第5章凸輪機構及其設計本章教學內容《機械設計基礎》講義1、應用與分類2、從動件的運動規律3、凸輪廓線曲線的設計4、凸輪機構基本尺寸的確定本章教學要求◆幾種常用運動規律的特點和應用◆盤形凸輪廓線曲線的設計1、了解凸輪機構應用與分類2、掌握凸輪廓線曲線的設計3、掌握凸輪機構基本尺寸的確定重點和難點：《機械設計基礎》講義§5-1概述

內燃機配氣凸輪機構自動機床進刀凸輪機構一．凸輪機構的應用《機械設計基礎》講義沖床凸輪機構繞線機凸輪機構《機械設計基礎》講義圓柱凸輪輸送機《機械設計基礎》講義配鑰匙移動凸輪、寫R字機構

凸輪機構的組成

凸輪、從動件和機架。

凸輪機構的適用場合廣泛用于各種機械，特別是自動機械、自動控制裝置和裝配生產線。凸輪機構的優點結構簡單、緊湊、工作可靠，可以使從動件準確實現各種預期的運動規律，還易于實現多個運動的相互協調配合。

凸輪機構的缺點凸輪輪廓與從動件之間是高副接觸，易于磨損。《機械設計基礎》講義二．凸輪機構的分類(一)按凸輪的形狀分

盤形凸輪移動凸輪《機械設計基礎》講義圓柱凸輪(二)按從動件運動副元素的形狀分尖頂從動件滾子從動件《機械設計基礎》講義平底從動件(三)按從動件的運動形式分擺動從動件移動從動件《機械設計基礎》講義《機械設計基礎》講義(四)按凸輪與從動件維持高副接觸(封閉)的方式分力封閉型凸輪機構形封閉型凸輪機構力封閉型凸輪機構彈簧力封閉重力封閉

《機械設計基礎》講義形封閉型凸輪機構凹槽凸輪機構等寬凸輪機構《機械設計基礎》講義等徑凸輪機構共軛凸輪機構rb

三．凸輪機構的工作循環與運動學設計參數h

DD0B0B

sO360o基圓基圓半徑rb推程h推程角遠休止遠休止角s回程回程角近休止近休止角sB位移曲線《機械設計基礎》講義

從動件的運動線圖

位移線圖—反映了從動件的位移s隨時間t或凸輪轉角變化的規律。

速度線圖—反映了從動件的速度v隨時間t或凸輪轉角變化的規律。

加速度線圖—反映了從動件的加速度a隨時間t或凸輪轉角變化的規律。

結論凸輪輪廓曲線的形狀決定了從動件的運動規律。要使從動件實現某種運動規律，就要設計出與其相應的凸輪輪廓曲線。

《機械設計基礎》講義

二、從動件運動規律設計從動件的運動規律，由凸輪輪廓曲線形狀決定。從動件不同的運動規律，要求凸輪具有不同形狀的輪廓曲線。正確選擇和設計從動件的運動規律，是凸輪機構設計的重要環節。常用運動規律—工程實際中經常用到的運動規律。

運動線圖從動件運動規律的表示方法

數學方程式

（位移方程s=f()）

《機械設計基礎》講義位移從動件運動規律包含的內容速度加速度§5-2從動件常用運動規律

三、幾種常用運動規律的特點⑴等速運動規律推程

速度曲線不連續，機構將產生剛性沖擊。等速運動規律適用于低速輕載場合。s2v2a2h位移線圖加速度線圖速度線圖《機械設計基礎》講義h2h2

⑵等加速等減速運動規律

加速度曲線不連續，機構將產生柔性沖擊。等加速等減速運動規律適用于中速輕載場合。a2s2v2推程后半程前半程《機械設計基礎》講義位移曲線畫法

⑶余弦加速度運動規律s2a2v2推程

加速度曲線不連續，存在柔性沖擊。余弦加速度運動規律適用于中速中載場合。h《機械設計基礎》講義位移曲線畫法

⑷正弦加速度運動規律

速度曲線和加速度曲線連續，無剛性沖擊和柔性沖擊。正弦加速度運動規律適用于高速輕載場合。sa2v2h推程《機械設計基礎》講義§5-2

盤形凸輪輪廓設計

一、凸輪輪廓曲線設計的基本原理

作圖法凸輪輪廓曲線的設計方法解析法

基本原理反轉法原理《機械設計基礎》講義rbOs13578

60o120o90o90o60o120o1290oA90o91113151357

891113121410二、

用作圖法設計凸輪廓線

1.

對心尖頂移動從動件盤形凸輪廓線的設計

已知凸輪的基圓半徑rb，凸輪角速度和從動件的運動規律，設計該凸輪輪廓曲線。

①選比例尺l，作位移曲線和基圓rb。

②

等分位移曲線及反向等分各運動角，確定反轉后對應于各等分點的從動件的位置。345

67

818765432101191213141413121110915

③

確定反轉后從動件尖頂在各等分點占據的位置。

設計步驟④將各尖頂點連接成一條光滑曲線。運動規律反轉設計rbOA

2.

對心滾子移動從動件盤形凸輪廓線的設計

已知凸輪的基圓半徑rb，滾子半徑rr、凸輪角速度和從動件的運動規律，設計該凸輪輪廓曲線。

①選比例尺l，作位移曲線和基圓rb。

②等分位移曲線及反向等分各運動角，確定反轉后對應于各等分點的從動件的位置。理論輪廓曲線實際輪廓曲線s13578

60o120o90o90o91113151357

89111312141060o120o1290o90o345

67

818765432101191213141413121110915

③確定反轉后從動件滾子中心在各等分點占據的位置。④將各點連接成一條光滑曲線。⑤作滾子圓族及滾子圓族的內(外)包絡線。

設計步驟eA3.偏置尖頂移動從動件盤形凸輪廓線的設計

已知凸輪的基圓半徑rb，角速度和從動件的運動規律及偏心距e，設計該凸輪輪廓曲線。

①選比例尺l，作位移曲線、基圓rb和偏距圓e。

②

等分位移曲線及反向等分各運動角，確定反轉后對應于各等分點的從動件的位置。O6123457814131211109s13578

60o120o90o90o91113151357

891113121410

③

確定反轉后從動件尖頂在各等分點占據的位置。④將各尖頂點連接成一條光滑曲線。

設計步驟k1k2k3k5k4k6k7k812345678k9k10k11k12k13k14k159101112131415思考題：偏置滾子從動件盤形凸輪的設計方法運動規律反轉

設計

§5-4凸輪機構基本尺寸的確定

設計凸輪機構要保證從動件實現預期的運動規律，還應考慮凸輪機構工作時受力狀況良好、結構緊湊。這些要求與凸輪機構的壓力角、基圓半徑、滾子半徑等有關。

《機械設計基礎》講義一、壓力角的確定

壓力角—不計摩擦時，凸輪對從動件作用力方向線nn與從動件上力作用點的速度方向之間所夾的銳角。

《機械設計基礎》講義

F

不變時，壓力角增大，有效分力F'越小，有害分力F"越大，凸輪工作的性能越差。當壓力角增大到使F"引起的摩擦阻力超過F'，機構發生自鎖。

凸輪機構能正常工作的重要條件max

[]最大壓力角出現在凸輪輪廓曲率半徑最小的部位

推程移動從動件[]30o40o；擺動從動件[]

40o45o

。

回程

[]70o80o。

《機械設計基礎》講義CnnOBes0sDrbdsd二、基圓半徑的確定

限制基圓半徑的條件⑴凸輪機構的整體尺寸⑵最大壓力角max許用壓力角[]

；⑶凸輪輪廓曲線的最小曲率半徑min0。

選擇原則：在滿足壓力角max

[]

的前提下盡可能選擇小的基圓半徑，以使機構結構緊湊。vvP

三、滾子半徑的確定rrarr0結論

對于外凸輪廓，要保證凸輪正常工作，應使min

rr。

輪廓失真arr

rrarr

0輪廓正常輪廓變尖內凹輪廓a

rrrrarr輪廓正常外凸輪廓a理論輪廓曲線

實際輪廓曲線

rrrrrr

小結在進行凸輪輪廓曲線設計之前，需要先確定基圓半徑rb。在確定rb時，應考慮結構條件、壓力角、工作輪廓是否失真等因素。對于滾子凸輪機構要注意滾子的直徑。此外，還應注意滿足強度和工藝性要求。《機械設計基礎》講義作業P765.55.6

《機械設計基礎》講義題5.5解：《機械設計基礎》講義題5.6解：比例尺：l=1:1；《機械設計基礎》講義單項選擇題（從給出的A、B、C、D中選一個答案）1.與連桿機構相比，凸輪機構最大的缺點是（）。A．慣性力難以平衡B．點、線接觸，易磨損C．設計較為復雜D．不能實現間歇運動2.與其他機構相比，凸輪機構最大的優點是（）。A．可實現各種預期的運動規律B．便于潤滑C．制造方便，易獲得較高的精度D．從動件的行程可較大3.下述幾種運動規律中，（）既不會產生柔性沖擊也不會產生剛性沖擊，可用于高速場合。

A．等速運動規律B．擺線運動規律（正弦加速度運動規律）

C．等加速等減速運動規律D．簡諧運動規律（余弦加速度運動規律4.對心直動尖頂推桿盤形凸輪機構的推程壓力角超過許用值時，可采用（）措施來解決。

A．增大基圓半徑B．改用滾子推桿

C．改變凸輪轉向D．改為偏置直動尖頂推桿《機械設計基礎》講義習題《機械設計基礎》講義5．（）對于較復雜的凸輪輪廓曲線，也能準確地獲得所需要的運動規律

A尖頂式從動桿 B.滾子式從動桿 C.平底式從動桿6．（）的摩擦阻力較小，傳力能力大。

A尖頂式從動桿B.滾子式從動桿C平底式從動桿7.（）的磨損較小，適用于沒有內凹槽凸輪輪廓曲線的高速凸輪機構

A、尖頂式從動桿 B.滾子式從動桿 C.平底式從動桿