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Copyright机械工业出版社机械基础—凸轮机构机械工业出版社案例导入凸轮机构是机械中的一种常用机构，常用于将主动件的连续转动转变为从动件的往复移动或摆动，能使从动件获得预先给定的运动规律，因而广泛用于自动化和半自动化机械中。自动车床中的转塔式自动换刀装置机械工业出版社案例导入问题：（1）凸轮的类型有几种，可以实现何种运动？（2）如何设计凸轮的轮廓以实现从动件预期的运动规律？（3）如何设计可以保证机构具有良好的传动性能？自动车床中的转塔式自动换刀装置机械工业出版社凸轮机构凸轮机构的特点、应用和分类1从动件常用的运动规律2凸轮轮廓曲线的设计3凸轮工作轮廓的校核4课堂练习7凸轮机构的结构和材料5综合案例分析6机械工业出版社学习目标1了解凸轮机构的工作原理、分类和应用2掌握从动件常用的运动规律和运动特性3熟练掌握用图解法设计对心直动从动件盘形凸轮轮廓机械工业出版社学习重点、难点2凸轮从动件常用的运动规律和运动特性3图解法设计尖顶对心直动从动件凸轮轮廓1凸轮机构的工作原理、类型和特点机械工业出版社11.1凸轮机构的特点、应用和分类凸轮机构的工作原理：借助凸轮的轮廓实现从动件预期的运动规律。机械工业出版社11.1凸轮机构的应用和分类1.凸轮机构的应用经分析可知：凸轮机构由凸轮、从动件和机架组成机械工业出版社11.1凸轮机构的应用和分类2.凸轮机构的特点优点：（1）与连杆机构相比，其结构简单、紧凑、设计方便。（2）从动件便于准确地实现预期的运动规律和轨迹。缺点：凸轮与从动件为点线接触、压强大、易磨损，所以常用于传力不大的机械、仪表及控制机构中。自动车床靠模机构机械工业出版社11.1凸轮机构的应用和分类11.1.2凸轮机构的分类1.按凸轮形状分类（1）盘形凸轮（2）移动凸轮（3）圆柱凸轮盘形凸轮圆柱凸轮移动凸轮机械工业出版社11.1凸轮机构的应用和分类2.按从动件结构形状分类（1）尖顶从动件（2）滚子从动件（3）平底从动件尖顶从动件滚子从动件平底从动件机械工业出版社11.1凸轮机构的应用和分类此外，为了使凸轮与从动件始终保持接触，还可以利用重力、弹簧力或依靠凸轮上不凹槽来实现。力锁合形锁合机械工业出版社11.2从动件的常用运动规律11.2.1凸轮机构的运动过程及有关名称1.凸轮机构的运动过程基圆（r0）：以凸轮最小向径作的圆称为基圆，其半径称为基圆半径，用表示r0。机械工业出版社11.2从动件的常用运动规律推程：当凸轮连续转动时，从动件尖端被凸轮轮廓由最低点推至最高点的过程。行程（h）:从动件由最低点上升到最高点的距离称为行程，用h表示。机械工业出版社11.2从动件的常用运动规律推程运动角Φ0：在推程中，凸轮相应的转角称为推程运动角，用Φ0表示。远休止：当凸轮连续转动时，从动件尖端被在最高点位置不动的过程。机械工业出版社11.2从动件的常用运动规律远程休止角Φs：在远休止时，当凸轮继续转动，凸轮所转过的角度，用Φs表示。回程：当凸轮连续转动时，从动件尖端由最高点回到最低点的过程。回程运动角Φ0′：在回程中，凸轮所转过的角度，用Φ0′表示。机械工业出版社11.2从动件的常用运动规律近休止：当凸轮连续转动时，从动件尖端被在最低点位置不动的过程。近休止角Φsˊ：在近休止时，凸轮所转过的角度，用Φsˊ表示。机械工业出版社11.2从动件的常用运动规律想一想练一练如图11-5所示凸轮机构运动简图，凸轮的实际轮廓线为一圆，其圆心为A点，半径R=40mm，LOA=25mm。试确定凸轮的基圆半径和从动件的行程。答案：基圆半径r0=15mm;从动件的行程h=50mm。机械工业出版社11.2从动件的常用运动规律11.2.2从动件常用的运动规律从动件的运动规律：是指从动件位移s、速度v、加速度a随凸轮转角φ的变化规律。机械工业出版社11.2从动件的常用运动规律1.等速运动规律（1）概念：当凸轮以等角速度ω转动时，从动件在推程或回程中的速度保持不变的运动规律，称之为等速运动规律。机械工业出版社11.2从动件的常用运动规律（2）运动方程位移方程:s=hφ/Φ0(0≤φ≤Φ0)速度方程:v=hω/Φ0(0≤φ≤Φ0)加速度方程:a=0(0≤φ≤Φ0)（3）运动线图位移线图－斜直线速度线图－水平线加速度线图－与水平坐标轴重合机械工业出版社11.2从动件的常用运动规律（4）运动特性分析刚性冲击：从动件的瞬时加速度趋于无穷大时，惯性力也趋于无穷大，致使机构产生强烈的冲击，这种冲击称为刚性冲击。（5）适用范围：由于产生刚性冲击，故只适用低速、轻载的凸轮机构。机械工业出版社11.2从动件的常用运动规律2.等加速等减速运动规律(1)概念：当凸轮以等角速度ω转动时，从动件在推程或回程中，前半程为等加速运动，后半程为等减速运动，且加速度的绝对值相等的运动规律，称之为等加速等减速运动规律。机械工业出版社11.2从动件的常用运动规律(2)运动方程位移方程:s=(2h/Φ02)φ2——加速段(0≤φ≤Φ0/2)s=h-2h/Φ02（Φ0–φ）2—减速段(Φ/2≤φ≤Φ0)速度方程：v=4hωφ/Φ02——加速段(0≤φ≤Φ0/2)v=4hω/Φ02（Φ0–φ）—减速段(Φ0/2≤φ≤Φ0)机械工业出版社11.2从动件的常用运动规律(2)运动方程加速度方程:a=4hω/Φ02——加速段(0≤φ≤Φ0/2)a=-4hω/Φ02—减速段(Φ0/2≤φ≤Φ0)机械工业出版社11.2从动件的常用运动规律（3）运动特性分析：柔性冲击：从动件的瞬时加速度发生有限值变化，惯性力也发生有限值变化，机构由此受到的冲击称为柔性冲击。（４）适用范围：由于存在柔性冲击，故仅适用中、低速场合。机械工业出版社11.2从动件的常用运动规律等加速等减速运动规律的位移线图绘制机械工业出版社11.3凸轮轮廓曲线设计11.3.1凸轮轮廓曲线的设计凸轮轮廓曲线的设计方法有图解法和解析法解析法设计凸轮轮廓图解法设计凸轮轮廓机械工业出版社11.3凸轮轮廓曲线设计11.3.1图解法设计凸轮的原理反转法原理：假设给整个凸轮机构加上一个公共角速度“-ω”绕凸轮轴心O转动时，根据相对运动原理，各构件间相对运动关系不变。机械工业出版社11.3凸轮轮廓曲线设计11.3.2对心直动从动件盘形凸轮轮廓的设计1.尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制直动从动件盘形凸轮机构中，从动件的导路通过凸轮的轴心，称为对心直动从动件盘形凸轮机构。机械工业出版社11.3凸轮轮廓曲线设计案例11-1试用图解法设计一尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓设计（图11-9）。已知凸轮的基圆半径r0=30mm，凸轮以等角速度顺时针转动，从动件的位移运动规律如下：凸轮转角φ0°~180°180°~210°210°~330°330°~360°从动件位移s等速上升h=15mm停止等加速等减速下降h=15mm停止机械工业出版社11.3凸轮轮廓曲线设计作图步骤：（1）绘制从动件的位移图选取位移比例尺μl和角度比例尺μφ，作从动件的位移线图。（2）确定凸轮机构的初始位置机械工业出版社11.3凸轮轮廓曲线设计（3）等分位移曲线，得各等分点位移量。机械工业出版社11.3凸轮轮廓曲线设计（4）作从动件尖顶轨迹；（5）绘制凸轮轮廓。结论：凸轮的理论轮廓：按设计尖顶从动件凸轮轮廓的方法作出的轮廓曲线，称为凸轮的理论轮廓。机械工业出版社11.3凸轮轮廓曲线设计2.实际轮廓的设计实际轮廓是指凸轮上与从动件直接接触的轮廓。实际轮廓的作法是：以理论轮廓为基础，作从动件未端形状的曲线族，再作与曲线族中所有曲线相切的包络线，此包络线便是凸轮的工作轮廓。机械工业出版社11.3凸轮轮廓曲线设计3.滚子对心直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制（简介）（1）已知条件相同，附加条件：滚子半径rT。（2）对心滚子直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制机械工业出版社11.3凸轮轮廓曲线设计（3）凸轮工作轮廓的作法机械工业出版社11.3凸轮轮廓曲线设计(4)概念凸轮的理论轮廓：按设计尖顶从动件凸轮轮廓的方法作出的轮廓曲线，称为凸轮的理论轮廓凸轮的工作轮廓：是指凸轮上与从动件直接接触的轮廓。凸轮工作轮廓的作法是：以理论轮廓为基础，作从动件末端形状的曲线族，再作与曲线族中所有曲线相切的包络线，此包络线便是凸轮的实际轮廓线。机械工业出版社11.3凸轮轮廓曲线设计4.对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制（简介）机械工业出版社11.4凸轮工作轮廓的校核11.4.1凸轮机构的压力角1.凸轮机构压力角的概念：凸轮轮廓上，从动件的运动速度方向与其受凸轮作用力方向所夹的锐角，称为凸轮机构的压力角，用α表示。机械工业出版社11.4凸轮工作轮廓的校核2、压力角与作用力的关系Fy=Fcosα--有效分力Fx=Fsinα--引起摩擦力，有害分力讨论：α↑（γ↓）→Fy↓→传力性能差。α↓（γ↑）→Fy↑→传力性能好。结论：Fx产生的摩擦力＞Fy，从动件不能运动，凸轮机构产生自锁现象。机械工业出版社11.4凸轮工作轮廓的校核3.许用压力角[α]为了保证机构正常工作，并具有良好的传力性能，必须对压力角的大小加以限制，即使机构的最大压力角αmax≤[α]。一般设计中，直动从动件推程中的[α]=30º~38º，摆动从动件推程[α]=40º~45º。对于回程，因载荷很小，且从动件在锁合力作用下返回，不易出现自锁，通常只需校核推程压力角。机械工业出版社11.4凸轮工作轮廓的校核11.4.2运动失真从减小接触应力的角度来看，滚子半径越大越好，但是滚子增大后对凸轮实际轮廓线有很大的影响。运动失真的概念：凸轮的实际轮廓，不能使从动件实现预期给定的运动规律，这种现象称为凸轮的运动失真。机械工业出版社11.4凸轮工作轮廓的校核1.凸轮机构运动失真分析设滚子的半径为rT，凸轮理论轮廓的最小曲率半径为ρmin工作轮廓的曲率半径ρ′=ρmin-rT。（1）若ρmin＞rT,ρ′＞0,则实际轮廓曲线为一光滑曲线。（2）如若ρmin=rT,ρ′=0,则实际轮廓曲线出现尖点,尖点易磨损,磨损后从动件将产生运动“失真”。（3）若ρminrT,ρ′0,从动件将产生运动“失真”。机械工业出版社11.4凸轮工作轮廓的校核2.防止凸轮机构运动失真的条件凸轮的理论轮廓的最小曲率半径大于滚子的半径即：ρmin＞rT机械工业出版社11.4凸轮工作轮廓的校核11.4.3凸轮基圆半径的确定基圆半径r0是凸轮的主要尺寸参数，从避免运动失真、降低压力角的要求看，r0大比较好，但从结构紧凑看，r0小比较好。在实际设计中，凸轮基圆半径的确定，除了要满足αmax≤[α]，还要考虑凸轮的结构及强度要求。通常对于凸轮与轴做成一体的凸轮工作轮廓的最小半径,（r0-rT）比轴的半径大2~5mm，对于凸轮与轴分开做的，（r0-rT）比轮毂半径大30%~60%。基圆半径r0的大小也可按运动规律、许用压力角由图11-14的诺模图求得。机械工业出版社11.4凸轮工作轮廓的校核案例11-2一滚子对心直动从动件盘形凸轮机构，其行程h=13mm，推程运动角ф0=45°，从动件按正弦加速度运动规律运动，[α]=30°，请按图11-14的诺模图确定基圆半径r0的大小。450机械工业出版社11.4凸轮工作轮廓的校核450机械工业出版社11.5凸轮机构的结构与材料11.5.1凸轮机构的结构与材料1.凸轮的结构基圆较小的凸轮，常与轴做成一体，称为凸轮轴（图11-15）；基圆较大的凸轮，则做成组合式结构，分别制造好的凸轮和轴，再通过平键联接（图11-16a）、销联接（图11-16b）及弹性开口锥套螺母联接等方式，将凸轮安装在轴上。机械工业出版社11.5凸轮机构的结构与材料组合式凸轮的结构机械工业出版社11.5凸轮机构的结构与材料2.从动件的结构滚子从动件的滚子可以是专门制造的圆柱体，也可以采用滚动轴承，滚子与从动件顶端可用螺栓联接，也可用销联接。螺栓联接销联接机械工业出版社11.5凸轮机构的结构与材料11.5.2凸轮和从动件的材料选择工作条件：凸轮机构属于高副机构，凸轮与从动件之间的接触应力大，易出现严重磨损，且多数凸轮机构在工作时