第4章凸轮机构与其他常用机构 4.1 凸轮机构的应用与分类 4.1.1 凸轮机构的应用 凸轮机构能将主动件的连续等速运动变为从动件的往复变速运动或间歇运动。在自动机械、半自动机械中应用非常广泛。凸轮机构是机械中的一种常用机构。 图4.1所示为内燃机配气凸轮机构。凸轮1以等角速度回转时，凸轮1的轮廓驱动从动件2（阀杆）按预期的运动规律启闭阀门。 图4.1 内燃机配气凸轮机构 图4.2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，绕轴线上的齿轮带动凸轮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往复摇动，因而使线均匀地绕在绕线轴上。
图4.2绕线机中排线凸轮机构 图4.3所示为驱动动力头在机架上移动的凸轮机构。圆柱凸轮1与动力头连接在一起，可以在机架3上作往复移动。滚子2的轴被固定在机架3上，滚子2放在圆柱凸轮的凹槽中。凸轮转动时，由于滚子2的轴是固定在机架上的，故凸轮转动时带动动力头在机架3 上作往复移动，以实现对工件的钻削。动力头的快速引进、等速进给、快速退回、静止等动作均 取决于凸轮上凹槽的曲线形状。
图4.3动力头用凸轮机构 图4.4所示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以一定的规律作水平往复运动，从而带动机械手装卸工件。 图4.4冲床上的凸轮机构
从以上所举的例子可以看出：凸轮机构主要由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。从动件与凸轮轮廓为高副接触传动，理论上讲可以使从动件获得所需要的任意的预期运动。 凸轮机构的优点是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；其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，故通常用于受力不大的控制机构。 4.1.2 凸轮机构的分类 凸轮机构的类型很多，并且这些类型又常常交叉在一起，下面介绍常见的分类方法。 1．按凸轮形状分类 （1）盘形凸轮：凸轮的最基本型式。该类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4.1和4.2所示。 （2）圆柱凸轮：将移动凸轮卷成圆柱体即成为圆柱凸轮，如图4.3所示。 （3）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4.4所示。 2．按从动件形状分类 （1）尖顶从动件：该类从动件结构最简单，尖顶能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，以实现从动件的任意运动规律，但尖顶易磨损，仅适用于作用力很小的低速凸轮机构。 （2）滚子从动件：从动件的一端装有可自由转动的滚子，滚子与凸轮之间为滚动摩擦，磨损小，可以承受较大的载荷，因此得到广泛应用。 （3）平底从动件：从动件的一端为一平面，直接与凸轮轮廓相接触。若不考虑摩擦，凸轮对从动件的作用力始终垂直于端平面，传动效率高，且接触面间容易形成油膜，利于润滑，故常用于高速凸轮机构。其缺点是不能用于凸轮轮廓有凹曲线的凸轮机构中。 （4）曲面从动件：尖顶从动件的改进形式，较尖顶从动件不易磨损。 以上分类如表4.1纵排所示。
第3章凸轮机构 本章介绍凸轮机构的类型、特点、应用及盘形凸轮的设计。 凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，它通过与从动件的高副接触，在运动时可以使从动件获得连续或不连续的任意预期运动。在第4章介绍中，我们已经看到。凸轮机构在各种机械中有大量的应用。即使在现代化程度很高的自动机械中，凸轮机构的作用也是不可替代的。 凸轮机构由凸轮、从动件和机架三部分组成，结构简单、紧凑，只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现任意的运动规律。在自动机械中，凸轮机构常与其它机构组合使用，充分发挥各自的优势，扬长避短。由于凸轮机构是高副机构，易于磨损；磨损后会影响运动规律的准确性，因此只适用于传递动力不大的场合。 图1-1为自动机床中的横向进给机构，当凸轮等速回转一周时，凸轮的曲线外廓推动从动件带动刀架完成以下动作：车刀快速接近工件，等速进刀切削，切削结束刀具快速退回，停留一段时间再进行下一个运动循环。 图1-1图1-2 图1-2为糖果包装剪切机构，它采用了凸轮—连杆机构，槽凸轮1绕定轴B转动，摇杆2与机架铰接于A点。构件5和6与构件2组成转动副D和C，与构件3和4（剪刀）组成转动副E和F。构件3和4绕定轴K转动。凸轮1转动时，通过构件2、5、和6，使剪刀打开或关闭。 图1-3为机械手及进出糖机构。送糖盘7从输送带10上取得糖块，并与钳糖机械手反向同步放置至进料工位Ⅰ，经顶糖、折边后，产品被机械手送至工位Ⅱ后落下或由拨糖杆推下。机械手开闭由机械手开合凸轮（图中虚线）1控制，该凸轮的轮廓线是由两个半径不同的圆弧组成，机械手的
夹紧主要靠弹簧力。 图1-6
图1-4所示为由两个凸轮组合的顶糖、接糖机构， 通过平面槽凸轮机构将糖顶起，由圆柱凸轮机构控制接 糖杆的动作，完成接糖工作。图1-5所示的机构中，应 用了四个凸轮机构的配合动作来完成电阻压帽工序。内 燃机中的阀门启闭机构（图1-6），缝纫机的挑线机构（图 1-7）等，都是凸轮机构具体应用的实例。由以上各例可 见，凸轮机构在各种机器中的应用是相当广泛的，了解 凸轮机构的有关知识是非常必要的。 1.1 凸轮机构的分类 按照凸轮及从动件的形状，凸轮机构的分类见表1-1。 1.2 凸轮机构中从动件常用的运动规律 凸轮机构设计的主要任务是保证从动件按照设计要求实现预期的运动规律，因此确定从动件的运动规律是凸轮设计的前提。 1.2. 1 平面凸轮机构的工作过程和运动参数 图1-8a 为一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构，从动件移动导路至凸轮旋转中心的偏距为e 。以凸轮轮廓的最小向径r b 为半径所作的圆称为基圆，r b 为基圆半径，凸轮以等角速度ω逆时针转动。在图示位置，尖顶与A 点接触，A 点是基圆与开始上升的轮廓曲线的交点，此时，从动件的尖顶离凸轮轴最近。凸轮转动时，向径增大，从动件被凸轮轮廓推向上，到达向径最大的B 点时，从动件距凸轮轴心最远，这一过程称为推程。与之对应的凸轮转角δ0称为推程运动角，从动件上升的最大位移h 称为行程。当凸轮继续转过δs 时，由于轮廓BC 段为一向径不变的圆弧，从动件停留在最远处不动，此过程称为远停程，对应的凸轮转角δs 称为远停程角。当凸轮又继续转过δ0’角时，凸轮向径由最大减至r b ，从动件从最远处回到基圆上的D 点，此过程称为回程，对应的凸轮转角δ0’称为回程运动角。当凸轮继续转过δs ’角时，由于轮廓DA 段为向径不变的基圆圆弧，从动件继续停在距轴心最近处不动，此过程称为近停程，对应的凸轮转角δs ’称为近停程角。此时，δ0＋δs ＋ δ0’＋δs ’=2π，凸轮刚好转过一圈，机构完成一个工作循环，从动件则完成一个“升—停—降—停”的运动循环。 图1-7
第三章凸轮机构及其设计 3 - 1 判断题(正确的在其题号后括号内打√，否则打×) （1）为了避免从动件运动失真，平底从动件凸轮轮廓不能内凹。( ) （2）若凸轮机构的压力角过大，可用增大基圆半径来解决。( ) （3）从动件作等速运动的凸轮机构有柔性冲击。( ) （4）凸轮的基圆一般是指以理论轮廓上最小向径所作的圆。( ) （5）滚子从动件盘形凸轮的理论轮廓是滚子中心的轨迹。( ) 解答： （1）√（2）√（3）×（4）√（5）√ 3 - 2 填空题 （1）对于外凸凸轮，为了保证有正常的实际轮廓，其滚子半径应理论轮廓的最小曲率半径。 （2）滚子从动件盘形凸轮机构的基圆半径是从到的最短距离。 （3）在凸轮机构中，从动件按等加速等减速运动规律运动时，有冲击。 （4）绘制凸轮轮廓曲线时，常采用法，其原理是假设给整个凸轮机构加上一个与凸轮转动角速度ω的公共角速度，使凸轮相对固定。 （5）直动平底从动件盘形凸轮机构的压力角为，其基圆半径应按条件确定。解答： （1）小于 （2）凸轮回转中心到凸轮理论轮廓 （3）柔性冲击 （4）反转法相反的 （5）0 按全部廓线外凸的条件设计基圆半径 3 - 3 简答题 （1）凸轮机构中，常用的从动件运动规律有哪几种？各用于什么场合？ 解答： 1）等速运动规律刚性冲击（硬冲）低速轻载 2）等加速、等减速运动规律柔性冲击中低速轻载 3）简谐（余弦）运动规律柔性冲击中低速中载 4）正弦加速度运动规律无冲击中高速轻载 5）3-4-5多项式运动规律无冲击中高速中载 （2）何谓凸轮机构的压力角？压力角的大小与凸轮基圆半径r0有何关系？压力角的大小对凸轮的传动有何影响？ 解答： 在不计摩擦时，凸轮作用在从动件上推力作用线与从动件受力点的绝对速度方向所夹锐角称为压力角，称为凸轮机构的压力角。 基圆半径愈大，机构压力角愈小，但机构愈不紧凑；基圆半径愈小，机构压力角愈大，机
第六章凸轮机构 一、填空 1·凸轮是具有或轮廓且作为的构件。 2·含有的机构称为凸轮机构。凸轮机构主要由或个基本构件组成.在凸轮机构中凸轮通常为件并作或. 3·仅具有尺寸变化并绕其旋转的凸轮称为盘形凸轮。盘形凸轮分为和两种。 9·从动件的位移S与凸轮转角9的关系可用表示。等速运动规律的位移曲线为一条减速运动规律的位移曲线是。 4当盘形凸轮的回转中心趋于时即成为移动凸轮。移动凸轮通常作还动，多用于机械中。 7·以凸轮轮廓上最小半径所画的圆称为凸轮的。 5·凸轮和凸轮统称柱体凸轮。 10·等速运动规律凸轮机构在从动件速度变化时将产生冲击，因此只适用于凸轮作`和从动件质量较小和的场合。 二、判断 1，凸轮机构广泛用于机械自动控制。( ) 2·凸轮机构是高副机构，凸轮与从动件接触处难以保持良 好的润滑而易磨损。( ) 3·凸轮机构仅适用于实现特殊要求的运动规律而又传力不 太大的场合，且不能高速启动。( ) 4·移动凸轮可以相对机架作直线往复运动。( ) 5·平底从动件润滑性能好，摩擦阻力较小，并可用于实现 任意运动规律。( ) 6·柱体凸轮机构，凸轮与从动件在同一平面或相互平行的 平面内运动。( ) 7.采用等加速等减速运动规律，从动件在整个运动过程中 速度不会发生突变，因而没有冲击。( ) 三、选择 1·传动要求速度不高、承载能力较太的场合常应用的从动 件形式为( ). A·尖顶式D滚子式C平底式D·曲面式 2·按等速运动规律工作的凸轮机构( ). 八，会严比刚性冲击B会产生柔性冲击C，不会产生冲 赤D、适用于凸轮作高速转动的场合 3·等加速等减速运动规律的位移曲线是( ). A·斜直线b抛物线C·圆D，正弦曲线 4·属于空间凸轮机构的有( ). A·移动凸轮机构B·端面凸轮机构C·圆柱凸轮机构D·盘形槽凸轮机沟 6·组成图6-2所示机械传动装置的典型机构有( ).
凸轮从动件基本运动规律 （有关凸轮机构的部分讲义） 1. 多项式类运动规律 多项式运动规律的一般形式： 其中， （1） 一次多项式运动规律（等速运动规律） a. 通式： b. 推程阶段边界条件： 带入通式，可解出： c. 回程阶段边界条件： 。带入通式，可解出： O s v 图 1 等速运动规律 （2） 二次多项式运动规律（等加速等减速运动规律） a. 通式：
其中， b. 推程前半阶段(等加速阶段)边界条件： 带入通式，可解出： ; 推程后半阶段(等减速阶段)边界条件： 带入通式，可解出： ; c. 回程前半阶段(等加速阶段)边界条件： 带入通式，可解出： ; 回程后半阶段(等减速阶段)边界条件： 带入通式，可解出： ; O s 图2 等加速等减速运动规律
（3） 五次多项式运动规律 a.通式： 其中， b. 推程阶段边界条件： 带入通式，可解出： ; c. 回程阶段边界条件： 带入通式，可解出： ; O s 图3 五次多项式运动规律 2. 三角函数类运动规律 （1） 简谐运动规律（余弦加速度运动规律） a.通式： 其中，
b. 推程阶段边界条件： 带入通式，可解出： ; k= c. 回程阶段边界条件： 带入通式，可解出： ; k= O s 图 4 简谐运动规律 （2） 摆线运动规律（正弦加速度运动规律） a.通式： 其中， b. 推程阶段边界条件： 带入通式，可解出： ; k= c. 回程阶段边界条件： 带入通式，可解出：
习 题 6-6 在摆动从动件盘形凸轮机构中，从动件行程角max 30o ψ=，0120o Φ=，'0120o Φ=， 从动件推程、回程分别采用等加速等减速和正弦加速度运动规律，试写出摆动从动件在各行程的位移方程式。 解：（1）推程的位移方程式为 ()2 0max 02max 0max 00202 022 2?ψψ?ψψψ?????Φ?=??≤≤ ? Φ???? Φ? =-Φ-≤≤Φ?Φ? 代入数值得 ()2220230 060120240130-120 60120240o o o o o o o o o ??ψ?ψ?????=??=≤≤? ????? ?=?-≤≤?? （2）回程的位移方程式为 ()max 0''0001 21sin 3602o s s T T T πψψ?π ??????=?-+ Φ+Φ≤≤??? ?ΦΦ?????? =-Φ+Φ? 代入数值得： o 2401360360301sin 240120212012024030 30sin 3 24036042o o o o o o o o o o o o ?ψ?π???π ????-=?-+-??? ???? ?-=-+≤≤ 6-7 图中所示为从动件在推程的部分运动曲线，其0o s Φ≠，'0o s Φ≠，试根据s 、v 和a 之 间的关系定性的补全该运动曲线，并指出该凸轮机构工作时，何处有刚性冲击？何处有柔性冲击？
解：如图所示。 （1）AB段的位移线图为一条倾斜直线，因此，在这一段应为等速运动规律，速度线图为一条水平直线，其加速度为零。 （2）BC段的加速度线图为一条水平直线。因此，在这一段应为等加速运动规律，其速度线图为一条倾斜的直线，位移线图为一条下凹的二次曲线。 （3）CD段的速度线图为一条倾斜下降的斜直线。因此，在这一段应为等减速运动规律，其加速度线图为一条水平直线，位移线图为一条上凸的二次曲线。 该凸轮在工作时，在A处有刚性冲击，B、C、D处有柔性冲击。 6-8 对于图中的凸轮机构，要求： 1）写出该凸轮机构的名称； 2）在图上标出凸轮的合理转向； 3）画出凸轮的基圆； 4）画出从升程开始到图示位置时推杆的位移s，相对应的凸轮转角?，B点的压力角α；5）画出推杆的行程H。 解：1）偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构。 2）为使推程压力角较小，凸轮应该顺时针转动。
第三章凸轮机构 &3-1凸轮机构的应用和类型 凸轮机构的分类： 1.按凸轮的形状分 （1）盘形凸轮（最基本的形式） （2）移动凸轮 （3）圆柱凸轮 2.按从动件的形式分 （1）尖顶从动件 （2）滚子从动件 （3）平底从动件 凸轮机构的优点就是只需要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会线接触，易磨损，所以通常多用于传力不大的控制机构。
&3-2从动件的运动规律
? ? ? 1.等速运动 适用场合：低速轻载，从动件质量较小，运动起始和终止位置速度有突变，会产生刚性冲击。 2.简谐运动 适用场合：中、低速凸轮机构。 3.正弦加速度运动 适用场合：中速、高速轻载。
&3-3凸轮机构的压力角 压力角：作用在从动件上的驱动力与该点作用点绝对速度之间所夹的锐角称为压力角。 一、压力角与作用力的关系 当不计凸轮与从动件之间的摩擦时，凸轮给予从动件的力F 是沿发现方向的，从简运动方向与力F 之间的锐角α即为压力角。 力F 可分解为沿从动件运动方向的有用分力F '和使从动件紧压导路的有害分力F ''，且 αtan '''F F = 当驱动从动件的有用分力F '一定时，压力角α越大，则有害分力F ''越大，机构的效率越低。 自锁：当α增大到一定程度，以致F ''在导路中所引起的摩擦阻力大于有用分力F '时，无论凸轮机构加给从动件的作用力多大，从动件都不能运动。 对于直动从动件凸轮机构，建议取许用压力角[α]=30° 对于摆动从动件凸轮机构，建议取许用压力角[α]=45°
第四章凸轮机构 第一节凸轮机构的特点、类型及应用 一、凸轮机构的组成、特点及应用 凸轮机构是由凸轮、从动件和机架组成的高副机构。凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的主动件，一般作等速连续转动，也有作往复移动的。在设计机械时，根据运动的需要，只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现任何预期的运动规律。 图4-1所示为内燃机配气机构。盘形凸轮1作等速转动，通过其向径的变化可使从动杆2按预期规律作上、下往复移动，从而达到控制气阀开闭的目的。图4-2所示为靠模车削机构，工件1回转，移动凸轮3作为靠模被固定在床身上，刀架2在弹簧作用下与凸轮轮廓紧密接触。当拖板4纵向移动时，刀架2在靠模板（凸轮）曲线轮廓的推动下作横向移动，从而切削出与靠模板曲线一致的工件。图4-3所示为自动送料机构，带凹槽的圆柱凸轮1作等速转动，槽中的滚子带动从动件2作往复移动，将工件推至指定的位置，从而完成自动送料任务。图4-4所示为分度转位机构，蜗杆凸轮1转动时，推动从动轮2作间歇转动，从而完成高速、高精度的分度动作。 图4-1 内燃机配气机构图4-2靠模车削机构 图4-3 自动送料机构图4-4 分度转位机构 由以上实例可以看出：凸轮机构主要用于转换运动形式。它可将凸轮的转动，变成从动件的连续或间歇的往复移动或摆动：或者将凸轮的移动转变为从动件的移动或摆动。 凸轮机构的主要优点是：只要适当地设计凸轮轮廓，就可以使从动件实现生产所要求的运动规律，且结构简单紧凑、易于设计，因此在工程中得到广泛运用。
其缺点是：凸轮与从动件是以点或线相接触，不便润滑，容易磨损；凸轮为曲线轮廓，它的加工比较复杂，并需要考虑保持从动件与凸轮接触的锁合装置；由于受凸轮尺寸的限制，从动件工作行程较小。因此凸轮机构多用于需要实现特殊要求的运动规律而传力不大的控制与调节系统中。 二、凸轮机构的分类 凸轮机构的类型繁多，常见的分类方法如下。 1．按凸轮的形状分类 （1）盘形凸轮（图4-1）凸轮是一个径向尺寸变化且绕固定轴转动的盘形构件。盘形凸轮机构的结构比较简单，应用较多，是凸轮中最基本的形式。 （2）移动凸轮（图4-2）凸轮相对机架作直线平行移动。它可看作是回转半径无限大的盘形凸轮。凸轮作直线往复运动时，推动从动件在同一运动平面内也作往复直线运动。有时也可将凸轮固定，使从动件导路相对于凸轮运动。 （3）圆柱凸轮（图4-3）在圆柱体上开有曲线凹槽或制有外凸曲线的凸轮。圆柱绕轴线旋转，曲线凹槽或外凸曲线推动从动件运动。圆柱凸轮可使从动件得到较大行程，所以可用于要求行程较大的传动中。 （4）曲面凸轮（图4-4）当圆柱表面用圆弧面代替时，就演化成曲面凸轮。 2．按从动件的结构型式分类 （1）尖顶从动件（图4-5a、e）从动件与凸轮接触的一端是尖顶的称为尖顶从动件。它是结构最简单的从动件。尖顶能与任何形状的凸轮轮廓保持逐点接触，因而能实现复杂的运动规律。但因尖顶与凸轮是点接触，滑动摩擦严重，接触表面易磨损，故只适用于受力不大的低速凸轮机构。 （2）滚子从动件（图4-5b、f）它是用滚子来代替从动件的尖顶，从而把滑动摩擦变成滚动摩擦，摩擦阻力小，磨损较少，所以可用于传递较大的动力。但由于它的结构比较复杂，滚子轴磨损后有噪声，所以只适用于重载或低速的场合。 （3）平底从动件（图4-5c、g）它是用平面代替尖顶的一种从动件。若忽略摩擦，凸轮对从动件的作用力垂直于从动件的平底，接触面之间易于形成油膜，有利于润滑，因而磨损小，效率高，常用于高速凸轮机构，但不能与内凹形轮廓接触。 （4）球面底从动件（图4-5d、h）从动件的端部具有凸出的球形表面，可避免因安装位置偏斜或不对中而造成的表面应力和磨损都增大的缺点，并具有尖顶与平底从动件的优点，因此这种结构形式的从动件在生产中应用也较多。 图4-5从动件的结构型式 3．按从动件的运动形式和相对位置分类 作往复直线运动的称为直动从动件（图4-5a、b、c、d）；作往复摆动的称为摆动从动件
第九章凸轮机构设计 本章学习任务：凸轮机构的基本知识、其从动件的运动规律、凸轮曲线轮廓的设计、凸轮机构基本尺寸的设计。 驱动项目的任务安排：完成项目中的凸轮机构的具体设计。 思考题 9-1简单说明凸轮机构的优缺点及分类情况？ 9-2在直动滚子从动件盘形凸轮机构中，如何度量凸轮的转角和从动件的位移？ 9-3试说明等速运动规律，简谐运动规律和五次多项式运动规律的特点。 9-4简单说明从动件运动规律选择与设计的原则。 9-5简单说明凸轮廓线设计的反转法原理。 9-6什么是凸轮的理论廓线和实际廓线，二者有何联系？ 9-7何谓凸轮机构的压力角？压力角对机构的受力和尺寸有何影响？ 9-8如何选择（或设计）凸轮的基圆半径？ 9-9什么是“运动失真”现象？如何选择（或设计）凸轮的滚子半径，才能避免机构的“运动失真”？ 习题 9-1何谓凸轮机构传动中的刚性冲击和柔性冲击？试补全题图9-1 所示各段的，s -，v -，a - 曲线，并指出哪些地方有刚性冲击，哪些地方有柔性冲击？ s O v O a 题图9-1 2| D| ? 2| D| ? 2| D| ? 9-2何谓凸轮工作廓线的变尖现象和推杆运动的失真现象？它对凸轮机构的工作有何影响？如何加以避免？ 9-3力封闭与几何形状封闭凸轮机构的许用应力角的确定是否一样？为什么？ 9-4有一滚子推杆盘形凸轮机构，在使用中发现推杆滚子的直径偏小，欲用较大的滚子，问是否可行？ 为什么？ 9-5有一对心直动推杆盘形凸轮机构，在使用中发现推程压力稍偏大，拟采用推杆偏置的方法来改善，问是否可行？为什么？
45?? | ? | ? 3 2 | ? O 1 9-6 用作图法求出题图 9-6 所示两凸轮机构从图示位置转过 45 时的压力角。 （a ） （b ） 题图 9-6 题图 9-7 9 -7 如题图 9-7 所示盘形凸轮机构是有利偏置，还是不利偏置。如将该凸轮廓线作为直动滚子推杆的理论 廓线，其滚子半径 r r = 8 mm 。试问该凸轮廓线会产生什么问题？为什么？为了保证推杆实现同样的运动规律，应采取什么措施（图中l = 0.001 m ／mm ）？ 9 -8 在题图 9-8 所示的运动规律线图中各段运动规律未表示完全，请根据给定部分补足其余部分（位移 线图要求准确画出，速度和加速度线图可用示意图表示）。 s 1 2 v 3 4 2 s v 1 2 3 4 2 a a 题图 9-8 题图 9-9 9 - 如题图 9-9 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。 9 -10 在题图 9-10 所示凸轮机构中，已知偏心圆盘为凸轮实际轮廓，如图所示。试求： 1） 基圆半径 R ； 2） 凸轮机构的压力角 ； 3） 凸轮由图示位置转 90°后，推杆移动距离 s 。 2 1 3 4 2 /3 2/3 4/3 5/3 2
第三章 凸轮机构 （一）教学要求 1、了解凸轮机构的类型及各类凸轮机构的特点和应用场合，能根据工作要求和使用场 合选择凸轮机构的类型。 2、掌握从动件几种基本运动规律的特点和适用场合，能根据工作要求选择或设计从动 件的运动规律。 3、掌握凸轮轮廓曲线的设计原理与方法。 4、掌握凸轮机构基本参数对机构工作性能的影响关系及其确定原则，并能根据这些原 则确定凸轮机构有关尺寸参数。 （二）教学的重点与难点 1、常用运动规律的特点，刚性冲击，柔性冲击，S-ф曲线绘制 2、凸轮轮廓曲线的设计原理—反转法，自锁、压力角与基圆半径的概念及确定（三）教学内容 §3-1 凸轮机构的应用和类型 1、凸轮机构的应用 在自动化和半自动化机械中应用广泛。如在内燃机、绕线机、自动送料机构中的应用。提示：结合播放凸轮机构三维动画演示 2、组成与特点 凸轮机构一般由凸轮、从动件和机架三个构件组成。其中凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。 1）优点 只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便 2）缺点 （1） 凸轮与从动件间为点或线接触，易磨损，只宜用于传力不大的场合； （2） 凸轮轮廓精度要求较高，需用数控机床进行加工； （3）从动件的行程不能过大，否则会使凸轮变得笨重。 3、凸轮机构的类型 按凸轮形状分：1）盘形凸轮 2）移动凸轮 3）圆柱凸轮 按从动件型式分：1）尖底从动件； 2）滚子从动件； 3）平底从动件 为使凸轮与从动件始终保持接触，可利用从动件的重力、弹簧力或依靠凸轮上的凹槽。提示：结合播放凸轮机构三维动画演示 §3—2 从动件的常用运动规律 设计凸轮机构时，首先应根据工作要求确定推杆的运动规律，然后根据这一运动规律设
课程名：机械设计基础（第三章）题型作图题 考核点：凸轮机构的运动规律、反转原理确定凸轮的压力角、轮廓、推程角等 1.图中给出了某直动从动件盘形凸轮机构的推杆的推程速度线图。要求定性的画 2.. 图中给出了某直动从动件盘形凸轮机构的推杆的推程速度线图。要求定性的画出其加速度和位移线图。（5分） 解：作图如下：
? ? ? *3 图中给出了某直动从动件盘形凸轮机构的推杆的推程位移线图。要求：（1）定性的画出其加速度和速度线图。 （2）说明此种运动规律的名称及特点、适用场合。（10分）
解：1）作图如下： ? ? ? 2）该从动件速度为常量，故为等速运动规律。由于该运动规律有刚性冲击，所以只适用于低速、轻载的场合。 *4. 图中给出了某直动从动件盘形凸轮机构的推杆的推程速度线图。要求 (1)定性的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、适用场合。（10分） .解：1）作图如下：
? ? ? 2）此为等加速等减速运动规律，该运动规律有柔性冲击，适用于中速轻载场合。 **5图示对心直动从动件盘形凸轮机构中，凸轮为一偏心圆，O为凸轮的几何中心，O1为凸轮的回转中心。直线AC与BD垂直，且O1O＝O1A＝30mm, 试计算： （1）该凸轮机构中B、D两点的压力角； （2）该凸轮机构推杆的行程h。 （3）凸轮机构的基圆半径r。(15分)
解：1）?====565.26)60 30 ()1( arctg OB O O arctg D B αα 2）行程：h=2O1O=2×30=60 mm 3) 基圆半径r=AO1=30 mm **6.图示凸轮机构的回转中心为O 点，C 点为离O 点最远点，AD 为圆心在O 点的圆弧，凸轮顺时针转动。试在：（1）图上画出凸轮的基圆，（2）图上标出推程角 δt 、回程角δh 。（3）在图上标出机构在B 点的压力角。（15分） 解：作图如下： .
4.1如图4.3(a)所示的凸轮机构推杆的速度曲线由五段直线组成。要求：在题图上画出推杆的位移曲线、加速度曲线；判断哪几个位置有冲击存在，是刚性冲击还是柔性冲击；在图示的F 位置，凸轮与推杆之间有无惯性力作用，有无冲击存在? 图4.3 【分析】要正确地根据位移曲线、速度曲线和加速度曲线中的一个画出其余的两个，必须对常见四推杆的运动规律熟悉。至于判断有无冲击以及冲击的类型，关键要看速度和加速度有无突变。若速度突变处加速度无穷大，则有刚性冲击；若加速度的突变为有限值，则为柔性冲击。 解：由图4.3(a)可知，在OA段内(0≤δ≤π/2)，因推杆的速度v=0，故此段为推杆的近休段，推杆的位移及加速度均为零。在AB段内(π/2≤δ≤3π/2)，因v>0，故为推杆的推程段。且在AB段内，因速度线图为上升的斜直线，故推杆先等加速上升，位移曲线为抛物线运动曲线，而加速度曲线为正的水平直线段；在BC段内，因速度曲线为水平直线段，故推杆继续等速上升，位移曲线为上升的斜直线，而加速度曲线为与δ轴重合的线段；在CD段内，因速度线为下降的斜直线，故推杆继续等减速上升，位移曲线为抛物线，而加速度曲线为负的水平线段。在DE段内(3π/2≤δ≤2π)，因v<0，故为推杆的回程段，因速度曲线为水平线段，故推杆做等速下降运动。其位移曲线为下降的斜直线，而加速度曲线为与δ轴重合的线段，且在D和E处其加速度分别为负无穷大和正无穷大。综上所述作出推杆的速度v及加速度a线图如图4.3(b)及(c)所示。 由推杆速度曲线和加速度曲线知，在D及E处，有速度突变，且相应的加速度分别为负无穷大和正无穷大。故凸轮机构在D和E处有刚性冲击。而在A，B，C及D处加速度存在有限突变，故在这几处凸轮机构有柔性冲击。 在F处有正的加速度值，故有惯性力，但既无速度突变，也无加速度突变，因此，F处无冲击存在。 【评注】本例是针对推杆常用的四种运动规律的典型题。解题的关键是对常用运动规律的位移、速度以及加速度线图熟练，特别是要会作常用运动规律的位移、速度以及加速度线图。 4.2对于图4.4(a)所示的凸轮机构，要求： （1）写出该凸轮机构的名称； （2）在图上标出凸轮的合理转向。 （3）画出凸轮的基圆； （4）画出从升程开始到图示位置时推杆的位移s，相对应的凸轮转角?，B点的压力角α。 （5）画出推杆的行程H。
第4章凸轮机 在各种机器中，尤其是自动化机器中，为实现各种复杂的运动要求，常采用凸轮机构，其设计比较简便。只要将凸轮的轮廓曲线按照从动件的运规律设计出来，从动件就能较准确的实现预定的运动规律。本章将着重研究盘状凸轮轮廓曲线绘制的基本方法和凸轮设计中的相关问题。 4—1 凸轮机构的应用与分类 一、凸轮机构的应用 图所示为内燃机配气凸轮机构。当具有一定曲线轮廓的凸轮1以等角速度回 转时，它的轮廓迫使从动作2（阀杆）按内燃机工作循环的要求启闭阀门。 凸轮一般作连续等速转动，从动件可作连续或间歇的往复运动或摆动。凸轮 机构广泛用于自动化和半自动化机械中作为控制机构。但凸轮轮廓与从动件间为 点、线接触而易磨损，所以不宜承受重载或冲击载荷。 二、凸轮机构的分类 凸轮机构的类型很多，通常按凸轮和从动件的形状、运动形式分类。 ⒈按凸轮的形状分类 （1）盘形凸轮 它是凸轮的最基本型式。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。 （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。 （3）圆柱凸轮 将移动凸轮卷成圆柱体即成为圆柱凸轮。 ⒉按从动件形状分类 （1）尖顶从动件 尖顶能与任意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。但因为尖顶磨损快，所以只宜 用于受力不大的低速凸轮机构中。 （2）滚子从动件 所示。在从动件的尖顶处安装一个滚子从动件，可 以克服尖顶从动件易磨损的缺点。滚子从动件耐磨损， 可以承受较大载荷，是最常用的一种从动件型式。 （3）平底从动件 这种从动件与凸轮轮廓表面接触的端面为一平面，所以它不能与凹陷的凸轮轮廓相接触。这种从动件的优点是：当不考虑摩擦是，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，故常用于高速凸轮机构。 ⒊按从动件运动形式 可分为直动从动件（对心直动从动件和偏置直动从动件）和摆动从动件两种。 凸轮机构中，采用重力、弹簧力使从动件端部与凸轮始终相接触的方式称为力锁合；采用特殊几何
图3-3 仿形刀架 第三章 凸轮机构 §3-1 凸轮机构的应用与分类 一、凸轮机构的应用与特点 凸轮机构广泛应用于各种自动机械和自动控制装置中。如图3-1所示的内燃机配气机构，凸轮1是向径变化的盘形构件，当它匀速转动时，导致气阀的推杆2在固定套筒3内上下移动，使推杆2按预期的运动规律开启或关闭气阀（关闭靠弹簧的作用），使燃气准时进入气缸或废气准时排出气缸。如图3-2所示的自动送料机构，构件1是带沟槽的凸轮，当其匀速转动时，迫使嵌在其沟槽内的送料杆2作往复的左右移动，达到送料的目的。如图3-3 图3-1 内燃机配气机构 图3-2 自动送料凸轮机构 所示，构件1是具有曲线轮廓且只能作相对往复直线运动的凸轮，当刀架3水平移动时，凸轮1的轮廓使从动件2带动刀头按相同的轨迹移动，从而切出与凸轮轮廓相同的旋转曲面。 由上可知，凸轮是具有某种曲线轮廓或凹槽的构件，一般作连续匀速转动或移动，通过高副接触使从动件作连续或不连续的预期运动。凸轮机构通常由凸轮、从动件和机架组成。 从动件的运动规律由凸轮的轮廓或沟槽的形状决定。所以只需设计合适的凸轮轮廓曲线，即可得到任意预期的运动规律，且凸轮机构简单紧凑，这就是凸轮机构广泛应用的优点。但是凸轮与从动件之间的接触是高副，易 于磨损，所以常用于传力不大的控制机构。 二、凸轮机构的分类 凸轮的类型很多，常按以下三种方法来分类： 1．按凸轮的形状来分 （1）盘形凸轮（图3-1） 凸轮绕固定轴心转动且向径是变化的，其从动件在垂直于凸轮轴的平面内运动。是最常用的基本形型式。 （2）移动凸轮（图3-3） 凸轮作往复直线移动，它可看作是轴心在无穷远处的盘形凸轮。 （3）圆柱凸轮（图3-2） 凸轮是在圆柱上开曲线凹槽，或在圆柱端面上做出曲线轮廓的构件。
第七章凸轮机构 1、填充题 1）凸轮机构从动件按余弦加速度规律运动时，在运动开始和终止的位置，加速度有突变，会产生柔性冲击。 2）根据从动件凸轮廓线保持接触方法的不同，凸轮机构可分为力封闭和几何形状封闭两大类型。写出两种几何形状封闭的凸轮机构槽道凸轮和等径凸轮。 3）为了使凸轮廓面与从动件底面始终保持接触，可以利用从动件自身的重力，弹簧力，或依靠凸轮上的几何形状来实现。 4）凸轮机构的主要优点为只要适当地设计出凸轮廓线，就可以是从动件可以各种预期的运动规律。主要缺点为从动件与凸轮之间是高副（点接触、线接触），易磨损，所以凸轮机构多用在传力不大的场合。 5)为减小凸轮机构的推程压力角，可将从动杆由对心改为偏置，正确的偏置方向是将从动杆偏在凸轮转动中心的正偏置侧。 6）凸轮机构的从动件按等加速等减速运动规律运动，在运动过程中，加速度将发生突变，从而引起柔性冲击。 7）当凸轮机构的最大压力角超过许用压力角时，可采取以下措施来减小压力角增大基圆半径、改变偏置方向。 8)凸轮基圆半径是从凸轮转动中心到理论廓线的最短距离。 9）平底垂直于导路的直动杆盘形凸轮机构，其压力角等于0 。 10）在凸轮机构推杆的四种常用运动规律中，等速运动运动规律有刚性冲击；等加速等减速、余弦加速度运动规律有柔性冲击；正弦加速度运动规律无冲击。 11）凸轮机构推杆运动规律的选择原则为首先要满足机器的工作要求，同时还应使机器具有良好的动力特性和使所设计的凸轮便于加工。
12）设计滚子推杆盘形凸轮机构凸轮廓线时，若发现工作廓线有变尖现象时，则尺寸参数上应采取的措施是适当增大基圆半径或适当减小滚子半径。 2、选择题及简答 1）滚子从动件盘形凸轮的理论廓线和实际廓线之间的关系为（） a)两条廓线相似b)两条廓线相同 c)两条廓线之间的径向距离相等d)两条廓线之间的法向距离相等 2）何谓凸轮机构的压力角其在凸轮机构的设计中有何重要意义一般是怎样处理的 3）设计直动推杆盘形凸轮机构时，在推杆运动规律不变的条件下，要减小推程压力角，可采用哪两种措施 4）图1中两图均为工作廓线为圆的偏心凸轮机构，试分别指出它们的理论廓线是圆还是非圆，运动规律是否相同。 3、计算题 1）如图2所示为凸轮机构推杆的速度曲线，它有四段直线组成。要求：在题图上画出推杆的位移曲线、加速度曲线；判断哪几个位置有冲击存在，是刚性冲击还是柔性冲击；在图示的F位置，凸轮与推杆之间有无惯性力作用，有无冲击存在。
第6章 凸轮机构及其设计 习题 6-1．在直动从动件盘形凸轮机构中，已知推程时凸轮的转角0/2?π=，行程50h mm =。求当凸轮转速110/rad s ω=时，等速、等加速等减速、余弦加速度 和正弦加速度四种常用的基本运动规律的最大速度max v 、最大 加速度max a 以及所对应的凸轮转角0?。 6-2． 在图6-1所示的从动件位移线图中，AB 段为摆线运 动，BC 段为简谐运动。若要在两段曲线交界处B 点从动件的速 度和加速度分别相等，试根据图中所给数据确定2?角大小。 6-3．设计一偏置直动从动件盘形凸轮机构。凸轮回转方向 及从动件初始位置如图6-2所示。已知偏距e =20mm ，基圆半径r 0=40mm ，滚子半径r T =10mm 。从动件运动规律如下：?=150?，?s =30?，?'=120?，?s '=60?，从动件在推程以简谐运动规律上升，行程h =20mm ；回程以等加速等减速规律返回原处。要求推程许用压力角[]30α= ，回程许用压力角[]70α'= ，凸轮实际廓线最小许用曲率半径[]3mm ρ'=。试绘出从动件位移线图并用解析法设计凸轮轮廓曲线。 6-4．已知一偏置移动滚子从动件盘形凸轮机构的初始位置，如图6-3所示。 试求: （1)当凸轮从图示位置转过150 时，滚子与凸轮廓线的接触点1D 及从动件相应的位移。 (2)当滚子中心位于2B 点时，凸轮机构的压力角2α。 图6-2 图6-3 图6-4 图 6-1
6-5．如图6-4所示的直动平底从动件盘形凸轮机构，已知凸轮为30r mm =的偏心圆盘，20AO mm =，试求： （1）基圆半径和升程； （2）推程运动角、回程运动角、远休止角和近休止角； （3）凸轮机构的最大压力角和最小压力角； （4）从动件推杆的位移s 、速度v 和加速度a 的方程式； （5）若凸轮以110/rad s ω=匀速回转，当AO 成水平位置时推杆的速度。 思考讨论题 6-6．图示6-5为一偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构，凸轮以等角速度ω1逆时针方向转动，设从动件位于最低位置时为机构的起始位置。试在图上： （1）画出该凸轮机构的理轮廓线； （2）当滚子中心位于B 点时，标出该位置时凸轮机构压力角α、、从动件的位移s 、相对于机构起始位置的凸轮转角?，并求出该位置时从动件的速度2v ； （3）当滚子与凸轮廓线在C 点接触时，标出该位置时凸轮机构的压力角α。 图6-5 图6-6 6-7．在图6-6所示的凸轮机构中，凸轮为偏心轮，转向如图所示。已知 参数为30R mm =， 10OA L mm =，10e mm =，10T r mm =，E 、F 为凸轮与滚子的两个接触点。试在图上标出： （1）从E 点接触到F 点接触凸轮所转过的角度?；
第七章间歇运动机构 思考题 1. 常用的间歇运动机构有哪几种？各有什么特点？ 2. 说明齿式棘轮机构和摩擦式棘轮机构（超越离合器）二者间有什么共同之处？它们 能正常工作的条件各是什么？ 3. 用授课教师在课上介绍的作图法设计棘轮的棘齿时，齿间角为多大？这在实际加工 中有什么意义？ 4. 试设计一个在工作过程中能调节棘轮每次转过的齿数，并能使棘轮起动时减小冲击 的机构。 5. 外啮合槽轮机构常用的槽数Z = 4~8，为何多于9槽的比较少见？试根据槽数与动停 比的关系，从生产率方面来说明。 6. 画出外啮合槽轮机构的特性曲线，并据此说明外啮合槽轮机构的运动和动力特性。 7. 改善外啮合槽轮机构动力特性的方法有哪几种？它们各有什么局限性？ 8. 分度凸轮机构有哪些突出的特点？它们的基本形式有哪些？ 9. 与一般的圆柱凸轮相比，分度凸轮的轮廓曲线在外观上有何不同？ 10. 分度凸轮机构中，凸轮的轮廓曲线为什么要进行修正？如何修正？ 11. 在间歇运动机构中为什么有时需附加定位机构？ 12. 定位机构有哪几种？其性能如何？ 练习题 1. 牛头刨床工作台的横向进给螺杆的导程为5mm，与螺杆联动的棘轮齿数为40，问棘 轮的最小转动角度和该刨床的最小横向进给量是多少？ 2. 棘轮齿形的一种画法如图所示： （1）以O1为圆心，分别以r a = D/2 = mz/2和 r f = r a–h = mz/2 – 0.75m作顶圆和根圆； （2）按棘轮齿数z，将顶圆周等分成z份，每 份即周节t； （3）以O1为圆心，取r0 = r a /3为半径作一基 圆，再分别过各等分点，如过图中的K 点作基圆的切线，此切线与根圆交于G 点，KG即为棘齿的工作面。设棘爪安装 位置满足∠O1KO2= 90°,并知棘爪工 作部分与棘齿齿面的摩擦系数f = 0.2，
第4章凸轮机构 凸轮机构是机械中一种常用的高副机构，在自动化和半自动化机械中得到了广泛的应用。 凸轮机构的优点是：只需设计出适当的凸轮轮廓，就可使从动件实现各种预期的运动规律，结构简单、紧凑、设计方便。其缺点是：凸轮与从动件为点接触或线接触，压强大，易于磨损，难加工，成本高。所以通常多用于传力不大的控制机构。 §4.1 凸轮机构的应用和类型 图4.1所示为内燃机配气凸轮机构。原动凸轮1以等角速度连续回转，通过凸轮高副驱动从动件2（阀杆）按预期的运动规律启闭阀门。 图4.1 内燃机配气机构图4.2 绕线机构图4.2所示为绕线机中用于排线的凸轮机构。绕线轴3连续快速转动，经过齿轮带动凸轮1缓慢转动，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，从而使线均匀的缠绕在绕线轴上。 图4.3所示为冲床装卸料中的凸轮机构。原动凸轮1固定于冲头上，当其随冲头往复上下移动时，通过凸轮高副驱动从动件2以一定规律往复水平移动，从而使机械手按预期的运动规律装卸工件。 图4.4所示为自动送料的凸轮机构。当带有凹槽的原动凸轮1等速转动时，通过嵌在槽中的滚子驱动从动件2作往复移动。凸轮1每回转一周，从动件2即从储料器中推出一个毛坯，送到加工或待包装位置。
从以上所举各列可以看出：凸轮机构主要由凸轮、从动件和机架3个构件组成。根据凸轮和从动件的不同形状，凸轮机构可按如下分类。 图4.3 冲床装卸料机构图4.4 送料机构 1．按凸轮形状分 （1）盘状凸轮这种凸轮是一个绕固定轴线转动且具有变化向径的盘形构件，它是凸轮的最基本形式，如图4.1和4.2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，这种凸轮叫移动凸轮，如图3.3所示。 （3）圆柱凸轮将移动凸轮卷在圆柱体上即形成圆柱凸轮，如图4.4所示。 2．按从动件形状分 （1）尖底从动件如图4.2所示，尖底能与任何复杂的凸轮轮廓保持接触，因此能实现任意的运动规律。但尖底容易磨损，故常用于受力不大、低速的情况，如仪表机构等。 （2）滚子从动件如图4.3和4.4所示，其结构比尖底从动件复杂，但因滚子与凸轮轮廓的摩擦为滚动摩擦，故磨损较小，可用于传递较大的动力，因而应用较广。 （3）平底从动件如图4.1所示，其与凸轮轮廓接触为一平面，不能与内凹的凸轮轮廓接触，故不能实现任意的运动规律。这种从动件的优点是：不计摩擦时，受力平稳，效率高，润滑好，故常用于高速传动。 以上3种从动件都可以相对机架作往复直线运动或摆动。为使从动件和凸轮轮廓始终保持接触（即锁合），可利用重力、弹簧力（图4.1和图4.2）或依靠凸轮上的凹槽（图