第3章 凸轮机构及其设计
3.1 基本要求
1. 了解凸轮机构的类型及其特点。
2. 掌握从动件的几种常用运动规律及特点。掌握从动件行程、从动件推程、推程运动角、从动件回程、回程运动角、从动件远（近） 休
程及远（近）休止角及凸轮的基圆、偏距等基本概念。
3. 熟练掌握并灵活运用反转法原理，应用这一原理设计直动从动件盘形凸轮机构、摆动从动件盘形凸轮机构及平底直动从动件盘形凸轮机构。
4. 掌握凸轮机构基本尺寸的确定原则，根据这些原则确定凸轮机构的的压力角及其许用值、基圆半径、偏距、滚子半径等基本尺寸。
5. 掌握凸轮机构设计的基本步骤，学会用计算机对凸轮机构进行辅助设计的方法。
3.2 内容提要
一、本章重点
本章重点是从动件运动规律的选择及其特点，按预定从动件运动规律设计平面凸轮轮廓曲线和凸轮机构基本尺寸的确定。涉及到根据使用场合和工作要求选择凸轮机构的型式、选择或设计从动件的运动规律、合理选择或确定凸轮的基圆半径、正确设计出凸轮廓线、对设计出来的凸轮机构进行分析以校核其是否满足设计要求。
1 凸轮机构的类型选择
选择凸轮机构的类型是凸轮机构设计的第一步，称为凸轮机构的型综合。凸轮的形状有平面凸轮（盘形凸轮、移动凸轮）和空间凸轮，从动件的形状有尖顶从动件、滚子从动件、平底从动件，而从动件的运动形式有移动和摆动之分，凸轮与从动件维持高副接触的方法又有分为力锁合、形锁合。故凸轮机构的类型多种多样，设计凸轮机构时，可根据使用场合和工作要求的不同加以选择。
（1）各类凸轮机构的特点及适用场合
尖顶从动件凸轮机构：优点是结构最简单，缺点是尖顶处极易磨损，故只适用于作用力不大和速度较低的场合。
滚子从动件凸轮机构：优点是滚子与凸轮廓线间为滚动摩擦，摩擦较小，可用来传递较大的动力，故应用广泛。
平底从动件凸轮机构：优点是平底与凸轮廓线接触处极易形成油膜、能减少磨损，且不计摩擦时，凸轮对从动件的作用力始终垂直于平底，受力平稳、传动效率较高，故适用于高速场合。故缺点是仅能与轮廓曲线全部外凸的凸轮作用。
4.1 图示为从动件在推程时的部分运动线图，其远、近休止角均不等于零。试根据s、v和a之间的关系定性地补全该运动线图，并指出何处存在刚性冲击，何处存在柔性冲击。
题4.1图 题4.2图
4.2 设计一偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构，凸轮转向及从动件初始位置如图所示。已知偏距mme10，基圆半径mmr400，滚子半径mmrT10。从动件运动规律如下：150，60,120,30ss，从动件推程以简谐运动规律上升，行程mmh20；回程以等加速等减速运动规律返回原处。试绘制从动件位移线图及凸轮轮廓曲线。
4.3 设计一尖底摆动从动件盘形凸轮机构，凸轮转向及从动件初始位置如图所示。已知mmlOA75，mmrmmlAB30,580。从动件运动规律如下：120,0,180s，60s，从动件推程以简谐运动规律顺时针摆动，最大摆角15max；回程以等加速等减速运动规律返回原处。试绘制从动件位移线图及凸轮轮廓曲线。
题4.3图
4.4 设计一平底摆动从动件盘形凸轮机构，凸轮转向及从动件初始位置如图所示。已知mmlOA75，mmr300，从动件运动规律如下：0,180,0,180ss；从动件推程以简谐运动规律顺时针摆动，15max；回程以等加速等减速运动规律返回原处。试设计凸轮轮廓曲线并确定从动件的长度。
题4.4图
4.5 画出图示凸轮机构中凸轮的基圆，并在图上标出凸轮由图示位置转过45角时凸轮轮廓上的接触点位置及凸轮机构的压力角。
《凸轮机构及其设计》作业习题 1.思考题 3-1 什么是刚性冲击、柔性冲击？常见的运动规律哪些出现刚性冲击？哪些出现柔性冲击？ 3-2 什么是凸轮的理论轮廓曲线？尖顶从动件、滚子从动件和平底从动件凸轮机构的实际轮廓曲线和理论轮廓曲线有何区别？ 3-3 何谓凸轮机构的压力角？滚子从动件凸轮机构的压力角如何度量？压力角变化对凸轮机构有何影响？ 3-4 何谓正偏置？何谓负偏置？若凸轮以顺时针转动，采用偏置直动从动件时，从动件的导路线应偏向凸轮回转中心的哪一侧较合理？为什么？ 3-5 为什么不能为了机构紧凑，而任意减小盘形凸轮的基圆半径？ 3-6 设计滚子从动件盘形凸轮机构时，如实际轮廓上出现尖点，将可能出现什么后果？面对这一实际结果，设计上应如何加以处理？ 2.填空题 3-7 在凸轮机构的几种基本的从动件运动规律中， 运动规律使凸轮机构产生刚性冲击， 运动规律产生柔性冲击， 运动规律则没有冲击。 3-8 以凸轮的理论轮廓曲线的最小半径所做的圆称为凸轮的_______。 3-9 平底对心直动从动件盘形凸轮机构中，其压力角等于 。 3-10 凸轮机构主要是由_______、_______和固定机架三个基本构件所组成。 3-11 凸轮理论轮廓曲线上的某点的法线方向(即从动杆的受力方向）与从动杆速度方向之间的夹角称为凸轮在该点的_______。 3-12 从动件与凸轮轮廓的接触形式有_______、_______和平底三种。 3-13 凸轮机构从动件等速运动的位移为一条_______线，从动件等加速等减速运动的位移曲线为一条_______线。 3-14 凸轮与从动件接触处的运动副属于_______。 3-15 按凸轮与从动件维持高副接触的方式分类,凸轮机构可有_______锁合和_______锁合两种。 3-16 凸轮机构的等加速等减速运动，是从动件_______先作等加速上升，然后再_______作等减速下降完成的。 第3章 凸轮机构及其设计
03凸轮机构的设计计算
凸轮机构是一种用于驱动轴、执行轴、连杆和滑块等机械元件的传动装置，广泛应用于各种机械设备和工业领域中。它的设计计算涉及到凸轮的形状、尺寸和运动规律等方面，下面将详细介绍凸轮机构的设计计算。
第一步：确定凸轮的类型和运动规律
凸轮的类型有很多种，包括圆柱形凸轮、球形凸轮、心形凸轮等。不同类型的凸轮适用于不同的机械运动规律。在确定凸轮类型之后，需要确定凸轮的运动规律，例如旋转、摆动、直线运动等。根据需要确定凸轮的运动规律可以为后续计算提供基础。
第二步：计算凸轮的基本参数
计算凸轮的基本参数包括凸轮的直径、偏距、厚度等。凸轮的直径决定了凸轮的外形尺寸；凸轮的偏距决定了凸轮所产生的运动；凸轮的厚度决定了凸轮的刚度和强度。
第三步：绘制凸轮的曲线
在计算凸轮的曲线时，可以采用手工绘制或计算机辅助设计（CAD）绘制。在绘制凸轮的曲线时，需要根据凸轮的运动规律和基本参数，按照一定比例绘制凸轮的曲线。
第四步：计算凸轮机构的运动参数
凸轮机构的运动参数包括凸轮的角速度、轴向加速度、径向加速度、凸轮与随动件之间的相对速度等。这些参数可以通过对凸轮轮廓曲线进行微分和积分计算得到。
第五步：计算凸轮机构的受力和刚度 凸轮机构的受力和刚度是设计计算的重要内容。在计算凸轮机构的受力和刚度时，需要考虑凸轮与随动件之间的力、力矩和弯曲等因素，并根据材料的强度和刚度计算凸轮的设计要求。
第六步：优化凸轮机构的设计
在完成凸轮机构的设计计算后，可以进行适当的优化设计。优化设计可以根据实际需要调整凸轮的形状、尺寸和运动规律等，以实现更好的运动效果和工作性能。
总结起来，凸轮机构的设计计算包括确定凸轮的类型和运动规律、计算凸轮的基本参数、绘制凸轮的曲线、计算凸轮机构的运动参数、计算凸轮机构的受力和刚度，以及优化凸轮机构的设计等多个步骤。这些计算需要依靠数学和力学等相关知识，并结合实际工作需求进行。设计人员应根据实际情况和要求进行适当调整和改进，以满足不同工程和应用领域的需求。
