機(jī)械基礎(chǔ)凸輪機(jī)構(gòu)

1、機(jī)械基礎(chǔ)凸輪機(jī)構(gòu),機(jī)械工業(yè)出版社,案例導(dǎo)入,凸輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械中的一種常用機(jī)構(gòu)，常用于將主動件的連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭蛹耐鶑?fù)移動或擺動，能使從動件獲得預(yù)先給定的運(yùn)動規(guī)律，因而廣泛用于自動化和半自動化機(jī)械中。,自動車床中的轉(zhuǎn)塔式自動換刀裝置,機(jī)械工業(yè)出版社,案例導(dǎo)入,問題： （1）凸輪的類型有幾種，可以實(shí)現(xiàn)何種運(yùn)動？ （2）如何設(shè)計(jì)凸輪的輪廓以實(shí)現(xiàn)從動件預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律？ （3）如何設(shè)計(jì)可以保證機(jī)構(gòu)具有良好的傳動性能？,自動車床中的轉(zhuǎn)塔式自動換刀裝置,機(jī)械工業(yè)出版社,凸輪機(jī)構(gòu),機(jī)械工業(yè)出版社,學(xué)習(xí)目標(biāo),了解凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理、分類和應(yīng)用,機(jī)械工業(yè)出版社,學(xué)習(xí)重點(diǎn)、難點(diǎn),機(jī)械工業(yè)出版社,11.1 凸輪機(jī)構(gòu)

2、的特點(diǎn)、應(yīng)用和分類,凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理：借助凸輪的輪廓實(shí)現(xiàn)從動件預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.1 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類,1.凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 經(jīng)分析可知：凸輪機(jī)構(gòu)由凸輪、從動件和機(jī)架組成,機(jī)械工業(yè)出版社,11.1 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類,2.凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：（1）與連桿機(jī)構(gòu)相比，其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計(jì)方便。 （2）從動件便于準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律和軌跡。 缺點(diǎn)：凸輪與從動件為點(diǎn)線接觸、壓強(qiáng)大、易磨損，所以常用于傳力不大的機(jī)械、儀表及控制機(jī)構(gòu)中。,自動車床靠模機(jī)構(gòu),機(jī)械工業(yè)出版社,11.1 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類,11.1.2 凸輪機(jī)構(gòu)的分類 1.按凸輪形狀分類 （1）盤形凸輪 （2

3、）移動凸輪 （3）圓柱凸輪,盤形凸輪,圓柱凸輪,移動凸輪,機(jī)械工業(yè)出版社,11.1 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類,2.按從動件結(jié)構(gòu)形狀分類 （1）尖頂從動件 （2）滾子從動件 （3）平底從動件,尖頂從動件,滾子從動件,平底從動件,機(jī)械工業(yè)出版社,11.1 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類,此外，為了使凸輪與從動件始終保持接觸，還可以利用重力、彈簧力或依靠凸輪上不凹槽來實(shí)現(xiàn)。,力鎖合,形鎖合,機(jī)械工業(yè)出版社,11.2 從動件的常用運(yùn)動規(guī)律,11.2.1 凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程及有關(guān)名稱 1.凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程 基圓（r0）：以凸輪最小向徑作的圓稱為基圓，其半徑稱為基圓半徑，用表示r0。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.2 從動件

4、的常用運(yùn)動規(guī)律,推程：當(dāng)凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動時(shí)，從動件尖端被凸輪輪廓由最低點(diǎn)推至最高點(diǎn)的過程。 行程（h）:從動件由最低點(diǎn)上升到最高點(diǎn)的距離稱為行程，用h表示。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.2 從動件的常用運(yùn)動規(guī)律,推程運(yùn)動角0 ：在推程中，凸輪相應(yīng)的轉(zhuǎn)角稱為推程運(yùn)動角，用0表示。 遠(yuǎn)休止：當(dāng)凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動時(shí)，從動件尖端被在最高點(diǎn)位置不動的過程。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.2 從動件的常用運(yùn)動規(guī)律,遠(yuǎn)程休止角 s：在遠(yuǎn)休止時(shí)，當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動，凸輪所轉(zhuǎn)過的角度，用 s 表示。 回程：當(dāng)凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動時(shí)，從動件尖端由最高點(diǎn)回到最低點(diǎn)的過程。 回程運(yùn)動角 0 ：在回程中，凸輪所轉(zhuǎn)過的角度，用 0 表示。,機(jī)械工業(yè)出版社,

5、11.2 從動件的常用運(yùn)動規(guī)律,近休止：當(dāng)凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動時(shí)，從動件尖端被在最低點(diǎn)位置不動的過程。 近休止角 s：在近休止時(shí)，凸輪所轉(zhuǎn)過的角度，用 s 表示。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.2 從動件的常用運(yùn)動規(guī)律,想一想 練一練 如圖11-5所示凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，凸輪的實(shí)際輪廓線為一圓，其圓心為A點(diǎn)，半徑R=40mm， LOA=25mm。試確定凸輪的基圓半徑和從動件的行程。,答案：基圓半徑r0=15mm; 從動件的行程h=50mm。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.2 從動件的常用運(yùn)動規(guī)律,11.2.2 從動件常用的運(yùn)動規(guī)律 從動件的運(yùn)動規(guī)律：是指從動件位移s、速度v、加速度a隨凸輪轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。,機(jī)械工業(yè)出版

6、社,11.2 從動件的常用運(yùn)動規(guī)律,1.等速運(yùn)動規(guī)律 （1）概念：當(dāng)凸輪以等角速度轉(zhuǎn)動時(shí)，從動件在推程或回程中的速度保持不變的運(yùn)動規(guī)律，稱之為等速運(yùn)動規(guī)律。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.2 從動件的常用運(yùn)動規(guī)律,（2）運(yùn)動方程 位移方程:s=h /0 (0 0 ) 速度方程:v=h/0 (0 0) 加速度方程:a=0 (0 0) （3） 運(yùn)動線圖 位移線圖斜直線 速度線圖水平線 加速度線圖與水平坐標(biāo)軸重合,機(jī)械工業(yè)出版社,11.2 從動件的常用運(yùn)動規(guī)律,（4）運(yùn)動特性分析 剛性沖擊：從動件的瞬時(shí)加速度 趨于無窮大時(shí)，慣性力也趨于無窮大 ，致使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，這種 沖擊稱為剛性沖擊。 （5）適用范

7、圍：由于產(chǎn)生剛性沖 擊，故只適用低速、輕載的凸輪機(jī)構(gòu)。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.2 從動件的常用運(yùn)動規(guī)律,2.等加速等減速運(yùn)動規(guī)律 (1)概念：當(dāng)凸輪以等角速度 轉(zhuǎn)動時(shí)，從動件在推程或回程中 ，前半程為等加速運(yùn)動，后半程為 等減速運(yùn)動，且加速度的絕對值相 等的運(yùn)動規(guī)律，稱之為等加速等減 速運(yùn)動規(guī)律。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.2 從動件的常用運(yùn)動規(guī)律,(2)運(yùn)動方程 位移方程: s=(2h/ 0 2 )2加速段 (0 0 /2) s=h-2h / 0 2 （0 ）2 減速段 ( /2 0) 速度方程： v=4h / 0 2加速段 (0 0 /2) v=4h /0 2 （0） 減速段 (0 /2 0)

8、,機(jī)械工業(yè)出版社,11.2 從動件的常用運(yùn)動規(guī)律,(2)運(yùn)動方程 加速度方程: a=4h/02 加速段 (0 0 /2) a=-4h / 02減速段 (0 /2 0),機(jī)械工業(yè)出版社,11.2 從動件的常用運(yùn)動規(guī)律,（3）運(yùn)動特性分析： 柔性沖擊：從動件的瞬時(shí)加速 度發(fā)生有限值變化，慣性力也發(fā)生 有限值變化，機(jī)構(gòu)由此受到的沖擊 稱為柔性沖擊。 （）適用范圍：由于存在柔性沖 擊，故僅適用中、低速場合。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.2 從動件的常用運(yùn)動規(guī)律,等加速等減速運(yùn)動規(guī)律的位移線圖繪制,機(jī)械工業(yè)出版社,11.3 凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì),11.3.1 凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì) 凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)方法有圖解法和解

9、析法,解析法設(shè)計(jì)凸輪輪廓,圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓,機(jī)械工業(yè)出版社,11.3 凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì),11.3.1 圖解法設(shè)計(jì)凸輪的原理 反轉(zhuǎn)法原理：假設(shè)給整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)加上一個(gè)公共角速度“-”繞凸輪軸心O轉(zhuǎn)動時(shí)，根據(jù)相對運(yùn)動原理，各構(gòu)件間相對運(yùn)動關(guān)系不變。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.3 凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì),11.3.2 對心直動從動件盤形凸輪輪廓的設(shè)計(jì) 1.尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制 直動從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)中，從動件的導(dǎo)路通過凸輪的軸心，稱為對心直動從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.3 凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì),案例11-1 試用圖解法設(shè)計(jì)一尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)（圖11-9）。 已知凸

10、輪的基圓半徑r0=30mm，凸輪以等角速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動，從動件的位移運(yùn)動規(guī)律如下：,機(jī)械工業(yè)出版社,11.3 凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì),作圖步驟： （1）繪制從動件的位移圖 選取位移比例尺l和角度比例尺，作從動件的位移線圖。 （2）確定凸輪機(jī)構(gòu)的初始位置,機(jī)械工業(yè)出版社,11.3 凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì),（3）等分位移曲線，得各等分點(diǎn)位移量 。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.3 凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì),（4）作從動件尖頂軌跡 ；（5）繪制凸輪輪廓。 結(jié)論：凸輪的理論輪廓：按設(shè)計(jì)尖頂從動件凸輪輪廓的方法作出的輪廓曲線，稱為凸輪的理論輪廓。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.3 凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì),2.實(shí)際輪廓的設(shè)計(jì) 實(shí)際輪廓是指凸輪上與從

11、動件直接接觸的輪廓。 實(shí)際輪廓的作法是：以理論輪廓為基礎(chǔ)，作從動件未端形狀的曲線族，再作與曲線族中所有曲線相切的包絡(luò)線，此包絡(luò)線便是凸輪的工作輪廓。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.3 凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì),3.滾子對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制（簡介） （1）已知條件相同，附加條件：滾子半徑rT 。 （2）對心滾子直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制,機(jī)械工業(yè)出版社,11.3 凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì),（3）凸輪工作輪廓的作法,機(jī)械工業(yè)出版社,11.3 凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì),(4)概念 凸輪的理論輪廓：按設(shè)計(jì)尖頂從動件凸輪輪廓的方法作出的輪廓曲線，稱為凸輪的理論輪廓 凸輪的工作輪廓：是指凸輪上與從動件直接接觸的輪廓。 凸輪

12、工作輪廓的作法是：以理論輪廓為基礎(chǔ)，作從動件末端形狀的曲線族，再作與曲線族中所有曲線相切的包絡(luò)線，此包絡(luò)線便是凸輪的實(shí)際輪廓線。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.3 凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì),4.對心直動平底從動件盤形凸輪輪廓曲線的繪制（簡介）,機(jī)械工業(yè)出版社,11.4 凸輪工作輪廓的校核,11.4.1 凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角 1.凸輪機(jī)構(gòu)壓力角的概念：凸輪輪廓上，從動件的運(yùn)動速度方向與其受凸輪作用力方向所夾的銳角，稱為凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角，用表示。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.4 凸輪工作輪廓的校核,2、壓力角與作用力的關(guān)系 Fy= Fcos-有效分力 Fx=Fsin-引起摩擦力，有害分力 討論：（） Fy傳力性能差。 （

13、） Fy傳力性能好。 結(jié)論：Fx產(chǎn)生的摩擦力 Fy ，從動件不能 運(yùn)動，凸輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.4 凸輪工作輪廓的校核,3.許用壓力角 為了保證機(jī)構(gòu)正常工作，并具有良好的傳力性能，必須對壓力角的大小加以限制，即使機(jī)構(gòu)的最大壓力角 max 。 一般設(shè)計(jì)中，直動從動件推程中的 =3038，擺動從動件推程=4045。 對于回程，因載荷很小，且從動件在鎖合力作用下返回，不易出現(xiàn)自鎖，通常只需校核推程壓力角。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.4 凸輪工作輪廓的校核,11.4.2 運(yùn)動失真 從減小接觸應(yīng)力的角度來看，滾子半徑越大越好，但是滾子增大后對凸輪實(shí)際輪廓線有很大的影響。 運(yùn)動失真的概念

14、：凸輪的實(shí)際輪廓，不能使從動件實(shí)現(xiàn)預(yù)期給定的運(yùn)動規(guī)律，這種現(xiàn)象稱為凸輪的運(yùn)動失真。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.4 凸輪工作輪廓的校核,1.凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動失真分析 設(shè)滾子的半徑為rT，凸輪理論輪廓的最小曲率半徑為 min 工作輪廓的曲率半徑=min-rT。 （1）若minrT, 0, 則實(shí)際輪廓曲線為一光滑曲線。 （2）如若min=rT, =0, 則實(shí)際輪廓曲線出現(xiàn)尖點(diǎn), 尖點(diǎn)易磨損, 磨損后從動件將產(chǎn)生運(yùn)動“失真”。 （3）若minrT, 0,從動件將產(chǎn)生運(yùn)動“失真”。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.4 凸輪工作輪廓的校核,2.防止凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動失真的條件 凸輪的理論輪廓的最小曲率半徑大于滾子的半徑即： mi

15、nrT,機(jī)械工業(yè)出版社,11.4 凸輪工作輪廓的校核,11.4.3 凸輪基圓半徑的確定 基圓半徑r0是凸輪的主要尺寸參數(shù)，從避免運(yùn)動失真、降低壓力角的要求看，r0大比較好，但從結(jié)構(gòu)緊湊看，r0小比較好。 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，凸輪基圓半徑的確定，除了要滿足max，還要考慮凸輪的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度要求。通常對于凸輪與軸做成一體的凸輪工作輪廓的最小半徑,（ r0 -rT）比軸的半徑大25mm，對于凸輪與軸分開做的，（ r0 -rT）比輪轂半徑大30%60%。 基圓半徑r0的大小也可按運(yùn)動規(guī)律、許用壓力角由圖11-14的諾模圖求得。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.4 凸輪工作輪廓的校核,案例11-2 一滾子對心直動從動件盤

16、形凸輪機(jī)構(gòu)，其行程h=13mm，推程運(yùn)動角0=45，從動件按正弦加速度運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動，=30，請按圖11-14的諾模圖確定基圓半徑r0的大小。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.4 凸輪工作輪廓的校核,機(jī)械工業(yè)出版社,11.5 凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與材料,11.5.1 凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與材料 1.凸輪的結(jié)構(gòu) 基圓較小的凸輪，常與軸做成一體，稱為凸輪軸（圖11-15）；基圓較大的凸輪，則做成組合式結(jié)構(gòu)，分別制造好的凸輪和軸，再通過平鍵聯(lián)接（圖11-16a）、銷聯(lián)接（圖11-16b）及彈性開口錐套螺母聯(lián)接等方式，將凸輪安裝在軸上。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.5 凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與材料,組合式凸輪的結(jié)構(gòu),機(jī)械工業(yè)出版社,11.

17、5 凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與材料,2.從動件的結(jié)構(gòu) 滾子從動件的滾子可以是專門制造的圓柱體，也可以采用滾動軸承，滾子與從動件頂端可用螺栓聯(lián)接，也可用銷聯(lián)接。,螺栓聯(lián)接,銷聯(lián)接,機(jī)械工業(yè)出版社,11.5 凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與材料,11.5.2 凸輪和從動件的材料選擇 工作條件：凸輪機(jī)構(gòu)屬于高副機(jī)構(gòu)，凸輪與從動件之間的接觸應(yīng)力大，易出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，且多數(shù)凸輪機(jī)構(gòu)在工作時(shí)還承受一定的沖擊。 材料要求：工作表面具有較高的硬度，而芯部具有較好的韌性。 材料選擇： 1）低速、輕載盤形凸輪：可選用HT200、HT250、HT300、QT500-7、QT600-3等作為凸輪的材料。 從動件：選用40、45等中碳結(jié)構(gòu)鋼，表面

18、淬火至4050HRC。,機(jī)械工業(yè)出版社,11.5 凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與材料,2）中速、輕載盤形凸輪：常用45材料表面淬火，也可選用15、20、20Cr20CrMn等材料滲碳淬火，使硬度達(dá)到5662HRC。作為凸輪的材料。 從動件：可選用20Cr，并經(jīng)滲碳淬火，使其硬度達(dá)5560HRC。 3）高速、重載的凸輪：常用40Cr，表面高頻淬火，硬度達(dá)到5660HRC或用38CrMoAl,經(jīng)滲氮處理硬度達(dá)到6067HRC。 從動件：可用T8、T10、T12等碳素工具鋼，經(jīng)表面淬火硬度達(dá)5862HRC。,機(jī)械工業(yè)出版社,綜合案例分析,如圖11-17所示為加工水表零件的專用自動車床上的凸輪控制系統(tǒng)，加工零件的名義尺寸和幾何形狀如圖11-7b所示。在凸輪軸1上安裝兩個(gè)具有曲線凹槽的圓柱凸輪2、3和一個(gè)具有曲線凹槽的盤