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

§5.1概述§5.2凸輪機(jī)構(gòu)工作過程和從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律§5.3盤形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)§5.4凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定第5章凸輪機(jī)構(gòu)5.1概述凸輪機(jī)構(gòu)由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架三部分組成。

凸輪是一種具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，他通過與從動(dòng)件的高副接觸，在運(yùn)動(dòng)時(shí)可以使從動(dòng)件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期運(yùn)動(dòng)。

凸輪機(jī)構(gòu)是高副機(jī)構(gòu)，易于磨損，因此只適用于傳遞動(dòng)力不大的場(chǎng)合。示例一5.1.1

凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)推桿凸輪示例二報(bào)紙印刷5.1.2凸輪的分類(1)按凸輪的形狀分盤形凸輪：繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)且其半徑是變化的移動(dòng)凸輪：凸輪相對(duì)機(jī)架作直線運(yùn)動(dòng)圓柱凸輪：可看成是移動(dòng)凸輪卷在圓柱體上推桿凸輪推桿凸輪移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)-蜂窩煤圓柱凸輪動(dòng)畫(3D)圓柱凸輪動(dòng)畫(3D)(2)按從動(dòng)件的型式分尖頂從動(dòng)件滾子從動(dòng)件平底從動(dòng)件能與任意凸輪輪廓保持接觸，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、低速接觸面易形成油膜，利于潤滑，常用于高速運(yùn)動(dòng)配合的凸輪輪廓必須全部外凸耐磨、承載大，較常用(3)按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式分直動(dòng)擺動(dòng)(4)一般凸輪機(jī)構(gòu)的命名原則布置形式＋運(yùn)動(dòng)形式＋從動(dòng)件形狀＋凸輪形狀對(duì)心直動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)偏置直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)擺動(dòng)平底推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)

凸輪和滾子的材料凸輪的主要失效形勢(shì)為磨損和疲勞點(diǎn)蝕。對(duì)凸輪和滾子的材料要求：工作表面硬度高耐磨有足夠的表面接觸強(qiáng)度凸輪芯部有較強(qiáng)的韌性常用的凸輪材料：40Cr、20Cr、40CrMnTi常用的滾子材料：20Cr或者滾動(dòng)軸承5.2.1凸輪與從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系

圖為對(duì)心尖頂從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪回轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)件重復(fù)升—停—降—停的運(yùn)動(dòng)循環(huán)。

從動(dòng)件的位移s與凸輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系可以用從動(dòng)件的位移線圖來表示。5.2

凸輪機(jī)構(gòu)工作過程和從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律

A’BCDAr1

t

s

h

s’

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

1變化的規(guī)律。基圓：凸輪輪廓的最小向徑rb推程：從動(dòng)件由A到B的過程。推程運(yùn)動(dòng)角

t回程，回程運(yùn)動(dòng)角h

休止，休止角s

升程：從動(dòng)件在推程中所走過的距離h

位移線圖：從動(dòng)件的位移s2隨時(shí)間t或凸輪轉(zhuǎn)角

1變化的關(guān)系圖。t

s0

t推程

s遠(yuǎn)休止

h回程

s’近休止h

A’BCDAr1

t

s

h

s’

從動(dòng)件的位移線圖取決于什么？t

s0

t推程

s遠(yuǎn)休止

h回程

s’近休止h

A’BCDAr1

t

s

h

s’從動(dòng)件位移線圖5.2.2從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)關(guān)系規(guī)律等速運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)開始，V由0突變?yōu)榧铀俣萢為同理，運(yùn)動(dòng)結(jié)束a=-∞hs

0v

0a

0-

位移速度加速度+

+

t

t’-

運(yùn)動(dòng)線圖沖擊特性：始點(diǎn)、末點(diǎn)剛性沖擊適用場(chǎng)合：低速輕載推程:

先加速運(yùn)動(dòng)線圖沖擊特性：起、中、末點(diǎn)發(fā)生有限值的突變，因而會(huì)在機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生有限值的沖擊力，稱為柔性沖擊。適用場(chǎng)合：中速場(chǎng)合s

0

tv

0a

0h/2h/2

t/2

t/2h

后減速等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律推程（0≤≤

t）運(yùn)動(dòng)線圖沖擊特性：始、末點(diǎn)有柔性沖擊適用場(chǎng)合：中速輕載δsδa123456δv12345hδt余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律advd012345678hA2ph

t運(yùn)動(dòng)線圖沖擊特性：其速度和加速度曲線都是連續(xù)的，因此沒有沖擊。適用場(chǎng)合：高速輕載

t

tsd正弦加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律5.2.3從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇在選擇從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)器工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)要求來確定。對(duì)無一定運(yùn)動(dòng)要求，只需要從動(dòng)件有一定位移量的凸輪機(jī)構(gòu)。對(duì)于高速機(jī)構(gòu)，應(yīng)減小慣性力、改善動(dòng)力性能，可選用正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律或其他改進(jìn)型的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

凸輪輪廓線設(shè)計(jì)基本原理：反轉(zhuǎn)法。AAAAAAAAAAAAAAA

-

r0r05.3盤形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)方法5.3.1尖頂對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪

反轉(zhuǎn)法原理加角速度-w(與凸輪角速度大小相等、方向相反)從動(dòng)件與導(dǎo)路繞角速度-w以凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪靜止不動(dòng)從動(dòng)件尖頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡就是凸輪輪廓曲線從動(dòng)件相對(duì)導(dǎo)路移動(dòng)對(duì)于滾子從動(dòng)件，則滾子中心可看作是從動(dòng)件的尖頂，其運(yùn)動(dòng)軌跡就是凸輪的理論輪廓曲線，凸輪的實(shí)際輪廓曲線是與理論輪廓曲線相距滾子半徑rT的一條等距曲線。作圖步驟：根據(jù)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：作出位移線圖S2-δt，并等分角度；定基圓；作出推桿在反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中依次占據(jù)的位置；據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求出從動(dòng)件在預(yù)期運(yùn)動(dòng)中依次占據(jù)的位置；將兩種運(yùn)動(dòng)復(fù)合，就求出了從動(dòng)件尖端在復(fù)合運(yùn)動(dòng)中依次占據(jù)的位置點(diǎn)；將各位置點(diǎn)聯(lián)接成光滑的曲線；在理論輪廓上再作出凸輪的實(shí)際輪廓。作圖法設(shè)計(jì)凸輪輪廓線1

對(duì)心直動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)2對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)3對(duì)心直動(dòng)平底推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)4偏置直動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)1、尖頂對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪已知：基圓半徑r1，推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律，凸輪逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)：凸輪輪廓線s

0h做半徑為r1的基圓；

任取始點(diǎn)A0，自O(shè)A0開始沿-w1方向取角度，并將推、回程運(yùn)動(dòng)角初始分成若干等分；在各個(gè)位移量，并在相應(yīng)的射線上截取，得反轉(zhuǎn)后尖頂?shù)囊幌盗形恢?。將這一系列位置連成光滑的曲線，即得到要求的凸輪輪廓。求解步驟：2、對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)已知：r1，推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律，滾子半徑rk,凸輪逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)：凸輪輪廓線s

0h理論輪廓實(shí)際輪廓求解步驟：定比例尺

初始位置及推桿位移曲線注：兩條輪廓線，理論／實(shí)際輪廓線實(shí)際輪廓線基圓rmin理論輪廓線基圓r1確定推桿反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)占據(jù)的各位置確定推桿預(yù)期運(yùn)動(dòng)占據(jù)的各位置推桿高副元素族推桿高副元素的包絡(luò)線3、對(duì)心直動(dòng)平底推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)已知：r1，推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律，凸輪逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)：凸輪輪廓線求解步驟：

定比例尺

初始位置及推桿位移曲線確定推桿反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)占據(jù)的各位置確定推桿預(yù)期運(yùn)動(dòng)占據(jù)的各位置推桿高副元素族推桿高副元素的包絡(luò)線s

0h實(shí)際輪廓5.4凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定5.4.1凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角

從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)方向和凸輪作用于它的法向力Fn方向之間所夾的角a稱為壓力角。

由上述關(guān)系式知，壓力角a愈大，有效分力Ｆy愈小，有害分力Ｆx愈大。當(dāng)a角大到某一數(shù)值時(shí)，必將會(huì)出現(xiàn)Fy<Fx的情況。這時(shí)，不論施加多大的Fn力，都不能使從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為自鎖。因此，為了保證凸輪機(jī)構(gòu)的正常工作，必須對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角進(jìn)行限制。推薦壓力角數(shù)值移動(dòng)從動(dòng)件[a]=30擺動(dòng)從動(dòng)件[a]=45回程中，一般不會(huì)有自鎖現(xiàn)象，壓力角取值為[a]=70～80FxnnFnmmaFfFy

5.4.2基圓半徑的確定

從傳動(dòng)效率來看，壓力角越小越好，但壓力角減小將導(dǎo)致凸輪尺寸增加，因此在設(shè)計(jì)凸輪時(shí)要權(quán)衡兩者的關(guān)系，使設(shè)計(jì)達(dá)到合理。在設(shè)計(jì)凸輪時(shí)，先根據(jù)條件確定基圓半徑r0。A點(diǎn):在?ABD中即(式A)在?ABD中導(dǎo)路在凸輪軸的左邊時(shí)，式中分子部分取“＋”，凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，符號(hào)取法與上述相反

在給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，合理設(shè)計(jì)偏距可減小壓力角，增大基圓半徑也可以減小壓力角。獲取較小的基圓半徑的同時(shí)，必須要保證a≤[a]

在設(shè)計(jì)凸輪時(shí)，先根據(jù)條件確定基圓半徑r0。制作凸輪軸時(shí)，r0略大于軸的半徑；單獨(dú)制造凸輪時(shí)，r0=(1.6~2)r。

1．基圓半徑越小，凸輪的外廓尺寸越小。

2．基圓半徑越小，凸輪理論廓線的最小曲率半徑越小，滾子凸輪的實(shí)際輪廓容易變尖和交叉。

3．基圓半徑越小，壓力角越大，凸輪機(jī)構(gòu)容易自鎖。

4．基圓半徑過小，不便于凸輪與軸進(jìn)行聯(lián)接。5.4.3滾子半徑的確定凸輪輪廓曲線形狀與滾子半徑的關(guān)系r'

=r+rr當(dāng)理論廓線內(nèi)凹時(shí)此時(shí)，無論滾子半徑大小，凸輪工作輪廓總是光滑曲線(如圖a)當(dāng)理論廓線外凸時(shí)(可分為三種情況)r'

=r-rr1)

r>rr時(shí)

r

'

>0這時(shí)所得的凸輪實(shí)際輪廓為光滑的曲線(如圖b)2)

r=rr

時(shí)r

'=0，實(shí)際輪廓線變尖，極易磨損，不能使用(如圖c)。3)r<rr

時(shí)r

'<0，

，即實(shí)際曲線出現(xiàn)交叉會(huì)出現(xiàn)失真(如圖d)。r

=-rk＝0rk

=rk

rk

r

=-rk<0

<rk外凸凸輪輪廓線>rk，r

>0，實(shí)際廓線平滑=rk，r

=0，實(shí)際廓線變尖

<rk，r

<0，實(shí)際廓線出現(xiàn)交叉，加工切割掉一部分，運(yùn)動(dòng)失真。