第九章 凸轮机构及其设计
§ 9-3 凸轮轮廓曲线的设计
一, 凸轮廓线设计的方法及基本原理
1,设计方法 图解法解析法
2,基本原理 —— 反转法
假想给整个机构加一公共角速度 -?,
各构件的相对运动关系并不改变
原机构 转化机构
? ? - ? =0
V? ??? ?V
凸轮
从动件
机架 0 0 - ? = - ?
凸轮,转动 相对静止不动
从动件:
沿导轨作预期运动
规 律 的 往 复 移 动
沿导轨作预期运动
规 律 的 往 复 移 动
随导轨以 -?绕
凸轮轴心转动
?
??
s1
s2
s2
s1
假想给整个机构加一公共角速度 -?,则凸轮相对静止不动, 而从动件一方
面随导轨以 -?绕凸轮轴心转动, 另一方面又沿导轨作预期运动规律的往复
移动 。 从动件尖顶在这种复合运动中的运动轨迹即为凸轮轮廓曲线 。
二, 图解法设计凸轮轮廓曲线
1,对心直动尖端从动件盘形凸轮机构
已知:推杆的运动规律、升程 h;凸
轮的 ?及其方向、基圆半径 r0
设计:凸轮轮廓曲线
h
s
?O ??/2
h/2
2?5?/4 7?/4
?
? 从动件位移 —— 凸轮在从动件导路方向上, 基圆以外的尺寸
9
10
11
13
12
1
2
3
4
5
6
7?
取长度比例尺 ?l绘图 h
s
?O ??/2
h/2
2?5?/4 7?/4
??
?
1 2 3
4
5 6 7
8 149
10 11
13
12
14 1)将位移曲线若干等分;
2)沿 -?方向将 基圆 作相应等分;
3)沿导路方向解曲相应的位移,
得到一系列点;
4)光滑联接 。
取长度比例尺 ?l绘图
??
h
s
?O ??/2
h/2
2?5?/4 7?/41 2 3
4
5 6 7
8 149
10 11
13
12
9
10
11
13
12
1
2
3
4
5
6
7?
?
14
2,对心直动滚子从动件盘形凸轮机构
理论廓线
实际廓线
取长度比例尺 ?l绘图
h
s
?O ??/2
h/2
2?5?/4 7?/41 2 3
4
5 6 7
8 149
10 11
13
12
9
10
11
13
12
1
2
3
4
5
6
7?
??
?
14
3,对心直动平底从动件盘形凸轮机构
理论廓线
实际廓线
取长度比例尺 ?l绘图 hs
?O ??/2
h/2
2?5?/4 7?/41 2 3
4
5 6 7
8 149
10 11
13
12
14 1)将位移曲线若干等分;
2)沿 -?方向将 偏置圆 作相应等分;
3)沿导路方向解曲相应的位移,
得到一系列点;
4)光滑联接 。
2
3
4
7 58
??
?
1
6
10
11
1312
9
4,偏置直动尖端从动件盘形凸轮机构
取长度比例尺 ?l绘图 hs
?O ??/2
h/2
2?5?/4 7?/41 2 3
4
5 6 7
8 149
10 11
13
12
14
2
3
4
7 58
??
?
1
6
10
11
1312
9
5,偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构
取长度比例尺 ?l绘图
h
s
?O ??/2
h/2
2?5?/4 7?/41 2 3
4
5 6 7
8 149
10 11
13
12
6,偏置直动平底从动件盘形凸轮机构
14
2
3
4
7 58
1
6
10
11
1312
9
??
?
7,摆动尖端从动件盘形凸轮机构
已知:摆杆的运动规律, 角升程 ?,摆杆的长度 LAB,LAO,
凸轮的 ?及其方向, 基 圆半径 r0 。
设计:凸轮轮廓曲线
180o 120o60o
o
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ?
?
?max
2?
?
A
O
B
?2
?
max?
180o 120o60o
o
?
1 2 3 4 5 6 7 8 910
( 1) 作出角位移线图;
( 2) 作初始位置;
( 4) 找从动件反转后的一系
列位置,得 C1,C2,? ?
等点,即为凸轮轮廓上的点。
A1
A2
A3
A5
A6
A7
A8
A9
A10
A4
( 3) 按 -?方向划分圆 R得 A0、
A1,A2?? 等点;即得机架
反转的一系列位置;
?0r0
B0
L
180°
120°
B1
B
2
B
4
B
5
B
6
B
7
B
8
B
9
B10
?1
C1
?2
C2
?3
C
3C
4C
5
C
6
C
7
C
8
C
9
C10
R
O A
0a
-?
图解法设计凸轮轮廓曲线小结
1) 确定基圆和推杆的起始位置;
2) 作出推杆在反转运动中依次占据的各位置线;
3) 根据推杆运动规律, 确定推杆在反转所占据的各位置线中的
尖顶位置 —— 光滑连接后即为 理论廓线 。
4) 在所占据的各尖顶位置作出推杆高副元素所形成的曲线族;
5) 作推杆高副元素所形成的曲线族的包络线, 即是所求的凸轮
轮廓曲线 —— 光滑连接后即为 实际廓线 。
一等分, 二反转, 截位移, 再连线 。
三, 解析法设计凸轮轮廓曲线
1,偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构
如图所示,选取 Oxy坐标系,B0点为
凸轮廓线起始点。当凸轮转过 δ角度时,
推杆位移为 s。此时滚子中心 B点的坐标

??
?
???
???
??
??
s i nc os)(
c oss i n)(
0
0
essy
essx
。理论廓线方程式该式即为凸轮的
。,偏距为式中 2200 erse ??
由高等数学知, 理论廓线 B点处的法线 nn的斜率应为
????? c o nd
dy
ddxdydxtg s i n)/( ?????
??
?
????
?????
????
????
s i n)(c os)/(/
c os)(s i n)/(/
0
0
sseddsddy
sseddsddx
实际廓线上的对应点 Bˊ (xˊ, yˊ )
的坐标为
??
?
?
?
?
?
s i n'
c os'
r
r
ryy
rxx
?
?
??
???
???
??
22
22
)/()/(/)/(c o s
)/()/(/)/(s in
????
????
ddyddxddy
ddyddxddx故
式中,-”号用于内等距曲线,,+”号用于外等距曲线。
另外, 式中 e为代数值 。 当凸轮逆时针方向回转时, 若推杆处于凸轮回
转中心的右侧, e为正, 称为 正偏置 ;若凸轮顺时针方向回转, e为负, 称为
负偏置 。
2,对心平底推杆 (平底与推杆轴线垂直 )盘形凸轮机构
分析:取坐标系的 y轴与推杆轴线重合;
推杆反转与凸轮在 B点相切:凸轮转过 ?,推杆产生位移 s
?OPvv P ??
?
?
?
?
?
?
s inc os)(
c oss in)(
0
0
d
ds
sry
d
ds
srx
???
???
P点为凸轮与
推杆相对瞬心
推杆的速度为
?? d
dsvOP ??
B点坐标
为凸轮工作廓线方程式
设计分析:取摆动推杆轴心 A0与凸轮轴心 O之连线为 y轴;
推杆反转处于 AB位置:凸轮转过 ?角,推杆角位移为 f。
)c o s (c o s
)s i n (s i n
0
0
????
????
????
????
lay
lax
3,摆动滚子推杆盘形凸轮机构
则 B 点之坐标为
为理论廓线方程式
?
?
s in
c o s
r
r
ryy
rxx
?
?
??
??
凸轮工作廓线方程式
?1
§ 9-4 凸轮机构基本尺寸的确定
一, 凸轮机构的压力角与效率
?
1,凸轮机构的效率
G
F?
t
t
n
n
B
?2
FR1
?2
FR2
d
尖端直动推杆盘形凸轮机构在推程中任意
位置的受力情况
取推杆为分离体, 根据力的平衡条件
ΣMB=0 FR2cosφ2(l+b)- FR1cosφ2 b =0
ΣFy=0 - G+Fcos(α+φ1)- (FR1+FR2)sinφ2=0
ΣFx=0 - Fsin(α+φ1)+(FR1- FR2)cosφ2=0
经整理得:
211 )s i n ()/21()c o s ( ????? tglb
GF ?????
l
b
211 )s i n ()/21()c o s ( ????? tglb
GF ????? ? ? FGF ???
?c o s
? ?
?
??????
c o s
)s i n ()/21()c o s ( 211 tglb
F
F ???????
??lb /令,则:
? ? ? ? ?????????? tgtgtg 211211 c o s)21(s i ns i n)21(c o s ??????
1) 当 G = const 时,?? F? 机构受力差
tg?? ?? 当 ? =0时 ? = ?c
临界压力角
2) ? = b/l ? ?? 应使 b/l取小值
3) f1,f2(摩擦系数 ) ? ?1,?2 ? ??
应选用摩擦系数较小的配对材料
讨论
2,临界压力角 ?c
令 ?=0,即,0)s i n ()/21()c o s ( 211 ????? ????? tglb
21 )/21(
1)( ??? tglbtg ???? 1
2
1 )/21( 1 ??? ??
?
??
?
?
??? ? tglbtgc
讨论
1) ?c 只取决于推杆结构尺寸及 摩擦系数;
2) ? = b/l ? ?c? 对机构工作不利;
3) 考虑到工作的可靠性,工程中取,? ?
nc
?? ? 为 许用压力角
并以,为设计原则。? ?
nc
??? ??
m a x
4) 取许用压力角 [?]的取值,推程,直动推杆 [?]=30° ;
摆动推杆 [?]=35° ~45°
回程,[?]′=70° ~80°
二, 凸轮基圆半径的确定
1,基圆半径和压力角的关系:
P为瞬心 OPvv p ??? ?
所以,有
??? ddsdtddtdsvOP // ???
在 ΔBCP中
ser
edds
ser
eOP
ss
eOP
BC
CPtg
??
??
??
??
?
???
22
0
22
00
)/( ??
当凸轮逆时针方向回转时,若推杆处于凸轮回转中心的右侧,e
为正,称为 正偏置 ;
若凸轮顺时针方向回转,e为负,称为 负偏置 。
ser
eddstg
??
??
22
0
)/( ?? 22
0 )/( estg eddsr ???? ??
讨论
r0? 机构尺寸小,但受力差。??1)
若欲减小压力角 ?,应首选增大 r0
2) ?? [?]时 r0 ? r0min时,可得最小基圆半径。
? ? m i n0220 )/( restg eddsr ????? ??
3)采用正偏置 (-e),可减小压力角。
2,基圆半径的选取:
1) 满足:
? ? m i n0220 )/( restg eddsr ????? ??
2) 由结构设计(考虑凸轮的结构及强度)确定:
?凸轮轴,r0 略大于轴的半径 r;
?凸轮单独制作时,r0=( 1.6~2) r, r为轴的半径
1,滚子半径的选择
三, 从动件结构尺寸的确定
设 ?a—— 实际廓线 曲率半径;
?—— 理论廓线 曲率半径;
当凸轮廓线为内凹时,?a = ?+rr
当凸轮廓线为外凸时,?a = ? - rr
?a ?a= ?+rr?
?a= ? - rr
?
?a
外凸轮廓,?a = ? - rr
>0
=0
<0
?a= ? - rr>0
?
?a
?a= ? - rr=0
? =rr
?a= ? - rr<0
—— 凸轮实际廓线光滑连续;
—— 凸轮实际廓线变尖;
—— 凸轮实际廓线交叉,
运动规律失真 。
实际廓线出现交叉,加工时交叉部分将被切去,使推杆不能准确
实现预期运动规律,出现 运动失真 现象。为避免运动失真,应使
?amin = ?min- rr ? 1~5 mm
一般,rr ? 0.8?min,或 rr = (0.1~0.5)r0(考虑结构及强度的限制)
★ 出现尖点或失真应采取的措施
i,适当减少滚子半径;
ii,增大基圆半径。
2,平底推杆的平底尺寸的确定
?
1
L
l
P12O
VP12
平底推杆的平底长度为
L = 2lmax+(5~7)mm
?? dds
Vl ??
1
2
类速度
lmax = ∣ ds/d?∣ max
? L = 2 ∣ ds/d?∣ max +(5~7)mm
小 结
1,凸轮基圆半径 的选择需考虑到实际的结构条件, 压力角,
凸轮的实际廓线是否会出现变尖和失真等因素;
2,当为直动推杆时, 应在结构许可的条件下, 尽可能取 较大
的导轨长度和较小的悬臂尺寸 ;
3,当为滚子推杆时, 应恰当地选取 滚子的半径 ;
4,当为平底推杆时, 应正确地确定 平底尺寸 ;
5,还须考虑到强度和工艺等方面的要求 。
凸 轮 机 构 总 结
?凸轮机构的应用
?凸轮机构的分类
?推杆的常用运动规律
?凸轮轮廓曲线的设计
?设计方法所依据的基本原理 —— 反转法
?设计方法,图解法,解析法
?凸轮机构基本尺寸的确定
基圆半径、压力角、滚子半径、平底尺寸
?等速运动
?等加速等减速运动
?五次多项式运动规律
?余弦加速度运动规律
?正弦加速度运动
?组合运动规律