第11章 凸轮机构.docx

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第11章凸轮机构

第11章凸轮机构

本章要点

了解凸轮机构的应用、组成、特点及分类

掌握从动件的常用运动规律

●掌握盘形凸轮轮廓曲线的设计

掌握凸轮机构基本尺寸的确定

11.1概述

11.1.1凸轮机构的应用、组成和特点

在各种机器中，为了实现各种复杂的运动要求经常用到凸轮机构，在自动化和半自动化机械中应用更为广泛。

图11-1所示为内燃机配气凸轮机构。

凸轮1以等角速度回转，它的轮廓驱使从动件2（阀杆）按预期的运动规律启闭阀门。

图11-2所示为绕线机中用于排线的凸轮机构，当绕线轴3快速转动时，经齿轮带动凸轮1缓慢地转动，通过凸轮轮廓与尖顶A之间的作用，驱使从动件2往复摆动，因而使线均匀地缠绕在轴上。

图11-1内燃机配气凸轮机构图11-2绕线机的凸轮机构

图11-3为应用于冲床上的凸轮机构示意图。

凸轮1固定在冲头上，当冲头上下往复运动时，凸轮驱使从动件2以一定的规律水平往复运动，从而带动机械手装卸工件。

图11-4为自动送料机构。

当带有凹槽的凸轮1转动时，通过槽中的滚子，驱使从运件2作往复移动。

凸轮每回转一周，从动件即从储料器中推出一个毛坯，送到加工位置。

从以上的例子可以看出：

凸轮机构主要由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。

凸轮机构的优点为：

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。

它的缺点是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而需要实现特殊运动规律场合。

图11-3冲床装卸料凸轮机构图11-4为自动送料机构

11.1.2凸轮机构的分类

根据凸轮和从动件的不同形状和形式，凸轮机构可按如下方法分类。

1.按凸轮的形状分

（1）盘形凸轮。

它是凸轮的最基本形式。

这种凸轮是一个绕固定轴转动并且具有变化半径的盘形零件，如图11-1和图11-2所示。

（2）移动凸轮。

当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架作直线运动，这种凸轮称为移动凸轮，如图11-3所示。

（3）圆柱凸轮。

将移动凸轮卷成圆柱体即成为圆柱凸轮，如图11-4所示。

2.按从动件的形式分

（1）尖顶从动件。

如图11-2所示，尖顶能与复杂的凸轮轮廓保持接触，因而能实现任意预期的运动规律。

但磨损快、效率低，只适用于受力不大的低速凸轮机构。

（2）滚子从动件。

如图11-3、4所示，在从动件前端安装一个滚子，即成滚子从动件。

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，是最常用的一种形式。

（3）平底从动件。

如图11-1所示，从动件与凸轮轮廓表面接触的端面为一平面。

显然它不能与凹陷的凸轮轮廓相接触。

这种从动件的优点是：

当不考虑摩擦时，凸轮与从动件之间的作用力始终与从动件的平底相垂直，传动效率较高，且接触面易于形成油膜，利于润滑，常用于高速凸轮机构。

以上三种从动件都可以相对机架作往复直线移动或作往复摆动。

为了使凸轮与从动件始终保持接触可利用重力、弹簧力（图11-1、2）或凸轮上的凹槽（图11-4）来实现。

11.2从动件的常用运动规律

11.2.1凸轮与从动件的运动关系

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确定凸轮轮廓线。

如图11-5a所示，以凸轮轮廓的最小向径rmin为半径所绘的圆称为基圆，基圆与凸轮轮廓线有两个连接点A和D。

A点为从动件处于上升的起始位置。

当凸轮以ω1等角速绕O点逆时针回转时，从动件从A点开始被凸轮轮廓以一定的运动规律推动，由A到达距O点最远位置B′，从动件由A到B′的过程称为推程。

从动件在推程中所走过的距离h称为升程，而与推程对应的凸轮转角δt称为推程运动角。

当凸轮继续以O点为中心转过圆弧BC时，从动件因与O点的距离保持不变而在最远位置停留不动，圆弧BC对应的圆心角δs称为远休止角。

凸轮继续回转，曲线BD使从动件在弹簧力或重力作用下，以一定的运动规律回到距O点最近位置D，此过程称为回程。

曲线BD对应的转角δh称为回程运动角。

在凸轮基圆段从动件保持最近位置不动，基圆段对应的转角δs'称为近休止角。

当凸轮连续回转时，从动件重复上述运动。

如果以直角坐标系的纵坐标代表从动件位移S2，横坐标代表凸轮转角δ1（通常当凸轮等角速转动时横坐标也代表时间t），则可以画出从动件位移S2与凸轮转角δ1之间的关系曲线，如图11-5b所示，它简称为从动件位移线图。

图11-5从动件位移线图

由以上分析可知，从动件的位移线图取决于凸轮轮廓曲线的形状。

也就是说，从动件的不同运动规律要求凸轮具有不同的轮廓曲线。

11.2.2从动件的常用运动规律

1.等速运动

推程时凸轮转过运动角δt，从动件升程为h。

若以T表示推程运动时间，则等速运动时有：

图11-6等速运动

从动件的速度v2=v0=h/T

从动件的位移s2=v0t=ht/T

从动件的加速度a2=

其运动线图如图11-6所示。

凸轮匀速转动时，ω1为常数，故δ1=ω1t；δt=ω1T。

将这些关系代入上式便可得出以凸轮转角δ1表示的从动件运动方程

（11-1）

回程时，凸轮转过回程运动角δh，从动件相应由s2=h逐渐减少到零。

参照式（11-1），可导出回程作等速运动时从动件的运动方程

（11-2）

由图11-6可见，从动件运动开始时速度由零突变为v0，故a2=+∞；运动终止时，速度由v0突变为零，a2=－∞（由于材料有弹性变形，实际上不可能达到无穷大），其惯性力将引起刚性冲击。

因此，这种运动规律不宜单独使用，在运动开始和终止段应当用其它运动规律过渡。

2.等加速等减速运动

这种运动规律通常令前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动。

从动件推程的前半行程作等加速运动时，经过的运动时间为T/2，对应的凸轮转角为δt/2。

将这些参数代入位移方程s2=a0t2/2可得h/2=a0（T/2）2/2故

a2=a0=

将上式积分两次，并令δ1=0时，v2=0，s2=0，便可得到前半行程从动件作等加速运动时的运动方程

图11-7等加速等减速运动

（11-3）

推程的后半行程从动件作等减速运动，凸轮的转角是由δt/2开始到δh为止。

不难导出其等减速运动方程为

（11-4）

图11-8简谐运动

由于从动件的位移s2与凸轮转角δ1的平方成正比，所以其位移曲线为一抛物线。

等加速段抛物线可按如下步骤用作图法求得（图11-7a）：

①在横坐标轴上将长度为δt/2的线段分成若干等分，如3等分，得1、2、3三点；②过这些点作横轴的垂直线，并从点3截取h/2高得点

；③过

点作水平线交纵坐标轴于点

；④过O点任作一斜线O

，任意以适当间距截取9个等分点，连接直线9-

并分别过点1、4作其平行线交纵轴于点

和

；⑤过

和

分别作水平线交过1、2点的横轴垂线于

、

点；⑥将

、

、

点连成光滑曲线便得到前半段等加速运动的位移曲线。

如图11-7a）所示，用同样方法可求得等减速段的位移曲线。

这种运动规律在o、m、e各点加速度出现有限值的突然变化，因而产生有限惯性力的突变，结果将引起所谓柔性冲击。

所以等加速度运动规律只适用于中速凸轮机构。

与上相仿，不难导出从动件回程作等加速等减速运动时的运动方程。

3.简谐运动

点在圆周上作匀速运动时，它在该圆的直径上的投影所构成的运动称为简谐运动。

从动件推程作简谐运动的运动方程为

（11-5）

从动件在回程作简谐运动的运动方程为

（11-6）

简谐运动规律位移线图可按如下步骤用作图法求得（图11-8a）：

①把从动件的行程h作为直径画半圆，将此半圆分成若干等分，如6等分得

、

、…、

六点；②把凸轮运动角δt也分成相应等分，得1～6六点；③分别过

～

和1～6各点作水平线和铅垂线得交点

、

、

、…、

；④用光滑曲线连接

～

各点，即得从动件的位移线图。

由加速度线图可见，一般情况下，这种运动规律的从动件在行程的始点和终点有柔性冲击；只有当加速度曲线保持连续时（如图11-8c虚线所示），这种运动规律才能避免冲击。

除上述几种运动规律之外，为了使加速度曲线保持连续而避免冲击，工程上还应用正弦加速度、高次多项式等运动规律，或者将几种曲线组合起来加以应用。

11.3盘形凸轮轮廓曲线的设计

根据工作要求合理地选择从动件的运动规律之后，我们可以按照结构所允许的空间和具体要求，初步确定凸轮的基圆半径rb，然后绘制凸轮的轮廓。

11.3.1尖顶对心移动从动件盘形凸轮

图11-9a）所示为从动件导路通过凸轮回转中心的尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构。

今已知从动件的位移线图（图11-9b）、凸轮的基圆半径rb（最小半径rmin），凸轮以等角速度ω1顺时针回转，要求绘出此凸轮的轮廓。

凸轮机构工作时凸轮是运动的，而我们绘制凸轮轮廓时，却需要凸轮与图纸相对静止，为此，我们在设计中采用“反转法”。

根据相对运动原理：

如果给整个机构加上绕凸轮轴心O的公共角速度-ω1，机构各构件间的相对运动不变。

这样一来，凸轮不动，而从动件一方面随机架和导路以角速度-ω1绕O点转动，另一方面又在导路中移动。

由于尖顶始终与凸轮轮廓相接触，所以反转后尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓。

据此凸轮轮廓可按如下步骤作图求得（图11-9）：

①以O点为圆心、rb为半径作基圆。

②任取始点A0，自OA0开始沿ω1的相反方向取角度δt、δh、δs'，并将δt和δh各分成若干等分，如4等分，得A'1、A'2、…、A'7和A8点。

③以O为始点分别过A'1、A'2、A'3、…、A'7各点作射线。

④在位移线图上量取各个位移量，并在相应的射线上截取A1A'1=11＇、A2A'2=22＇、…、A7A'7=33＇、得反转后尖顶的一系列位置

a）b）

图11-9尖顶直动从动件盘形凸轮

A1、A2、…、A8。

⑤将A0、A1、A2、…、A3各点连成光滑的曲线，便得到所要求的凸轮轮廓。

11.3.2滚子直动从动件盘形凸轮

把尖顶从动件改为滚子从动件时，其凸轮轮廓设计方法如图11-10所示。

首先，把滚子中心看作尖顶从动件的尖顶，按照上面的方法求出一条轮廓曲线β0；然后以β0上各点为中心，以滚子半径为半径，画一系列圆；最后作这些圆的包络线β，它便是使用滚子从动件时凸轮的实际轮廓，而β0称为凸轮的理论轮廓。

由作图过程可知，滚子从动件凸轮基圆半径rb应在理论轮廓上度量。

图11-10滚子直动从动件盘形凸轮图11-11平底从动件盘形凸轮

平底从动件的凸轮轮廓的绘制方法与上述相似。

如图11-11所示，将平底与导路中心线的交点A0视为尖顶从动件的尖顶，按照尖顶从动件凸轮轮廓绘制的方法，求出理论轮廓上一系列点A1、A2、A3…，其次，过这些点画出各个位置的平底A1B1、A2B2、A3B3…，然后作这些平底的包络线，便得到凸轮的实际轮廓曲线。

图中位置1、6分别是平底与凸轮轮廓相切点与导路中心的距离的左最远位置和右最远位置。

为了保证平底始终与轮廓接触，平底左侧长度应大于m，右侧长度应大于

。

图11-12偏置从动件盘形凸轮

11.3.3偏置从动件盘形凸轮

当凸轮机构的构造不允许从动件轴线通过凸轮轴心时，或者为了获得较小的机构尺寸，机械中有时采用偏置从动件盘形凸轮机构。

此外，若为平底从动件时，采用偏置的方法还可使从动件得到微小的转动，以减少平底与凸轮间的摩擦。

如图11-12所示，从动件导路的轴线与凸轮轴心O的距离称为偏距e。

从动件在反转运动中依次占据的位置，不再是由凸轮回转轴心O作出的径向线，而是始终与O保持一偏距e的直线。

因此，若以凸轮回转中心O为圆心，以偏距e为半径作圆称为偏距圆，则从动件在反转运动中依次占据的位置必然都是偏距圆的切线（图中B1A1、B2A2、B3A3…），从动件的位移（A1A'1、A2A'2…）也应沿这些切线量取，这是与对心移动从动件不同的地方。

因其余的作图步骤与尖顶对心移动从动件凸轮轮廓线的作法相同，此处不再重复。

11.4凸轮机构基本尺寸的确定

11.4.1滚子半径的选择

从减少凸轮与滚子间的接触应力来看，滚子半径越大越好；但是，必须注意，滚子半径增大后对凸轮实际轮廓曲线有很大影响。

如图11-13所示，设理论轮廓外凸部分的最小曲率半径为

，滚子半径为rT，则相应位置实际轮廓的曲率半径为

=ρmin－rT。

图11-13滚子半径的选择

当ρmin>rT时（图11-13a），ρ'>0，实际轮廓为一平滑曲线。

当ρmin=rT时（图11-13b），ρ'=0，在凸轮实际轮廓曲线上产生了尖点，这种尖点极易磨损，磨损后就会改变原定的运动规律。

当ρmin

为了使凸轮轮廓在任何位置既不变尖更不相交，滚子半径必须小于理论轮廓外凸部分的最小曲率半径ρmin（理论轮廓内凹部分对滚子半径的选择没有影响）。

通常取rT≤0.8ρmin,若ρmin过小使滚子半径太小，导至不能满足安装和强度要求，则应把凸轮基圆半径rb加大，重新设计凸轮轮廓曲线。

11.4.2压力角的校核

图11-14凸轮机构的压力角

凸轮机构也和连杆机构一样，从动件运动方向和接触轮廓法线方向之间所夹的锐角称为压力角。

图11-14所示为尖顶直动从动件凸轮机构。

当不考虑摩擦时，凸轮给从动件的作用力R是沿法线方向的，从动件运动方向与R方向之间所夹的锐角

即压力角。

R可分解为沿从动件运动方向的轴向分力R′和与之垂直的侧向分力R″，且

=

tgα

图11-15检验最大压力角

当驱动从动件运动的分力

一定时，压力角

越大，则侧向分力

越大，机构的效率越低。

当

增大到一定程度，使

所引起的摩擦阻力大于轴向分力

时，无论凸轮加给从动件的作用力多大，从动件都不能运动，这种现象称为自锁。

由以上分析可以看出，为了保证凸轮机构正常工作并具有一定的传动效率，必须对压力角加以限制。

凸轮轮廓曲线上各点的压力角是变化的，在设计时应使最大压力角不超过许用值。

通常对直动从动件凸轮机构取许用压力角[

]=30°，对摆动从动件凸轮机构建议取[

]=45°。

常见的依靠外力维持接触的凸轮机构，其从动件是在弹簧或重力作用下返回的，回程不会出现自锁。

因此，对于这类凸轮机构通常只须对推程的压力角进行校核。

在设计凸轮机构时，通常是首先根据结构需要初步选定基圆半径，然后用图解法或解析法设计凸轮轮廓。

为确保运动性能，必须对轮廓各处的压力角进行校核，检验最大压力角是否在许用范围之内。

用图解法检验时，可在凸轮理论轮廓曲线比较陡的地方取若干点（如图11-15中的B1、B2等点），作出过这些点的法线和从动件B点的运动方向线，求出它们之间所夹的锐角

、

、…。

若其中最大值超过许用压力角，则应考虑修改设计，可采用加大凸轮基圆半径或将对心凸轮机构改为偏置凸轮机构的方法。

11.4.3基圆半径的选择

设计凸轮轮廓时，首先应确定凸轮的基圆半径rb。

由前述可知：

基圆半径rb的大小，不但直接影响凸轮的结构尺寸，而且还影响到从动件的运动是否“失真”和凸轮机构的传力性能。

因此，对凸轮基圆的选取必须给予足够重视。

目前，凸轮基圆半径的选取常用如下两种方法：

1.根据凸轮的结构确定rb

当凸轮与轴做成一体（凸轮轴）时：

rb=r+rr+2~5mm（11-9）

当凸轮装在轴上时：

rb=（1.5~1.7）r+rr+2~5mm（11-10）

式中：

r为凸轮轴的半径（mm）；rT为从动件滚子的半径（mm）。

若凸轮机构为非滚子从动件，在计算基圆半径时，式（11-9）和式（11-10）中的rT可不计。

2.根据

max≤[

]确定基圆最小半径rbmin

图11-16所示为工程上常用的诺模图，图中上半圆的标尺代表凸轮转角δ0，下半圆的标尺为最大压力角

max，直径的标尺代表从动件规律的h/rb的值（h为从动件的行程，rb为基圆半径）。

下面举例说明该图的使用方法。

图11-16求凸轮基圆半径的诺模图

【例11-1】：

设计一对心直动尖端从动件盘形凸轮机构，已知凸轮的推程运动角为δt=175°，从动件在推程中按等加速和等减速规律运动，行程h=18mm，最大压力角

max=16°。

试确定凸轮的基圆半径rb。

解：

1）按已知条件将位于圆周上的标尺为δ0=175°、

max=16°的两点，以直线相连（如图11-16中虚线所示）

2）由虚线与直径上等加速和等减速运动规律的标尺的交点得：

h/rb=0.6

3）计算最小基圆半径得

rbmin=h/0.6=18/0.6mm=30mm

4）基圆半径rb可按rb≥rbmin选取。

11.5习题

11-1试标出题11-1图所示位移线图中的行程h、推程运动角t、远休止角s、回程运动角h、近休止角s。

题11-1图题11-2图

11-2试写出题11-2图所示凸轮机构的名称，并在图上作出行程h，基圆半径rb，凸轮转角t、s、h、s以及A、B两处的压力角。

11-3如题11-3图所示是一偏心圆凸轮机构，O为偏心圆的几何中心，偏心距e=15mm，d=60mm，试在图中标出：

（1）凸轮的基圆半径、从动件的最大位移H和推程运动角的值；

（2）凸轮转过90°时从动件的位移s。

11-4题11-4图所示为一滚子对心直动从动件盘形凸轮机构。

试在图中画出该凸轮的理论轮廓曲线、基圆半径、推程最大位移H和图示位置的凸轮机构压力角。

题11-3图题11-4图题11-5图

11-5题11-5图中给出了某直动推杆盘形凸轮机构的推杆的速度线图。

要求：

（1）定性地画出其加速度和位移线图；

（2）说明此种运动规律的名称及特点（v、a的大小及冲击的性质）；

（3）说明此种运动规律的适用场合。

11-6已知从动件升程h＝30mm，凸轮转角φ从0°到150°时从动件等速运动上升到最高位置；在150°～180°时从动件在最高位置不动；从180°到300°时从动件以等加速等减速运动返回；而在300°～360°时，从动件在最低位置不动。

试绘出从动件的位移线图。

11-7用作图法设计一个对心直动平底推杆盘形凸轮机构的凸轮轮廓曲线。

已知基圆半径

=50mm，推杆平底与导路垂直，凸轮顺时针等速转动，运动规律如题11-7图所示。

题11-7图

11-8已知偏置式滚子推杆盘形凸轮机构（如题11-8图所示），试用图解法求出推杆的运动规律

曲线（要求清楚标明坐标（

）与凸轮上详细对应点号位置，可不必写步骤）。

题11-8图