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第九章凸轮机构及其设计第一节凸轮机构的应用、特点及分类1.凸轮机构的应用在各种机械，特别是自动机械和自动控制装置中，广泛地应用着各种形式的凸轮机构。
例1内燃机的配气机构当凸轮回转时，其轮廓将迫使推杆作往复摆动，从而使气阀开启或关闭(关闭是借弹簧的作用)，以控制可燃物质在适当的时间进入气缸或排出废气。
至于气阀开启和关闭时间的长短及其速度和加速度的变化规律，则取决于凸轮轮廓曲线的形状。
例2自动机床的进刀机构当具有凹槽的圆柱凸轮回转时，其凹槽的侧面通过嵌于凹槽中的滚子迫使推杆绕其轴作往复摆动，从而控制刀架的进刀和退刀运动。
至于进刀和退刀的运动规律如何，则决定于凹槽曲线的形状。
2.凸轮机构及其特点(1)凸轮机构的组成凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。
凸轮通常作等速转动，但也有作往复摆动或移动的。
推杆是被凸轮直接推动的构件。
因为在凸轮机构中推杆多是从动件，故又常称其为从动件。
凸轮机构就是由凸轮、推杆和机架三个主要构件所组成的高副机构。
(2)凸轮机构的特点1）优点：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且机构简单紧凑。
2）缺点：凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损，所以凸轮机构多用在传力不大的场合。
3.凸轮机构的分类凸轮机构的类型很多，常就凸轮和推杆的形状及其运动形式的不同来分类。
（1）按凸轮的形状分1）盘形凸轮（移动凸轮）2）圆柱凸轮盘形凸轮是一个具有变化向径的盘形构件绕固定轴线回转。
移动凸轮可看作是转轴在无穷远处的盘形凸轮的一部分，它作往复直线移动。
圆柱凸轮是一个在圆柱面上开有曲线凹槽，或是在圆柱端面上作出曲线轮廓的构件，它可看作是将移动凸轮卷于圆柱体上形成的。
盘形凸轮机构和移动凸轮机构为平面凸轮机构，而圆柱凸轮机构是一种空间凸轮机构。
盘形凸轮机构的结构比较简单，应用也最广泛，但其推杆的行程不能太大，否则将使凸轮的尺寸过大。
（2）按推杆的形状分1）尖顶推杆。
这种推杆的构造最简单，但易磨损，所以只适用于作用力不大和速度较低的场合（如用于仪表等机构中）。
第2章 机构的结构分析(P29)2-12：图a 所示为一小型压力机。
图上，齿轮1与偏心轮1’为同一构件，绕固定轴心O 连续转动。
在齿轮5上开有凸轮轮凹槽，摆杆4上的滚子6嵌在凹槽中，从而使摆杆4绕C 轴上下摆动。
同时，又通过偏心轮1’、连杆2、滑杆3使C 轴上下移动。
最后通过在摆杆4的叉槽中的滑块7和铰链G 使冲头8实现冲压运动。
试绘制其机构运动简图，并计算自由度。
解：分析机构的组成：此机构由偏心轮1’（与齿轮1固结）、连杆2、滑杆3、摆杆4、齿轮5、滚子6、滑块7、冲头8和机架9组成。
偏心轮1’与机架9、连杆2与滑杆3、滑杆3与摆杆4、摆杆4与滚子6、齿轮5与机架9、滑块7与冲头8均组成转动副，滑杆3与机架9、摆杆4与滑块7、冲头8与机架9均组成移动副，齿轮1与齿轮5、凸轮(槽)5与滚子6组成高副。
故解法一：7=n 9=l p 2=h p12927323=-⨯-⨯=--=h l p p n F解法二：8=n 10=l p 2=h p 局部自由度1='F11210283)2(3=--⨯-⨯='-'-+-=F p p p n F h l(P30) 2-17：试计算如图所示各机构的自由度。
图a 、d 为齿轮-连杆组合机构；图b 为凸轮-连杆组合机构（图中在D 处为铰接在一起的两个滑块）；图c 为一精压机机构。
并问在图d 所示机构中，齿轮3与5和齿条7与齿轮5的啮合高副所提供的约束数目是否相同？为什么？解： a) 4=n 5=l p 1=h p11524323=-⨯-⨯=--=h l p p n Fb) 5=n 6=l p 2=h p12625323=-⨯-⨯=--=h l p p n F12625323=-⨯-⨯=--=h l p p n Fc) 5=n 7=l p 0=h p10725323=-⨯-⨯=--=h l p p n Fd) 6=n 7=l p 3=h p13726323=-⨯-⨯=--=h l p p n F(C 可看做是转块和导块,有1个移动副和1个转动副)齿轮3与齿轮5的啮合为高副（因两齿轮中心距己被约束，故应为单侧接触）将提供1个约束。
1．图示凸轮机构从动件推程运动线图是由哪两种常用的基本运动规律组合而成？并指出有无冲击。
如果有冲击，哪些位置上有何种冲击？从动件运动形式为停-升-停。
(1) 由等速运动规律和等加速等减速运动规律组合而成。
(2) 有冲击。
(3) ABCD 处有柔性冲击。
2. 有一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构，为改善从动件尖端的磨损情况，将其尖端改为滚子，仍使用原来的凸轮，这时该凸轮机构中从动件的运动规律有无变化？简述理 由。
(1) 运动规律发生了变化。
(见下图 )(2)采用尖顶从动件时，图示位置从动件的速度v O P 2111=ω，采用滚子从动件时，图示位置的速度'='v O P 2111ω，由于O P O P v v 111122≠'≠',；故其运动规律发生改变。
3. 在图示的凸轮机构中，画出凸轮从图示位置转过60︒时从动件的位置及从动件的位移s。
总分5分。
(1)3 分；(2)2 分(1) 找出转过60︒的位置。
(2) 标出位移s。
4. 画出图示凸轮机构从动件升到最高时的位置，标出从动件行程h，说明推程运动角和回程运动角的大小。
总分5分。
(1)2 分；(2)1 分；(3)1 分；(4)1 分(1) 从动件升到最高点位置如图示。
(2) 行程h如图示。
(3)Φ＝δ0－θ(4)Φ'＝δ'＋θ120时是渐开线，5.图示直动尖顶从动件盘形凸轮机构，凸轮等角速转动，凸轮轮廓在推程运动角Φ=︒从动件行程h=30 mm，要求：（1）画出推程时从动件的位移线图s-ϕ；（2）分析推程时有无冲击，发生在何处？是哪种冲击？-总分10分。
(1)6 分；(2)4 分(1)因推程时凸轮轮廓是渐开线，其从动件速度为常数v=r0⋅ω，其位移为直线，如图示。
(2) 推程时，在A 、B 处发生刚性冲击。
6. 在图示凸轮机构中，已知：AO BO ==20mm ，∠AOB ＝60ο；CO =DO =40mm ,∠=COD 60ο；且A B (、CD (为圆弧；滚子半径r r =10mm ，从动件的推程和回程运动规律均为等速运动规律。
第九章 凸轮机构一．学习指导与提示凸轮机构由凸轮、从动件和机架组成，是点或线接触的高副机构。
它主要用于对从动件运动规律有特定要求的场合。
读者应了解它和面接触的低副连杆机构的区别，比较他们的优缺点和适用场合。
按凸轮的形状和运动形式来分，有盘形回转凸轮、平板移动凸轮和圆柱回转凸轮；按从动件形状不同有尖顶从动件、滚子从动件和平底从动件；按从动件运动形式不同有直动从动件和摆动从动件；而直动从动件又可以根据其导路轴线是否通过凸轮轴线，分为对心直动从动件和偏直直动从动件。
建议读者熟练掌握偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构的原理，用反转作图法进行运动分析和廓线设计，启迪理解其它类型的凸轮机构。
1．从动件的常用运动规律及其选择（1）对直动从动件而言，从动件的运动规律是指当凸轮以等角速度1ω转动时，从动件的位移2s 、速度2v 和加速度2a 随时间t 或凸轮转角1δ变化的规律，可用各自的表达式或线图表示。
用反转作图法进行从动件运动分析或凸轮廓线设计时，常以12δ-s 线图表示从动件的运动规律，而12δ-s 线图的一阶、二阶微分线图便是12δ-v 线图和12δ-a 线图。
（2）从动件常见的运动规律有等速运动、等加速等减速运动和简谐运动。
读者应掌握其位移、速度、加速度线图的变化、绘制方法、特点及其适用的场合。
（3）根据运动线图中速度线图和加速度线图的特征可判断机构是否存在刚性冲击和柔性冲击：凡在速度线图的尖点处，加速度线图阶跃变化（加速度值突然改变），必产生柔性冲击；凡加速度线图阶跃变化，加速度值趋向无穷大，必产生刚性冲击。
（4）选择从动件运动规律时需考虑的问题很多，核心是应满足凸轮在机械中执行工作的要求，要分清工作行程和回程，要考虑从动件只需实现一定的位移还是有特殊的运动规律；还应该考虑使凸轮有良好的动力特性以及使得所设计的凸轮便于制造等。
2．凸轮机构的运动分析及廓线设计（1）凸轮机构的运动分析是指按给定的凸轮廓线和机构配置求从动件的运动规律（即求12δ-s 线图），而廓线设计是指按给定的从动件运动规律（即给定12δ-s 线图）和机构配置求凸轮廓线。
第九章凸轮机构及其设计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. 滚子推杆盘形凸轮的基圆半径是从_________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. 在尖底直动从动件盘形凸轮机构中，若压力角______，可用加大基圆半径的办法解决。
5. 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。
6. 凸轮的理论轮廓的最小曲率半径应当___________从动件的滚子半径。
7. 滚子从动件的滚子中心轨迹,在反转法作图时是凸轮的_________轮廓。
8. 滚子从动件盘形凸轮机构中，凸轮实际轮廓是_________轮廓的_________曲线。
9. 从受力的观点来看,直动盘形凸轮机构应采用_________从动件。
10. 在凸轮机构中,从动件按_______运动规律运动时有刚性冲击,按运动规律运动时无冲击。
11. 平底从动件盘形凸轮机构中,平底的宽度应为________________。
12. 设计凸轮轮廓曲线的方法有________法和_________法。
13. 当凸轮机构的压力角过大时,机构易出现_________现象。
14. 在用解析法求解凸轮轮廓时,除了用直角坐标系外,还可用_______坐标系。
15. 当设计滚子从动件盘形凸轮机构时，基圆半径取值过小，则可能产生和现象。
16. 当设计滚子从动件盘形凸轮机构时，基圆半径取值过小，则可能产生和现象。
17. 滚子从动件盘形凸轮机构，若滚子半径为r r，为使凸轮实际廓线不变尖，则理论廓线的最小曲率半径ρmin应满足的条件是：。
18. 凸轮机构的从动件作余弦加速度运动时，产生的冲击性质属于冲击。
19. 在直动对心滚子从动件盘形凸轮机构设计中，若基圆半径取得过小，有可能产生和问题。
1．图示凸轮机构从动件推程运动线图是由哪两种常用的基本运动规律组合而成？并指出有无冲击。
如果有冲击，哪些位置上有何种冲击？从动件运动形式为停-升-停。
(1) 由等速运动规律和等加速等减速运动规律组合而成。
(2) 有冲击。
(3) ABCD 处有柔性冲击。
2. 有一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构，为改善从动件尖端的磨损情况，将其尖端改为滚子，仍使用原来的凸轮，这时该凸轮机构中从动件的运动规律有无变化？简述理 由。
(1) 运动规律发生了变化。
(见下图 )(2)采用尖顶从动件时，图示位置从动件的速度v O P 2111=ω，采用滚子从动件时，图示位置的速度'='v O P 2111ω，由于O P O P v v 111122≠'≠',；故其运动规律发生改变。
3. 在图示的凸轮机构中，画出凸轮从图示位置转过60︒时从动件的位置及从动件的位移s。
总分5分。
(1)3 分；(2)2 分(1) 找出转过60︒的位置。
(2) 标出位移s。
4. 画出图示凸轮机构从动件升到最高时的位置，标出从动件行程h ，说明推程运动角和回程运动角的大小。
总分5分。
(1)2 分；(2)1 分；(3)1 分；(4)1 分 (1) 从动件升到最高点位置如图示。
(2) 行程h 如图示。
(3)Φ＝δ0－θ (4)Φ'＝δ'0＋θ5.图示直动尖顶从动件盘形凸轮机构，凸轮等角速转动，凸轮轮廓在推程运动角Φ=︒从动件行程h=30 mm，要求：（1）画出推程时从动件的位移线图s-ϕ；（2）分析推程时有无冲击，发生在何处？是哪种冲击？-总分10分。
(1)6 分；(2)4 分(1)因推程时凸轮轮廓是渐开线，其从动件速度为常数v=r0⋅ω，其位移为直线，如图示。
(2) 推程时，在A 、B 处发生刚性冲击。
6. 在图示凸轮机构中，已知：AO BO ==20mm ，∠AOB ＝60；CO =DO =40mm ,∠=COD 60 ；且A B (、CD (为圆弧；滚子半径r r =10mm ，从动件的推程和回程运动规律均为等速运动规律。
（1）求凸轮的基圆半径； （2）画出从动件的位移线图。
总分10分。
(1)2分；(2)8分 (1) r 0=AO +r r =20+10=30 mm (2) s -ϕ线图如图示。
7.图示为一偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构，凸轮为偏心圆盘。
在图中试：（1）确定基圆半径，并画出基圆；（2）画出凸轮的理论轮廓曲线；（3）画出从动件的行程h；8. 设计一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。
已知凸轮顺时针方向转动，基圆半径r 0=25mm ，从动件行程h=25mm 。
其运动规律如下：凸轮转角为0~120时，从动件等速上升到最高点；凸轮转角为120~180时，从动件在最高位停止不动；凸轮转角为180~300时，从动件等速下降到最低点；凸轮转角为300~360时，从动件在最低位停止不动。
(1) s ϕ 线图如图示 （s μ=mmm1）。
(2) 凸轮廓线如图示。
9. 试画出图示凸轮机构中凸轮1的理论廓线，并标出凸轮基圆半径(1) 理论廓线如图所示（由三段圆弧和一段直线所组成）。
(2) 基圆半径r0如图示。
(3) 行程h如图示。
＝25mm，滚子半径r r=5mm，偏距e=10mm，凸轮以等角速度ω逆时针方向转动。
设计时可取凸轮转角ϕ＝0 ，30 ，60 ，90 ，120 ，μl=0.001m/mm。
总分5分。
(1)1 分；(2)2 分；(3)1 分；(4)1 分(1) 画基圆；(2) 找出一系列反转位置；(3) 找出理论廓线上诸点；(4) 画实际廓线。
11.图示凸轮机构，偏距e=10mm，基圆半径r0=20mm，凸轮以等角速ω逆时针转动，从动件按等加速等减速运动规律运动，图中B点是在加速运动段终了时从动件滚子中心所处的位置，已知推程运动角Φ=︒90，试画出凸轮推程时的理论廓线（除从动件在最低、最高和图示位置这三个点之外，可不必精确作图），并在图上标出从动件的行程h。
总分5分。
(1)1.5 分；(2)2.5 分；(3)1 分(1) 等加速运动段终了时，从动件上升行程h的一半，凸轮则转过推程运动角的一半（即45︒）。
（2）B0"B=h2。
用反转法求出B0、B1点，过B0，B、B1 三点即可作出凸轮推程段的理论廓线。
（3）从动件的行程h见图中所示。
12．用作图法作出一摆动平底从动件盘形凸轮机构的凸轮实际廓线，有关机构尺寸及从动件运动线图如图所示，μl=0.001m/mm。
（只需画出凸轮转角180︒范围内的廓线，不必写步骤，但需保留作图辅助线条。
）(o)(o)(总分10分。
(1)3 分；(2)7 分()(()()13. 在图示摆动滚子从动件盘形凸轮机构中，已知凸轮基圆半径r 0=25 mm ，机架长L O O 1270=mm ，摆杆长65 mm ，滚子半径 r r =5 mm 。
凸轮逆时针方向转动，在0︒~90︒范围内，从动件沿顺时针方向匀速转过30︒。
试绘出与此运动阶段对应的一段凸轮轮廓曲线。
总分10分。
(1)3 分；(2)4 分；(3)3分(1)ψ-ϕ线图如图示。
(2) 理论廓线如图示。
(3) 实际廓线如图示。
14. 试分别标出三种凸轮机构在图示位置的压力角（凸轮转向如箭头所示）15. 图示摆动从动件盘形凸轮机构中，已知机构尺寸和凸轮转向。
当凸轮转过90 时，从动件摆动多大角度？并标出该位置凸轮机构的压力角。
①找出凸轮转过90 的位置。
②标出ψ，ψ＝10 ③标出α，α=︒016.在图示直动平底从动件盘形凸轮机构中，请指出：（1 ）图示位置时凸轮机构的压力角α。
（2 ）图示位置从动件的位移。
（3 ）图示位置时凸轮的转角。
（4 ）图示位置时从动件与凸轮的瞬心。
总分5分。
(1)1分；(2)2分；(3)1分；(4)1分(1) 0(2) B1B3(3) δ(4) P0φ17. 在直动从动件盘形凸轮机构中，若凸轮作顺时针方向转动，从动件向上移动为工作行程，则凸轮的轴心应相对从动件导路向左偏置还是向右偏置为好？为什么？若偏置得太多会有什么问题产生？总分5分。
(1)2 分；(2)2 分；(3)1 分(1) 向右偏置好。
(2) 向右偏置，可使工作行程中的压力角减小。
(3)偏置过多，会使行程始末点附近的压力角增大过多。
若偏距超出基圆半径，会导致从动件与凸轮脱离接触。
18.画出图示凸轮机构的基圆半径r0及机构在该位置的压力角α。
总分5分。
(1)3 分；(2)2 分(1) 画出基圆。
(2) 标出压力角α。
19. 在图示凸轮机构中，画出凸轮从图示位置转过90︒时凸轮机构的压力角α。
总分5分。
(1)3 分；(2)2 分(1) 画出转过90︒的位置。
(2) 标出压力角α。
20. 图示摆动从动件盘形凸轮机构中，已知机构尺寸和凸轮转向。
当凸轮转过90︒时，从动件摆动多大角度？并标出该位置凸轮机构的压力角。
总分5分。
(1)2 分；(2)2 分；(3)1 分(1) 找出凸轮转过90 的位置。
(2) 标出ψ，ψ＝10(3) 标出α，α=︒021. 图示为两种不同从动件型式的偏心轮机构，若它们有完全相同的工作廓线，试指出这两种机构的从动件运动规律是否相同，并在图中画出它们在图示位置的机构压力角。
总分5分。
(1)3 分；(2)2 分(1) 这两种凸轮机构的运动规律不相同。
(2) 压力角如图所示。
22. 用作图法求出图示两凸轮机构从图示位置转过45 时的压力角。
总分5分。
(1)2 分；(2)3 分(1) 图 a)压力角。
(2) 图 b)压力角。
23. 摆动滚子从动件盘形凸轮机构如图所示。
在图上标出图示位置的从动件压力角和摆杆的初始位置与机架AD的夹角ψ0。
2总分5分。
(1)2 分；(2)3 分(1) 压力角如图示。
(2)ψ0如图示。
224. 在图示凸轮机构中标出凸轮转过90︒时凸轮机构的压力角α。
总分5分。
(1)2 分；(2)3 分(1) 画出凸轮转过90︒的位置；(2) 标出该位置压力角α如图示。
25．图示为一偏心圆盘凸轮机构，凸轮的回转方向如图所示。
要求：（1）说明该机构的详细名称；（2）在图上画出凸轮的基圆，并标明图示位置的凸轮机构压力角和从动件2的位移；（3）在图上标出从动件的行程h及该机构的最小压力角的位置。
总分10分。
(1)2 分；(2)4 分；(3)4 分(1) 偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构。
(2) r0，α，s如图所示。
(3) h及αmin发生位置如图示。
