機械設計與分析基礎- 課件 第五章 常用機構 第二、三節(jié) 凸輪機構、螺旋機構

第四章常用機構第一節(jié)平面連桿機構第二節(jié)凸輪機構第三節(jié)螺旋機構第四節(jié)間歇運動機構第二節(jié)凸輪機構一、凸輪機構應用及分類二、從動件的常用運動規(guī)律四、基本尺寸的確定三、凸輪輪廓的圖解法五、凸輪機構的材料與結構一、凸輪機構應用及分類

凸輪——具有曲線輪廓或溝槽的構件，在其運動時，用輪廓或溝槽驅動從動件運動。凸輪機構主要由凸輪、從動件及機架三個基本構件組成，是一種含高副的常用機構。工程實例：內燃機配氣機構一、凸輪機構應用及分類

工程實例：繞線機一、凸輪機構應用及分類

1－凸輪2－

布線桿3－

繞線軸工程實例：行程控制凸輪機構一、凸輪機構應用及分類

1－凸輪2－

推桿工程實例：機床自動進給機構一、凸輪機構應用及分類

1－凸輪2－

從動件3刀架凸輪機構結構簡單、緊湊，工作可靠，只需設計適當?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到準確的任意預期運動。凸輪與從動件間為高副接觸，易磨損。所以常用于傳力不大的場合。如：自動機床進刀機構、上料機構、內燃機配氣機構、印刷機、紡織機等。一、凸輪機構應用及分類

凸輪機構的種類繁多，常用凸輪機構分類如下：1.按凸輪的形狀分①盤形凸輪——形狀如盤，繞定軸轉動且具有變化的向徑。（平面凸輪機構）是凸輪的基本型式。凸輪形狀如板，沿直線相對機架作往復移動，并具有曲線形的側輪廓。（平面凸輪機構）②移動凸輪移動凸輪可視為回轉中心為無窮遠處的部分盤形凸輪。1.按凸輪的形狀分③圓柱凸輪端面圓柱凸輪凸輪形狀如圓柱，繞其軸線定軸轉動且有曲線形溝槽。（空間凸輪機構）圓柱凸輪可視為是移動凸輪卷成圓柱而成的。1.按凸輪的形狀分2.按從動件的結構形式分（1）尖端從動件由于端部與凸輪是高副接觸，接觸應力大，易磨損，故只用于輕載低速的場合。從動件端部呈尖點或鑿刃形，能和任何凸輪廓線保持接觸，從動件能實現(xiàn)任意運動。1－凸輪2－

布線桿3－

繞線軸（2）滾子從動件從動件端部裝有可以自由轉動的滾子，以減小摩擦和磨損，能傳遞較大的動力。但端部結構復雜，質量較大，不易潤滑，故不宜用于高速。2.按從動件的結構形式分（3）平底從動件凸輪與平底接觸處易形成楔形油膜，故常用于高速凸輪。當不計摩擦時，凸輪對從動件的驅動力垂直于平底，有效作用力較大。但不能用于有內凹或直線輪廓的凸輪。2.按從動件的結構形式分3.按從動件運動形式分（1）直動從動件——從動件做往復直線移動。

偏置直動從動件：從動件導路不通過盤形凸輪回轉中心。

對心直動從動件：從動件導路通過盤形凸輪回轉中心。

偏距e——從動件導路與凸輪回轉中心的距離。對心直動滾子凸輪（2）擺動從動件——從動件作往復擺動。3.按從動件運動形式分1－凸輪2－

布線桿3－

繞線軸4.按鎖合方式分

鎖合——使凸輪輪廓與從動件始終保持接觸。（1）力鎖合——靠重力、彈簧力或其它力鎖合。鎖合的方式有：工程實例：內燃機配氣機構靠彈簧力鎖合。（2）幾何鎖合——依靠凸輪和從動件的特殊幾何形狀鎖合。

工程實例：圓柱凸輪的凹槽兩側面間的距離處處等于滾子直徑，故能保證滾子與凸輪始終接觸，以實現(xiàn)鎖合。4.按鎖合方式分

鎖合——使凸輪輪廓與從動件始終保持接觸。鎖合的方式有：

其它常用的幾何鎖合方式有：“主回凸輪”；“等徑凸輪”；“等寬凸輪”等等。（1）力鎖合（2）幾何鎖合4.按鎖合方式分

鎖合——使凸輪輪廓與從動件始終保持接觸。鎖合的方式有：主回凸輪等徑凸輪等寬凸輪凹槽凸輪二、從動件的常用運動規(guī)律

工程實例：對心尖端直動從動件盤形凸輪機構1.凸輪機構的運動過程凸輪逆時針方向勻速轉動；從動件尖端在離輪心最近（低）位置A和最遠（高）位置B'之間往復移動。rbhotsФtΦ，

從動件與基圓上的點A接觸時處于“最低”位置，是從動件上升的起始位置。運動過程分析：A

凸輪轉過Фt角時，從動件與凸輪輪廓AB段接觸，并上升h至最高位置B'。推程：ФtBB'h——升程Фt——推程運動角

基圓——以凸輪輪廓上最小半徑rb為半徑的圓。rbhotsФtΦ，

AФtBB'

凸輪轉過ФS角時，從動件與凸輪輪廓BC段接觸，并在最高處靜止不動。ФS——遠程休止角遠程休止過程：ФsФsФhФhCA′回程：

凸輪轉過Фh角時，從動件與凸輪輪廓上CA'段接觸，從動件下降h。Фh——回程運動角

凸輪轉過Фs'角時，從動件尖端與凸輪輪廓上A'A段接觸，從動件在最低處保持不動。近程休止過程：Фs'rbhotsФtΦ，

AФtBB'ФsФsФhФhCA′Фs′

凸輪連續(xù)回轉時，從動件重復上述升→?！怠＿\動過程。Фs′——近程休止角從動件的位移與凸輪轉角（或時間）的關系可用位移線圖表示，也可用解析式表示。凸輪輪廓上的AB段和CA'段的形狀尺寸決定了從動件推程和回程的運動規(guī)律。位移線圖二、從動件的常用運動規(guī)律

1.凸輪機構的運動過程

2.從動件常用位移線圖在工程實際應用中，凸輪的輪廓要根據(jù)從動件的位移線圖確定，而從動件的位移線圖又要根據(jù)工作要求來決定。幾種從動件常用位移線圖的作圖方法、特點及適用范圍以升→停→降→停運動過程的推程為例，介紹幾種從動件常用的位移線圖及作圖方法、特點及適用范圍。幾種從動件常用位移線圖的作圖方法、特點及適用范圍三、凸輪輪廓的圖解法

根據(jù)選定的從動件運動規(guī)律和其它有關數(shù)據(jù)，可用圖解法直接繪出平面凸輪輪廓。圖解法簡單、直觀，但精度較低，多用于確定要求不高的凸輪機構。圖解法繪制凸輪輪廓是應用反轉法原理。-ωω已知凸輪基圓半徑rb，偏距e及偏置方位，凸輪以等角速度ω順時針轉動，從動件的位移線圖，試繪制凸輪輪廓。（1）尖端從動件1.直動從動件盤形凸輪輪廓作圖步驟和方法如下：（1）尖端從動件1.直動從動件盤形凸輪輪廓1'3'5'7'8'91113159'11'13'12'14'sΦ

60°120°90°90°13578作圖步驟和方法如下：-ωeA120°60°90°90°Orb123456781215141110913ω（1）尖端從動件1.直動從動件盤形凸輪輪廓1'2'3'4'5'6'7'8'1'3'5'7'8'91113159'11'13'12'14'sΦ

60°120°90°90°1357815'14'13'12'11'10'9'-ωeA120°60°90°90°Orb123456781215141110913ω（1）尖端從動件1.直動從動件盤形凸輪輪廓作圖步驟和方法如下：1'3'5'7'8'91113159'11'13'12'14'sΦ

60°120°90°90°13578-ωeA120°60°90°90°Orb123456781215141110913ω當e=0時，即為對心尖端直動從動件盤形凸輪機構。此時，偏距圓收縮為凸輪回轉中心O，偏距圓的切線即為過O的徑向線，其余作圖的步驟及方法與以上所述相同。（2）滾子從動件

理論輪廓曲線η——滾子中心當作從動件的尖端，先按繪制尖端從動件凸輪的步驟和方法繪出一條凸輪輪廓曲線。實際輪廓曲線η'——再以上各點為圓心，以滾子半徑rT為半徑畫一系列的圓，這些圓的內包絡線即為采用滾子從動件時凸輪的實際輪廓曲線。1.直動從動件盤形凸輪輪廓（3）平底從動件理論輪廓曲線η——

把平底與導路的交點B看作尖端從動件的尖端，按尖端從動件凸輪輪廓繪制方法求出理論輪廓曲線上一系列點B1、B2、B3、…；實際輪廓曲線η'

——

再過這些點畫出各位置的平底；最后，作這些平底的包絡線，即得凸輪輪廓。1.直動從動件盤形凸輪輪廓若實際輪廓不能與每個平底內切，將導致運動失真。此時，可以適當增大凸輪基圓半徑，重新繪制凸輪輪廓。（3）平底從動件1.直動從動件盤形凸輪輪廓例：尖端擺動從動件盤形凸輪機構2.擺動從動件盤形凸輪輪廓

已知：凸輪基圓半徑rb、凸輪回轉中心與擺動從動件擺動中心間距離、擺動從動件長度、從動件的角位移線圖、凸輪角速度ω及從動件推程擺動方向。試：繪制凸輪輪廓。繪制凸輪輪廓時仍用反轉法。1'2'3'4'56785'6'7'8'ψΦ

60°120°90°90°1234ФsФtФhФs'LOAA0

B0LAB-ω

ω繪制的步驟及方法如下：rbOA0

B0LAB-ω

ωrbOA5A6A7A8B1B2B3B4B5B6B7B8B'1ψ1B'2ψ2B'3ψ3A1A2A3A4B'4ψ4ψ5B'5ψ6B'6B'7ψ71'2'3'4'56785'6'7'8'ψΦ

60°120°90°90°1234ФsФtФhФs'120°60°90°90°繪制的步驟及方法如下：若采用滾子或平底從動件，與直動從動件作法相似，先作理論輪廓線，再在理論輪廓線的基礎上繪一系列滾子或平底，最后繪制包絡線便可求得實際輪廓。移動凸輪和圓柱凸輪輪廓繪制都以盤狀凸輪輪廓繪制為基礎，具體作法可參閱相關參考文獻。2.擺動從動件盤形凸輪輪廓

四、基本尺寸的確定

1.壓力角、基圓半徑及偏距在設計凸輪機構時，不僅要使其能實現(xiàn)預期的運動規(guī)律，還要使其具有良好的傳力性能和緊湊的結構尺寸。傳力性能直接影響機構的摩擦、磨損、效率和自鎖，且與機構尺寸有關。（1）凸輪輪廓上不同點處壓力角一般是不同的，值越小，機構傳力性能越好。一般設計中，限定最大壓力角不能大于許用壓力角[α]，即αmax≤[α]。例：偏置尖端直動從動件盤形凸輪機構許用壓力角值推薦如下：若從動件的運動規(guī)律為

，可得(推導略)：直動從動件：推程許用壓力角[α]=30°~40°。擺動從動件：推程許用壓力角[α]=35°~45°回程時發(fā)生自鎖的可能性很小，特別是力鎖合型凸輪機構。通?？扇』爻痰脑S用壓力角[α']=70°~80°。許用壓力角值推薦如下：許用壓力角值推薦如下：若從動件的運動規(guī)律為

，可得(推導略)：例：偏置尖端直動從動件盤形凸輪機構（1）凸輪輪廓上不同點處壓力角一般是不同的，值越小，機構傳力性能越好。一般設計中，限定最大壓力角不能大于許用壓力角[α]，即αmax≤[α]。（2）當選定、e后，加大rb可以減小壓力角，但機構總體尺寸增大。為了使機構既有較好的傳力性能，又有較緊湊的結構尺寸，設計時，通常:

在αmax≤[α]前提下，盡量采用較小基圓半徑。若從動件的運動規(guī)律為

，可得(推導略)：例：偏置尖端直動從動件盤形凸輪機構下列經驗數(shù)據(jù)可供選擇rb參考：①與軸分體的鑄鐵凸輪

rb≥rh+(3~5)+rT

或rb≥1.75rs+(3~5)+rT

②

鋼凸輪的rb值可略減??；式中，rh——凸輪輪轂半徑；

rs——裝凸輪處軸的半徑。③

軸凸輪的rb可取略大于（rs＋rT）。（3）e前為負號的導路偏置方位，適當大小的偏距，可以減小壓力角。但應注意：若推程的壓力角減小，則回程的壓力角將增大。

例：偏置尖端直動從動件盤形凸輪機構若從動件的運動規(guī)律為

，可得(推導略)：①在實際設計中，通常可根據(jù)空間位置和經驗初選一個基圓、偏距，并以此確定凸輪輪廓。②用作圖法校核壓力角。③如果不能滿足要求，則應適當增大基圓半徑、調整e值重新設計。αmax一般出現(xiàn)在：推程的起始位置；從動件具有最大速度的位置；凸輪輪廓曲線較陡處。在實際中確定凸輪輪廓的步驟：2.從動件滾子半徑滾子半徑的選取，要考慮滾子結構、強度及凸輪輪廓線形狀等因素。

理論廓線η；實際廓線η'

；滾子半徑rT

；理論廓線曲率半徑ρ

；實際廓線曲率半徑ρ'。對于凸輪的內凹部分，無論rT大小如何，實際廓線總可以得到。對于外凸凸輪，滾子半徑rT應小于理論廓線上最小曲率半徑ρmin，通常應保證rT≤0.8ρmin

。2.從動件滾子半徑滾子半徑的選取，要考慮滾子結構、強度及凸輪輪廓線形狀等因素。2.從動件滾子半徑對于外凸凸輪，滾子半徑rT應小于理論廓線上最小曲率半徑ρmin，通常應保證rT≤0.8ρmin

。滾子半徑的選取，要考慮滾子結構、強度及凸輪輪廓線形狀等因素。2.從動件滾子半徑對于外凸凸輪，滾子半徑rT應小于理論廓線上最小曲率半徑ρmin，通常應保證rT≤0.8ρmin

。滾子半徑的選取，要考慮滾子結構、強度及凸輪輪廓線形狀等因素。

滾子半徑rT應在結構及強度允許條件下盡量取小值。

通常：rT=（0.1~0.5）rb。

不滿足rT≤0.8ρmin時，可適當加大rb。2.從動件滾子半徑滾子半徑的選取，要考慮滾子結構、強度及凸輪輪廓線形狀等因素。各點的ρ'可用作圖法求得。此方法也可用于求壓力角。3.平底長度平底與凸輪實際輪廓的切點，隨著導路反轉的位置變化。從圖上可以找到平底左右兩側離導路最遠兩切點至導路的距離b'和b"。取b'和b"中較長者為Lmax

。為保證平底始終與凸輪輪廓接觸，從動件平底總長度用L表示，單位為mm，計算式為：五、凸輪機構的材料與結構

1.凸輪機構的常用材料凸輪材料

——要求工作表面有較高的硬度，芯部有較好的韌性。一般尺寸不大的凸輪：45鋼、40Cr鋼。并進行調質或表面淬火，硬度為52～58HRC。要求更高時：15鋼、20Cr鋼。滲碳淬火，表面硬度：56～62HRC，滲碳深度為0.8～1.5mm。尺寸大或輕載的凸輪：優(yōu)質灰鑄鐵。載荷較大時：耐磨鑄鐵。從動件接觸端面常用的材料

——45鋼，也可用T8、T10、

T12，淬火硬度為55～62HRC。

滾子材料

——可采用20Cr鋼。滲碳淬火，表面硬度為56～62HRC。也可用滾動軸承作為滾子。1.凸輪機構的常用材料要求較高時可以使用20Cr進行滲碳淬火等處理。2.凸輪機構的常用結構（1）凸輪①凸輪軸當凸輪基圓較小時，可將凸輪與軸做成一體，稱為凸輪軸。②整體式凸輪當凸輪尺寸較小又無特殊要求或不需經常裝拆時，一般采用整體式凸輪。優(yōu)點：加工方便，精度高和剛性好。軸轂常采用平鍵；其輪轂尺寸的推薦值為：③組合式凸輪對于大型低速凸輪機構的凸輪或經常調整輪廓形狀的凸輪，常采用凸輪與輪轂分開的組合式結構。利用圓弧槽可調整凸輪盤與輪轂的相對角度。（2）滾子滾子常采用的裝配結構：無論是哪種結構形式，都必須保證滾子能靈活自由地轉動。返回第三節(jié)螺旋機構一、螺紋二、螺旋機構的類型及應用螺旋機構

——由螺桿、螺母和機架組成。回轉運動與直線運動的變換;主要功能：力的傳遞;

測量和調整。

利用螺桿和螺母構成的螺紋副來工作。

一、螺紋d2在生產中螺紋是按照螺旋線形成的原理進行制作的。螺紋1.螺紋的形成螺紋的加工方法很多，如：車制內、外螺紋。對于直徑較小的螺孔，可先用鉆頭鉆出光孔，再用絲錐攻出螺紋。對于直徑較小的外螺紋也可用輾壓的方法或板牙絞出。1.螺紋的形成按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數(shù)分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋螺紋牙型——螺紋加工中，采用不同形狀的車刀，得到的工件軸線剖面內不同的螺紋形狀。2.螺紋牙型的特點和應用

按螺紋牙型分類矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋15o30o3o30o

常用的螺紋牙型及其特點和應用見表4-3。右旋螺紋左旋螺紋按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數(shù)分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分多線螺紋一般:n≤4雙線螺紋單線螺紋PSS=2PPSPS=Pn線螺紋:S=n

P單線螺紋按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數(shù)分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分外螺紋內螺紋按回轉體的內外表面分聯(lián)接螺紋傳動螺紋按螺旋的作用分圓柱螺紋圓錐螺紋管螺紋按母體形狀分（3）中徑d2（D2）d1d2d（1）大徑d（D）（2）小徑

d1（D1）（4）螺距P（5）導程S（6）螺紋升角λ（7）牙型角

α牙側角

β

λS=nPSPP/2P/2（8）接觸高度

h

h3.螺紋的主要幾何參數(shù)πd2Sλββα二、

螺旋機構的類型及應用

螺旋機構具有結構簡單，工作連續(xù)、平穩(wěn)，傳動精度高，有良好的減速性能，施加較小的轉矩可以獲得很大的軸向推力，并且易于自鎖。其缺點是:由于螺旋副間產生較大的相對滑動，因而磨損大，效率低。螺旋機構的應用類型較多，可按其功用及摩擦性質來分類。二、

螺旋機構的類型及應用

類型按功用分傳力螺旋按摩擦性質分傳遞動力

1.螺旋機構的分類特點：利用傳動增力的的優(yōu)點，以傳遞動力為主。功能：可用較小的力矩轉動螺桿（或螺母），使螺母（或螺桿）產生軸向運動和較大的軸向力，用以起重和加壓等。應用：一般工作速度較低，大多間歇工作，通常要求自鎖，例如，螺旋壓力機、螺旋千斤頂

等。工程實例：螺旋壓力機（鍛壓機械）1.螺旋機構的分類工程實例：螺旋千斤頂（起重設備）1.螺旋機構的分類按摩擦性質分類型按功用分傳力螺旋傳遞動力傳導螺旋傳遞運動,要求精度高特點：利用傳動均勻、平穩(wěn)、準確的優(yōu)點，以傳遞運動為主，有時也承受較大的軸向載荷。應用：通常具有較高的傳動精度和工作速度。一般在一段時間內連續(xù)工作。例如，車床刀架溜板或工作臺絲杠傳動、螺旋測微器等。1.螺旋機構的分類工程實例：車床刀架1.螺旋機構的分類按摩擦性質分類型按功用分傳力螺旋傳遞動力傳導螺旋傳遞運動,要求精度高調整螺旋

調整相對位置功能：用以調整或固定機械零件或部件之間的相對位置。有時也承受較大的軸向載荷，常在空載下調整。應用：調整螺旋不經常轉動，要求自鎖。例如，測量工具、各類夾具、張緊裝置等的調整螺旋。

1.螺旋機構的分類調整螺旋調整螺旋1.螺旋機構的分類工程實例：螺旋測微器（測量工具）1.螺旋機構的分類按摩擦性質分類型按功用分傳力螺旋傳遞動力傳導螺旋傳遞運動,要求精度高調整螺旋調整相對位置滑動螺旋特點：滑動螺旋副中產生滑動摩擦。故摩擦阻力大，傳動效率低（一般為30%~40%）；磨損快，引起螺旋副的軸向間隙，反向有空行程，導致傳動精度較低，使用壽命短。但其結構簡單、加工方便、易于自鎖。1.螺旋機構的分類

滑動螺旋傳動的應用：廣泛用于對傳動精度和效率要求不高的場合。特點：對螺旋副的軸向間隙無補償作用。特點：利用調整槽來消除螺旋副的軸向間隙。特點：利用調整楔塊來消除螺旋副的軸向間隙。整體螺母剖分式螺母組合式螺母按摩擦性質分類型按功用分傳力螺旋傳遞動力傳導螺旋傳遞運動,要求精度高調整螺旋調整相對位置滑動螺旋滾動螺旋組成：螺桿、螺母、滾珠1.螺旋機構的分類滑動摩擦滾動摩擦按摩擦性質分類型按功用分傳力螺旋傳遞動力傳導螺旋傳遞運動,要求精度高調整螺旋調整相對位置滑動螺旋滾動螺旋特點：螺旋副處于滾動摩擦狀態(tài)。因滾動摩擦阻力甚小，所以傳動效率高（可達90%以上），傳動時運動穩(wěn)定，動作靈敏。但結構復雜，制造技術要求很高，外形尺寸較大，成本高，不易自鎖。1.螺旋機構的分類按摩擦性質分類型按功用分傳力螺旋傳遞動力傳導螺旋傳遞運動,要求精度高調整螺旋調整相對位置滑動螺旋滾動螺旋應用：目前主要應用在精密傳動的數(shù)控機床上，以及自動控制裝置、升降機構和精密測量儀器中。1.螺旋機構的分類類型：外循環(huán)、內循環(huán)外循環(huán)反向器（返回通道）返回通道內循環(huán)返回通道返回通道按摩擦性質分類型按功用分傳力螺旋傳遞動力傳導螺旋傳遞運動,要求精度高調整螺旋調整相對位置滑動螺旋滾動螺旋靜壓螺旋特點：螺桿與螺母的螺旋面間注入的壓力油，螺旋副處于液體摩擦狀態(tài)。摩擦阻力極小，傳動效率高（可達99%），工作壽命長。1