1、5-1 凸輪機構的應用和類型凸輪機構的應用和類型 一、凸輪機構的應用：一、凸輪機構的應用： 凸輪機構是機械中常用的一種機構，在自動化和半自動化機械中應用非常廣泛。 內燃機配氣機構，凸輪以等角速度回轉，它的輪廓驅使從動件（閥桿）按與其的運動規律啟閉閥門。 繞線機構，當繞線軸3快速轉動時，經齒輪帶動凸輪1緩慢轉動，通過凸輪與構件2尖頂只見到作用，驅使從動件2往復擺動，從而使線均勻地纏繞在繞線軸上。 沖床的裝卸料傳動機構，凸輪1固定在沖頭上，當沖頭上下往復運動時，凸輪驅使從動件2以一定的規律水平往復運動，從而帶動機械手裝卸工件。 自動送料機構，當帶有凹槽的凸輪1轉動時，通過槽中的滾子，驅使從動件2作

2、往復移動。凸輪每轉一周，從動件即從儲料器中推出一個毛坯，送到加工位置。凸輪機構主要由凸輪凸輪、從動件從動件和機架機架三個基本部分組成二、凸輪機構的分類：二、凸輪機構的分類：1、按凸輪的形狀分：盤形凸輪，凸輪機構的最基本形式移動凸輪，可看成盤形凸輪的回轉中心在無窮遠處圓柱凸輪，將移動凸輪卷成圓柱體2、按從動件的型式分：尖頂從動件：滾子從動件：平底從動件：尖頂能與復雜的輪廓保持接觸，能實現任意預期的運動規律，但尖頂與凸輪是點接觸，磨損快，常用于受力不大的低速凸輪機構。尖頂處安裝滾子，滾子與凸輪之間為滾動摩擦，耐磨損，承受較大載荷，是從動件中最常用的一種型式。從動件與凸輪輪廓的接觸面為平面，不能與凹

3、陷的凸輪輪廓接觸，不考慮摩擦時，凸輪與從動件之間的作用力始終與從動件的平底相垂直，傳動效率較高，接觸面間易于形成油膜，利于潤滑，常用于高速凸輪機構3、按從動件的運動形式分：直動從動件：從動件相對機架作往復直線運動擺動從動件：從動件相對機架作往復擺動4、按凸輪與從動件的接觸形式分：力鎖合：利用從動件的重力、彈簧力或其他外力使從動件與凸輪保持接觸幾何鎖合：依靠凸輪與從動件的特殊幾何形狀而始終維持接觸三、凸輪機構的特點：三、凸輪機構的特點：優點：1、只需設計合適的凸輪輪廓，就能夠實現精確的運動規律； 2、結構簡單、緊湊，設計方便。缺點：1、凸輪與從動件間為點、線接觸，易磨損，主要用于傳力不大 的控制

4、機構； 2、凸輪輪廓加工困難。5-2 從動件的常用運動規律從動件的常用運動規律 凸輪的輪廓決定于從動件的運動規律一、基本名詞：一、基本名詞：基圓基圓：（base circle）以凸輪的最小向徑為半徑所作的圓稱為基圓基圓，基圓半徑用rmin表示。推程，推程運動角推程，推程運動角t （motion angle for rise travel）遠休止角遠休止角s (farthest dwell angle)回程，回程運動角回程，回程運動角h (motion angle for return travel)近休止角近休止角s (nearest dwell angle) 行程行程從動件在推程或回程中移動

5、的距 離，用 h 表示 從動件位移圖從動件位移圖從動件運動線圖從動件運動線圖021212 ahvhstt 二、從動件的常用運動規律二、從動件的常用運動規律1、勻速運動推程：凸輪轉過推程運動角t ，從動件行程為h。若以T 表示推程運動時間，則勻速運動時，從動件的速 度v2v0h/T；從動件位移s2v0tht/T；從動 件的加速度a2dv2/dt0。其運動線圖如右圖。凸輪勻速運動時，1為常數，故11t，t1T 將這些關系式代入上式便可得出以凸輪轉角1表示的從動件運動方程回程：凸輪轉過推程運動角h，從動 件相應由s2h逐漸減小到0。 12212(1)0hhshhva 運動件在開始和終了的瞬時，速度有

6、突變，產生剛性沖擊剛性沖擊221212122122442ttthahvhs 2212121221224)(4)(2ttttthahvhhs 2212212122122442hhhhahvhhs 2、等加速等減速運動這種運動規律通常令前半行程作等加速運動，后半行程作等減速運動。推程的前半程：推程的后半程：回程的前半程：回程的后半程：2212121221224)(4)(2thhhhhahvhs 2t t 216543Os2t1 214536165432o41149O v2t1 a0A at BC加速度的突變引起有限慣性力的突變，將產生。 3、簡諧運動（余弦加速度運動） 點在圓周上作勻速運動時，它在

7、這個圓的直徑上的投影所構成的運動稱為簡諧運動簡諧運動)cos(2)sin(2)cos(1 212212211212 ttttthahvhs 推程：回程：)cos(2)sin(2)cos(1 212212211212 htththhahvhs O a2t1 meO v2t1 t Os2t1 2165432145361654324、擺線運動（正弦加速度運動） ,tsva ,t ,th654321rsBAA0運動特征：沒有沖擊 5、組合運動規律 為了獲得更好的運動特征，可以把上述幾種運動規律組合起來應用，組合時，兩條曲線在拼接處必須保持連續。三、三、 從動件運動規律的選擇從動件運動規律的選擇 3、對

8、于較高速凸輪，還要考慮到機構的運動速度較高，可能會 產生很大的慣性力和沖擊，所以要考慮其最大加速度。1、只要求當凸輪轉過某一角度0時，推桿完成一行程h或。 2、不僅要求當凸輪轉過某一角度0時，推桿完成一行程h或 ，而且還要求推桿按一定的運動規律運動。此外，還要考慮機構的沖擊性能。 5-3 圖解法設計凸輪輪廓圖解法設計凸輪輪廓 根據工作要求合理地選擇從動件的運動規律后，可按照結構所允許的空間和具體要求，初步確定凸輪的基圓半徑，然后繪制凸輪的輪廓。一、一、 凸輪輪廓設計的基本原理凸輪輪廓設計的基本原理 反轉法反轉法： 根據相對運動原理，若給整個機構加上一個繞凸輪回轉中心的公共角速度1，機構各構件間

9、的相對運動不變。這樣，凸輪靜止不動，而從動件一方面隨機架和導路以角速度1繞O點轉動，另一方面又在導路中按原來的運動規律往復運動。由于尖頂始終與凸輪輪廓相接觸，所以反轉后尖頂的運動軌跡就是凸輪輪廓。二、二、 直動從動件盤形凸輪的繪制直動從動件盤形凸輪的繪制 1、尖頂直動從動件盤形凸輪尖頂直動從動件盤形凸輪O87654321 r0 要求設計一個從動件導路通過凸輪回轉中心的尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓。已知從動件的位移線圖，凸輪的基圓半徑，凸輪以等角速度1順時針回轉。O-O-O-O 要求設計一個從動件導路通過凸輪回轉中心的尖頂偏心直動從動件盤形凸輪輪廓。已知從動件的位移線圖，偏心距，凸輪的基圓半徑

10、，凸輪以等角速度1逆時針回轉。（3）在理論輪廓上畫出一系列滾子，畫出滾子的內包絡線 實際輪廓曲線。r0e B0B1B2B34BB56BB78B9B O設計滾子從動件凸輪機構時，凸輪的基圓半徑是指理論輪廓凸輪的基圓半徑是指理論輪廓曲線的基圓半徑曲線的基圓半徑。2、滾子從動件盤形凸輪滾子從動件盤形凸輪（1）去掉滾子，以滾子中心為尖底。（2）按照上述方法作出輪廓曲線理論輪廓曲線-（3）過B1、B2點作出一系列平底，得到一直線族。作出直線族的包絡線，便得到凸輪實際輪廓曲線。 B0B1B2B3B45BB6B7B80rObb 3、平底從動件平底從動件（1）取平底與導路的交點B0為參考點（2）把B0看作尖底

11、，運用上述方法找到B1、B2-三、擺動從動件盤形凸輪機構三、擺動從動件盤形凸輪機構 OA89A7AA6A5A4A3A2A1B0B9B87B6B5B4BB32BB1D1aC1C09CC8C7C65CC43CC2r01 8 06 09 03 0D2D3321A0(a )1 8 03 09 06 0O123 4 5 6 7 8 901 2 3 4 5 6 7 8 max(b )已知：轉向，rmin，a，l，20，擺角位移圖 四、四、圓柱凸輪機構輪廓曲線的繪制圓柱凸輪機構輪廓曲線的繪制5- -4 解析法設計凸輪的輪廓解析法設計凸輪的輪廓 滾子從動件盤形凸輪 1理論輪廓曲線方程 （1）直動從動件盤形凸輪

12、機構 s0seeODKCBYXrra圖示偏置直動滾子從動件盤形凸輪機構。求凸輪理論廓線的方程，反轉法給整個機構一個繞凸輪軸心O的公共角速度-，這時凸輪將固定不動，而從動件將沿-方向轉過角度，滾子中心將位于B點。B點的坐標，亦即理論廓線的方程為： sin)(cossincos)(00sseyessx220ersara為理論廓線的基圓半徑 式1對于對心從動件凸輪機構，因e=0，所以s0=ra sin)(cos)(srysrxaa（2）擺動從動件盤形凸輪機構 擺動滾子從動件盤形凸輪機構。仍用反轉法使凸輪固定不動，而從動件沿-方向轉過角度，滾子中心將位于B點。B點的坐標，亦即理論廓線的方程為： )si

13、n(sin)cos(cos00laylax0為從動件的起始位置與軸心連線OA0之間的夾角。 alrrlaT2)(arccos20220式2式3在設計凸輪廓線時，通常e、r0、rT、a、l等是已知的尺寸，而s和是的函數，它們分別由已選定的位移方程s=s()和角位移方程=（）確定。 2實際廓線方程 滾子從動件盤形凸輪的實際廓線是圓心在理論廓線上的一族滾子圓的包絡線。由微分幾何可知，包絡線的方程為： 0),(0),(1111yxfyxf對于滾子從動件凸輪，由于產生包絡線（即實際廓線）的曲線族是一族滾子圓，其圓心在理論廓線上，圓心的坐標由式13確定，所以由式4有： 式4 （式中x1、y1為凸輪實際廓線

14、上點的直角坐標） 0)()(),(2212111Tryyxxyxf0)(2)(2),(1111ddyyyddxxxyxf聯立求解x1和y1，即得滾子從動件盤形凸輪的實際廓線參數方程： 221221/ddyddxddxryyddyddxddyrxxTT上面的一組加減號表示一根外包絡廓線，下面的一組加減號表示另一根內包絡廓線。 5-5 凸輪機構基本尺寸的確定凸輪機構基本尺寸的確定一、壓力角與作用力的關系一、壓力角與作用力的關系 如圖所示，為尖頂直動從動件盤形凸輪機構在推程的一個位置，當不計凸輪與從動件之間的摩擦時，凸輪給與從動件的力F是沿法線方向的，從動件運動方向與力F之間所夾銳角即為壓力角壓力角

15、。FyFcos ，有用分力FxFsin， 有害分力 當增大到某一數值時，有害分力Fx所引起的摩擦阻力將大于有效分力Fy，這時無論凸輪給從動件的作用力有多大，從動件都不能運動，這種現象稱為自鎖自鎖。直動從動件凸輪機構，許用壓力角=30擺動從動件凸輪機構，許用壓力角=45力鎖合凸輪機構，許用壓力角=70 80二、壓力角與凸輪機構尺寸的關系二、壓力角與凸輪機構尺寸的關系設計凸輪機構時，除了使機構具有良好的傳動性能外，還希望結構緊湊。 在其他條件不變的情況下，若把基圓增大，則凸輪的尺寸也將隨之增大，因此，欲使機構緊湊就應采用較小的基圓半徑。但是，基圓半徑減小會引起壓力角增大。 P點為凸輪與從動件在此位

16、置時的相對速度瞬心。21,pvvOP212211/dsddsOPvdtdtd21222202202min/dsdeCPOPeOPetgssBCsresre 在其他條件不變的情況下，基圓半徑rmin越小，壓力角越大。基圓半徑過小，壓力角會超過許用值。 在實際設計時，只能在保證凸輪輪廓的最大壓力角不超過許用壓力角的情況下，合理確定基圓半徑。三、滾子半徑的選擇三、滾子半徑的選擇 當采用滾子從動件時，應注意滾子半徑的選擇，若滾子半徑選擇不當，從動件可能實現不了預期的運動規律。 設理論輪廓曲線外凸部分的最小曲率半徑為min，滾子半徑為rT，則相應位置實際輪廓曲線的曲率半徑為： min rTminTminTminT,0,0,0rrr光滑變尖失真 滾子半徑為rT必須小于小于設理論輪廓曲線外凸部分的最小曲率半徑min ，通常取 rT 0.8min 。5-6 凸輪的制造凸輪的制造一、凸輪的材料和熱處理一、凸輪的材料和熱處理 凸