機械設(shè)計基礎(chǔ)第五章凸輪機構(gòu)

1、第五章第五章 凸輪凸輪(tln)機構(gòu)機構(gòu)精品資料組成組成(z chn) (z chn) 凸輪(tln)機構(gòu)凸凸 輪輪從動件從動件機機 架架鎖合裝置鎖合裝置是一個具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，為主動件被凸輪直接推動的構(gòu)件稱為推桿使從動件與凸輪始終保持接觸的裝置 當凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動時，通過其曲線輪廓與從動件之間的高副接觸，推動從動件，使其按所預定的規(guī)律進行往復運動固定的構(gòu)件精品資料一、 應用(yngyng)第一節(jié)第一節(jié) 凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)(jgu)(jgu)的應用的應用與分類與分類 平面連桿機構(gòu)雖然應用廣泛，但它只能近似地實現(xiàn)給定的運動規(guī)律，當從動件的位移、速度、加速度必須嚴格按照預定規(guī)律變化時，常用凸輪機

2、構(gòu)。內(nèi)燃機配氣機構(gòu) 自動送料機構(gòu) 自動車床靠模機構(gòu) 縫紉機挑線桿機構(gòu)精品資料二、二、 特點特點(tdin)(tdin)：優(yōu)點優(yōu)點(yudin):(yudin):適當設(shè)計凸輪的輪廓曲線，可以使推桿適當設(shè)計凸輪的輪廓曲線，可以使推桿得到各種預期的運動規(guī)律，而且設(shè)計簡單得到各種預期的運動規(guī)律，而且設(shè)計簡單; ;凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、運動可靠。簡單、緊湊、運動可靠。缺點缺點: :凸輪輪廓曲線的加工比較復雜，凸輪與從動件之間為點或線接觸，故難以保持良好的潤滑，容易磨損。 凸輪機構(gòu)通常適用于傳力不大的機械中。尤其廣泛應凸輪機構(gòu)通常適用于傳力不大的機械中。尤其廣泛應用于自動機械、儀表和自動控制

3、系統(tǒng)中用于自動機械、儀表和自動控制系統(tǒng)中。 精品資料三、凸輪機構(gòu)三、凸輪機構(gòu)(jgu)(jgu)的分類的分類 圓柱凸輪是圓柱面上開有凹槽的圓柱體，利用(lyng)它可使從動件得到較大的行程。 1.按凸輪的形狀分：按凸輪的形狀分：盤形凸輪 、移動凸輪、圓柱凸輪 。盤形凸輪是繞固定軸線轉(zhuǎn)動且有變化向徑的盤形構(gòu)件。盤形凸輪機構(gòu)簡單，應用廣泛，但限于凸輪徑向尺寸不能變化太大，故從動件的行程較短。（1）盤形凸輪）盤形凸輪（2）移動凸輪）移動凸輪移動凸輪是具有曲線輪廓、作往復直線移動的構(gòu)件，它可看成是轉(zhuǎn)動軸線位于無窮遠處的盤形凸輪。盤形凸輪移動凸輪（3）圓柱凸輪）圓柱凸輪 圓柱凸輪 精品資料從動件的端部裝

4、有滾子，由于(yuy)從動件與凸輪之間可形成滾動摩擦，所以磨損顯著減少，能承受較大載荷，應用最普遍。但端部重量較大，又不易潤滑，故仍不宜用于高速。2.按從動件末端按從動件末端(m dun)形狀分：尖頂、滾子、平形狀分：尖頂、滾子、平底從動件底從動件（1）尖頂從動件凸輪機構(gòu)）尖頂從動件凸輪機構(gòu)從動件的端部呈尖點，能與任何形狀的凸輪輪廓上各點相接觸，因而理論上可實現(xiàn)任意預期的運動規(guī)律。但由于從動件尖頂易磨損，故只能用于輕載低速的場合。（2）滾子從動件凸輪機構(gòu)）滾子從動件凸輪機構(gòu)從動件端部為一平底。若不計摩擦，凸輪對從動件的作用力始終垂直于平底，傳力性能良好，且凸輪與平底接觸面間易形成潤滑油膜，摩擦

5、磨損小、效率高，故可用于高速，但不能用于凸輪輪廓有內(nèi)凹的情況。 （3）平底從動件凸輪機構(gòu)）平底從動件凸輪機構(gòu)精品資料3.3.按鎖合方式按鎖合方式(fngsh)(fngsh)分：力分：力鎖合、形鎖合鎖合、形鎖合4.4.按從動件運動按從動件運動(yndng)(yndng)方式分：方式分：鎖合是指從動件與凸輪之間始終保持的高副接觸的裝置。（1）力鎖合凸輪機構(gòu)）力鎖合凸輪機構(gòu)（2）形鎖合凸輪機構(gòu)）形鎖合凸輪機構(gòu)直動從動件凸輪機構(gòu)擺動從動件凸輪機構(gòu)從動件導路是否通過凸輪回轉(zhuǎn)中心對心對心直動從動件凸輪機構(gòu)偏置移動從動件凸輪機構(gòu)依靠重力、彈力或其他外力來鎖合依靠凸輪和從動件幾何形狀來保證鎖合 精品資料第二節(jié)

6、從動件的常用第二節(jié)從動件的常用(chn yn)(chn yn)運動規(guī)律運動規(guī)律當凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動時，從動件將重復(chngf)上述運動過程。 一、運動過程與運動參數(shù) 1.基圓:以凸輪回轉(zhuǎn)軸心為圓心，以凸輪的最小向徑rb為半徑所作的圓精品資料上述運動過中，從動件的位移s、速度v和加速度a等隨凸輪轉(zhuǎn)角而變化的規(guī)律稱為從動件的運動規(guī)律。從動件的運動規(guī)律可以用位移線圖來表示。位移線圖以從動件位移S或角位移為縱坐標，凸輪轉(zhuǎn)角為橫坐標所作出的線圖。因為凸輪一般作等速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)角與時間成正比（=t），因此橫坐標也可以代表時間t。以速度v或加速度a為縱坐標則作出速度線圖或加速度線圖。位移、速度、加速度線圖統(tǒng)稱為運動

7、線圖。 顯然，從動件的運動規(guī)律取決于凸輪的輪廓形狀,反之，從動件的不同運動規(guī)律要求(yoqi)凸輪具有不同形狀的輪廓。因此，設(shè)計凸輪機構(gòu)時，應首先根據(jù)工作要求(yoqi)確定從動件的運動規(guī)律，再據(jù)此來設(shè)計凸輪的輪廓曲線。 精品資料二、從動件的常用運動二、從動件的常用運動(yndng)(yndng)規(guī)律規(guī)律從動件作等速運動規(guī)律(gul)的運動線圖如圖所示。其位移曲線為斜直線，速度曲線為平直線，加速度曲線為零線。.等速運動規(guī)律等速運動規(guī)律是指凸輪以等角速度轉(zhuǎn)動時，從動件在推程或回程的運動速度為常數(shù)的運動規(guī)律。（a)推程(b)回程由圖可見，從動件在推程始末（回程）兩點、處，速度有突速度有突變，使瞬時

8、加速度趨于無窮大，變，使瞬時加速度趨于無窮大，從而產(chǎn)生無窮大慣性力，引起剛從而產(chǎn)生無窮大慣性力，引起剛性沖擊或性沖擊或“硬沖硬沖”。因此，單獨。因此，單獨采用這種運動規(guī)律時，只能用于采用這種運動規(guī)律時，只能用于凸輪凸輪轉(zhuǎn)速很低以及輕載轉(zhuǎn)速很低以及輕載的場合。的場合。 精品資料 由圖可見，在推（回）程的始末點和前、后半程的交接處，加速度有限的突變，因而慣性力也產(chǎn)生有限的突變，由此將對機構(gòu) 造 成 有 限 大 小 的 沖 擊(chngj)，這種沖擊(chngj)稱為“柔性沖擊(chngj)”或“軟沖”。因此這種運動規(guī)律只適用于中速、中載的場合。 等加速等減速運動規(guī)律等加速等減速運動規(guī)律是指凸輪以等

9、角速度轉(zhuǎn)動時，從動件在一個是指凸輪以等角速度轉(zhuǎn)動時，從動件在一個(y (y )行程中，前半行程作等加速運動，后半行程作等減速運動行程中，前半行程作等加速運動，后半行程作等減速運動的運動規(guī)律。的運動規(guī)律。運動線圖如圖所示。其位移曲線為兩段光滑相連開口相反的拋物線，速位移曲線為兩段光滑相連開口相反的拋物線，速度曲線為斜直線，加速度曲線為平直線。度曲線為斜直線，加速度曲線為平直線。推程位移線圖作圖方法演示。（a)推程 (b)回程精品資料由圖可見，在推（回）程始末點處仍有加速度的有限值的突變，即存在(cnzi)“軟沖”，因此只適用于中、低速。但若從動件作無停歇的升降升型連續(xù)運動，則加速度曲線為光滑連續(xù)

10、的余弦曲線，消除了“軟沖”，故可用于高速。 . .余弦加速度運動余弦加速度運動(yndng)(yndng)規(guī)律規(guī)律是指凸輪以等角速度轉(zhuǎn)動時，從動件加速度按余弦規(guī)律變是指凸輪以等角速度轉(zhuǎn)動時，從動件加速度按余弦規(guī)律變化的運動化的運動(yndng)(yndng)規(guī)律。規(guī)律。（a)推程 (b)回程運動線圖如圖所示。其位移曲線為簡諧曲線位移曲線為簡諧曲線，速度曲線為正弦曲線，加速度曲線為正弦曲線，加速度曲線為余弦曲線。速度曲線為余弦曲線。作圖方法如圖所示。精品資料反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)(fn zhun)(fn zhun)法原理法原理第三節(jié)直動從動件盤形凸輪輪廓第三節(jié)直動從動件盤形凸輪輪廓(lnku)(lnku)曲線

11、的曲線的設(shè)計設(shè)計 假想給整個機構(gòu)加一公共角速度-w,則凸輪相對靜止不動，而推桿一方面隨導軌以-w w繞凸輪軸心轉(zhuǎn)動，另一方面又沿導軌作預期的往復移動。推桿尖頂在這種復合運動中的運動軌跡即為凸輪輪廓曲線凸輪是運動的，而縱坐標在圖紙上是靜止的。為便于繪制，需設(shè)法讓凸輪固定。常用反轉(zhuǎn)法。 精品資料.尖頂直動從動件盤形凸輪機構(gòu)凸輪輪廓(lnku)設(shè)計精品資料. .對心滾子直動從動件盤形凸輪輪廓對心滾子直動從動件盤形凸輪輪廓(lnku)(lnku)曲線曲線的設(shè)計的設(shè)計 實際輪廓(lnku)曲線 理論輪廓曲線 （3）在理論輪廓上畫出一系列滾子，（1）去掉滾子，以滾子中心為尖底。（2）按照上述方法作出輪廓曲

12、線理論輪廓曲線（）畫出滾子的 內(nèi)包絡線實際輪廓曲線。精品資料（3）過B1、B2點作出一系列平底，得到一直線族。作出直線族的包絡線，便得到凸輪實際(shj)輪廓曲線。 wwB0B1B2B3B45BB6B7B80rObb 3.平底從動件直動從動件盤形凸輪平底從動件直動從動件盤形凸輪(tln)輪廓曲線的設(shè)計輪廓曲線的設(shè)計 （1）取平底與導路的交點B0為參考點（2）把B0看作尖底，運用上述方法找到B1、B2精品資料. 偏心尖頂直動從動件盤形凸輪輪廓曲線(qxin)的設(shè)計精品資料第四節(jié)凸輪機構(gòu)第四節(jié)凸輪機構(gòu)(jgu)基本尺寸的確定基本尺寸的確定凸輪工作輪廓(lnku)必須滿足以下要求：(1)保證從動件能

13、實現(xiàn)預定的運動規(guī)律1.1.滾子半徑的選擇滾子半徑的選擇2.2.凸輪機構(gòu)的壓力角凸輪機構(gòu)的壓力角 3.3.凸輪基圓半徑的確定凸輪基圓半徑的確定 4.4.凸輪機構(gòu)的材料凸輪機構(gòu)的材料 (3)結(jié)構(gòu)緊湊(2)傳力性能良好，不能自鎖為此，設(shè)計時應注意處理好(4)滿足強度和安裝等要求精品資料1.1.滾子滾子(n z)(n z)半徑的選擇半徑的選擇 T滾子半徑理論輪廓最小曲率半徑實際輪廓最小曲率半徑min/min對于(duy)外凸的凸輪廓線 ：rT0.8min min15mm rT =（0.10.5）rb當rT 實際輪廓為光滑曲線當rT min時，min 實際輪廓出現(xiàn)尖點當rT min時，min 實際輪廓相

14、交而造成從動件運動失真實際輪廓相交而造成從動件運動失真精品資料二、凸輪機構(gòu)二、凸輪機構(gòu)(jgu)(jgu)的壓力的壓力角角 . .壓力角：不計摩擦時，凸輪對從壓力角：不計摩擦時，凸輪對從動件的作用力（法向力）與從動件上動件的作用力（法向力）與從動件上受力點速度受力點速度(sd)(sd)方向所夾的銳角。方向所夾的銳角。 該力可分解為兩個分力 ：sincos21nnFFFF壓力角越小，傳力越好。自鎖自鎖 ：如果凸輪機構(gòu)運動到某一位置的壓力角大到使有效分力不足以克服摩擦阻力，不論推力多大，都不能使從動件運動。這種現(xiàn)象稱為凸輪機構(gòu)的自鎖自鎖。機構(gòu)開始出現(xiàn)自鎖時的壓力角稱為臨臨界壓力角界壓力角 。 精品

15、資料. .許用壓力角：凸輪機構(gòu)在運轉(zhuǎn)中的壓力角是變化的，為避免機許用壓力角：凸輪機構(gòu)在運轉(zhuǎn)中的壓力角是變化的，為避免機構(gòu)發(fā)生構(gòu)發(fā)生(fshng)(fshng)自鎖并具有較高的傳動效率，必須對最大壓力角自鎖并具有較高的傳動效率，必須對最大壓力角加以限制，其許用值應遠低于臨界壓力角，即加以限制，其許用值應遠低于臨界壓力角，即 ： max對移動從動件的推程，取 30對擺動(bidng)從動件的推程，取 45回程時，可取 70 . .壓力角的校核：壓力角的校核：繪制好凸輪輪廓后，必須校核壓力角。最大壓力角max一般出現(xiàn)在從動件上升的起始位置上升的起始位置、從動件具有最大速度具有最大速度vmax的位置的

16、位置或在凸輪輪廓線凸輪輪廓線較陡較陡之處?？捎昧拷瞧鳒y取壓力角大小。精品資料三、凸輪(tln)基圓半徑的確定 如圖示，基圓半徑(bnjng)愈小，壓力角愈大；反之，壓力角則愈小。滾子從動件凸輪機構(gòu)，滾子從動件凸輪機構(gòu)，在保證和從動件運動不失真的前提下，可將基圓半徑取小些，滿足對機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊的要求。 因此，在選取基圓半徑時應注意： 一般可根據(jù)經(jīng)驗公式選擇一般可根據(jù)經(jīng)驗公式選擇rbrb0.9ds+(710) 式中式中ds為凸輪軸的直徑，為凸輪軸的直徑，mm。在結(jié)構(gòu)空間允許條件下在結(jié)構(gòu)空間允許條件下，可適當將基圓半徑取大些，以利于改善機構(gòu)的傳力性能，減少磨損和減少凸輪廓線的制造誤差。精品資料 凸輪機

17、構(gòu)工作時，往往承受(chngshu)動載荷的作用，同時凸輪表面承受(chngshu)強烈磨損。因此，要求凸輪和滾子的工作表面硬度高，具有良好的耐磨性，心部有良好的韌性。 第五節(jié)凸輪機構(gòu)的材料第五節(jié)凸輪機構(gòu)的材料(cilio)、結(jié)構(gòu)和加工、結(jié)構(gòu)和加工 一、凸輪和滾子的材料一、凸輪和滾子的材料.滾子材料滾子材料一般凸輪的材料常采用45鋼、40Cr鋼（經(jīng)表面淬火，硬度4050HRC）；也可采用20Cr、20CrMnTi（經(jīng)表面滲碳淬火，表面硬度5662HRC）。 .凸輪的材料凸輪的材料 滾子材料可采用20Cr（經(jīng)滲碳淬火，表面硬度為5662HRC），也可用滾動軸承作為滾子。精品資料二、凸輪機構(gòu)二、凸輪機構(gòu)(jgu)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu).凸輪凸輪(tln)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)（）凸輪軸：尺寸小的凸輪與軸做成一體（）整體式凸輪： 當凸輪尺寸較小又無特殊要求或不需經(jīng)常裝