機械原理凸輪機構(gòu)課件

凸輪機構(gòu)及其設(shè)計第一節(jié)凸輪機構(gòu)的類型第二節(jié)凸輪機構(gòu)的基本名詞術(shù)語第三節(jié)從動件的常用運動規(guī)律第四節(jié)凸輪機構(gòu)的輪廓設(shè)計第五節(jié)凸輪機構(gòu)基本參數(shù)的確定

凸輪機構(gòu)及其設(shè)計第一節(jié)凸輪機構(gòu)的類型2第一節(jié)凸輪機構(gòu)的類型一、凸輪機構(gòu)的組成內(nèi)燃機的配氣凸輪機構(gòu)2第一節(jié)凸輪機構(gòu)的類型一、凸輪機構(gòu)的組成內(nèi)燃機的配氣凸輪3自動機床的進刀凸輪機構(gòu)凸輪從動件機架高副機構(gòu)凸輪機構(gòu)的組成3自動機床的進刀凸輪機構(gòu)凸輪高副機構(gòu)凸輪機構(gòu)的組成4二、凸輪機構(gòu)的應(yīng)用1-凸輪2-擺動從動件3-線軸繞線機構(gòu)4二、凸輪機構(gòu)的應(yīng)用1-凸輪繞線機構(gòu)51-圓柱凸輪2-直動從動件3-毛坯自動送料機構(gòu)51-圓柱凸輪自動送料機構(gòu)6內(nèi)燃機配氣機構(gòu)6內(nèi)燃機配氣機構(gòu)7三、凸輪機構(gòu)的類型1.按凸輪的形狀分盤形凸輪移動凸輪圓柱凸輪7三、凸輪機構(gòu)的類型1.按凸輪的形狀分盤形凸輪移動凸輪圓柱凸82.按從動件的結(jié)構(gòu)形式分（1）尖底從動件

這種從動件可實現(xiàn)任意的運動規(guī)律。結(jié)構(gòu)簡單，但尖底處極易磨損，只適用于低速場合。82.按從動件的結(jié)構(gòu)形式分（1）尖底從動件這9（2）滾子從動件

凸輪與從動件之間為滾動摩擦，因此磨損較小，可用于傳遞較大的動力，應(yīng)用廣泛。9（2）滾子從動件凸輪與從動件之間為滾動摩擦10（3）平底從動件

受力平穩(wěn)，傳動效率高，常用于高速場合。但與之相配合的凸輪輪廓須全部外凸。10（3）平底從動件受力平穩(wěn)，傳動效率高，常113.按從動件的運動形式分（1）直動從動件對心直動從動件偏置直動從動件113.按從動件的運動形式分（1）直動從動件對心直動從動件偏12（2）擺動從動件12（2）擺動從動件134.按凸輪與從動件的接觸方式分（1）力封閉凸輪機構(gòu)彈簧力封閉——利用從動件自身重力、回復彈簧力或其它外力，使從動件與凸輪廓線始終保持接觸。134.按凸輪與從動件的接觸方式分（1）力封閉凸輪機構(gòu)彈簧力14（2）幾何封閉凸輪機構(gòu)槽型凸輪機構(gòu)——利用構(gòu)成高副元素本身的幾何形狀，使從動件與凸輪始終接觸。

通過其溝槽兩側(cè)的廓線始終保持與從動件接觸。14（2）幾何封閉凸輪機構(gòu)槽型凸輪機構(gòu)——利用構(gòu)成高副元素本15等寬凸輪機構(gòu)

凸輪廓線上任意兩條平行切線間的距離都等于從動件矩形框架內(nèi)側(cè)兩個平底之間的距離。15等寬凸輪機構(gòu)凸輪廓線上任意兩條平行切線間的距離都16等徑凸輪機構(gòu)

過凸輪軸心所作任一徑向線上與凸輪相接觸的兩滾子中心間的距離處處相等。

從動件運動規(guī)律的選擇受到一定的限制。16等徑凸輪機構(gòu)過凸輪軸心所作任一徑向線上與凸輪相接17共軛凸輪機構(gòu)

一個凸輪推動從動件完成正行程運動，另一個凸輪推動從動件完成反行程的運動。這種凸輪機構(gòu)又稱為主回凸輪機構(gòu)。17共軛凸輪機構(gòu)一個凸輪推動從動件完成正行程運動，另18反凸輪機構(gòu)擺桿為主動件，凸輪為從動件18反凸輪機構(gòu)擺桿為主動件，凸輪為從動件19四、凸輪機構(gòu)的特點優(yōu)點：缺點：結(jié)構(gòu)簡單，緊湊；應(yīng)用靈活；設(shè)計方便。高副接觸，易于磨損，多用于傳力不大的場合;凸輪加工比較困難;從動件行程不宜過大，否則會使凸輪尺寸過大。19四、凸輪機構(gòu)的特點優(yōu)點：缺點：結(jié)構(gòu)簡單，緊湊；高副接觸，20凸輪機構(gòu)的命名從動件的結(jié)構(gòu)形式+從動件的運動形式+凸輪的形狀對心尖底直動從動件盤形凸輪機構(gòu)偏置滾子直動從動件盤形凸輪機構(gòu)尖底擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)20凸輪機構(gòu)的命名從動件的結(jié)構(gòu)形式+從動件的運動形式+凸輪的偏置尖底直動從動件盤形凸輪機構(gòu)21第二節(jié)凸輪機構(gòu)的基本名詞術(shù)語1.基圓和偏距圓基圓半徑——r0

偏距——e2.推程和推程運動角（Φ）3.遠休止和遠休止角（Φs

）4.回程和回程運動角（Φ'）5.近休止和近休止角（Φ's

）6.凸輪轉(zhuǎn)角——φ7.從動件位移——s8.從動件行程——h偏置尖底直動從動件盤形凸輪機構(gòu)21第二節(jié)凸輪機構(gòu)的基本名詞22從動件的運動規(guī)律——從動件的位移、速度和加速度與時間或凸輪轉(zhuǎn)角間的關(guān)系。9.從動件的運動線圖s=f(φ)位移方程速度方程加速度方程22從動件的運動規(guī)律——從動件的位移、速度和加速度與時間或凸23s1δ1MM1M’s1δ1s123s1δ1MM1M’s1δ1s1242425一、從動件常用運動規(guī)律1.多項式運動規(guī)律多項式運動規(guī)律的一般表達式為工程中常用：n＝1、2、5第三節(jié)從動件的常用運動規(guī)律25一、從動件常用運動規(guī)律1.多項式運動規(guī)律多項式運動規(guī)律的26（1）一次多項式運動規(guī)律（n＝1）（推程）位移方程的一般表達式等速運動規(guī)律加速度方程：位移方程：速度方程：hsOvO-∞aO+∞ΦΦΦ26（1）一次多項式運動規(guī)律（n＝1）（推程）位移方程的一般27應(yīng)用：低速、輕載特點：有剛性沖擊剛性沖擊：由理論上趨于無窮大的加速度產(chǎn)生的慣性力引起的沖擊?；爻踢\動方程：0=aφ￠-=ωhv)1(φ-=hs￠hsOvO-∞aO+∞ΦΦΦ（1）一次多項式運動規(guī)律（n＝1）（推程）27應(yīng)用：低速、輕載特點：有剛性沖擊剛性沖擊：由理論上趨于無28（2）二次多項式運動規(guī)律（n＝2）（推程）等加速等減速運動規(guī)律28（2）二次多項式運動規(guī)律（n＝2）（推程）等加速等減速運29應(yīng)用：中速、輕載特點：有柔性沖擊柔性沖擊：由有限的加速度產(chǎn)生的慣性力引起的沖擊?；爻涛灰魄€圖繪制:（2）二次多項式運動規(guī)律（n＝2）（推程）29應(yīng)用：中速、輕載特點：有柔性沖擊柔性沖擊：由有限的加速度30（3）五次多項式運動規(guī)律（n＝5）（推程）位移方程：速度方程：加速度方程：3-4-5多項式運動規(guī)律30（3）五次多項式運動規(guī)律（n＝5）（推程）位移方程：速度31avsavs3-4-5運動規(guī)律應(yīng)用：高速、中載特點：無沖擊31avsavs3-4-5運動規(guī)律應(yīng)用：高速、中載特點：無沖322.三角函數(shù)運動規(guī)律（1）簡諧運動規(guī)律（推程）余弦加速度運動規(guī)律位移方程：速度方程：加速度方程：322.三角函數(shù)運動規(guī)律（1）簡諧運動規(guī)律（推程）余弦加速度33應(yīng)用：中速、中載特點：有柔性沖擊（1）簡諧運動規(guī)律（推程）33應(yīng)用：中速、中載特點：有柔性沖擊（1）簡諧運動規(guī)律（推程34h/2123456781235678sOh位移曲線圖繪制:

4Φ34h/2123456781235678sOh位移曲線圖繪35（2）擺線運動規(guī)律（推程）位移方程：正弦加速度運動規(guī)律35（2）擺線運動規(guī)律（推程）位移方程：正弦加速度運動規(guī)律36應(yīng)用：高速、輕載特點：無沖擊（2）擺線運動規(guī)律（推程）36應(yīng)用：高速、輕載特點：無沖擊（2）擺線運動規(guī)律（推程）37s123456r=h/2πθ=2πδ/φhφ位移曲線圖繪制:37s123456r=h/2πθ=2πδ/φhφ位移曲線圖繪38vsahoooφ組合運動規(guī)律（1）改進等速運動規(guī)律主運動：等速運動規(guī)律組合運動：等速運動的行程兩端與正弦加速度運動規(guī)律組合起來。+∞-∞38vsahoooφ組合運動規(guī)律（1）改進等速運動規(guī)律主運動39（2）改進梯形運動規(guī)律主運動：等加速等減速運動規(guī)律組合運動：在加速度突變處以正弦加速度曲線過渡。39（2）改進梯形運動規(guī)律主運動：等加速等減速運動規(guī)律組合運40二、從動件運動規(guī)律的選擇1.機器的工作過程只要求凸輪轉(zhuǎn)過一角度時，推桿完成一行程h或φ，對運動規(guī)律并無嚴格要求。則應(yīng)選擇直線或圓弧等易加工曲線作為凸輪的輪廓曲線。如夾緊凸輪。工件ω工件ωφ40二、從動件運動規(guī)律的選擇1.機器的工作過程只要求凸輪轉(zhuǎn)過41ωωhφ2.機器的工作過程對推桿運動有要求，則應(yīng)嚴格按工作要求的運動規(guī)律來設(shè)計凸輪廓線。如刀架進給凸輪。41ωωhφ2.機器的工作過程對推桿運動有要求，則應(yīng)嚴格42表5－1從動件常用運動規(guī)律的特性比較等加速等減速2.04.0

柔性中速輕載五次多項式1.885.77

無高速中載余弦加速度1.574.93

柔性中速中載正弦加速度2.06.28

無高速輕載改進正弦加速度1.765.53

無高速重載100分鐘運動規(guī)律

Vmax

amax

沖擊適用場合

(hω/φ)×

(hω/φ2)×等速1.0∞

剛性低速輕載3.對高速凸輪，還應(yīng)當考慮Vmax和amax。②amax↑→慣性力F=-ma↑對強度和耐磨性要求↑。對高速凸輪，希望amax

愈小愈好?！鷦恿縨v↑,對重載凸輪，則Vmax越小越好。①Vmax↑42表5－1從動件常用運動規(guī)律的特性比較等加速等減速43第四節(jié)凸輪機構(gòu)的輪廓設(shè)計一、凸輪輪廓設(shè)計方法的基本原理——反轉(zhuǎn)法反轉(zhuǎn)法——給整個機構(gòu)加一個公共角速度-ω,各構(gòu)件的相對運動關(guān)系并不改變。-ω原機構(gòu)轉(zhuǎn)化機構(gòu)-=0凸輪從動件機架00

-=-43第四節(jié)凸輪機構(gòu)的輪廓設(shè)計一、凸輪輪廓設(shè)計方法的基本原理44r0ωos-ω11’011’22’22’33’

3’344r0ωos-ω11’011’22’22’33’3’345二、用圖解法設(shè)計凸輪輪廓曲線1.直動從動件盤形凸輪機構(gòu)（1）對心尖底直動從動件盤形凸輪輪廓曲線已知：凸輪的基圓半徑r0，從動件的運動規(guī)律和從動件的行程h，凸輪以角速度ω逆時針轉(zhuǎn)動。設(shè)計：凸輪輪廓曲線。45二、用圖解法設(shè)計凸輪輪廓曲線1.直動從動件盤形凸輪機構(gòu)（4612345678A60°90°90°120°-ωωs1’2’3’4’5’6’7’8’60°120°90°90°1’3’5’7’8’91113159’11’13’12’14’18765432μs＝（）mm/mm取適當?shù)谋壤擀蘬＝μsμφ＝（）°/mm12’13’14’11’10’9’r0o14131211109154612345678A60°90°90°120°-ωωs1’47按給定從動件的運動規(guī)律繪制從動件的位移線圖。確定從動件尖底的初始位置。確定導路在反轉(zhuǎn)過程中的一系列位置。確定尖底在反轉(zhuǎn)過程中的一系列位置。繪制凸輪廓線。設(shè)計步驟：47按給定從動件的運動規(guī)律繪制從動件的位移線圖。設(shè)計步驟：48（2）滾子直動從動件盤形凸輪輪廓曲線已知：滾子半徑rT，凸輪的基圓半徑r0，從動件的運動規(guī)律和從動件的行程h，凸輪以角速度ω逆時針轉(zhuǎn)動。設(shè)計：凸輪輪廓曲線。48（2）滾子直動從動件盤形凸輪輪廓曲線已知：滾子半徑rT，49r060°90°90°120°-ωω1’2’3’4’5’6’7’8’9’10’11’12’13’14’A1876543214131211109理論廓線實際廓線注：從動件端部的滾子與凸輪實際廓線的接觸點會隨凸輪的轉(zhuǎn)動而不斷變化?；鶊A是指凸輪理論廓線上由最小半徑所作的圓。取長度比例尺lo49r060°90°90°120°-ωω1’2’3’4’5’501234567815141312111098’7’6’5’4’3’2’1’9’10’11’12’13’14’（3）平底直動從動件盤形凸輪輪廓曲線取長度比例尺l501234567815141312111098’7’6’551（4）偏置直動從動件盤形凸輪輪廓曲線已知：凸輪的基圓半徑r0，偏距e，從動件的運動規(guī)律和從動件的行程h，凸輪以角速度ω逆時針轉(zhuǎn)動。設(shè)計：凸輪輪廓曲線。51（4）偏置直動從動件盤形凸輪輪廓曲線已知：凸輪的基圓半徑52eA-ωωOsδ60°120°90°90°1’3’5’7’8’1357891113159’11’13’12’14’1514131211109k9k10k11k12k13k14k151’2’3’4’5’6’7’8’15’14’13’12’11’10’9’取長度比例尺l12345678k1k2k3k5k4k6k7k852eA-ωωOsδ60°120°90°90°1’3’5’53按給定從動件的運動規(guī)律繪制從動件的位移線圖。確定從動件尖底的初始位置。確定導路在反轉(zhuǎn)過程中的一系列位置。確定尖底在反轉(zhuǎn)過程中的一系列位置。繪制凸輪廓線。設(shè)計步驟：53按給定從動件的運動規(guī)律繪制從動件的位移線圖。設(shè)計步驟：542.擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)已知：凸輪以等角速度ω逆時針方向轉(zhuǎn)動，凸輪軸與擺桿回轉(zhuǎn)中心的距離為a，凸輪基圓半徑ro，擺桿長度l和擺桿的運動規(guī)律。設(shè)計：凸輪輪廓曲線。

542.擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)已知：凸輪以等角速度ω逆時針方55A1A2A3A4A5A6A7A8B1B2B3B4B5B6B7B8120°60°90°B’1ψ1B’2ψ2B’3ψ3B’4ψ4B’5ψ5B’6φ6B’7ψ7ω-ωr0ABlaψ60°120°90°90°1’2’3’4’123456785’7’6’8’φμφ＝（）°/mmμψ＝（）°/mmo55A1A2A3A4A5A6A7A8B1B2B3B4B5B656作從動件的角位移線圖。確定擺桿的初始位置。確定擺桿軸心在反轉(zhuǎn)過程中的一系列位置。確定擺桿尖底的一系列位置。繪制凸輪廓線。設(shè)計步驟：56作從動件的角位移線圖。設(shè)計步驟：573.擺動從動件圓柱凸輪機構(gòu)rm—平均圓柱面半徑；

l—從動桿長度；ymax—從動件最大擺角。

573.擺動從動件圓柱凸輪機構(gòu)rm—平均圓柱面半徑；58585959

三.擺動從動件圓柱凸輪機構(gòu)5959三.擺動從動件圓柱凸輪機構(gòu)602πRV=ωRωvR－V直動推桿圓柱凸輪機構(gòu)思路：將圓柱外表面展開，得一長度為2πR的平面移動凸輪機構(gòu)，其移動速度為V=ωR，以－V反向移動平面凸輪，相對運動不變，滾子反向移動后其中心點的軌跡即為理論輪廓，其內(nèi)外包絡(luò)線為實際輪廓。Bv602πRV=ωRωvR－V直動推桿圓柱凸輪機構(gòu)思路：將圓柱61123456787’6’5’4’3’2’1’V=ωRββ'－V2πRsβ"直動推桿圓柱凸輪機構(gòu)已知：圓柱凸輪的半徑R

，從動件的運動規(guī)律，設(shè)計該圓柱凸輪機構(gòu)。ωvRδs123456786’5’4’3’2’1’7’61123456787’6’5’4’3’2’1’V=ωRββ62ARω擺動推桿圓柱凸輪機構(gòu)已知：圓柱凸輪的半徑R，滾子半徑rr從動件的運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪機構(gòu)。2”3”4”5”6”7”8”9”0”0”-V2πR2rrφ1”AV=ωRA5A6A7A8A9A2A3A4A1A0φ50分鐘δφ012345678902πRA0中線4’,5’,6’3’2’1’0’8’7’9’62ARω擺動推桿圓柱凸輪機構(gòu)已知：圓柱凸輪的半徑R，滾子263擺動從動件圓柱凸輪輪廓曲線設(shè)計說明：1.用這種方法設(shè)計是一種近似設(shè)計。2.減小設(shè)計誤差的方法：（1）使?jié)L子中心的各個位置盡可能接近以rm為半徑的圓柱面，即?。?/p>

（3）減小。（2）使從動件中間位置AB與凸輪軸線交錯垂直；63擺動從動件圓柱凸輪輪廓曲線設(shè)計說明：1.用這種方法設(shè)計是64⒈理論輪廓曲線方程

設(shè)計一偏置滾子直動從動件盤形凸輪機構(gòu)。已知偏距e、基圓半經(jīng)r0、從動件運動規(guī)律s＝s

(j)、凸輪以角速度ω轉(zhuǎn)動。建立坐標系如圖所示。三、用解析法設(shè)計凸輪輪廓曲線滾子直動從動件盤形凸輪機構(gòu)

64⒈理論輪廓曲線方程設(shè)計一偏置滾子直動從動件盤形6565

式中利用反轉(zhuǎn)法原理，可得到凸輪理論廓線上對應(yīng)點B。

若從動件偏置于x軸負側(cè)、且凸輪順時針轉(zhuǎn)動，當凸輪轉(zhuǎn)過j角，從動件滾子中心由Bo上升到B’點。則點B的坐標如下：6565式中利用反轉(zhuǎn)法原理，可得到凸輪理論廓線上對應(yīng)點B。66

當凸輪逆時針轉(zhuǎn)動、且從動件偏置于x軸正側(cè)時，凸輪理論廓線上對應(yīng)點B的坐標為：式中66當凸輪逆時針轉(zhuǎn)動、且從動件偏置于x軸正側(cè)時，凸輪67—直動從動件盤形凸輪理論廓線直角坐標參數(shù)方程。引入凸輪轉(zhuǎn)向系數(shù)η和從動件偏置方位系數(shù)δ，且規(guī)定：凸輪順時針轉(zhuǎn)動時η＝1，逆時針轉(zhuǎn)動時η＝－1；從動件偏置于x軸正側(cè)時δ＝1，偏置于x軸負側(cè)時δ＝－1。則凸輪上B點直角坐標方程的一般表達式為：67—直動從動件盤形凸輪理論廓線直角坐標參數(shù)方程。引入凸輪轉(zhuǎn)68

以

rT為半徑、理論廓線上的點（x，y）為圓心的滾子圓族的包絡(luò)線方程為：——滾子從動件盤形凸輪實際輪廓曲線的參數(shù)方程。2.實際輪廓曲線方程以j

為參數(shù)的曲線族隱式包絡(luò)線方程為：68以

rT為半徑、理論廓線上的點（x，y）為圓心的69

滾子從動件盤形凸輪實際輪廓曲線上點的直角坐標參數(shù)方程：注：上邊一組符號（＋，－）表示一條外包絡(luò)線；

下邊一組符號（－，＋）表示一條內(nèi)包絡(luò)線。

69滾子從動件盤形凸輪實際輪廓曲線上點的直角坐7070

3.刀具中心軌跡方程

注：“+

、-”:rc>rT“-、+”:rc<rT70703.刀具中心軌跡方程注：71第五節(jié)凸輪機構(gòu)的輪廓設(shè)計基本參數(shù)的確定一、凸輪機構(gòu)的壓力角和自鎖F——凸輪對從動件的作用力v——從動件的速度α——壓力角（銳角）F可分解有效分力：F′＝Fcosα有害分力：F″＝Fsinα壓力角過大將使機構(gòu)出現(xiàn)自鎖。71第五節(jié)凸輪機構(gòu)的輪廓設(shè)計基本參數(shù)的確定一、凸輪機構(gòu)的壓72許用壓力角[α]

：工程上要求：αmax≤[α]直動從動件，推程：[α]＝30°～38°擺動從動件，推程：[α]＝40°～50°回程：[α’]＝70°～80°思考：平底直動從動件α＝？nnvOωr072許用壓力角[α]：工程上要求：αmax≤[α]直動從73二、按許用壓力角確定凸輪的基圓半徑如圖所示，點P為相對速度瞬心wvOP/=α<90°，由圖可得：1.壓力角與基圓半徑的關(guān)系73二、按許用壓力角確定凸輪的基圓半徑如圖所示，點P為相對速74負配置：當瞬心和導路位于回轉(zhuǎn)中心的同側(cè)時，取“－”。正配置：當瞬心和導路位于回轉(zhuǎn)中心的異側(cè)時，取“＋”。結(jié)論：從動件適當偏置時，可減小推程壓力角（偏置方位與凸輪轉(zhuǎn)向有關(guān)）；若機構(gòu)位置、從動件運動規(guī)律和偏距一定，適當