華中科技大學(xué)機(jī)械原理課件CH3-凸輪機(jī)構(gòu)

《機(jī)械(jīxiè)原理》

第三章凸輪機(jī)構(gòu)華中科技大學(xué)機(jī)械(jīxiè)學(xué)院劉倫洪精品資料目錄(mùlù)§3-1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用(yìngyòng)及分類§3-2從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律§3-3盤形凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定§3-4根據(jù)預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)盤形凸輪輪廓曲線§3-5空間凸輪機(jī)構(gòu)精品資料凸輪是一個(gè)具有曲線輪廓的構(gòu)件。含有(hányǒu)凸輪的機(jī)構(gòu)稱為凸輪機(jī)構(gòu)。它由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架組成。一、凸輪機(jī)構(gòu)(jīgòu)的應(yīng)用§3.1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用及分類精品資料內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)精品資料凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用精品資料打標(biāo)機(jī)精品資料進(jìn)刀凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)精品資料精品資料內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)精品資料多缸內(nèi)燃機(jī)-配氣機(jī)構(gòu)(jīgòu)精品資料沖壓機(jī)精品資料精品資料精品資料凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)(yōudiǎn):只需確定適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞€，即可實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動(dòng)可靠。缺點(diǎn)：從動(dòng)件與凸輪接觸應(yīng)力大,易磨損用途：載荷較小的運(yùn)動(dòng)控制精品資料一）按凸輪(tūlún)的形狀分二、凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)的分類1、盤形凸輪2、移動(dòng)凸輪精品資料3、圓柱(yuánzhù)凸輪精品資料4、圓錐(yuánzhuī)凸輪精品資料1、尖頂(jiāndǐng)從動(dòng)件二）按從動(dòng)件上高副元素(yuánsù)的幾何形狀分2、滾子從動(dòng)件3、平底從動(dòng)件精品資料三）按凸輪(tūlún)與從動(dòng)件的鎖合方式分1、力鎖合的凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)力鎖合的凸輪機(jī)構(gòu)形鎖合的凸輪機(jī)構(gòu)精品資料2、形鎖合的凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)溝槽(ɡōucáo)凸輪機(jī)構(gòu)等寬凸輪機(jī)構(gòu)等徑凸輪機(jī)構(gòu)主回凸輪機(jī)構(gòu)1）溝槽凸輪機(jī)構(gòu)精品資料2）等徑凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)精品資料3）等寬凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)精品資料4）主回凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)精品資料擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)（對心、偏置(piānzhì)）移動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)四）根據(jù)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式分精品資料有趣(yǒuqù)的凸輪機(jī)構(gòu)名稱偏置滾子移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)對心尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)…精品資料sh偏心(piānxīn)距s(從動(dòng)件位移)02πe回程(huíchéng)運(yùn)動(dòng)角推程運(yùn)動(dòng)角遠(yuǎn)休止角近休止角AD(,s)CBOrb三、凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理基圓行程ABCDB’h’s’s?推程角Φ為什么是∠BOB‘？而不是∠BOA？圖中推程運(yùn)動(dòng)角Φ是...精品資料A’B’C’D’A’B’C’D’A’B’C’D’O推程運(yùn)動(dòng)(yùndòng)角ΦA(chǔ)BCDB’問1：導(dǎo)致Φ≠∠BOA的原因是什么？或：什么條件下Φ=∠BOA？問2：考慮到：推程運(yùn)動(dòng)角Φ=∠BOB’近休止(xiūzhǐ)角Φs’=∠DOA？遠(yuǎn)休止(xiūzhǐ)角Φs=∠COB？回程運(yùn)動(dòng)角Φ’=∠DOC？那么凸輪旋轉(zhuǎn)一周，4個(gè)角的和豈不是>360°？精品資料D’ABCDO回程角Φ’回程(huíchéng)運(yùn)動(dòng)角Φ’現(xiàn)象:只要偏心距e不為(bùwéi)0,即使AB與CD形狀相同,回程速度比推程速度快。如果從動(dòng)件偏向O點(diǎn)左側(cè),問1：回程速度和推程速度哪個(gè)快？問2：這樣布置是否合理？精品資料rba擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)中心距a桿長l擺桿初始(chūshǐ)位置角0角位移擺幅maxABCDO1O2max0B’基圓l精品資料Sh()(max)3）凸輪機(jī)構(gòu)曲線(qūxiàn)輪廓的設(shè)計(jì)4）繪制凸輪機(jī)構(gòu)工作圖1）從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律(guīlǜ)的設(shè)計(jì)2）凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的設(shè)計(jì)移動(dòng)從動(dòng)件：基圓半徑rb，偏心距e;擺動(dòng)從動(dòng)件：基圓半徑rb，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心到從動(dòng)件擺動(dòng)中心的距離a及擺桿的長度l;滾子從動(dòng)件：除上述外，還有滾子半徑rr。平底從動(dòng)件：除上述外，平底長度L。O1O2alO1erbrb四、凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)任務(wù)精品資料§3-2從動(dòng)件常用(chánɡyònɡ)運(yùn)動(dòng)規(guī)律一、基本運(yùn)動(dòng)(yùndòng)規(guī)律二、組合運(yùn)動(dòng)(yùndòng)規(guī)律簡介三、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)(yùndòng)規(guī)律設(shè)計(jì)精品資料升-停-回-停型(RDRD)升-回-停型(RRD)升-停-回型(RDR)升-回型(RR)S()S()S()S()運(yùn)動(dòng)循環(huán)(xúnhuán)的類型精品資料從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律(guīlǜ)的數(shù)學(xué)方程式類速度類加速度類躍動(dòng)度位移速度加速度躍動(dòng)度精品資料一、基本運(yùn)動(dòng)(yùndòng)規(guī)律a=2(2c2+6c3

+12c42

+……+n(n-1)cnn-2)（一）多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)(yùndòng)規(guī)律s=c0+c1

+c22

+c33

+……+cnnv=(c1+2c2

+3c32

+……+ncnn-1)式中，為凸輪的轉(zhuǎn)角（rad）；c0，c1，c2，…，為n+1個(gè)待定系數(shù)。j=3(6c3+24c4

+……+n(n-1)(n-2)cnn-3)精品資料1）n=1的運(yùn)動(dòng)(yùndòng)規(guī)律等速運(yùn)動(dòng)(děnɡsùyùndònɡ)規(guī)律0aa=00sh0vv剛性沖擊=0，s=0;=，s=h問：回程的方程式呢？精品資料0amaxa-amax0sh0vvmaxj0+∞-∞+∞等加速等減速運(yùn)動(dòng)(jiǎnsùyùndònɡ)規(guī)律柔性沖擊柔性沖擊2）n=2的運(yùn)動(dòng)(yùndòng)規(guī)律精品資料（二）余弦(yúxián)加速度規(guī)律sovoaojoh精品資料（三）正弦(zhèngxián)加速度規(guī)律sovoaojoh正弦(zhèngxián)/余弦對比精品資料二、組合(zǔhé)運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡介 運(yùn)動(dòng)規(guī)律(guīlǜ)組合應(yīng)遵循的原則： 1、對于中、低速運(yùn)動(dòng)的凸輪機(jī)構(gòu)，要求從動(dòng)件的位移曲線在銜接處相切，以保證速度曲線的連續(xù)。 2、對于中、高速運(yùn)動(dòng)的凸輪機(jī)構(gòu)，則還要求從動(dòng)件的速度曲線在銜接處相切，以保證加速度曲線的連續(xù)。精品資料aOABCDEFO梯形加速度運(yùn)動(dòng)(yùndòng)規(guī)律a改進(jìn)型等速運(yùn)動(dòng)(děnɡsùyùndònɡ)規(guī)律00aa=0v0sh精品資料三、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律(guīlǜ)設(shè)計(jì)1、從動(dòng)件的最大速度(sùdù)vmax要盡量??；2、從動(dòng)件的最大加速度(sùdù)amax要盡量??；3、從動(dòng)件的最大躍動(dòng)度jmax要盡量小。精品資料運(yùn)動(dòng)規(guī)律Vmax(hw/F)amax

(hw2/F2)沖擊特性適用范圍等速1.0￥剛性低速輕載等加速等減速2.04.00柔性中速輕載余弦加速度1.574.93柔性中速中載正弦加速度2.006.28無高速輕載從動(dòng)件常用基本運(yùn)動(dòng)(yùndòng)規(guī)律特性精品資料§3–3盤形凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定一、移動(dòng)(yídòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸二、擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸精品資料tt一、移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸(chǐcun)設(shè)計(jì)11es0srbP13COP23nnP23Av2tt1eCOnnP23A對于對心移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)，e=0，則有：精品資料1、偏距e的大小(dàxiǎo)和偏置方位的選擇原則應(yīng)有利于減小從動(dòng)件工作行程時(shí)的最大壓力角。為此應(yīng)使從動(dòng)件在工作行程中，點(diǎn)C和點(diǎn)P位于凸輪回轉(zhuǎn)中心O的同側(cè)，此時(shí)凸輪上C點(diǎn)的線速度指向與從動(dòng)件工作行程的線速度指向相同。偏距不宜(bùyí)取得太大，可近似取為：精品資料2、凸輪(tūlún)基圓半徑的確定加大基圓半徑，可減小壓力角，有利于傳力;不足是：同時(shí)加大了機(jī)構(gòu)(jīgòu)尺寸。因此，原則如下：1）若機(jī)構(gòu)受力不大，要求機(jī)構(gòu)緊湊時(shí)；取較小的基圓半徑，按許用壓力角(30度)求這時(shí)，若從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律已知，即s=s(φ)已知，代入上式，可求得一系列rb,取最大者為基圓半徑精品資料根據(jù)實(shí)際輪廓的最小向徑rm確定基圓半徑(bànjìng)rb，校核壓力角根據(jù)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度確定基圓半徑，如考慮(kǎolǜ)到安裝在軸上，必須有大的輪轂rsrhrm2）若機(jī)構(gòu)受力較大，對其尺寸又沒有嚴(yán)格的限制精品資料二、擺動(dòng)(bǎidòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸整理(zhěnglǐ)后，得：情況1：凸輪的轉(zhuǎn)向1

與從動(dòng)件的轉(zhuǎn)向2反向其中：nn12rbKv2la0+BPO1O2精品資料情況(qíngkuàng)2：1與2同向與反向(fǎnxiànɡ)時(shí)的情況對比：nn12rbKv2la0+BO1O2P整理后,得：精品資料一般性原則(yuánzé)擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的壓力(yālì)角與從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、擺桿長度、基圓半徑及中心距有關(guān)。在運(yùn)動(dòng)規(guī)律和基本尺寸相同的情況下，1與2異向，可減小擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的壓力(yālì)角。精品資料一、圖解法設(shè)計(jì)盤形凸輪機(jī)構(gòu)(jīgòu)二、解析法設(shè)計(jì)盤形凸輪機(jī)構(gòu)(jīgòu)§3-4根據(jù)預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)(shèjì)盤形凸輪輪廓曲線精品資料一、盤形凸輪機(jī)構(gòu)(jīgòu)的設(shè)計(jì)——圖解法1、尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)2、滾子(ɡǔnzǐ)移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)3、平底移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)4、尖頂擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)精品資料2S1123s1s2hOrb-11s11'1s12s2s23hh3'2'凸輪輪廓(lúnkuò)曲線設(shè)計(jì)的基本原理（反轉(zhuǎn)法）精品資料ss113h-rbe1、偏置尖頂移動(dòng)從動(dòng)件凸輪(tūlún)輪廓設(shè)計(jì)O3'11hs1s11’31思考：找出圖中所有(suǒyǒu)夾角為1的線對？12已知：s=s()，rb，e，作圖要點(diǎn)：1）在偏距圓上旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角

2）以基圓為基點(diǎn)量位移s1Φ精品資料2S1123s1s2h-1111's1Orbes22h3Fvs11已知：S=S（），rb，e，偏置尖頂(jiāndǐng)移動(dòng)從動(dòng)件凸輪輪廓設(shè)計(jì)—作圖過程精品資料2S1123s1s2h-1111's1Orbes22h3已知：S=S(),rb,

e,,rr理論(lǐlùn)輪廓實(shí)際(shíjì)輪廓Fv2、偏置滾子移動(dòng)從動(dòng)件凸輪輪廓設(shè)計(jì)精品資料3、平底移動(dòng)(yídòng)從動(dòng)件凸輪輪廓設(shè)計(jì)與滾子移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)基本相似(xiānɡsì)。先以B0點(diǎn)為基準(zhǔn)作出理論輪廓線；而后畫出平底；作平底的包絡(luò)線。OALmaxP精品資料SS''911223344556677883-B2B5B4B3C0B7B6B8C1C6C4C5C2C3C8C710已知：=f()，rb，L(桿長)，a(中心(zhōngxīn)距)，A0B00OS''SA1A2A3A4A5A9A8A7A6B11C9B9Fv34、尖頂擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)Ψ1精品資料二、盤形凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)(shèjì)——解析法1、尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)2、尖頂擺動(dòng)(bǎidòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)3、滾子移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)4、平底移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)精品資料坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)(xuánzhuǎn)公式-推導(dǎo)yxO(x1,y1)(x,y)于是(yúshì):坐標(biāo)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)？坐標(biāo)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)精品資料1、尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)(jīgòu)的設(shè)計(jì)yes0srbxC0OB1B0BC-2ssB精品資料平面(píngmiàn)旋轉(zhuǎn)矩陣尖頂移動(dòng)(yídòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)yes0srbxC0OB1B0BC-精品資料e與的符號(fúhào)若從動(dòng)件導(dǎo)路相對于(duìyú)凸輪回轉(zhuǎn)中心的偏置方向與x方向同向，則e>0,反之e<0。注意：對于(duìyú)壓力角計(jì)算公式：若e帶符號,則公式中的“±”應(yīng)修正為“－”。若凸輪逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，則>0，反之<0。注意：所有角度均按同樣原則帶符號，如：Φ、Φs、Φ’、Φs’、…精品資料2、尖頂擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)若凸輪逆時(shí)針方向(fāngxiàng)轉(zhuǎn)動(dòng)，則>0，反之<0aLyrbx-AB0B1BO0精品資料3、滾子(ɡǔnzǐ)移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)θ是過接觸點(diǎn)的法線(fǎxiàn)夾角。而切線斜率與法線(fǎxiàn)斜率互為負(fù)倒數(shù)(高等數(shù)學(xué))，所以：OnnB0Brb’’’yxrrC’C’’rm（a）理論輪廓曲線的設(shè)計(jì)（b）實(shí)際輪廓C’BC’’rrrrθ精品資料2種計(jì)算方法方法一：求tan;根據(jù)tan的分子/分母(fēnmǔ)確定的值求sin、cos方法二：依據(jù)公式：此法無須(wúxū)考慮θ精品資料(c)刀具(dāojù)中心軌跡方程砂輪滾子rrrcrc-rr'c鉬絲滾子rrrcrr-rc'c上式中用|rc-rr|代替rr即得刀具(dāojù)中心軌跡方程精品資料(d)滾子半徑(bànjìng)的確定rrbminminrr<minbmin

=

min

-rr>0rr=minminbmin

=

min

-rr=0rr當(dāng)rr<min時(shí)，實(shí)際輪廓為一光滑曲線。當(dāng)rr=min時(shí)，實(shí)際輪廓將出現(xiàn)尖點(diǎn)，極易磨損(mósǔn)，會引起運(yùn)動(dòng)失真。精品資料當(dāng)rr>min時(shí)，實(shí)際輪廓將出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，會引起(yǐnqǐ)運(yùn)動(dòng)失真。rrbminminbmin

=

min

+rr>0內(nèi)凹的輪廓曲線(qūxiàn)不存在失真。minrrrr>minbmin

=

min

-rr<0精品資料bmin=min–rr≥3mm

rr≤min

-3mm

rr≤0.8min

rr≤0.4rb

或一般精品資料yx4、平底移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)(jīgòu)的設(shè)計(jì)1、輪廓(lúnkuò)曲線的設(shè)計(jì)v223SS0rb1-考慮到輪廓曲線完全相同，平底凸輪機(jī)構(gòu)只考慮對心。1B1OBP精品資料(1)基本尺寸(chǐcun)的確定L

=Lmax+

L’max+(4~10)mmLmax=(OP)max=(ds/d)maxL為平底總長(zǒngzhǎng)，Lmax和L’max為平底與凸輪接觸點(diǎn)到從動(dòng)件導(dǎo)路中心線的左、右兩側(cè)的最遠(yuǎn)距離。543211’2’3’4’5’rbrb（2）凸輪輪廓的向徑不能變化太快。OALmaxP2.平底長度的確定精品資料平底移動(dòng)凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)的特殊情況對于平底凸輪機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律(guīlǜ)不可隨意選擇，實(shí)驗(yàn)證明，在已講過的4種運(yùn)動(dòng)規(guī)律(guīlǜ)中，等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律(guīlǜ)必定導(dǎo)致輪廓失真。下面是不同參數(shù)下的設(shè)計(jì)輪廓。精品資料凸輪機(jī)構(gòu)(jīgòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)使用(shǐyòng)要求選擇凸輪機(jī)構(gòu)的類型設(shè)計(jì)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定基本尺寸建立凸輪廓線方程計(jì)算機(jī)仿真評價(jià)決策精品資料建立直角坐標(biāo)系，以凸輪回轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)，y軸與從動(dòng)件導(dǎo)路平行，凸輪理論(lǐlùn)廓線方程為：例：一直動(dòng)偏置滾子從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，已知rb=50mm，rr=3mm，e=12mm，凸輪以等角速度逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過=1800，從動(dòng)件以等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律上升h=40mm，凸輪再轉(zhuǎn)過=1500，從動(dòng)件以余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律下降回原處，其余(qíyú)s=300，從動(dòng)件靜止不動(dòng)。試用解析法計(jì)算1=600，2=2400時(shí)凸輪實(shí)際廓線上點(diǎn)的坐標(biāo)值。解：精品資料從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)(yùndòng)規(guī)律：回程升程注意(zhùyì):這里與書中的公式有區(qū)別!精品資料理論(lǐlùn)廓線上點(diǎn)的坐標(biāo)：實(shí)際(shíjì)廓線上點(diǎn)的坐標(biāo):精品資料解析(jiěxī)法計(jì)算的關(guān)鍵點(diǎn)凸輪轉(zhuǎn)角的方向，與的取值坐標(biāo)軸與3種凸輪的相對位置關(guān)系：尖頂（滾子）移動(dòng)從動(dòng)件：y軸與推程起始弧相交；擺動(dòng)從動(dòng)件：y軸與連心線重合(chónghé)平底從動(dòng)件：y軸與從動(dòng)件導(dǎo)路平行，經(jīng)過回轉(zhuǎn)中心偏距e的方向與取值精品資料