关于凸轮机构压力角影响因素的探讨

白海英

(吉林大学 机械科学与工程学院，长春 130025)

关于凸轮机构压力角影响因素的探讨

白海英

(吉林大学 机械科学与工程学院，长春 130025)

设计凸轮机构时，除了要求推杆实现预期的运动规律外，还应当保证机构有较好的受力情况和紧凑的结构尺寸。在凸轮机构中推杆有不同的结构形状和不同的运动形式，本文对尖端直动推杆盘形凸轮机构的压力角公式进行了较深入的分析，以便在教学和设计时参考。

凸轮机构;压力角;基圆;偏距

0 引言

机械原理课程是高等院校机械类专业重要的技术基础课，在教学中起着承上启下的作用。该课程不仅涉及机械专业的基础理论，而且与生产实际紧密相关，而它研究的对象是机器和机构。机构中凸轮机构是常用机构之一，它广泛应用于自动机械、自动控制装置中。凸轮机构的最大优点是易实现复杂的运动规律，设计简单，运动构件只有凸轮与推杆。凸轮的形状主要有盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮;推杆的形状有尖端、滚子、平底，其运动形式有直动和摆动。在设计凸轮机构时，凸轮小就结构紧凑，压力角小就动力性好，因此考虑动力性一定要研究凸轮机构的压力角，它直接影响该机构的运动。图1所示为尖端直动推杆盘形凸轮机构的型式。

影响到凸轮机构压力角的因素很多，并且不同型式的凸轮机构其压力角的公式不同，而尖端直动推杆盘形凸轮机构的压力角公式为:

图1 尖端直动推杆盘形凸轮机构

式中，α为任意位置时的压力角;

r0为凸轮理论廓线的基圆半径;

e为推杆的偏距;

1 r0大小对的影响

凸轮的基圆半径r0愈小，则机构的尺寸愈紧凑。但凸轮基圆半径的大小受凸轮轴半径的限制、受凸轮廓线的最小曲率半径的限制、受凸轮机构许用压力角［α］的限制。由压力角公式可知:凸轮的基圆半径愈小，机构的压力角愈大;反之基圆半径愈大，压力角愈小。压力角小可以改善机构的受力情况，但是压力角小机构的尺寸就要增大。因此设计时既要考虑机构紧凑，又要考虑受力条件，在机构的压力角不超过许用压力角［α］的条件下合理确定基圆半径r0即可。

2 推杆偏置位置对α的影响

图2 所示，a)、b)、c)、d)四个图中，机构尺寸和参数分别为，并且均相等的条件下，讨论机构的压力角变化趋势。

凸轮逆时针方向转动，推杆偏在凸轮轴心o的右侧，如图2中a)、b)图所示，则凸轮的推程压力角公式为(1)式，其回程的压力角公式为(2)式。

图2 凸轮机构压力角的变化趋势

凸轮逆时针方向转动，推杆偏在凸轮轴心o的左侧，如图2中c)、d)图所示，则凸轮的推程压力角公式为(3)式，其回程的压力角公式为(4)式。

应用凸轮机构时，通常要求推程的压力角尽可能小，回程的压力角有所增加，因为推程时推杆一般都承受工作载荷，回程时为空载荷。由(1)式可知其推程的压力角减小，其回程的压力角增加，故推杆偏置位置是合理的。由(3)式可知其推程的压力角增加，而回程的压力角减小，故推杆偏置位置是不合理。在计算回程压力角时，由于速度方向的改变，在项中一定要加绝对值。同理，可分析凸轮顺时针方向转动时，推杆的正确偏置位置，即推杆应偏在凸轮轴心o的左侧为宜，其证明略。

3 e值大小对的影响

当e≠0时，凸轮仍逆时针方向转动，推杆应偏在凸轮轴心o的右侧，讨论推程的压力角的变化趋势。

图3 凸轮e值对α的影响

4 凸轮廓线对的影响

凸轮机构压力角定义为理论廓线的法线方向与该点推杆速度方向之间所夹锐角，而理论廓线的法线方向就是推杆的的受力方向，如图1所示。设计凸轮机构时涉及到理论廓线和实际廓线，在讨论凸轮机构压力角时也涉及到理论廓线，对直动推杆盘形凸轮机构，推杆形状为尖端和滚子时凸轮理论廓线上各点的压力角是变化的，而尖端推杆的理论廓线为尖端所走的轨迹，滚子推杆的理论廓线为滚子中心所走的轨迹，平底推杆的理论廓线为平底与导路中心线交点所走的轨迹。对直动推杆盘形凸轮机构，推杆形状为平底时其压力角始终为常数，通常为零。因为对平底推杆来说偏置与对心凸轮廓线与平底的接触点不变，所以出现平底推杆位置是偏置时，可以把偏置位置移到对心位置处理。

5 结语

以上比较全面，深入地讨论了影响凸轮机构压力角大小的有关因素，在教学上就是要强调设计直动推杆盘形凸轮机构时，必须综合考虑上述出现的有关尺寸和结构，使凸轮机构的设计更加合理和可靠，提高其工作效率。

目前我国工科院校的大学生接触实践少，缺乏生产实践知识，工程意识薄弱，如何培养他们观察、分析、解决问题的能力，是每位高校教师的责任和义务。在教与学的过程中针对某一问题做深入、细致研讨能激发他们对科学的兴趣，也有助于学生思维方式的开拓。

随着科学技术的飞速发展，传统课程的知识与现代设计技术不断交融，在机械基础系列课程的教学中，教学内容，教材体系，教学方法等方面将面临着新的问题和新的挑战，因此教师需要及时储备多门相关课程的基本知识，熟悉其主要内容的内在联系，以适应学科的发展和创新人才的培养。

［1］孙恒，陈作模.机械原理［M］.北京:高等教育出版社，1998.

［2］秦荣荣，崔可维.机械原理［M］.长春:吉林科学技术出版社，2000.

［3］谭庆昌，赵洪志，曾平.机械设计［M］.长春:吉林科学技术出版社，2000.

Research on the Factors of Cam Mechanism Pressure Angle

BAI Hai-ying

(College of Mechanical Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130025，China)

When designing cam mechanism，besides achieving expected motion law by push rod，good force condition and compact structure size should be ensured.In cam mechanism，push rod is different in structure form and movement，this paper analyzes the pressure angle expression of the tip straight push rod disk cam mechanism，hoping to provide references for teaching and design.

cam mechanism;pressure angle;base circle;offset distance

TH132.47

A

1009－3907(2012)04－0379－03

2012-03-19

白海英(1955-)，女，吉林磐石人，副教授，主要从事工程图学、机械设计及理论方面研究。

责任编辑:吴旭云