第4章-凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)習(xí)題解答

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上4.1 如圖4.3(a)所示的凸輪機(jī)構(gòu)推桿的速度曲線由五段直線組成。要求：在題圖上畫出推桿的位移曲線、加速度曲線；判斷哪幾個(gè)位置有沖擊存在，是剛性沖擊還是柔性沖擊；在圖示的F位置，凸輪與推桿之間有無(wú)慣性力作用，有無(wú)沖擊存在?圖4.3【分析】要正確地根據(jù)位移曲線、速度曲線和加速度曲線中的一個(gè)畫出其余的兩個(gè)，必須對(duì)常見四推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律熟悉。至于判斷有無(wú)沖擊以及沖擊的類型，關(guān)鍵要看速度和加速度有無(wú)突變。若速度突變處加速度無(wú)窮大，則有剛性沖擊；若加速度的突變?yōu)橛邢拗?，則為柔性沖擊。解：由圖4.3(a)可知，在OA段內(nèi)(0/2)，因推桿的速度v=0，故此段為推桿的近休段，推桿的

2、位移及加速度均為零。在AB段內(nèi)(/23/2)，因v>0，故為推桿的推程段。且在AB段內(nèi)，因速度線圖為上升的斜直線，故推桿先等加速上升，位移曲線為拋物線運(yùn)動(dòng)曲線，而加速度曲線為正的水平直線段；在BC段內(nèi)，因速度曲線為水平直線段，故推桿繼續(xù)等速上升，位移曲線為上升的斜直線，而加速度曲線為與軸重合的線段；在CD段內(nèi)，因速度線為下降的斜直線，故推桿繼續(xù)等減速上升，位移曲線為拋物線，而加速度曲線為負(fù)的水平線段。在DE段內(nèi)(3/22)，因v<0，故為推桿的回程段，因速度曲線為水平線段，故推桿做等速下降運(yùn)動(dòng)。其位移曲線為下降的斜直線，而加速度曲線為與軸重合的線段，且在D和E處其加速度分別為負(fù)無(wú)窮

3、大和正無(wú)窮大。綜上所述作出推桿的速度v及加速度a線圖如圖4.3(b)及(c)所示。由推桿速度曲線和加速度曲線知，在D及E處，有速度突變，且相應(yīng)的加速度分別為負(fù)無(wú)窮大和正無(wú)窮大。故凸輪機(jī)構(gòu)在D和E處有剛性沖擊。而在A，B，C及D處加速度存在有限突變，故在這幾處凸輪機(jī)構(gòu)有柔性沖擊。在F處有正的加速度值，故有慣性力，但既無(wú)速度突變，也無(wú)加速度突變，因此，F(xiàn)處無(wú)沖擊存在?！驹u(píng)注】本例是針對(duì)推桿常用的四種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的典型題。解題的關(guān)鍵是對(duì)常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律的位移、速度以及加速度線圖熟練，特別是要會(huì)作常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律的位移、速度以及加速度線圖。4.2 對(duì)于圖4.4(a)所示的凸輪機(jī)構(gòu)，要求：（1）寫出該凸輪機(jī)構(gòu)的名稱

4、；（2）在圖上標(biāo)出凸輪的合理轉(zhuǎn)向。（3）畫出凸輪的基圓；（4）畫出從升程開始到圖示位置時(shí)推桿的位移s，相對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角，B點(diǎn)的壓力角。（5）畫出推桿的行程H。圖4.4【分析】凸輪機(jī)構(gòu)名稱的命名，一般的順序?yàn)橥茥U的運(yùn)動(dòng)形式+推桿的形式+凸輪的形式；在本題中，凸輪的合理轉(zhuǎn)向系指使推程壓力角較小的凸輪轉(zhuǎn)向。當(dāng)偏置與推程時(shí)凸輪和推桿的相對(duì)速度瞬心位于凸輪軸心的同側(cè)時(shí)，凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角較小。凸輪的基圓是指凸輪理論廓線的基圓，所以應(yīng)先求出本凸輪的理論廓線；在求解圖示位置時(shí)推桿的位移和相對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角，應(yīng)先找到推桿升程的起點(diǎn)。解：（1）偏置直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)。（2）為使推程壓力角較小，凸輪應(yīng)該順時(shí)針轉(zhuǎn)

5、動(dòng)。（3）以O(shè)為圓心，以O(shè)B為半徑畫圓得理論廓線。連結(jié)OA并延長(zhǎng)交理論廓線于B0點(diǎn)，再以轉(zhuǎn)動(dòng)中心A為圓心，以AB0為半徑畫圓得基圓，其半徑為r0(見圖4.4(b)。（3）B0點(diǎn)即為推桿推程的起點(diǎn)，圖示位置時(shí)推桿的位移和相應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角分別為s，見圖4.4(b)，B點(diǎn)處的壓力角=0。（4）AO連線與凸輪理論廓線的另一交點(diǎn)為B1，過(guò)B1作偏距圓的切線交基圓于C1點(diǎn)，因此B1C1為行程H?！驹u(píng)注】這是凸輪機(jī)構(gòu)分析題目中一道基本題。題目中所涉及到的凸輪機(jī)構(gòu)的名稱、基圓、壓力角、位移等皆是基本概念，因此做此類題時(shí)，應(yīng)對(duì)本章的概念掌握牢靠。另外，過(guò)B0，B1點(diǎn)作偏距圓的切線時(shí)，應(yīng)注意此切線相對(duì)于A點(diǎn)的位置。

6、即在本題中，過(guò)B1點(diǎn)作偏距圓的切線應(yīng)在A點(diǎn)的下方。4.3 圖4.5(a)所示凸輪的廓線由三段圓弧(圓心分別在O、O、O點(diǎn))及一段直線組成，推桿為圓心在B點(diǎn)的一段圓弧構(gòu)成的曲底擺動(dòng)推桿。試用作圖法求該凸輪機(jī)構(gòu)的推程運(yùn)動(dòng)角、回程運(yùn)動(dòng)角、推桿的最大擺角(行程)，推桿在圖示位置時(shí)的角位移及壓力角。以及凸輪從圖示位置再轉(zhuǎn)過(guò)70°后推桿的角位移及壓力角。圖4.5【分析】要求出題目中所要求解的參數(shù)，必須先找出此凸輪機(jī)構(gòu)的基圓和擺動(dòng)推桿的初始位置。題中的曲底推桿等效于一滾子推桿，滾子半徑為rr，滾子中心在B點(diǎn)。因此在解題時(shí)應(yīng)先求出凸輪的理論廓線，再根據(jù)反轉(zhuǎn)原理，求出推桿在推程起始點(diǎn)、推程終止點(diǎn)、回程

7、終止點(diǎn)及反轉(zhuǎn)70°后推桿的位置，進(jìn)而求出所要求解的各個(gè)參數(shù)。解：以凸輪回轉(zhuǎn)中心O為圓心，以0A為半徑畫圓，此即擺動(dòng)推桿的擺動(dòng)中心在反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的軌跡圓，見圖4.5(b)。分別以O(shè)、O、O為圓心，以凸輪實(shí)際廓線中相應(yīng)圓弧長(zhǎng)加上滾子半徑rr為半徑做出凸輪的理論廓線，見圖4.5(b)中細(xì)線輪廓。的延長(zhǎng)線與理論輪廓的交點(diǎn)B0為推程廓線的最低點(diǎn)，以B0為圓心，以為半徑畫弧與軌跡圓的交點(diǎn)A0為推程起始點(diǎn)時(shí)擺動(dòng)推桿擺動(dòng)中心的位置。OO的延長(zhǎng)線與理論廓線的交點(diǎn)B1為理論廓線的最高點(diǎn)，以為圓心，以為半徑畫弧與軌跡圓的交點(diǎn)A1為推程終止點(diǎn)時(shí)擺動(dòng)推桿擺動(dòng)中心的位置。故A0OA1=即為推程運(yùn)動(dòng)角，見圖4.5(

8、b)。過(guò)O點(diǎn)作凸輪廓線直線部分的垂線，其與理論廓線的交點(diǎn)B2為回程的最低點(diǎn)。以B2為圓心，以為半徑畫弧與軌跡圓的交點(diǎn)A2為回程終止時(shí)擺動(dòng)推桿擺動(dòng)中心的位置；故A1OA2=即為回程運(yùn)動(dòng)角，見圖4.5(b)。以A1為圓心，以為半徑畫弧與基圓交于Bl點(diǎn)，B1OB1=即為推程的角行程，見圖4.5(b)。以A為圓心，以為半徑畫弧與基圓交于點(diǎn)，OB=為推桿在圖示位置時(shí)的角位移，見圖4.5(b)。連線OB為凸輪廓線在B點(diǎn)的法線(即正壓力的方向線)，過(guò)B點(diǎn)作AB的垂線即為推桿在B點(diǎn)的速度方向線，兩者之間的夾角即為凸輪機(jī)構(gòu)在圖示位置時(shí)的壓力角，見圖4.5(b)。由于凸輪沿逆時(shí)針方向回轉(zhuǎn)，故從OA開始沿順時(shí)針方向

9、量給定的凸輪轉(zhuǎn)角70°得機(jī)架在反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所占有的位置A。以A為圓心，以為半徑畫弧，分別與基圓和理論廓線交于B點(diǎn)和B點(diǎn)，BAB=為推桿在指定位置的角位移，過(guò)B點(diǎn)作凸輪理論廓線的垂線和推桿AB的垂線，兩垂線間的夾角即為此位置時(shí)凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角，見圖4.5(b)?！驹u(píng)注】對(duì)于滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)中的凸輪，其理論廓線和實(shí)際廓線為等距曲線，兩條曲線間的距離為滾子半徑，據(jù)此可容易地作出凸輪的理論廓線。凸輪上推程的起始點(diǎn)、推程的終止點(diǎn)、回程的終止點(diǎn)等關(guān)鍵點(diǎn)均是在理論廓線上尋求，方法是找離凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心最近和最遠(yuǎn)的點(diǎn)，由于本題中凸輪廓線由直線和圓弧組成，所以這些關(guān)鍵點(diǎn)可利用已知的幾何條件求得。然后根據(jù)

10、這些關(guān)鍵點(diǎn)以及凸輪與推桿的相對(duì)位置確定反轉(zhuǎn)后推桿的位置和姿態(tài)。在作圖時(shí)，要?jiǎng)?wù)必小心不要將凸輪與推桿的相對(duì)位置弄錯(cuò)。4.4 如圖4.6(a)所示的直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)中，已知推程運(yùn)動(dòng)角=120°，推桿做等加速等減速運(yùn)動(dòng)，推桿的行程為h=25mm，等加速段的位移方程為，等減速段為，凸輪實(shí)際輪廓的最小半徑rmin=30mm，滾子半徑rr=12mm，偏距e14mm。試用解析法求：（1）凸輪基圓半徑r0的值；（2）當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)，推桿的位移量s和速度各為多大?（3）當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)，凸輪與推桿的瞬心位置。（4）求當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)，所對(duì)應(yīng)的凸輪理論廓線的

11、對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)；（5）求當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)，所對(duì)應(yīng)的凸輪實(shí)際廓線的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)；（6）求當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)，凸輪機(jī)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的壓力角。圖4.6【分析】要求解本題，首先需要正確地根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理建立凸輪理論廓線和工作廓線的方程式，然后按照解析法設(shè)計(jì)的一般步驟正確求解即可。解：選取坐標(biāo)系如圖4.6(b)所示，推桿滾子中心處B0為起始位置，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)角時(shí)，推桿相應(yīng)的位移為s，再過(guò)B點(diǎn)作凸輪理論廓線的法線nn，其與x軸的夾角即是凸輪理論廓線的法線傾角。法線nn與B點(diǎn)處的滾子交于點(diǎn)B，即凸輪實(shí)際輪廓上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。凸輪理論廓線B點(diǎn)的法線nn與過(guò)凸輪軸心O垂直于推桿導(dǎo)路的直線交于點(diǎn)P12，即為凸

12、輪與推桿的相對(duì)瞬心位置。推桿導(dǎo)路與法線nn間的夾角即為凸輪機(jī)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的壓力角。（1）凸輪的基圓半徑為r0=rmin+rr=(30+12)mm=42mm（2）當(dāng)=90°時(shí)，推桿處于推程減速段，故對(duì)應(yīng)的推桿位移和速度為(3) 由圖4.6(b)可知，點(diǎn)P12的坐標(biāo)方程式為根據(jù)瞬心定義知：，所以。當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)，凸輪與推桿的瞬心位置的坐標(biāo)為（4）由圖4.6(b)可知，凸輪理論廓線上B點(diǎn)(即滾子中心)的直角坐標(biāo)為式中，從而（5）由圖4.6(b)可知，凸輪實(shí)際廓線的方程即B點(diǎn)的坐標(biāo)方程式為因?yàn)樗怨剩?）由圖4.6(b)可知，該位置的壓力角為或者 【評(píng)注】這是一道典型的解析法設(shè)計(jì)和

13、分析凸輪廓線的題目，解題的關(guān)鍵是根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理建立凸輪理論廓線和工作廓線的方程式。因此扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底是解題的保障。需要注意的是：在解題過(guò)程中，所建立的坐標(biāo)系不同，得到的計(jì)算方程和各坐標(biāo)值是不同的。因此在解題中不能死搬課本的公式，如本題中理論廓線坐標(biāo)的計(jì)算公式、sin及cos的計(jì)算公式就與課本不同，其原因是坐標(biāo)系不同，他們相差90°，因此所得的計(jì)算公式就不同。4.6.1 學(xué)習(xí)效果測(cè)試題9-1選擇題，請(qǐng)將所選答案前方的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。(1) 盤形凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角恒等于常數(shù)。 （ ） A擺動(dòng)尖頂推桿 B直動(dòng)滾子推桿 。 C擺動(dòng)平底推桿 D擺動(dòng)滾子推桿(2)對(duì)于直動(dòng)推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)講

14、，在其他條件相同的情況下，偏置直動(dòng)推桿與對(duì)心直動(dòng)推桿相比，兩者在推程段最大壓力角的關(guān)系為_。 （ ） A偏置直動(dòng)推桿比對(duì)心直動(dòng)推桿大 B對(duì)心直動(dòng)推桿比偏置直動(dòng)推桿大 C一樣大 D不一定(3)下述幾種規(guī)律中，_既不會(huì)產(chǎn)生柔性沖擊也不會(huì)產(chǎn)生剛性沖擊，可用于高速場(chǎng)合。 （ ） A等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律 B正弦加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律 C等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律 D余弦加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律(4)對(duì)心直動(dòng)尖頂盤形凸輪機(jī)構(gòu)的推程壓力角超過(guò)許用值時(shí)，可采用_措施來(lái)解決。 （ ） A增大基圓半徑 B改為滾子推桿 C改變凸輪轉(zhuǎn)向 D改為偏置直動(dòng)尖頂推桿(5)當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)的推桿推程按等加速等減速規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，推程開始和結(jié)束位置_。 （ ） A存在剛性

15、沖擊 B存在柔性沖擊 C不存在沖擊(6)若增大凸輪機(jī)構(gòu)的推程壓力角，則該凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪基圓半徑將_，推桿上所受的有害分力將_。 （ ） A增大 B減小 C不變(7)尖頂推桿凸輪機(jī)構(gòu)中，基圓的大小會(huì)影響_。 ( ) A推桿的位移 B推桿的速度 C推桿的加速度 D凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角(8)設(shè)計(jì)滾子推桿盤狀凸輪輪廓線時(shí)，若將滾子半徑加大，那么凸輪凸形廓線上各點(diǎn)曲率半徑_。 （ ） A一定變大 B一定變小 C不變 D可能變大也可能變小(9)與連桿機(jī)構(gòu)相比，凸輪機(jī)構(gòu)的最大缺點(diǎn)是_。 （ ） A慣性力難以平衡 B點(diǎn)、線接觸，易磨損 C設(shè)計(jì)較為復(fù)雜 D不能實(shí)現(xiàn)間歇運(yùn)動(dòng)9-2 問答題： (1)為什么平底推桿盤形凸

16、輪機(jī)構(gòu)的凸輪廓線一定要外凸？滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪廓線卻允許內(nèi)凹，而且內(nèi)凹段一定不會(huì)出現(xiàn)失真？(2)當(dāng)設(shè)計(jì)直動(dòng)推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪廓線時(shí)，若機(jī)構(gòu)的最大壓力角超過(guò)了許用值，試問可采用哪幾種措施來(lái)減小最大壓力角或增大許用壓力角?(3)在直動(dòng)推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)中，試問同一凸輪采用不同端部形狀的推桿時(shí)，其推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律是否相同?為什么?(4)在沖床中改用凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)沖頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和在內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中改用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)閥門的啟閉，可否?為什么?9-3 圖示為一對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)的理論廓線，已知凸輪的角速度為。（1）畫出該凸輪的實(shí)際廓線；（2）試在圖中畫出凸輪的基圓；（3）標(biāo)出機(jī)構(gòu)在圖示位置時(shí)的壓力角；（4）標(biāo)出在圖示位置時(shí)推桿的位移S測(cè)9-3題圖9-4 如圖所示為凸輪機(jī)構(gòu)的推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律s-曲線。其中AB為斜直線，BC為水平線(/A)，CD，DE兩段均為拋物線。試求：(1)畫出v-及a-曲線的示意圖(不必按比例畫，只要正確表達(dá)各曲線間數(shù)學(xué)關(guān)系即可)；(2)指出推桿行程中在哪些位置會(huì)發(fā)生何種性質(zhì)的沖擊?測(cè)9-4題圖9-5 如圖所示為一凸輪機(jī)構(gòu)推桿推程位移曲線0A/BC，AB平行橫坐標(biāo)軸。試分析該凸輪機(jī)構(gòu)在何處有最大壓力角，并扼要說(shuō)明理由。測(cè)9-5題圖9-6 在圖示凸輪機(jī)構(gòu)中，標(biāo)出并計(jì)算出推桿從最低位置上升到圖示位置時(shí)凸輪的轉(zhuǎn)角和推桿位移S、速度v。(其中：R=25mm，e=1