ）。 3. 从凸轮机构受力的角度考虑，压力角越（ ）越好，
压力角过（ ）可能出现自锁现象。
4. 设计滚子推杆盘形凸轮机构时，若理论轮廓曲线外凸， 且最小曲率半径（ ）滚子半径，则该凸轮机构会出 现运动失真。
ω
α↑某值——Ff>F’ ,自锁 n
应限制αmax<[α]
第六章 凸轮机构
16
二、滚子半径rT的选择 理论轮廓线——滚子包络线——实际轮廓线
滚子半径rr对实际轮廓线有影响。
1、内凹曲线
ρ——理论轮廓曲线 曲率半径
ρa——实际轮廓曲线 曲率半径
rr ρ
ρa= ρ+rr
ρa
无论rr为多大，都能作出。
第六章 凸轮机构
17
2、外凸曲线 ρa= ρ-rr ρ ρa ρ
rr<ρ时，可作出。
rr=ρ时，尖点，易磨 损——失真。
ρ
rr>ρ时，ρa<0,轮廓线交叉，加
工时交叉部分被切掉——失真。
故 rr<ρmin
第六章 凸轮机构
18
思考题：
1. 凸轮机构推杆的常用运动规律中，（ ）具有刚性冲 击，（ ）具有柔性冲击，（ ）没有冲击。
3R
h
s2=R-Rcosθ R=h/2
θ 2
10
12345 δt
6 δ1
θ/π=δ1/δt
v2
始末两点仍有柔性冲击
a2
——不适于高速。
O
δ1
A δ1
第六章 凸轮机构
11
s2
四、摆线运动(正旋加速度)
h
Rθ
s
δ
δt
δ1
v2
无刚性冲击和柔性冲击，
可用于高速。
δ1
a2
δ1
第六章 凸轮机构
12
§3 凸轮轮廓曲线的设计
3、从B0开始,沿-ω方向,与位移线图对应划 分基圆,得B0、B1、B2 、……,过圆心作射线 OB1、OB2 、……。
4、在各射线上从Bi点量取对应的位移量，得一系列点Bi’。
5、用光滑曲线将系列点Bi’连接起来，即为所求的凸轮轮廓曲线。
第六章 凸轮机构14二 Nhomakorabea对心直动滚子推杆盘形凸轮设计
已知：r0、rT、ω(逆时针)、推杆运动规律。 步骤：
方法： 作图法——简单、直观，但精度低——一般设计 解析法——精度高，CAD/CAM中普遍采用——精确设计
反转法的基本原理
➢给机构加上-
➢凸轮静止不动 ➢从动件转动且沿导路移动
从动件尖底运动轨迹 凸轮轮廓曲线
第六章 凸轮机构
13
一、对心直动尖底推杆盘形凸轮设计
已知：r0、ω(逆时针)、推杆运动规律。
B0
O
B9’ B9 B8 B7 B6 B5
B8’
B1’ B1
B2 B3 B4
B7’ B6’ B5’
B2’ B3’ B4’
1、将滚子中心视为尖底推杆的 尖底，按前述方法作出凸轮的理 论轮廓曲线。
2、在理论轮廓曲线上取一系列 点为圆心，以滚子半径rT为半径 作一系列圆弧，作圆弧的包络 线——实际轮廓曲线。
r0为理论轮廓上的基圆半径。
第六章 凸轮机构
15
§4 凸轮设计中的几个问题
一、压力角与自锁
忽略摩擦力，载荷F沿公法线方向。 Q
F分解为： F’=F·cosα F”=F·sinα
n
α
v2
t
α——压力角，F与从动件速
F F’
度v方向所夹锐角。
F”
F’：有效分力, F”：有害分力 t
α↑——F”↑——Ff↑、η↓
半自动机械中，多用于传力不大的场合。
内燃机配气 凸轮机构
自动机床 进刀机构
第六章 凸轮机构
3
绕线机构
第六章 凸轮机构
4
三、凸轮机构的分类 按凸轮的形状分
盘形凸轮 平板移动凸轮 圆柱凸轮
3
第六章 凸轮机构
5
按推杆端 部形状分
尖底推杆：易磨损，用于低速轻载 滚子推杆：承载大、耐磨 平底推杆： 用于高速,不能与凹形轮廓接触
h ：升程
r0 ：基圆半径
位移s2与转角δ1关系 ——位移线图：
7 凸轮轮廓曲线
r0
第六章 凸轮机构
8
推杆的位移s、速度v、加速度a随时间t的运动规律 统称为推杆的运动规律
一、等速运动
s2
δt v2
h
特点：
lim δ1
A点：a2
t 0
v0 0 t
v0 a2
∞
A
δ1
δ1 B -∞
存在刚性冲击，用于低 速、从动件质量小的凸 轮机构。