凸轮机构的应用及其分类 (公开课专用)
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凸轮机构的类型应及其应用特点
凸轮机构的类型应及其应用特点凸轮机构是一种机械传动机构，通过凸轮对其它零部件施加规定的运动规律，实现机械装置的工作功能。
凸轮机构的类型较为多样，根据凸轮的形状和安装方式的不同，可以分为以下几类：平面滚动凸轮机构、空间滚动凸轮机构、球面滚动凸轮机构、曲面专门凸轮机构等等。
平面滚动凸轮机构是指凸轮在平面内做回转运动，是最常见也是应用最广泛的一类凸轮机构。
其应用特点如下：1.运动规律灵活多样：凸轮在回转运动过程中，可以根据需要设定不同的运动规律，如简谐运动、匀速运动、非对称运动等等。
2.传动精度高：凸轮机构的传动比可以通过凸轮的轮廓形状和驱动零件的尺寸比例进行调整，传动精度较高。
3.传动效率较高：由于凸轮和从动零件之间的接触面积较大，传动效率较高。
4.运动平稳性好：凸轮机构的运动平稳性较好，能够满足一些对运动平稳性要求较高的场合。
空间滚动凸轮机构是指凸轮在三维空间内做回转运动，也称为空间凸轮机构。
其应用特点如下：1.自由度更高：与平面滚动凸轮机构相比，空间凸轮机构的自由度更高，可以实现更复杂的运动模式。
2.多轨迹运动：凸轮的轨迹可以是任意的，可以实现多轨迹运动，满足一些特殊要求。
3.结构复杂：空间凸轮机构的结构较为复杂，制造和安装难度较大。
4.应用范围广泛：空间凸轮机构在机械装置、汽车制造、航空航天等领域有着广泛的应用。
球面滚动凸轮机构是指凸轮在球面上做回转运动，其特点如下：1.运动平稳：球面滚动凸轮机构的运动过程中，能够保持较好的平稳性，满足一些高速运动的需求。
2.自由度较高：球面滚动凸轮机构的自由度较高，可以实现更复杂的运动模式，满足一些特殊要求。
3.结构复杂：球面滚动凸轮机构的结构较为复杂，对制造和安装的要求较高。
4.应用范围广泛：球面滚动凸轮机构广泛应用于机械装置、船舶、航空航天等领域。
曲面专门凸轮机构是指凸轮的轮廓曲面为曲线，其特点如下：1.运动规律特殊：曲面专门凸轮机构的凸轮轮廓曲线可以是任意的，可以满足一些特殊运动规律的要求。
凸轮机构的类型应及其应用特点
凸轮机构的应用特点是可以方便地 实现从动件多个不同的复杂运动规 律和特殊运动轨迹。
凸轮机构的应用特点还包括能够实现 从动件的复杂运动规律和特殊运动轨 迹，这使得凸轮机构在自动化生产线、 医疗器械等领域中得到广泛应用。
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凸轮机构的应用特点还包括能够实现 从动件的复杂运动规律和特殊运动轨 迹，这使得凸轮机构在许多领域中得 到广泛应用。
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凸轮机构的应用实例
汇报速、低速或间歇运动 适用于自动化生产线和精密设备 在汽车、纺织、印刷、包装等行业广泛应用
凸轮机构通常由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成，结构简单紧凑，易于设计和制造。
由于凸轮机构具有较高的传动效率和精度，因此在自动化生产线、纺织机械、轻工机械等领 域得到广泛应用。
特点：修正底式凸轮机构具有较高的精度和稳定性，适用于需要精确控制运动轨迹的场合。
应用领域：修正底式凸轮机构广泛应用于机械、航空、汽车、医疗等领域，尤其在需要高精 度运动的场合，如数控机床、机器人等。
优势：修正底式凸轮机构能够实现精确的运动控制，减小运动误差，提高机械系统的稳定性 和可靠性。
PART TWO
凸轮机构的应用特点还包括能够实现 从动件的复杂运动规律和特殊运动轨 迹，这使得凸轮机构在航空航天、军 事等领域中得到广泛应用。
原因：凸轮与从动件间为点或线接触，接触面较小 影响：摩擦损失较大，导致传动效率较低
凸轮机构的应用特点
凸轮机构的应用范围
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凸轮机构在各种机械中的应用
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定义：凸轮的底部为平面的凸轮机构 特点：结构简单，制造方便，适用于传递较小扭矩 应用场景：适用于低速轻载的场合，如内燃机、压缩机等机械中 工作原理：通过平底与从动件之间的摩擦力或强制方式实现从动件的往复运动
凸轮机构
B6
４. 偏心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计
第四节凸轮机构基本尺寸的确定
凸轮工作轮廓必须满足以下要求： (1)保证从动件能实现预定的运动规律
(2)传力性能良好，不能自锁
(3)结构紧凑
(4)满足强度和安装等要求 为此，设计时应注意处理好
1.滚子半径的选择 2.凸轮机构的压力角 3.凸轮基圆半径的确定 4.凸轮机构的材料
（a)推程 (b)回程
２．等加速等减速运动规律
是指凸轮以等角速度转动时，从动件在一个行程中，前半行程作 等加速运动，后半行程作等减速运动的运动规律。 运动线图如图所示。其位移曲线为两段光滑相连开口相反的抛物 线，速度曲线为斜直线，加速度曲线为平直线。推程位移线图作图 方法演示。
由图可见，在推（回） 程的始末点和前、后半程 的交接处，加速度有限的 突变，因而惯性力也产生 有限的突变，由此将对机 构造成有限大小的冲击， 这种冲击称为“柔性冲击” 或“软冲”。因此这种运 动规律只适用于中速、中 载的场合。
3.按锁合方式分：力锁合、形锁合
锁合是指从动件与凸轮之间始终保持的高副接触的装置。
（1）力锁合凸轮机构
依靠重力、弹 力或其他外力 来锁合
（2）形锁合凸轮机构
依靠凸轮和从 动件几何形状 来保证锁合
4.按从动件运动方式分：
从动件导路是否通过凸轮回转中心
对心直动从动件凸轮机构 偏置移动从动件凸轮机构
直动从动件凸轮机构 摆动从动件凸轮机构
rT＜0.8ρmin ρmin＞1～5mm rT =（0.1～0.5）rb
二、凸轮机构的压力角
１.压力角：不计摩擦时，凸轮对从 动件的作用力（法向力）与从动件 上受力点速度方向所夹的锐角。 该力可分解为两个分力 ：
第一讲 凸轮机构的应用和分类及从动件常用运动规律
h
从动件升程位移方程 S :
0
(1)
从动件回程位移方程 S h ( 1 :
) ( 2) 0
34
第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
1. 匀速运动规律
(2) 由于h、δo 是常数，所以位移S 和转角δ是正比关系，升程和回程位 移曲线均为一斜直线。 推程 的位移、 速度、加速度方程：
2
第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
我为三一而自豪——SY2000C挖掘机
4、SY2000C挖掘机是 三一重工自主研发的国产 最大吨位智能型液压挖掘 机，融合了国内外同级挖 掘机制多项先进技术。 SY2000C挖掘机的成功研 发，填补了该吨位全液压 履带挖掘机耕国内的空白， 三一重机因此成为全球第 五家能够制造200吨以上全 液压挖掘机的制造商，跻 身于世界先进行列。
以，会引起柔性冲击。适用于中速
38
3. 简谐运动规律
(1) 余弦加速度运动规律的加速度 曲线为1/2个周期的余弦曲线，位 移曲线为简谐运动曲线（又称为简 谐运动规律）。
(2) 位移方程 (3) 位移曲线 (4) 位移曲线绘制步骤
h1 v2 sin ( ) 2 0 0
h 2 12 a2 cos ( ) 0 2 02
升程h ——当凸轮以匀角速1顺时针转动o 时，凸轮轮廓的
向径逐渐增加，推动从动件达到最高位置时，从动 件移动的距离 推程运动角o—— 对应升程的转角 远休止角s —— 凸轮继续转动, 凸轮轮廓段向径不变，从动件 在最远位置停留不动，相应的凸轮转角
28
第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
一. 凸轮机构的运动过程及其术语
轮转角 之间的关系线图，简称为 从动件位移曲线。 0 0 s 0 ' s ' δ
从动件升程位移方程 S :
0
(1)
从动件回程位移方程 S h ( 1 :
) ( 2) 0
34
第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
1. 匀速运动规律
(2) 由于h、δo 是常数，所以位移S 和转角δ是正比关系，升程和回程位 移曲线均为一斜直线。 推程 的位移、 速度、加速度方程：
2
第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
我为三一而自豪——SY2000C挖掘机
4、SY2000C挖掘机是 三一重工自主研发的国产 最大吨位智能型液压挖掘 机，融合了国内外同级挖 掘机制多项先进技术。 SY2000C挖掘机的成功研 发，填补了该吨位全液压 履带挖掘机耕国内的空白， 三一重机因此成为全球第 五家能够制造200吨以上全 液压挖掘机的制造商，跻 身于世界先进行列。
以，会引起柔性冲击。适用于中速
38
3. 简谐运动规律
(1) 余弦加速度运动规律的加速度 曲线为1/2个周期的余弦曲线，位 移曲线为简谐运动曲线（又称为简 谐运动规律）。
(2) 位移方程 (3) 位移曲线 (4) 位移曲线绘制步骤
h1 v2 sin ( ) 2 0 0
h 2 12 a2 cos ( ) 0 2 02
升程h ——当凸轮以匀角速1顺时针转动o 时，凸轮轮廓的
向径逐渐增加，推动从动件达到最高位置时，从动 件移动的距离 推程运动角o—— 对应升程的转角 远休止角s —— 凸轮继续转动, 凸轮轮廓段向径不变，从动件 在最远位置停留不动，相应的凸轮转角
28
第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
一. 凸轮机构的运动过程及其术语
轮转角 之间的关系线图，简称为 从动件位移曲线。 0 0 s 0 ' s ' δ
机械原理课件9 凸轮机构
1、凸轮廓线设计的基本原理
• 解析法、作图法 • 相对运动原理法:(也称反转法) • 此时，凸轮保持不动
• 对整个系统施加 -ω
运动
• 而从动件尖顶复合运动的 轨迹即凸轮的轮廓曲线。
-ω
A A A A A A A A
1 2
3’ 2’ 1’
ω
r0
1
O
2 3
3
2.用作图法设计凸轮廓线
1)对心直动尖顶从动件盘形凸轮
e
对心平底推杆凸轮机构
平底摆杆凸轮机构
从动件与凸轮之间易形成油膜，润滑状况好，受力平稳， 传动效率高，常用于高速场合。但与之相配合的凸轮轮廓 必须全部外凸。
偏心平底推杆凸轮机构
滚子摆杆凸轮机构
e
§9－2 推杆的运动规律
一.推杆常用的运动规律
凸轮机构设计的基本任务: 1)根据工作要求选定凸轮机构的形式; 2)推杆运动规律; 3)合理确定结构尺寸; 4)设计轮廓曲线。
a
2h 2
02
2 sin 0
R= 2
h
A 0 1 v
2
3 4
5
6
7
8
回程： s＝h[1-δ /δ
0
′)/2π
0
′
+sin(2π δ /δ
0
0
]
v＝hω [cos(2π δ /δ 0’)-1]/δ a＝-2π
hω 2 sin(2π δ /δ
′
FI ma 0
(1).对心直动尖顶从动件盘形凸轮
s
h
对心直动尖顶从动件凸轮机构 中，已知凸轮的基圆半径rmin， 角速度ω和从动件的运动规律， 设计该凸轮轮廓曲线。 设计步骤小结：
凸轮机构
四、凸轮机构的优、缺点 优点： 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。 缺点： 凸轮轮廓与从动件之间为点接触或线接触，易于磨损，所以 通常多用于传力不大的控制机构。
2 从动件的常用运动规律
一、基础知识
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设计凸轮轮廓线。 下面以尖顶直动从动件盘形凸轮机构为例，说明从动件的运 动规律与凸轮轮廓线之间的相互关系。
凸轮机构
1
凸轮机构的应用和类型
2
从动件的常用运动规律
1 凸轮机构的应用和类型
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 中应用非常广泛。
一、凸轮机构的组成 主要由： 凸轮、 从动件 机架 三个基本构件的组成。 凸轮机构是由具有曲线轮廓 或凹槽的构件，通过高副接触带 动从动件实现预期运动规律的一 种高副机构
1 凸轮机构的应用和类型
三、类型 2.按从动件的结构形式分 (2)滚子从动件 如图示。为了克服尖顶从动 件的缺点，在从动件的尖顶处安 装一个滚子，即成为滚子从动件。 滚子和凸轮轮廓之间为滚动 摩擦，耐磨损，可以承受较大载 荷，所以是从动件中最常用的一 种型式。 但滚子与转轴之间有间隙， 故不适用于高速的凸轮机构。
2 从动件的常用运动规律
一、基础知识 6.回程: 从动件尖顶以一定运动 规律回到起始位置，这个过 程称为回程。 7.回程运动角δh : 与回程对应的凸轮转角δh。
8.近休止角δs′:从动件在最近位置停留不动，凸轮转角δs′。
9.从动件位移线图:从动件位移S2与凸轮转角δ1之间的关系曲线。
2 从动件的常用运动规律
§3-3
凸轮机构的压力角
2 从动件的常用运动规律
一、基础知识
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设计凸轮轮廓线。 下面以尖顶直动从动件盘形凸轮机构为例，说明从动件的运 动规律与凸轮轮廓线之间的相互关系。
凸轮机构
1
凸轮机构的应用和类型
2
从动件的常用运动规律
1 凸轮机构的应用和类型
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 中应用非常广泛。
一、凸轮机构的组成 主要由： 凸轮、 从动件 机架 三个基本构件的组成。 凸轮机构是由具有曲线轮廓 或凹槽的构件，通过高副接触带 动从动件实现预期运动规律的一 种高副机构
1 凸轮机构的应用和类型
三、类型 2.按从动件的结构形式分 (2)滚子从动件 如图示。为了克服尖顶从动 件的缺点，在从动件的尖顶处安 装一个滚子，即成为滚子从动件。 滚子和凸轮轮廓之间为滚动 摩擦，耐磨损，可以承受较大载 荷，所以是从动件中最常用的一 种型式。 但滚子与转轴之间有间隙， 故不适用于高速的凸轮机构。
2 从动件的常用运动规律
一、基础知识 6.回程: 从动件尖顶以一定运动 规律回到起始位置，这个过 程称为回程。 7.回程运动角δh : 与回程对应的凸轮转角δh。
8.近休止角δs′:从动件在最近位置停留不动，凸轮转角δs′。
9.从动件位移线图:从动件位移S2与凸轮转角δ1之间的关系曲线。
2 从动件的常用运动规律
§3-3
凸轮机构的压力角
机械基础(凸轮机构)
s h
3.余弦加速度运动规律：
O
从动件加速度在起点和终点存在 v
有限值突变，故有柔性冲击;
0/2 p h /20
若从动件作无停歇的升－降－升
O
连续往复运动，加速度曲线变为 a
连续曲线，可以避免柔性冲击;
O
可适用于高速的场合。
0/2 p22 h /202
0/2 -p22 h /202
0
0 0
凸轮机构
一.任务资讯
（一）凸轮机构的应用及分类
凸轮：具有控制从动件运动规律的某种曲线或凹槽的主动件。 作等速回转运动或往复移动。 凸轮机构：由凸轮、从动件（推杆）和机架组成的高副机构。
机架3
从动件2
1 O1
凸轮1
（一）凸轮机构的应用及分类
1、凸轮机构的应用(Application of Cams)
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δ0 ' 。 δ0 ' =∠COD
9、近休止：
从动件停留在凸轮最近处。
10、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
11、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或时间t，所画出的图形为位移曲线图。
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
第一讲 凸轮机构的应用和分类及从动件常用运动规律
滚子摆动式圆柱凸轮机构
形状锁合
22
第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
凸轮机构分类示例
滚子移动式圆柱凸轮机构
23
第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
凸轮机构分类示例
凸轮机构
内燃机
力锁合
24
第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
三. 凸轮机构的应用和特点
应用：广泛地应用于各种机械，特别是自动机械、自动
第一讲凸轮机构的类型及其常用运动规律19凸轮机构分类示例尖顶从动件移动式摆动式第一讲凸轮机构的类型及其常用运动规律20凸轮机构分类示例滚子从动件移动式摆动式第一讲凸轮机构的类型及其常用运动规律21凸轮机构分类示例平底从动件移动式摆动式第一讲凸轮机构的类型及其常用运动规律22凸轮机构分类示例滚子摆动式圆柱凸轮机构形状锁合第一讲凸轮机构的类型及其常用运动规律23凸轮机构分类示例滚子移动式圆柱凸轮机构第一讲凸轮机构的类型及其常用运动规律24凸轮机构分类示例内燃机力锁合凸轮机构力锁合凸轮机构第一讲凸轮机构的类型及其常用运动规律25三
3
第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
§11-1 凸轮机构的应用和分类
4
第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
上次课教学内容复习
解答学生问题，提出问题：
1. 平面四杆机构的演化机构基本型式有哪些 ？ 2. 为什么说导杆机构有较好的传力性能 ？
5
第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
新课导入：
2. 按从动件的形状分类
(3) 平底从动件： 从动件与凸轮轮廓的接触一端为一平面。若不考虑摩 擦，凸轮对从动件的作用力始终垂直于端平面，传动效率 高，且接触面间容易形成油膜，利于润滑，故常用于高速 凸轮机构。它的缺点是不能用于凸轮轮廓有凹曲线的凸轮 机构中。 (4) 曲面从动件：
形状锁合
22
第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
凸轮机构分类示例
滚子移动式圆柱凸轮机构
23
第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
凸轮机构分类示例
凸轮机构
内燃机
力锁合
24
第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
三. 凸轮机构的应用和特点
应用：广泛地应用于各种机械，特别是自动机械、自动
第一讲凸轮机构的类型及其常用运动规律19凸轮机构分类示例尖顶从动件移动式摆动式第一讲凸轮机构的类型及其常用运动规律20凸轮机构分类示例滚子从动件移动式摆动式第一讲凸轮机构的类型及其常用运动规律21凸轮机构分类示例平底从动件移动式摆动式第一讲凸轮机构的类型及其常用运动规律22凸轮机构分类示例滚子摆动式圆柱凸轮机构形状锁合第一讲凸轮机构的类型及其常用运动规律23凸轮机构分类示例滚子移动式圆柱凸轮机构第一讲凸轮机构的类型及其常用运动规律24凸轮机构分类示例内燃机力锁合凸轮机构力锁合凸轮机构第一讲凸轮机构的类型及其常用运动规律25三
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第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
§11-1 凸轮机构的应用和分类
4
第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
上次课教学内容复习
解答学生问题，提出问题：
1. 平面四杆机构的演化机构基本型式有哪些 ？ 2. 为什么说导杆机构有较好的传力性能 ？
5
第一讲 凸轮机构的类型及其常用运动规律
新课导入：
2. 按从动件的形状分类
(3) 平底从动件： 从动件与凸轮轮廓的接触一端为一平面。若不考虑摩 擦，凸轮对从动件的作用力始终垂直于端平面，传动效率 高，且接触面间容易形成油膜，利于润滑，故常用于高速 凸轮机构。它的缺点是不能用于凸轮轮廓有凹曲线的凸轮 机构中。 (4) 曲面从动件：
凸轮机构
从动件的运动规律
从动件的运动规律
• 远休止与远休止角： 当凸轮廓线上对应的圆弧段与
从动件接触时，从动件在距凸轮轴心的最远处静止不动。 这一过程称为远休止，此过程对应凸轮所转过的角度称为 远休止角Φs 。
从动件的运动规律
• 回程与回程角: 当凸轮廓线上的曲线段与从动件接
触时，引导从动件由最远位置返回到位移的起始位置。 从动件的这一运动行程称回程，此过程对应凸轮所转过 的角度称为回程角Φ/。
1-凸轮 2-气阀 3-内燃机壳体
如图所示为自动机床中 的进刀凸轮机构。
凸轮机构的应用和分类
当圆柱凸轮绕其轴线转动 时，通过其沟槽与摆杆一 端的滚子接触，并推动摆 杆绕固定轴按特定的规律 作往复摆动，同时通过摆 杆另一端的扇形齿轮驱动 刀架实现进刀或退刀运动。
1-圆柱凸轮 3-滚子
2-摆杆
凸轮机构的应用和分类
平面凸轮机构基本尺寸的确定
2、常见的盘形凸轮机构的压力角
平面凸轮机构基本尺寸的确定
3、压力角对凸轮机构受力的影响
其他条件相同时，压力角 越大，推动从动件所需的 作用力越大；
当压力角非常大时，理论 上作用力为无穷大时才能 推动从动件，此时凸轮机 构将发生自锁。
平面凸轮机构基本尺寸的确定
二、基圆半径对压力角的影响
增大基圆半径，可使凸轮机构的压力角减小；
增大基圆半径会使凸轮机构的整体尺寸增大 在压力角不超过许用值的原则下，应尽可能采用较 小的基圆半径。
平面凸轮机构基本尺寸的确定
三、滚子半径的选择 1、滚子半径对实际廓线的影响
平面凸轮机构基本尺寸的确定
r
可画出正常的实际廓线
r
实际廓线变尖
r
实际廓线干涉，导致 运动失真。