機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)凸輪機(jī)構(gòu)教學(xué)課件

1、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)凸輪機(jī)構(gòu)教學(xué)課件本章教學(xué)目標(biāo)了解凸輪機(jī)構(gòu)的分類、應(yīng)用及其特點(diǎn)。掌握從動(dòng)件（推桿）常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律及運(yùn)動(dòng)線圖的繪制方法。 掌握反轉(zhuǎn)法，能用圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓線； 掌握凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸確定的原則。本章重點(diǎn) 常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特點(diǎn) 及其選擇原則盤形凸輪機(jī)構(gòu)凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)凸輪基圓半徑與壓力角及 自鎖的關(guān)系本章難點(diǎn) 反轉(zhuǎn)法原理壓力角的概念31 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類型32 從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律33 凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角34 圖解法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓小結(jié)本章教學(xué)內(nèi)容31凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類型 凸輪機(jī)構(gòu)是由具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，通過高副接觸帶動(dòng)從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種高副機(jī)構(gòu)。它廣泛地應(yīng)用于各種機(jī)械，特別

2、是自動(dòng)機(jī)械、自動(dòng)控制裝置和裝配生產(chǎn)線中。3.1 凸輪機(jī)構(gòu)的組成與類型一、 凸輪機(jī)構(gòu)的組成1 凸輪2 從動(dòng)件3 機(jī)架高副機(jī)構(gòu)二、特點(diǎn)應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于傳力不大的控制機(jī)構(gòu)中。（1）主要用于轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)形式凸輪 高副 從動(dòng)件往復(fù)移動(dòng)擺動(dòng) （連續(xù)或間歇） (轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)）（2）可實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，且機(jī)構(gòu)簡單、緊湊（3）設(shè)計(jì)方便（4）點(diǎn)、線接觸，接觸應(yīng)力大，易磨損，不適合高速、重載（5）凸輪的加工制造較復(fù)雜另外：由于受凸輪尺寸的限制，所以凸輪不適合用于從 動(dòng)件工作行程較大的地方三、分類1 按凸輪的形狀分2 按從動(dòng)件的形狀分3 按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式分4 按凸輪與從動(dòng)件維持高副接觸的方法分類1 按凸輪的形狀分

3、盤形凸輪凸輪呈向徑變化的盤形結(jié)構(gòu)簡單, 應(yīng)用最廣泛移動(dòng)凸輪凸輪呈板型, 直線移動(dòng)圓柱凸輪空間凸輪機(jī)構(gòu)凸輪輪廓做在圓柱體上空間運(yùn)動(dòng)推桿凸輪凸輪推桿推桿凸輪2 按從動(dòng)件的形狀分尖頂從動(dòng)件 尖頂始終能夠與凸輪輪廓保持接觸，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律易磨損，只宜用于輕載、低速滾子從動(dòng)件 滾動(dòng)摩擦，磨損小，承載大，傳力大。較常用平底從動(dòng)件 潤滑好，磨損小，受力平穩(wěn)，效率高。常用于高速運(yùn)動(dòng)配合的凸輪輪廓必須全部外凸3 按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式分直動(dòng)推桿往復(fù)移動(dòng)軌跡為直線擺動(dòng)推桿往復(fù)擺動(dòng)軌跡為圓弧直動(dòng)從動(dòng)件擺動(dòng)從動(dòng)件4.按鎖合方式的不同(1) 力鎖合彈簧力、從動(dòng)件重力或其它外力等2) 型鎖合利用高副元素本身的幾何形狀，

4、如溝槽凸輪、等徑及等寬凸輪、共軛凸輪等。 四、應(yīng)用實(shí)例：繞線機(jī)構(gòu)312A線動(dòng)畫3皮帶輪5卷帶輪錄音機(jī)卷帶機(jī)構(gòu)1放音鍵2摩擦輪413245放音鍵卷帶輪皮帶輪摩擦輪錄音機(jī)卷帶機(jī)構(gòu)132送料機(jī)構(gòu)動(dòng)畫內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)畫走刀機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)動(dòng)畫靠模車削機(jī)構(gòu) 3-2從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律一、凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程二、從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律三、選擇運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)注意的問題凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的根本任務(wù) 是根據(jù)工作要求選定合適的凸輪機(jī)構(gòu)的型式及從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并合理地確定基圓等基本尺寸，然后根據(jù)選定的從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)出凸輪應(yīng)具有的凸輪輪廓曲線。其中，根據(jù)工作要求選定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，乃是凸輪輪廓設(shè)計(jì)的前提。一、凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)

5、過程從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是指從動(dòng)件的位移、速度、加速度等隨時(shí)間t或凸輪轉(zhuǎn)角j變化的規(guī)律基圓(以凸輪輪廓最小向徑所組成的圓)，基圓半徑r0推程，推程運(yùn)動(dòng)角 遠(yuǎn)休止，遠(yuǎn)休止角s 回程，回程運(yùn)動(dòng)角 近休止，近休止角s 行程（升程），hh運(yùn)動(dòng)線圖: 從動(dòng)件的位移、速度、加速度等隨時(shí)間t或凸輪轉(zhuǎn)角j變化關(guān)系圖作圖過程二、推桿常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律1 等速運(yùn)動(dòng)2 等加速等減速運(yùn)動(dòng)3 余弦加速度運(yùn)動(dòng)4 正弦加速度運(yùn)動(dòng)注意：為便于理解各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性, 本章將運(yùn)動(dòng)規(guī)律單獨(dú)應(yīng)用于推程或回程1 等速運(yùn)動(dòng)一次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律推程(0)運(yùn)動(dòng)方程：位移方程：速度方程：加速度方程：運(yùn)動(dòng)線圖hs00v0a0-Displacement Ve

6、locityAcceleration +適用場(chǎng)合：低速輕載運(yùn)動(dòng)特性：從加速度線上可以看出，在從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的始末兩點(diǎn)，理論上加速度值由零突變?yōu)闊o窮大，致使從動(dòng)件受的慣性力也由零變?yōu)闊o窮大。而實(shí)際上材料有彈性，加速度和推力不致無窮大，但仍將造成巨大的沖擊，這種沖擊稱為剛性沖擊。等速運(yùn)動(dòng)（續(xù)）回程運(yùn)動(dòng)方程：位移方程：速度方程：加速度方程：運(yùn)動(dòng)線圖運(yùn)動(dòng)特性：始點(diǎn)、末點(diǎn)剛性沖擊適用場(chǎng)合：低速輕載s0v0a00-+-0hDisplacement VelocityAcceleration 位移線圖作圖方法2 等加速等減速運(yùn)動(dòng)二次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律推程運(yùn)動(dòng)方程:運(yùn)動(dòng)線圖沖擊特性：起、中、末點(diǎn)柔性沖擊適用場(chǎng)合：低速輕

7、載s00v0a0h/2h/20/20/2h(00/2)(0/20)加速段減速段位移方程速度方程加速度方程 特點(diǎn):在起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)，因加速度有突變而引起推桿慣性力的突變，且突變?yōu)橛邢拗?，在凸輪機(jī)構(gòu)中由此會(huì)引起柔性沖擊。增加多項(xiàng)式的冪次，可獲得性能良好的運(yùn)動(dòng)規(guī)律3 余弦加速度(簡諧)運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡諧運(yùn)動(dòng)：當(dāng)一點(diǎn)在圓周上等速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其在直徑上的投影的運(yùn)動(dòng)即為簡諧運(yùn)動(dòng)。推桿推程運(yùn)動(dòng)方程式：推桿回程運(yùn)動(dòng)方程式：運(yùn)動(dòng)線圖：123456O132456s1234561、建立坐標(biāo)系，并將橫坐標(biāo)6等分，以從動(dòng)件 推成h作為直徑作半圓，并將其6等分。分別記作1、2、3、4、5、6。 2、分別作這些等分點(diǎn)關(guān)于軸和s軸

8、的垂線，分別倆倆對(duì)應(yīng)相交于1、2、3、4、5、6。3、光滑的連接1、23、4、5、6，所形成的曲線即為從動(dòng)件的位移線圖。作圖步驟：hvoao 運(yùn)動(dòng)特性：這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的加速度在起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)有有限數(shù)值的突變，故也有柔性沖擊。適用場(chǎng)合：中速、中載。運(yùn)動(dòng)線圖作圖方法4 擺線運(yùn)動(dòng)正弦加速度運(yùn)動(dòng)推程運(yùn)動(dòng)方程：適用場(chǎng)合：高速輕載運(yùn)動(dòng)特性：由運(yùn)動(dòng)線圖可見，擺線運(yùn)動(dòng)的速度曲線和加速度曲線都是始終連續(xù)變化的，它沒有剛性沖擊，也沒有柔性沖擊.s,t,ta,tvhvmax2hamax6.28h2 2運(yùn)動(dòng)線圖 (5) 組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律 為了克服單一運(yùn)動(dòng)規(guī)律的某些缺陷，獲得更好的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，可以把幾種運(yùn)動(dòng)規(guī)律拼接起來，構(gòu)

9、成組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律組合原則1、位移曲線、速度曲線必須連續(xù)，高速凸輪機(jī)構(gòu)加速度曲線也必須連續(xù)。2、各段運(yùn)動(dòng)規(guī)律的位移、速度和加速度曲線在連接點(diǎn)處其值應(yīng)分別相等。例：正弦加速度曲線與直線組合vs a ,t,t,thOOO vs a ,t,t,thOOO 33 凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角定義：壓力角不計(jì)摩擦?xí)r，凸輪對(duì)從動(dòng)件作用力方向線nn與從動(dòng)件上力作用點(diǎn)的速度方向之間所夾的銳角。 設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，除了要求從動(dòng)件能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律外，還希望凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，受力情況良好。而這與壓力角有很大關(guān)系。OB F，若大到一定程度時(shí)，會(huì)有：機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖。nn一、壓力角與作用力的關(guān)系不考慮摩擦?xí)r，作用力沿法線方向。FFFF-

10、有用分力, 沿導(dǎo)路方向F-有害分力，垂直于導(dǎo)路F=FtgF一定時(shí),Ff FFf為了保證凸輪機(jī)構(gòu)正常工作，要求： ，所以r0不能過小r0越大， 越小，凸輪機(jī)構(gòu)傳力性能越好，但機(jī)構(gòu)不緊湊凸輪基圓半徑與壓力角的關(guān)系d:安裝凸輪處軸徑 工程上常常借助于諾模圖(Nomogram)來確定凸輪的最小基圓半徑。借助于諾模圖既可以近似確定凸輪的最大壓力角，也可以根據(jù)所選擇的基圓半徑來校核最大壓力角。hrb 等速運(yùn)動(dòng)0.010.1 0.2 0.30.40.50.60.81.0 2.0 3.0 6.0 hrb等加速等減速運(yùn)動(dòng)0.01 0.1 0.2 0.3 0.40.6 1.0 2.0 5.0 凸輪轉(zhuǎn)角510152

11、5303540205060708090100200300350最大壓力角max510152520354555657585403050607080hrb 余弦加速度運(yùn)動(dòng)0.01 0.1 0.2 0.4 0.6 1.0 2.0 5.0 510152520354555657585403050607080最大壓力角max5101525303540205060708090100200300350 凸輪轉(zhuǎn)角hrb 正弦加速度運(yùn)動(dòng)0.01 0.1 0.2 0.4 0.6 1.0 2.0 5.0 諾模圖應(yīng)用hrb 等速運(yùn)動(dòng)0.010.1 0.2 0.30.40.50.60.81.0 2.0 3.0 6.0 h

12、rb等加速等減速運(yùn)動(dòng)0.01 0.1 0.2 0.3 0.40.6 1.0 2.0 5.0 凸輪轉(zhuǎn)角5101525303540205060708090100200300350最大壓力角max510152520354555657585403050607080hrb 余弦加速度運(yùn)動(dòng)0.01 0.1 0.2 0.4 0.6 1.0 2.0 5.0 510152520354555657585403050607080最大壓力角max5101525303540205060708090100200300350 凸輪轉(zhuǎn)角hrb 正弦加速度運(yùn)動(dòng)0.01 0.1 0.2 0.4 0.6 1.0 2.0 5.0 例

13、一對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)， 45，h19mm，推程時(shí)從動(dòng)件以正弦加速度規(guī)律運(yùn)動(dòng)，推程壓力角30，確定凸輪基圓半徑rb。作圖得hrb0.26，rb190.2673.08mmhrb 正弦加速度運(yùn)動(dòng)3-4 圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓一、凸輪廓線設(shè)計(jì)的基本原理二、作圖法設(shè)計(jì)凸輪廓線AAAAAAAAAAAAA一、凸輪廓線設(shè)計(jì)的基本原理解析法、作圖法相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理法:(也稱反轉(zhuǎn)法):對(duì)整個(gè)系統(tǒng)施加-w運(yùn)動(dòng)此時(shí)，凸輪保持不動(dòng)推桿作復(fù)合運(yùn)動(dòng)=反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(-) +預(yù)期運(yùn)動(dòng)(s)AAr0-r0反轉(zhuǎn)法求位移線圖二、作圖法設(shè)計(jì)凸輪廓線1. 對(duì)心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì) 已知凸輪的基圓半徑rmin ，凸輪角速度(逆時(shí)針

14、)和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。rbOs13578 601209090601201290A9091113151357 891113121410 選比例尺l，作基圓rb。 等分位移曲線及反向等分各運(yùn)動(dòng)角，確定反轉(zhuǎn)后對(duì)應(yīng)于各等分點(diǎn)的從動(dòng)件的位置。345 67 818765432101191213141413121110915 確定反轉(zhuǎn)后從動(dòng)件尖頂在各等分點(diǎn)占據(jù)的位置。設(shè)計(jì)步驟 將各尖頂點(diǎn)連接成一條光滑曲線。2. 偏置尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì)已知凸輪的基圓半徑rmin ，從動(dòng)件偏距e,凸輪角速度(逆時(shí)針)和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。eA 選比例尺l，作基圓rmin和偏距

15、圓e。 等分位移曲線及反向等分各運(yùn)動(dòng)角，確定反轉(zhuǎn)后對(duì)應(yīng)于各等分點(diǎn)的從動(dòng)件的位置。O6123457814131211109s13578 60120909091113151357 891113121410 確定反轉(zhuǎn)后從動(dòng)件尖頂在各等分點(diǎn)占據(jù)的位置。 將各尖頂點(diǎn)連接成一條光滑曲線。設(shè)計(jì)步驟k1k2k3k5k4k6k7k812345678k9k10k11k12k13k14k159101112131415動(dòng)畫3. 對(duì)心滾子移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì)rbOA已知凸輪的基圓半徑rmin ，滾子半徑rT、凸輪角速度 (逆時(shí)針)和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。 選比例尺l，作位移曲線和基圓rb。 等分

16、位移曲線及反向等分各運(yùn)動(dòng)角，確定反轉(zhuǎn)后對(duì)應(yīng)于各等分點(diǎn)的從動(dòng)件的位置。理論輪廓曲線實(shí)際輪廓曲線s13578 60120909091113151357 89111312141060120129090345 67 818765432101191213141413121110915 確定反轉(zhuǎn)后從動(dòng)件滾子中心在各等分點(diǎn)占據(jù)的位置。 將各點(diǎn)連接成一條光滑曲線。 作滾子圓族及滾子圓族的內(nèi)(外)包絡(luò)線。設(shè)計(jì)步驟動(dòng)畫了解4. 對(duì)心平底移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì)rbOA已知凸輪的基圓半徑rmin ，凸輪角速度(逆時(shí)針)和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。 選比例尺l，作位移曲線和基圓rb。設(shè)計(jì)步驟 等分位移

17、曲線及反向等分各運(yùn)動(dòng)角，確定反轉(zhuǎn)后對(duì)應(yīng)于各等分點(diǎn)的從動(dòng)件的位置。s13578 60120909091113151357 89111312141060120129090345 67 818765432101191213141413121110915 確定反轉(zhuǎn)后平底與導(dǎo)路中心線的交點(diǎn)A在各等分點(diǎn)占據(jù)的位置。 作平底直線族及平底直線族的內(nèi)包絡(luò)線。3-5 解析法設(shè)計(jì)凸輪廓線自學(xué)作圖法的缺點(diǎn): 繁瑣、誤差較大。 解析法的優(yōu)點(diǎn): 計(jì)算精度高、速度快，適合凸輪在數(shù)控機(jī)床上加工。解析法的設(shè)計(jì)結(jié)果: 根據(jù)凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和基本尺寸的設(shè)計(jì)結(jié)果，求出凸輪輪廓曲線的方程，利用計(jì)算機(jī)精確地計(jì)算出凸輪輪廓曲線上各點(diǎn)的

18、坐標(biāo)值。 練習(xí)題1、一偏置直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)如圖所示。已知凸輪為一偏心圓盤，圓盤半徑R=30mm,幾何中心為A,回轉(zhuǎn)中心為 o，從動(dòng)件偏距 OD=e=10mm ，OA=10mm ，凸輪以等角速度逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)凸輪在圖示位置，即ADCD時(shí),試求: (1)凸輪的基圓半徑 rmin(2) 圖示位置的凸輪機(jī)構(gòu)壓力角 (3) 圖示位置的凸輪轉(zhuǎn)角 (4) 圖示位置的從動(dòng)件的位移 S (1)r min =R-OA=30-10=20mm 答案：(2)=arcsin(AD/AB)=arcsin(20/30)41.81 (3)=arccos(DO/OF)=arcsin(10/20)=60 (4)S=BD-FD = 5.04mm 。 2、如圖所示