机械原理 — 凸轮机构
第 3章 凸轮机构
? 凸轮机构的组成与类型
? 从动件运动规律设计
? 凸轮轮廓的设计
? 凸轮机构基本尺寸的确定
? 凸轮机构的计算机辅助设计
机械原理 — 凸轮机构
3.1 凸轮机构的组成与类型
3.1.1 凸轮机构的组成
? 1 ─ 凸轮
? 2 ─ 从动件
? 3 ─ 机架 ?
高副机构
机械原理 — 凸轮机构
3.1.2 凸轮机构的类型
1,按凸轮的形状分类
盘形凸轮, 最基本的形式，结构简单，应用最为广泛
移动凸轮,凸轮相对机架做直线运动
圆柱凸轮,空间凸轮机构
盘形凸轮 移动凸轮 圆柱凸轮
机械原理 — 凸轮机构
2,按从动件的形状分类
尖端从动件
曲面从动件
尖端能以任意复杂的凸轮
轮廓保持接触, 从而使从
动件实现任意的运动规律 。
但尖端处极易磨损, 只适
用于低速场合 。
磨损比尖端从动件小。
机械原理 — 凸轮机构
滚子从动件
平底从动件
凸轮与从动件之间为滚动
摩擦, 因此摩擦磨损较小,
可用于传递较大的动力 。
从动件与凸轮之间易形
成油膜, 润滑状况好,
受力平稳, 传动效率高,
常用于高速场合 。 但与
之相配合的凸轮轮廓须
全部外凸 。
机械原理 — 凸轮机构
3,按从动件的运动形式分类
移动从动件 摆动从动件
移动从动件, 从动件作往复移动，其运动
轨迹为一段直线；
摆动从动件, 从动件作往复摆动，其运动
轨迹为一段圆弧。
机械原理 — 凸轮机构
4.按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类
(1) 力锁合 ─ 弹簧力、从动件重力或其它外力
(2) 型锁合 ─ 利用高副元素本身的几何形状
机械原理 — 凸轮机构
槽凸轮机构
槽两侧面的距离
等于滚子直径。
优点,锁和方式结构简单
缺点,加大了凸轮的尺寸和重量
机械原理 — 凸轮机构
等宽凸轮机构
凸轮廓线上任意两条
平行切线间的距离都等于
框架内侧的宽度。
缺点, 从动件的运动规律的选择受到一定的限制,
当 180o范围内的凸轮廓线根据从动件运动规律确定
后, 其余 180o内的凸轮廓线必须符合等宽原则
机械原理 — 凸轮机构
等径凸轮机构
两滚子中心间的
距离始终保持不变。
缺点,
从动件运动规律的选择受到一定的限制
机械原理 — 凸轮机构
主回凸轮机构 (共轭凸轮机构 )
优点, 克服了等宽、等径凸轮的缺点
缺点, 结构复杂，制造精度要求高
一个凸轮推动从
动件完成正行程运动,
另一个凸轮推动从动
件完成反行程的运动
机械原理 — 凸轮机构
5,反凸轮机构
摆杆为主动件，凸轮为从动件
机械原理 — 凸轮机构
3.1.3 凸轮机构的应用
例 1：实现变速操纵
机械原理 — 凸轮机构
例 2：实现自动进刀、退刀
机械原理 — 凸轮机构
例 3：控制阀门的启闭
机械原理 — 凸轮机构
例 4：印刷机的吸纸吸头
机械原理 — 凸轮机构
3.2 从动件运动规律设计
3.2.1 凸轮机构的工作情况
机械原理 — 凸轮机构
? 回程运动角
? 近休止角
? 从动件运动规律（从动件位移线图）
? 基圆 ─ 以凸轮轮廓的最
小向径 rb所作的圆
? 升程 ─ 从动件上升的最
大距离 h
? 推程运动角 Φ0
? 远休止角 Φ s
'0?
's?
机械原理 — 凸轮机构
3.2.2 从动件常用运动规律
1.等速运动
特点,速度有突变, 加速
度理论上由零至无穷大,
从而使从动件产生巨大的
惯性力, 机构受到强烈冲
击 —— 刚性冲击
适应场合,低速轻载
机械原理 — 凸轮机构
2.等加速等减速 (抛物线 )运动
特点,加速度曲线有突变,
加速度的变化率 (即跃度 j)
在这些位置为无穷大 ——
柔性冲击
适应场合,中速轻载
机械原理 — 凸轮机构
3.简谐运动 (余弦加速度运动 )
当质点在圆周上作匀速运
动时, 它在该圆直径上的投
影所构成的运动规律 — 简谐
运动
??
?
??
? ?
?
??
?
??? φ
Φ
πc o s1
2
hs
特点,有柔性冲击
适用场合,中速轻载 (当从
动件作连续运动时, 可用于
高速 )
机械原理 — 凸轮机构
4.摆线运动 (简介 )
半径 R=h/2π的滚圆沿纵座标
作纯滚动, 圆上最初位于座标原
点的点其位移随时间变化的规
律 — 摆线运动
特点,无刚性、柔性冲击
适用场合,适于高速
机械原理 — 凸轮机构
5,3-4-5多项式运动 (简介 )
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
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???
?
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?
?? 543
Φ
φ6
Φ
φ15
Φ
φ10hs
特点,无刚性冲击、柔性冲击
适用场合,高速、中载
机械原理 — 凸轮机构
3.2.3 从动件运动规律的选择
1,常用运动规律性能比较
机械原理 — 凸轮机构
2.从动件运动规律的选择原则
考虑因素,
?对运动规律的要求
?凸轮的转速 （ 动力特性和便于加工 ）
3.2.4 从动件运动规律的组合
1.满足工作对运动规律的特殊要求；
2.为避免刚性冲击, 位移曲线和速度曲线必须连续；
而为避免柔性冲击, 加速度曲线也必须连续 。
3,尽量减小速度和加速度的最大值 。
机械原理 — 凸轮机构
3.3 凸轮轮廓的设计
3.3.1 基本原理（反转法）
反转法
?
反转后，从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的
轮廓曲线。
机械原理 — 凸轮机构
3.3.2 图解法设计凸轮轮廓
1,移动从动件盘形凸轮
(1)尖底从动件
旋转。逆时针
，等角速度偏距为
置于凸轮轴心右侧，
曲线，从动件偏
，已知：基圆半径
)(
e
-s
r
b
?
?
机械原理 — 凸轮机构
机械原理 — 凸轮机构
（ 2）滚子从动件
曲线。，滚子半径，已知,?? -sr,e,r rb
滚子中心将描绘一条与凸轮廓线
法向等距的曲线 — 理论廓线 。 Rb
指的是理论廓线的基圆。
反转法
?
机械原理 — 凸轮机构
?
?
?
作内包络线，得到凸轮的
实际廓线；
若同时作外包络线，可形
成槽凸轮廓线。
机械原理 — 凸轮机构
（ 3）平底从动件
取平底从动件表面
上的点 B0作为假想的尖
端从动件的尖端。
机械原理 — 凸轮机构
? 包络线 ?
?
为了保证在所有位置从动
件平底都能与凸轮轮廓曲线相
切，凸轮廓线必须是外凸的。
机械原理 — 凸轮机构
2,摆动从动件盘形凸轮
机械原理 — 凸轮机构
3.3.3 解析法 (略 )
3.4 凸轮机构基本尺寸的确定
3.4.1 移动滚子从动件盘形凸轮
机械原理 — 凸轮机构
(1) 压力角与许用值
?
?
?
?
?
?
?
?
s in
c o s
''
'
FF
FF
F
][
1
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1
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f
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即：
自锁
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????
80][
)(45][)(30][
?
??
回程：
摆动，移动推程：
机械原理 — 凸轮机构
(2) 凸 轮基圆半径的确定
基圆半径越大，压
力角越小，但结构尺寸
较大
22
b
ers
e
d φ
ds
tg α
??
?
?
机械原理 — 凸轮机构
(3) 从 动件偏置方向的选择
22
b
ers
e
d φ
ds
tg α
??
?
?
凸轮逆时针回转，从动件右偏置
凸轮顺时针回转，从动件左偏置
机械原理 — 凸轮机构
(4)凸轮轮廓形状与滚子半径的关系
? 外凸凸轮廓线
0rρρ
rρ
0 m i nm i n
0 m i n
???
?
机械原理 — 凸轮机构
?
?
?
???
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0rρρ
rρ
0 m i nm i n
0 m i n 实际廓线出现尖点
机械原理 — 凸轮机构
?
?
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???
?
0rρρ
rρ
0 m i nm i n
0 m i n
实际廓线出现交叉，从动
件不能准确地实现预期的
运动规律 — 运动失真
机械原理 — 凸轮机构
? 内凹凸轮廓线
无论滚子半径多大，总能由理论轮廓求出
实际轮廓。
机械原理 — 凸轮机构
? 运动失真
原因,
避免方法,
? 滚子半径的选择
考虑结构、强度与运动规律等因素
r?m i n0?
?
?
?
?
?
m i n0
m i n0
增大增大
)8.0(减小滚子半径
?br
ρrr
机械原理 — 凸轮机构
3.4.2 移动平底从动件盘形凸轮
凸轮出现过度切割的现
象，从动件无法完全实现预
期的运动规律。
原因？？？
机械原理 — 凸轮机构
减小升程 h 增大基圆 rb 增大偏心 e
机械原理 — 凸轮机构
? 运动失真
? 基圆半径的确定
避免运动失真
基圆半径过小
从动件升程过大
机械原理 — 凸轮机构
? 从动件偏置方向的选择
从动件偏置并不影响凸轮廓线的形状，选
择偏置的主要目的是为了减小从动件在推程阶
段所受的弯曲应力。
机械原理 — 凸轮机构
? 平地宽度的确定
3.5 凸轮机构的计算机辅助设计 (略 )
第 3章 凸轮机构
? 凸轮机构的组成与类型
? 从动件运动规律设计
? 凸轮轮廓的设计
? 凸轮机构基本尺寸的确定
? 凸轮机构的计算机辅助设计
机械原理 — 凸轮机构
3.1 凸轮机构的组成与类型
3.1.1 凸轮机构的组成
? 1 ─ 凸轮
? 2 ─ 从动件
? 3 ─ 机架 ?
高副机构
机械原理 — 凸轮机构
3.1.2 凸轮机构的类型
1,按凸轮的形状分类
盘形凸轮, 最基本的形式，结构简单，应用最为广泛
移动凸轮,凸轮相对机架做直线运动
圆柱凸轮,空间凸轮机构
盘形凸轮 移动凸轮 圆柱凸轮
机械原理 — 凸轮机构
2,按从动件的形状分类
尖端从动件
曲面从动件
尖端能以任意复杂的凸轮
轮廓保持接触, 从而使从
动件实现任意的运动规律 。
但尖端处极易磨损, 只适
用于低速场合 。
磨损比尖端从动件小。
机械原理 — 凸轮机构
滚子从动件
平底从动件
凸轮与从动件之间为滚动
摩擦, 因此摩擦磨损较小,
可用于传递较大的动力 。
从动件与凸轮之间易形
成油膜, 润滑状况好,
受力平稳, 传动效率高,
常用于高速场合 。 但与
之相配合的凸轮轮廓须
全部外凸 。
机械原理 — 凸轮机构
3,按从动件的运动形式分类
移动从动件 摆动从动件
移动从动件, 从动件作往复移动，其运动
轨迹为一段直线；
摆动从动件, 从动件作往复摆动，其运动
轨迹为一段圆弧。
机械原理 — 凸轮机构
4.按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类
(1) 力锁合 ─ 弹簧力、从动件重力或其它外力
(2) 型锁合 ─ 利用高副元素本身的几何形状
机械原理 — 凸轮机构
槽凸轮机构
槽两侧面的距离
等于滚子直径。
优点,锁和方式结构简单
缺点,加大了凸轮的尺寸和重量
机械原理 — 凸轮机构
等宽凸轮机构
凸轮廓线上任意两条
平行切线间的距离都等于
框架内侧的宽度。
缺点, 从动件的运动规律的选择受到一定的限制,
当 180o范围内的凸轮廓线根据从动件运动规律确定
后, 其余 180o内的凸轮廓线必须符合等宽原则
机械原理 — 凸轮机构
等径凸轮机构
两滚子中心间的
距离始终保持不变。
缺点,
从动件运动规律的选择受到一定的限制
机械原理 — 凸轮机构
主回凸轮机构 (共轭凸轮机构 )
优点, 克服了等宽、等径凸轮的缺点
缺点, 结构复杂，制造精度要求高
一个凸轮推动从
动件完成正行程运动,
另一个凸轮推动从动
件完成反行程的运动
机械原理 — 凸轮机构
5,反凸轮机构
摆杆为主动件，凸轮为从动件
机械原理 — 凸轮机构
3.1.3 凸轮机构的应用
例 1：实现变速操纵
机械原理 — 凸轮机构
例 2：实现自动进刀、退刀
机械原理 — 凸轮机构
例 3：控制阀门的启闭
机械原理 — 凸轮机构
例 4：印刷机的吸纸吸头
机械原理 — 凸轮机构
3.2 从动件运动规律设计
3.2.1 凸轮机构的工作情况
机械原理 — 凸轮机构
? 回程运动角
? 近休止角
? 从动件运动规律（从动件位移线图）
? 基圆 ─ 以凸轮轮廓的最
小向径 rb所作的圆
? 升程 ─ 从动件上升的最
大距离 h
? 推程运动角 Φ0
? 远休止角 Φ s
'0?
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机械原理 — 凸轮机构
3.2.2 从动件常用运动规律
1.等速运动
特点,速度有突变, 加速
度理论上由零至无穷大,
从而使从动件产生巨大的
惯性力, 机构受到强烈冲
击 —— 刚性冲击
适应场合,低速轻载
机械原理 — 凸轮机构
2.等加速等减速 (抛物线 )运动
特点,加速度曲线有突变,
加速度的变化率 (即跃度 j)
在这些位置为无穷大 ——
柔性冲击
适应场合,中速轻载
机械原理 — 凸轮机构
3.简谐运动 (余弦加速度运动 )
当质点在圆周上作匀速运
动时, 它在该圆直径上的投
影所构成的运动规律 — 简谐
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适用场合,中速轻载 (当从
动件作连续运动时, 可用于
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机械原理 — 凸轮机构
4.摆线运动 (简介 )
半径 R=h/2π的滚圆沿纵座标
作纯滚动, 圆上最初位于座标原
点的点其位移随时间变化的规
律 — 摆线运动
特点,无刚性、柔性冲击
适用场合,适于高速
机械原理 — 凸轮机构
5,3-4-5多项式运动 (简介 )
?
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特点,无刚性冲击、柔性冲击
适用场合,高速、中载
机械原理 — 凸轮机构
3.2.3 从动件运动规律的选择
1,常用运动规律性能比较
机械原理 — 凸轮机构
2.从动件运动规律的选择原则
考虑因素,
?对运动规律的要求
?凸轮的转速 （ 动力特性和便于加工 ）
3.2.4 从动件运动规律的组合
1.满足工作对运动规律的特殊要求；
2.为避免刚性冲击, 位移曲线和速度曲线必须连续；
而为避免柔性冲击, 加速度曲线也必须连续 。
3,尽量减小速度和加速度的最大值 。
机械原理 — 凸轮机构
3.3 凸轮轮廓的设计
3.3.1 基本原理（反转法）
反转法
?
反转后，从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的
轮廓曲线。
机械原理 — 凸轮机构
3.3.2 图解法设计凸轮轮廓
1,移动从动件盘形凸轮
(1)尖底从动件
旋转。逆时针
，等角速度偏距为
置于凸轮轴心右侧，
曲线，从动件偏
，已知：基圆半径
)(
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?
?
机械原理 — 凸轮机构
机械原理 — 凸轮机构
（ 2）滚子从动件
曲线。，滚子半径，已知,?? -sr,e,r rb
滚子中心将描绘一条与凸轮廓线
法向等距的曲线 — 理论廓线 。 Rb
指的是理论廓线的基圆。
反转法
?
机械原理 — 凸轮机构
?
?
?
作内包络线，得到凸轮的
实际廓线；
若同时作外包络线，可形
成槽凸轮廓线。
机械原理 — 凸轮机构
（ 3）平底从动件
取平底从动件表面
上的点 B0作为假想的尖
端从动件的尖端。
机械原理 — 凸轮机构
? 包络线 ?
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为了保证在所有位置从动
件平底都能与凸轮轮廓曲线相
切，凸轮廓线必须是外凸的。
机械原理 — 凸轮机构
2,摆动从动件盘形凸轮
机械原理 — 凸轮机构
3.3.3 解析法 (略 )
3.4 凸轮机构基本尺寸的确定
3.4.1 移动滚子从动件盘形凸轮
机械原理 — 凸轮机构
(1) 压力角与许用值
?
?
?
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自锁
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回程：
摆动，移动推程：
机械原理 — 凸轮机构
(2) 凸 轮基圆半径的确定
基圆半径越大，压
力角越小，但结构尺寸
较大
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机械原理 — 凸轮机构
(3) 从 动件偏置方向的选择
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凸轮逆时针回转，从动件右偏置
凸轮顺时针回转，从动件左偏置
机械原理 — 凸轮机构
(4)凸轮轮廓形状与滚子半径的关系
? 外凸凸轮廓线
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机械原理 — 凸轮机构
?
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0 m i n 实际廓线出现尖点
机械原理 — 凸轮机构
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?
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实际廓线出现交叉，从动
件不能准确地实现预期的
运动规律 — 运动失真
机械原理 — 凸轮机构
? 内凹凸轮廓线
无论滚子半径多大，总能由理论轮廓求出
实际轮廓。
机械原理 — 凸轮机构
? 运动失真
原因,
避免方法,
? 滚子半径的选择
考虑结构、强度与运动规律等因素
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增大增大
)8.0(减小滚子半径
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机械原理 — 凸轮机构
3.4.2 移动平底从动件盘形凸轮
凸轮出现过度切割的现
象，从动件无法完全实现预
期的运动规律。
原因？？？
机械原理 — 凸轮机构
减小升程 h 增大基圆 rb 增大偏心 e
机械原理 — 凸轮机构
? 运动失真
? 基圆半径的确定
避免运动失真
基圆半径过小
从动件升程过大
机械原理 — 凸轮机构
? 从动件偏置方向的选择
从动件偏置并不影响凸轮廓线的形状，选
择偏置的主要目的是为了减小从动件在推程阶
段所受的弯曲应力。
机械原理 — 凸轮机构
? 平地宽度的确定
3.5 凸轮机构的计算机辅助设计 (略 )
