凸輪機構(gòu)的應(yīng)用

第5章凸輪機構(gòu)5.1概述5.2常用的從動件運動規(guī)律5.3盤形凸輪輪廓的設(shè)計與加工方法5.4凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定5.5凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和精度5.1概述

凸輪是一種具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件凸輪機構(gòu)由凸輪、從動件和機架三個基本構(gòu)件組成優(yōu)點：只需設(shè)計適當?shù)耐馆嗇喞€，便可使從動件得到任意預(yù)定的運動規(guī)律，機構(gòu)簡單、緊湊

局限性：凸輪機構(gòu)是高副機構(gòu)(凸輪與從動件為點、線接觸)，易磨損，因此只適用于傳遞動力不大的場合凸輪機構(gòu)

凸輪是一個具有曲線輪廓的構(gòu)件含有凸輪的機構(gòu)稱為凸輪機構(gòu)它由凸輪、從動件和機架組成內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu)5.1.1

凸輪機構(gòu)的應(yīng)用分度轉(zhuǎn)位機構(gòu)靠模車削機構(gòu)自動送料機構(gòu)5.1.2

凸輪機構(gòu)的分類一、按凸輪形狀分類1、盤形凸輪

凸輪機構(gòu)可以按凸輪的形狀、從動件的形狀以及從動件的運動形式等來分類

是凸輪中最基本的形式，為平面凸輪機構(gòu)

盤形凸輪凸輪繞固定軸轉(zhuǎn)動且徑向變化的盤形零件。移動凸輪回轉(zhuǎn)半徑無限大，凸輪作往復(fù)移動2、移動凸輪

具有曲線輪廓作往復(fù)直線移動的構(gòu)件。(可以認為當盤形凸輪回轉(zhuǎn)中心趨于無窮大時，凸輪相對機架作直線運動。)

為平面凸輪機構(gòu)4、曲面凸輪3、圓柱凸輪

在圓柱面上開有曲線凹槽的構(gòu)件。(可看作是將移動凸輪卷成圓柱體而形成的。它是一種空間凸輪機構(gòu)

圓柱表面用圓弧面代替的構(gòu)件。(它也是一種空間凸輪機構(gòu)。)1、力鎖合的凸輪機構(gòu)二、按鎖合方式分類

力鎖合：如彈簧力、從動桿的重力2、幾何鎖合的凸輪機構(gòu)幾何鎖合：利用幾何形狀來鎖合，如凸輪上的凹槽、等徑及等寬凸輪等。1、尖頂從動件2、滾子從動件3、平底從動件三、按從動件型式分類

與凸輪是點接觸，只用于受力小的低速機構(gòu)；尖頂能與復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，傳動精確

與凸輪形成滾動磨擦，可傳遞較大載荷，應(yīng)用極廣；但凸輪上凹陷的輪廓未必能很好地與滾子接觸，會影響實現(xiàn)預(yù)期的運動規(guī)律

受力較好，效率高，接觸面油膜易形成，利于潤滑，可用于高速2、擺動從動件凸輪機構(gòu)四、按從動件運動形式分1、直動從動件凸輪機構(gòu)平底從動件滾子從動件尖底從動件

凸輪機構(gòu)的主要失效形式是磨損和疲勞點蝕，要求其工作表面硬度高、耐磨并且有足夠的表面接觸強度，凸輪芯部有較強的韌性

一般凸輪的材料常采用40Cr鋼（經(jīng)表面淬火，硬度為40－45HRC），也可采用20Cr、20CrMnTi（經(jīng)表面滲碳淬火，表面硬度為56-62HRC）

滾子材料采用20Cr（經(jīng)滲碳淬火，表面硬度為56-62HRC），也有的用滾動軸承作為滾子5.1.3凸輪和滾子的材料5.1概述5.2常用的從動件運動規(guī)律5.3盤形凸輪輪廓的設(shè)計與加工方法5.4凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定5.5凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和精度5.2.1平面凸輪機構(gòu)的基本尺寸和運動參數(shù)凸輪機構(gòu)的運動過程1、基圓——以凸輪的轉(zhuǎn)動中心O為圓心，以凸輪的最小向徑為半徑r0所作的圓。r0稱為凸輪的基圓半徑

2、推程、推程運動角

3、遠休、遠休止角

4、回程、回程運動角

5、近休、近休止角

6、行程——從動桿在推程或回程中移動的距離h7、位移線圖——描述位移s與凸輪轉(zhuǎn)角φ之間關(guān)系的圖形推程→遠休→回程→近休→推程

從動件的位移s與凸輪轉(zhuǎn)角φ的關(guān)系可以用從動件的位移線圖來表示。由于大多數(shù)凸輪作等速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)角與時間成正比，因此橫坐標也代表時間t結(jié)論：從動件的運動規(guī)律取決于凸輪的輪廓形狀擺動從動件凸輪機構(gòu)ABCDO1O2aB1rbmaxl5.2.2

常用的從動件運動規(guī)律等速運動

從動件在開始和終止的瞬時，速度有突變，加速度a在理論上為無窮大，其慣性力將引起剛性沖擊。所以，等速運動只適用于低速。剛性沖擊：由于加速度發(fā)生無窮大突度而引起的沖擊稱為剛性沖擊。柔性沖擊：加速度發(fā)生有限值的突變（適用于中速場合）

從加速度線圖可看出，加速度a在始未及中點處有有限值的突變，因而慣性力也發(fā)生突變。這種有限值的慣性力突變，將產(chǎn)生柔性沖擊，所以，等加速等減速運動用于低、中速場合

等加速-等減速運動

由加速度線圖可知：這種運動規(guī)律的從動件在行程的始點和終點有柔性沖擊。但當加速度曲線保持連續(xù)時，這種規(guī)律的運動就能避免沖擊。余弦加速度運動正弦加速度運動

由加速度線圖可知，從動件在起點和終點的加速度均為零，并且在整個過程中，加速度曲線是連續(xù)的，沒有加速度突變，因此沒有剛性沖擊，也沒有柔性沖擊,適用于高速5、組合運動規(guī)律為了獲得更好的運動特征，可以把上述幾種運動規(guī)律組合起來應(yīng)用，組合時，兩條曲線在拼接處必須保持連續(xù)。等速運動——剛性沖擊——低速輕載等加速-等減速運動——柔性沖擊——中速輕載余弦加速度運動——柔性沖擊——中速正弦加速度運動——無沖擊——高速5.2.3

從動件運動規(guī)律的選擇1、根據(jù)機器工作時的運動要求來確定從動件的運動規(guī)律

2、無運動要求，只需要一定位移量的凸輪機構(gòu)，主要考慮加工方便

3、高速機構(gòu)，應(yīng)減小慣性力、改善動力性能，避免沖擊5.1概述5.2常用的從動件運動規(guī)律5.3盤形凸輪輪廓的設(shè)計與加工方法5.4凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定5.5凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和精度5.3.1

反轉(zhuǎn)法原理通過整個機構(gòu)加一個（-ω）

這樣凸輪不動、從動件導(dǎo)路機架以（-ω）轉(zhuǎn)動，且從動件相對導(dǎo)路移動反轉(zhuǎn)后，尖頂?shù)倪\動軌跡就是凸輪輪廓原來凸輪轉(zhuǎn)動、導(dǎo)路機架不動

從動件運動規(guī)律和凸輪基圓半徑確定后，就可以進行凸輪輪廓設(shè)計，有作圖法和解析法兩種方法2S1123s1s2hOrb-11s11'1s12s2s23hh3'2'5.3.2圖解法設(shè)計凸輪輪廓曲線

圖解法是以對心直動尖頂從動件盤形凸輪輪廓的繪制為基礎(chǔ)1.對心直動尖頂從動件盤形凸輪輪廓的繪制

已知：對心式尖頂從動件的位移線圖（S-φ），基圓半徑rb，凸輪順時針回轉(zhuǎn)，要求：設(shè)計凸輪輪廓作圖步驟：a.以rb為半徑作基圓（注意比例），將基圓與從動件的交點A0作為起始位置；b.自O(shè)A0沿（-ω）方向取Φ、Φ′、Φs′，并在Φ、Φ′中再細分成若干等分，連接OA1′、OA2′、OA3′、…，得反轉(zhuǎn)中導(dǎo)路的各個位置；

c.取A1A1′=11′、A2A2′=22′、…，得反轉(zhuǎn)中尖頂?shù)囊幌盗形恢肁1、A2、…；d.將A0、A1、A2、…連成光滑曲線，即得所求的凸輪輪廓。注意：

(1)取位移的比例要和所畫基圓比例一致。

(2)位移要從基圓上向外量起偏置尖頂從動件凸輪輪廓曲線設(shè)計（反轉(zhuǎn)法）2S1123s1s2h-1111's1Orbes22h3Fvs11已知：S=S（），rb，e，5.3.2圖解法設(shè)計凸輪輪廓曲線

偏置直動尖頂從動件盤形凸輪設(shè)計3.滾子從動件盤形凸輪輪廓的繪制

若設(shè)計條件不變，只是將尖頂從動件改為滾子從動件。這時凸輪輪廓的繪制方法同尖頂從動件基本相同，只不過是將滾子中心看作尖頂從動件的尖頂而已注意：

(1)滾子從動件凸輪的基圓半徑是指理論廓線的最小向徑。

(2)理論廓線與實際廓線并不是相似，而是等距曲線。偏置滾子從動件凸輪輪廓曲線設(shè)計（反轉(zhuǎn)法）2S1123s1s2h-1111's1Orbes22h3已知：S=S（），rb，e，

，rr理論輪廓實際輪廓Fv偏置直動滾子從動件盤形凸輪設(shè)計擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)

SS''911223344556677883-B2B5B4B3C0B7B6B8C1C6C4C5C2C3C8C710已知：=

（），rb，L，a，A0B00OS''SA1A2A3A4A5A9A8A7A6B11C9B9Fv35.3.3解析法設(shè)計凸輪輪廓曲線

設(shè)凸輪機構(gòu)的滾子半徑為rT，基圓半徑為r0，偏距為e，從動件運動規(guī)律s=s(φ)，凸輪以等角速度ω1順時針方向回轉(zhuǎn)

圖中ρ，θ為理論輪廓線η上各點的極坐標值；ρT，θT為實際輪廓線η′上各點的極坐標值5.3.3

凸輪輪廓的加工方法1、銑、銼削加工

用于低速、輕載場合的凸輪，可以應(yīng)用反轉(zhuǎn)法原理在未淬火凸輪輪坯上通過作圖法繪制輪廓曲線，采用銑床或用手工銼削辦法加工而成。必要時可進行淬火處理，但用這種方法則凸輪的變形難以得到修正

2、數(shù)控加工

采用數(shù)控線切割機床對淬火凸輪進行加工，這是目前最常用的一種凸輪加工方法。加工時應(yīng)用解析法，求出凸輪輪廓曲線的極坐標值(ρ，θ)，應(yīng)用專用編程軟件，切割而成。此方法加工出的凸輪精度高，適用于高速、重載的場合凸輪的設(shè)計凸輪的加工銑、銼削加工解析法數(shù)控加工作圖法凸輪的設(shè)計和加工5.1概述5.2常用的從動件運動規(guī)律5.3盤形凸輪輪廓的設(shè)計與加工方法5.4凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定5.5凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和精度壓力角:從動桿所受正壓力的方向與從動桿上作用點的速度方向之間夾角αα越小，傳動效率越高壓力角許用值[α]:移動從動桿推程時，[α]<=30o~40o擺動從動桿推程時，[α]<=40o~50o移動和擺動從動桿回程時，[α]<=70o~80o校核：αmin<=[α]5.4.1

凸輪機構(gòu)的壓力角

壓力角不符合要求時，可加大基圓半徑使α減小，

另外，合理設(shè)計偏距也可減小壓力角5.4.2

基圓半徑的確定

設(shè)計時，通常是考慮最大壓力角不超過許用值的前提下，縮小凸輪尺寸

從強度考慮，rT越大越好。（∵rT增大，接觸應(yīng)力小，磨損小，強度高。）但滾子半徑對實際輪廓曲線是有影響的，不能任意增大圖中：ρmin--理論廓線的最小曲率半徑；

ρ′min--實際廓線的最小曲率半徑

當實際廓線為外包絡(luò)線時

ρ′min=ρmin+rT

此時，無論滾子半徑大小，凸輪工作輪廓總是光滑曲線5.4.3

滾子半徑的確定rT=ρmin，出現(xiàn)尖點，容易磨損，導(dǎo)致運動失真rT>ρmin，出現(xiàn)交叉，導(dǎo)致運動失真rT<=0.8ρmin,并且ρmin-rT>=(3~5)mm當實際廓線為內(nèi)包絡(luò)線時

ρ′min=ρmin-rT