海南大学：《机械原理》课程教学课件（讲稿）第九章 凸轮机构及其设计

第九章 凸轮机构及其设计 §9-1 凸轮机构的应用和分类 §9-2 推杆的运动规律 §9-3 凸轮轮廓曲线的设计 §9-4 凸轮机构基本尺寸的确定 §9-5高速凸轮机构简介 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

第九章 凸轮机构及其设计 §9-1 凸轮机构的应用和分类 §9-2 推杆的运动规律 §9-3 凸轮轮廓曲线的设计 §9-4 凸轮机构基本尺寸的确定 §9-5 高速凸轮机构简介 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

§9-1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 (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。 ⊙ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

§9-1 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 （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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

凸轮机构的应用和分类(2/2) 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)尖顶推枉、滚子推枉和平底推杆 2)对心直动推枉、偏置直动推枉和摆动推杆 (3)按保持高副接触方法分 1)力封闭的凸轮机构（重边、弹簧力） 2)几何封闭的凸轮机构 (凹槽滚子式凸轮机构、等宽凸轮机构、等径凸轮机构和共轭凸轮) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

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(重力、弹簧力) 2）几何封闭的凸轮机构 (凹槽滚子式凸轮机构、等宽凸轮机构、等径凸轮机构和共轭凸轮) 凸轮机构的应用和分类(2/2) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

§9-2推杆的运动规律 1.名词术语及符号 基圆 基圆的半径r% 推杆推杆的运动角6。 远休 远休止角6： 回程 回程运动角6，' 近休 近休止角62 行程h 推杆运动规律 S=s(t)=s(6) v=v()=v(6) a=a(t)=a(6) PDF created with pdfFactory Pro trial version ww.pdffactory.com

§9-2 推杆的运动规律 基圆 基圆的半径r0 推杆 推杆的运动角δ0 远休 远休止角δ01 回程 回程运动角δ0 ′ 近休 近休止角δ02 行程h 推杆运动规律 s＝ s(t)＝s(δ) v＝ v(t)＝v(δ) a＝ a(t)＝a(δ) 1．名词术语及符号 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

推杆的适动规律(2/4) 2.推杆常用的运动规律 (1)多项式运动规律 1)等速运动规律 推程时：s=h6/6。 在始末两瞬时有刚性冲击。 2)等加等减速运动规律 推杆等加速推程段：s=2h6216,2 推杆等减速推程段：s=h-2h(6-6)216,2 在始、末两瞬时有柔性冲击。 3)3-4-5多项式运动规律 s=10h63/6,3-15h64/64+6h6/6,3 既无刚性冲击，也无柔性冲击。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2．推杆常用的运动规律 （1）多项式运动规律 推程时：s = hδ /δ0 在始末两瞬时有刚性冲击。 推杆等加速推程段： s = 2hδ 2 /δ0 2 推杆等减速推程段： s = h－2h(δ0－δ ) 2 /δ0 2 在始、末两瞬时有柔性冲击。 s＝10hδ 3 /δ0 3－15hδ 4 /δ0 4＋6hδ 5 /δ0 5 既无刚性冲击，也无柔性冲击。 推杆的运动规律(2/4) 1）等速运动规律 2）等加等减速运动规律 3）3-4-5多项式运动规律 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

推杆的速动规律(3/4) 说明对于多项式运动规律，其多项式中待定系数的数目应 与边界条件的数目相等，其数目多少应根据工作要求来确定。但 当边界条件增多时，会使设计计算复杂，加工精度也难以达到， 故通常不宜采用太高次数的多项式。 (2)三角函数运动规律 1)余弦加速度运动规律 推程时：s=h[1-cos(π6/6)]/2 在始、末两瞬时有柔性冲击。 2)正弦加速度运动规律 推程时：s=h[(6/6)-sin(2π6/6)/(2π] 既无刚性冲击，又无柔性冲击。 3)组合型运动规律 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

对于多项式运动规律，其多项式中待定系数的数目应 与边界条件的数目相等，其数目多少应根据工作要求来确定。但 当边界条件增多时，会使设计计算复杂，加工精度也难以达到， 故通常不宜采用太高次数的多项式。 说明 （2）三角函数运动规律 推程时：s＝h[(δ/δ0 )－sin(2π δ/δ0 ) /(2π)] 推程时：s＝h[1－cos(πδ/δ0 )]/2 在始、末两瞬时有柔性冲击。 既无刚性冲击，又无柔性冲击。 推杆的运动规律(3/4) 1）余弦加速度运动规律 2）正弦加速度运动规律 3）组合型运动规律 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

推杆的适动规律(4/4) 组合原则要保证在衔接点上运动参数保持连续；在运动的 始末处满足边界条件。 3.推杆的运动规律的选择 1)机器的工作过程只要求凸轮转过角度6时，推杆完成一 个行程h或角行程Φ，而对其运动规律并未作严格要求。 在此情况下，可考虑采用圆弧、直线或其他简单曲线为凸轮 廓线。 例主令开关中的凸轮机构 2)机器的过程对推杆的运动规律有完全确定的要求。 此时只能根据工作所需要的运动规律来设计 3)对于速度较高的凸轮机构，还应考虑该种运动规律的速 度最大值ymax、加速度最大值ama和跃度的最大值jmax等。（表9-l) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

3．推杆的运动规律的选择 1）机器的工作过程只要求凸轮转过角度δ0时，推杆完成一 个行程h或角行程Φ,而对其运动规律并未作严格要求。 在此情况下，可考虑采用圆弧、直线或其他简单曲线为凸轮 廓线。 例 主令开关中的凸轮机构 2）机器的过程对推杆的运动规律有完全确定的要求。 此时只能根据工作所需要的运动规律来设计 3）对于速度较高的凸轮机构，还应考虑该种运动规律的速 度最大值vmax、加速度最大值amax和跃度的最大值jmax等。 组合原则 要保证在衔接点上运动参数保持连续；在运动的 始末处满足边界条件。 推杆的运动规律(4/4) （表9-1） PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

§9-3凸轮廓线曲线的设计 当根据凸轮机构的工作要求和结构条件选定了其机构的型式、 基本尺寸，推杆的运动规律和凸轮的转向之后，就可以进行凸轮 轮廓曲线的设计了。 凸轮廓线设计的方法：作图法和解析法 1.凸轮廓线设计的基本原理 无论是采用作图法还是解析法设计凸轮廓线，所依据的基本 原理都是反转法原理。 例偏置尖顶推杆盘形凸轮机构 (1)凸轮的轮廓曲线与推杆的相对运动关系 当给某个凸轮机构加一个公共角速度-⊙，使其绕轴心转动时， 凸轮静止不动，而推杆则一方面随其导轨作反转运动，另一方面 又沿导轨作预期的往复运动。推杆在这种复合运动中，其尖顶的 运动轨迹即为凸轮轮廓曲线。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

无论是采用作图法还是解析法设计凸轮廓线，所依据的基本 原理都是反转法原理。 例 偏置尖顶推杆盘形凸轮机构 §9-3 凸轮廓线曲线的设计 1．凸轮廓线设计的基本原理 当给某个凸轮机构加一个公共角速度-ω，使其绕轴心转动时， 凸轮静止不动，而推杆则一方面随其导轨作反转运动，另一方面 又沿导轨作预期的往复运动。推杆在这种复合运动中，其尖顶的 运动轨迹即为凸轮轮廓曲线。 当根据凸轮机构的工作要求和结构条件选定了其机构的型式、 基本尺寸，推杆的运动规律和凸轮的转向之后，就可以进行凸轮 轮廓曲线的设计了。 凸轮廓线设计的方法：作图法和解析法 （1）凸轮的轮廓曲线与推杆的相对运动关系 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

凸轮廓线曲线的设计(2/4) (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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

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 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。 凸轮廓线曲线的设计(2/4) （2）凸轮廓线设计方法的基本原理 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 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

凸轮廓线曲线的设计(3/4) (2)摆动推杆盘形凸轮廓线的设计 1)摆动尖顶推枉盘形凸轮廓线的设计 2)摆动滚子推枉盘形凸轮廓线的设计 3)摆动平底推杆盘形凸轮廓线的设计 结论·摆动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计方法与直动尖顶推 杆盘形凸轮廓线的设计方法基本类似，所不同的是推杆的预期运 动规律及作图设计中都要用到推杆的角位移表示，即将直动推 杆的各位移方程中的位移s改为p,行程改为角行程Φ，就可用来 求摆动推杆的角位移了。 (3)直动推杆圆柱凸轮廓线的设计 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

（2）摆动推杆盘形凸轮廓线的设计 结论 摆动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计方法与直动尖顶推 杆盘形凸轮廓线的设计方法基本类似，所不同的是推杆的预期运 动规律及作图设计中都要用到推杆的角位移φ表示，即 将直动推 杆的各位移方程中的位移s改为φ , 行程h改为角行程Φ，就可用来 求摆动推杆的角位移了。 凸轮廓线曲线的设计(3/4) 1）摆动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计 2）摆动滚子推杆盘形凸轮廓线的设计 3）摆动平底推杆盘形凸轮廓线的设计 （3）直动推杆圆柱凸轮廓线的设计 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com