第04章凸輪機構

1、第4章 凸輪機構凸輪機構凸輪機構 前述低副機構一般只能近似地實現(xiàn)給定的運動規(guī)律，而且設計較復雜。當機器的執(zhí)行機構需要按一定的位移、速度和加速度規(guī)律運動時，尤其是當執(zhí)行構件需要作間歇運動時，這種情況下最好的解決方法就是采用凸輪機構。 含有凸輪的機構稱為凸輪機構。凸輪是一種具有曲線輪廓或凹槽的構件，與從動件保持接觸，當凸輪運動(轉動或移動)時，推動從動件按任意給定的運動規(guī)律運動。凸輪機構是一種常用機構，特別是在自動化機械中應用廣泛。凸輪機構凸輪機構4.1 4.1 凸輪機構的應用和特點凸輪機構的應用和特點4.2 4.2 凸輪機構類型凸輪機構類型4.3 4.3 凸輪機構從動件常用的運動規(guī)律凸輪機構從動

2、件常用的運動規(guī)律4.4 4.4 用圖解法設計盤形凸輪的輪廓用圖解法設計盤形凸輪的輪廓4.5 4.5 凸輪機構設計中的注意事項凸輪機構設計中的注意事項4.6 4.6 凸輪機構常用材料、結構和加工凸輪機構常用材料、結構和加工4.1.1 4.1.1 凸輪機構的組成與應用凸輪機構的組成與應用v 如圖如圖4-14-1所示，凸輪機構主要由凸輪所示，凸輪機構主要由凸輪1 1、從動件、從動件2 2和機架和機架3 3構成，構成，凸輪為主動件，從動件與凸輪組成高副，屬于高副機構。其中，凸輪為主動件，從動件與凸輪組成高副，屬于高副機構。其中，凸輪凸輪1 1是一個具有曲線是一個具有曲線( (或溝槽或溝槽) )的構件，

3、它通常作連續(xù)等角速的構件，它通常作連續(xù)等角速度轉動度轉動( (也有作擺動或往復直線移動的也有作擺動或往復直線移動的) )。從動件。從動件2 2則在凸輪驅則在凸輪驅動下按預定的運動規(guī)律作往復直線移動或擺動。動下按預定的運動規(guī)律作往復直線移動或擺動。圖圖4-1 4-1 凸輪機構凸輪機構1凸輪；2從動件；3機架；4拖板；5工件4.1.2 4.1.2 凸輪機構的特點凸輪機構的特點v 凸輪機構具有以下特點。凸輪機構具有以下特點。v 優(yōu)點：優(yōu)點：可實現(xiàn)各種復雜的運動要求，其結構緊湊、可實現(xiàn)各種復雜的運動要求，其結構緊湊、設計較方便，只要有適當?shù)耐馆嗇喞涂梢允箯脑O計較方便，只要有適當?shù)耐馆嗇喞涂梢允?/p>

4、從動件按任意預定的運動規(guī)律運動。因此，在自動機動件按任意預定的運動規(guī)律運動。因此，在自動機械中得到廣泛的應用。械中得到廣泛的應用。v 缺點：缺點：由于它是高副機構，凸輪與從動件為點或線由于它是高副機構，凸輪與從動件為點或線接觸，接觸點壓強高，較易磨損。故一般適用于受接觸，接觸點壓強高，較易磨損。故一般適用于受力不大的控制機構和調(diào)節(jié)機構。另外，凸輪的輪廓力不大的控制機構和調(diào)節(jié)機構。另外，凸輪的輪廓曲線加工有一定的困難，然而隨著數(shù)控技術的普及，曲線加工有一定的困難，然而隨著數(shù)控技術的普及，這個問題也基本得到了解決。這個問題也基本得到了解決。凸輪機構凸輪機構4.1 4.1 凸輪機構的應用和特點凸輪機

5、構的應用和特點4.2 4.2 凸輪機構類型凸輪機構類型4.3 4.3 凸輪機構從動件常用的運動規(guī)律凸輪機構從動件常用的運動規(guī)律4.4 4.4 用圖解法設計盤形凸輪的輪廓用圖解法設計盤形凸輪的輪廓4.5 4.5 凸輪機構設計中的注意事項凸輪機構設計中的注意事項4.6 4.6 凸輪機構常用材料、結構和加工凸輪機構常用材料、結構和加工4.2 4.2 凸輪機構類型凸輪機構類型v工程實際中所使用的凸輪機構形式多種多樣，工程實際中所使用的凸輪機構形式多種多樣，可進行如下分類?？蛇M行如下分類。(1) (1) 按凸輪形狀分類按凸輪形狀分類(2) (2) 按從動件的末端形式分類按從動件的末端形式分類(3) (3

6、) 按從動件運動形式分類按從動件運動形式分類(4) (4) 按從動件對心形式分類按從動件對心形式分類凸輪機構凸輪機構4.1 4.1 凸輪機構的應用和特點凸輪機構的應用和特點4.2 4.2 凸輪機構類型凸輪機構類型4.3 4.3 凸輪機構從動件常用的運動規(guī)律凸輪機構從動件常用的運動規(guī)律4.4 4.4 用圖解法設計盤形凸輪的輪廓用圖解法設計盤形凸輪的輪廓4.5 4.5 凸輪機構設計中的注意事項凸輪機構設計中的注意事項4.6 4.6 凸輪機構常用材料、結構和加工凸輪機構常用材料、結構和加工4.3.1 4.3.1 平面凸輪機構的基本概念和參平面凸輪機構的基本概念和參數(shù)數(shù) 如圖如圖4-44-4所示為一對

7、心直動尖頂從動件盤形凸輪機所示為一對心直動尖頂從動件盤形凸輪機構，凸輪以等角速度構，凸輪以等角速度順時針轉動。順時針轉動。(一一) 凸輪基圓與基圓半徑凸輪基圓與基圓半徑rb(二二)凸輪機構的運動過程凸輪機構的運動過程(三三)從動件的運動線圖從動件的運動線圖圖圖4-4 4-4 凸輪機構的運動過程凸輪機構的運動過程4.3.2 4.3.2 從動件常用運動規(guī)律從動件常用運動規(guī)律 凸輪機構中從動件在運動過程中，其位移凸輪機構中從動件在運動過程中，其位移s s、速度、速度v v、加速度、加速度a a隨凸輪轉角隨凸輪轉角(或時間或時間t)t)的變化規(guī)律，稱為的變化規(guī)律，稱為從動件運動規(guī)律。從動件運動規(guī)律完全

8、取決于凸輪的從動件運動規(guī)律。從動件運動規(guī)律完全取決于凸輪的輪廓形狀。因此，設計凸輪輪廓時，首先應根據(jù)工作輪廓形狀。因此，設計凸輪輪廓時，首先應根據(jù)工作要求確定從動件運動規(guī)律，并按此運動規(guī)律設計凸輪要求確定從動件運動規(guī)律，并按此運動規(guī)律設計凸輪輪廓形狀，以實現(xiàn)從動件預期的運動。輪廓形狀，以實現(xiàn)從動件預期的運動。 凸輪機構從動件常用的運動規(guī)律有：凸輪機構從動件常用的運動規(guī)律有：(1(1) ) 等速運動等速運動規(guī)律規(guī)律(2(2) )等加速等減速運動規(guī)律等加速等減速運動規(guī)律(3(3) )余弦加速度運動余弦加速度運動規(guī)律規(guī)律4.3.3 4.3.3 從動件運動規(guī)律的選擇從動件運動規(guī)律的選擇 選擇從動件運動

9、規(guī)律時，一般應從機構的沖擊情選擇從動件運動規(guī)律時，一般應從機構的沖擊情況、從動件的最大速度況、從動件的最大速度v vmaxmax和最大加速度和最大加速度a amaxmax共共3 3個方面?zhèn)€方面對各種運動規(guī)律的特性進行比較。對各種運動規(guī)律的特性進行比較。 對于質量較大的從動件，應選擇對于質量較大的從動件，應選擇vmaxvmax較小的運動較小的運動規(guī)律。從動件的規(guī)律。從動件的v vmaxmax反映了從動件最大沖量的大小，在反映了從動件最大沖量的大小，在啟動、停車或突然制動時會產(chǎn)生很大的沖擊。因此，啟動、停車或突然制動時會產(chǎn)生很大的沖擊。因此，從動件的從動件的v vmaxmax要盡量小。要盡量小。

10、對于高速凸輪機構，對于高速凸輪機構，a amaxmax不宜太大。最大加速度反不宜太大。最大加速度反映出從動件慣性的大小，映出從動件慣性的大小，a amaxmax越大，慣性就越大。因此，越大，慣性就越大。因此，從動件的最大加速度從動件的最大加速度a amaxmax要盡量小。要盡量小。凸輪機構凸輪機構4.1 4.1 凸輪機構的應用和特點凸輪機構的應用和特點4.2 4.2 凸輪機構類型凸輪機構類型4.3 4.3 凸輪機構從動件常用的運動規(guī)律凸輪機構從動件常用的運動規(guī)律4.4 4.4 用圖解法設計盤形凸輪的輪廓用圖解法設計盤形凸輪的輪廓4.5 4.5 凸輪機構設計中的注意事項凸輪機構設計中的注意事項4

11、.6 4.6 凸輪機構常用材料、結構和加工凸輪機構常用材料、結構和加工4.4 4.4 用圖解法設計盤形凸輪的輪廓用圖解法設計盤形凸輪的輪廓 凸輪輪廓的設計有圖解法和解析法。圖解法直觀、方便，但精度較低，常用于一般精度的凸輪輪廓設計，解析法精度高，但計算煩瑣，主要用于高速或高精度的凸輪輪廓設計。本節(jié)只介紹圖解法。4.4.1 4.4.1 反轉法原理反轉法原理v 如圖如圖4-84-8所示，已知凸輪繞軸所示，已知凸輪繞軸O O以等角速度以等角速度逆時針轉動?，F(xiàn)假逆時針轉動?，F(xiàn)假想給整個機構加一個與想給整個機構加一個與 大小相等、方向相反的角速度大小相等、方向相反的角速度 ，于是，于是凸輪靜止不動，而從

12、動件連同機架一起以角速度凸輪靜止不動，而從動件連同機架一起以角速度 繞凸輪轉動，繞凸輪轉動，同時從動件仍以原來的運動規(guī)律相對機架運動。由于尖底從動同時從動件仍以原來的運動規(guī)律相對機架運動。由于尖底從動件在反轉過程中其尖端始終與凸輪輪廓曲線相接觸，故從動件件在反轉過程中其尖端始終與凸輪輪廓曲線相接觸，故從動件尖端的軌跡就是該凸輪的理論輪廓曲線。尖端的軌跡就是該凸輪的理論輪廓曲線。v 把原來轉動著的凸輪看成是靜止不動的，而把原來靜止不動的把原來轉動著的凸輪看成是靜止不動的，而把原來靜止不動的機架及作往復移動的從動件看成為反轉運動的這一原理，稱為機架及作往復移動的從動件看成為反轉運動的這一原理，稱為

13、反轉法原理反轉法原理。圖圖4-8 4-8 反轉法原理反轉法原理4.4.2 4.4.2 對心直動尖頂從動件盤形凸輪輪廓的設計對心直動尖頂從動件盤形凸輪輪廓的設計 已知從動件位移線圖已知從動件位移線圖( (如圖如圖4-9(b)4-9(b)所示所示) )、凸輪的、凸輪的基圓半徑基圓半徑rbrb及凸輪以等角速度及凸輪以等角速度順時針回轉，要求設順時針回轉，要求設計此凸輪的輪廓曲線。計此凸輪的輪廓曲線。 設計步驟如下：設計步驟如下：12344.4.3 4.4.3 對心直動滾子從動件盤形凸輪輪廓的設計對心直動滾子從動件盤形凸輪輪廓的設計 若如圖若如圖4-94-9所示的尖頂改為滾子，如圖所示的尖頂改為滾子，

14、如圖4-104-10所示，其作圖所示，其作圖法如下：法如下：(1) (1) 首先把滾子中心看做尖頂件的尖頂，按照前述方法求出一條首先把滾子中心看做尖頂件的尖頂，按照前述方法求出一條輪廓曲線輪廓曲線0(0(也即滾子中心的軌跡也即滾子中心的軌跡) )，00稱為此凸輪的理論輪廓稱為此凸輪的理論輪廓曲線。曲線。(2) (2) 再以再以00上各點為圓心，以滾子半徑上各點為圓心，以滾子半徑rTrT為半徑作系列圓，最為半徑作系列圓，最后作這些圓的包絡線后作這些圓的包絡線，它便是使用滾子從動件時凸輪的實際輪，它便是使用滾子從動件時凸輪的實際輪廓曲線。由作圖過程可知，滾子從動件凸輪的基圓半徑和壓力角廓曲線。由作

15、圖過程可知，滾子從動件凸輪的基圓半徑和壓力角均應在理論輪廓曲線上度量。均應在理論輪廓曲線上度量。圖圖4-10 4-10 對心直動滾子從動件盤形凸輪對心直動滾子從動件盤形凸輪4.4.4 4.4.4 偏置直動尖頂從動件盤形凸輪輪廓的設計偏置直動尖頂從動件盤形凸輪輪廓的設計 已知偏距為已知偏距為e e，基圓半徑為，基圓半徑為rbrb，凸輪以角速度，凸輪以角速度順順時針轉動，從動件位移線圖如圖時針轉動，從動件位移線圖如圖4-11(b)4-11(b)所示，設計該所示，設計該凸輪的輪廓曲線。凸輪的輪廓曲線。 設計步驟如下：設計步驟如下：(1) 確定凸輪機構初始位置(2) 等分基圓(3) 作從動件導路(4)

16、 作從動件尖頂軌跡(5) 繪制凸輪輪廓圖圖4-11 4-11 偏置直動尖頂從動件盤形凸輪偏置直動尖頂從動件盤形凸輪凸輪機構凸輪機構4.1 4.1 凸輪機構的應用和特點凸輪機構的應用和特點4.2 4.2 凸輪機構類型凸輪機構類型4.3 4.3 凸輪機構從動件常用的運動規(guī)律凸輪機構從動件常用的運動規(guī)律4.4 4.4 用圖解法設計盤形凸輪的輪廓用圖解法設計盤形凸輪的輪廓4.5 4.5 凸輪機構設計中的注意事項凸輪機構設計中的注意事項4.6 4.6 凸輪機構常用材料、結構和加工凸輪機構常用材料、結構和加工4.5.1 4.5.1 凸輪機構的壓力角及校核凸輪機構的壓力角及校核(1) 壓力角及許用值壓力角及

17、許用值(2)壓力角的校核壓力角的校核(3)凸輪輪廓急劇變化的位置凸輪輪廓急劇變化的位置圖圖4-12 4-12 凸輪機構的壓力角凸輪機構的壓力角4.5.2 4.5.2 基圓半徑的確定基圓半徑的確定v 基圓半徑也是凸輪設計的一個重要參數(shù)，它對凸輪機基圓半徑也是凸輪設計的一個重要參數(shù)，它對凸輪機構的結構尺寸、體積、質量、受力狀況和工作性能等構的結構尺寸、體積、質量、受力狀況和工作性能等都有重要影響。都有重要影響。v 設計時應根據(jù)具體情況合理選擇，若對機構體積沒有設計時應根據(jù)具體情況合理選擇，若對機構體積沒有嚴格要求時，可取較大的基圓半徑，以便減小壓力角，嚴格要求時，可取較大的基圓半徑，以便減小壓力角

18、，使機構具有良好的受力條件；若要求機構體積小、結使機構具有良好的受力條件；若要求機構體積小、結構緊湊，可取較小的基圓半徑，但最大壓力角不得超構緊湊，可取較小的基圓半徑，但最大壓力角不得超過許用壓力角過許用壓力角 。通?？稍趬毫恰Ｍǔ？稍趬毫?不超過許用壓力不超過許用壓力角的條件下，盡可能采用較小的基圓半徑。一般可根角的條件下，盡可能采用較小的基圓半徑。一般可根據(jù)經(jīng)驗公式確定據(jù)經(jīng)驗公式確定rbrb，即，即brs0.9d (7(710)mm 10)mm 4.5.3 4.5.3 滾子半徑的選擇滾子半徑的選擇v 從接觸強度出發(fā)，滾子半徑大一些好，但有些情況從接觸強度出發(fā)，滾子半徑大一些好，但有些情

19、況卻要求滾子半徑不能任意增大。如圖卻要求滾子半徑不能任意增大。如圖4-154-15所示，設所示，設滾子半徑為滾子半徑為rTrT，凸輪理論輪廓曲率半徑為，凸輪理論輪廓曲率半徑為，實際，實際輪廓曲率半徑為輪廓曲率半徑為。理論輪廓線內(nèi)凹理論輪廓線內(nèi)凹1理論輪廓線外凸理論輪廓線外凸2圖圖4-15 4-15 滾子半徑的選擇滾子半徑的選擇凸輪機構凸輪機構4.1 4.1 凸輪機構的應用和特點凸輪機構的應用和特點4.2 4.2 凸輪機構類型凸輪機構類型4.3 4.3 凸輪機構從動件常用的運動規(guī)律凸輪機構從動件常用的運動規(guī)律4.4 4.4 用圖解法設計盤形凸輪的輪廓用圖解法設計盤形凸輪的輪廓4.5 4.5 凸輪

20、機構設計中的注意事項凸輪機構設計中的注意事項4.6 4.6 凸輪機構常用材料、結構和加工凸輪機構常用材料、結構和加工4.6.1 4.6.1 凸輪及滾子的常用材料凸輪及滾子的常用材料v 凸輪機構是一種高副機構，其主要失效形式是凸輪與從凸輪機構是一種高副機構，其主要失效形式是凸輪與從動件接觸表面的疲勞點蝕和磨損，前者是由變化的接觸動件接觸表面的疲勞點蝕和磨損，前者是由變化的接觸應力引起的，后者是由摩擦引起的。因此，凸輪副材料應力引起的，后者是由摩擦引起的。因此，凸輪副材料應具有足夠的接觸強度和良好的耐磨性，特別是其接觸應具有足夠的接觸強度和良好的耐磨性，特別是其接觸表面應具有較高的硬度。凸輪及滾子的常用材料見表表面應具有較高的硬度。凸輪及滾子的常用材料見表4-34-3。構件材料熱處理使用場合凸輪40、45、50調(diào) 質 2 3 0 260HBS速度較低、載荷不大的一般場合HT200、HT250、HT300退 火 1 7 0 250HBSQ T 6 0 0 - 3 、QT700-2