第四章凸輪機構(gòu)及其設(shè)計

第四章凸輪機構(gòu)及其設(shè)計第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第四章凸輪機構(gòu)及其設(shè)計第2頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第四章凸輪機構(gòu)及其設(shè)計§4-1凸輪機構(gòu)構(gòu)成、應(yīng)用及分類§4-2從動件的常用運動規(guī)律§4-3凸輪輪廓曲線的設(shè)計§4-4凸輪機構(gòu)基本參數(shù)的確定第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-1凸輪機構(gòu)構(gòu)成、應(yīng)用及分類一、凸輪機構(gòu)的構(gòu)成和應(yīng)用構(gòu)成應(yīng)用特點二、凸輪機構(gòu)的分類三、凸輪機構(gòu)的基本名詞術(shù)語第4頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月從動件或推桿：與凸輪保持接觸的作往復移動或擺動的構(gòu)件。往復移動直動從動件往復擺動擺動從動件1、構(gòu)成直動從動件擺動從動件凸輪：具有曲線狀輪廓的構(gòu)件一、凸輪機構(gòu)的構(gòu)成和應(yīng)用第5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月凸輪機構(gòu)的應(yīng)用場合廣泛用于各種機械，特別是自動機械、自動控制裝置和裝配生產(chǎn)線。2、應(yīng)用第6頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)燃機配氣機構(gòu)繞線機排線機構(gòu)第7頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月沖床裝卸料機構(gòu)自動機床進刀機構(gòu)第8頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月盤形凸輪機構(gòu)在印刷機中的應(yīng)用第9頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月利用分度凸輪機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)位第10頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3、特點

凸輪機構(gòu)的優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、工作可靠，可以使從動件準確實現(xiàn)各種預期的運動規(guī)律，還易于實現(xiàn)多個運動的相互協(xié)調(diào)配合。

凸輪機構(gòu)的缺點凸輪輪廓與從動件之間是高副接觸，易于磨損。第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、凸輪機構(gòu)的分類1．按凸輪的形狀分類2．按從動件形狀分類3．按凸輪與從動件維持高副接觸的方式分類4．按從動件的運動形式分類第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1．按凸輪的形狀分類盤狀凸輪移動凸輪圓柱凸輪第13頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月弧面凸輪圓錐凸輪第14頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2．按從動件形狀分類尖底從動件滾子從動件平底從動件曲底從動件第15頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3．按凸輪與從動件維持高副接觸的方式分類力封閉凸輪機構(gòu)靠彈簧力或重力等維持凸輪與從動件的高副接觸。第16頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月形封閉凸輪機構(gòu)等寬凸輪機構(gòu)凹槽凸輪機構(gòu)等徑凸輪機構(gòu)共軛凸輪機構(gòu)第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月4．按從動件的運動形式分類對心式偏置式直動從動件擺動從動件第18頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月rb三、凸輪機構(gòu)的基本名詞術(shù)語h

s

s

s

s

DD0B0B

sO

,t360o基圓基圓半徑rb推程推程角

升距h遠休止遠休止角

s回程回程角

近休止近休止停角

sB

位移曲線第19頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

從動件的運動線圖

位移曲線—反映了從動件的位移s隨時間t或凸輪轉(zhuǎn)角

變化的規(guī)律。

速度曲線—反映了從動件的速度v隨時間t或凸輪轉(zhuǎn)角

變化的規(guī)律。

加速度曲線—反映了從動件的加速度a隨時間t或凸輪轉(zhuǎn)角

變化的規(guī)律。

躍度曲線—反映了從動件的躍度j隨時間t或凸輪轉(zhuǎn)角

變化的規(guī)律。

凸輪輪廓曲線的形狀決定了從動件的運動規(guī)律。要使從動件實現(xiàn)某種運動規(guī)律，就要設(shè)計出與其相應(yīng)的凸輪輪廓曲線。

第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-2從動件的運動規(guī)律一、引言二、從動件常用運動規(guī)律三、組合運動規(guī)律第21頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

數(shù)學方程式

位移方程s=s(

)

從動件運動規(guī)律的表示

運動線圖一、引言

所謂從動件運動規(guī)律，是指從動件的位移S、速度v、加速度a、及加速度的變化率（躍度j）隨時間t或凸輪轉(zhuǎn)角φ變化的規(guī)律。這種變化的規(guī)律可以用線圖來表示，是凸輪設(shè)計的依據(jù)。

正確選擇和設(shè)計從動件的運動規(guī)律，是凸輪機構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

生產(chǎn)中對工作構(gòu)件的運動要求是多種多樣的。

速度要求：例如自動機床中用來控制刀具進給運動的凸輪機構(gòu)，要求刀具（從動件）在工作行程時作等速運動。加速度要求：如內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu)，則要求凸輪具有良好的動力學性能。

位移要求：在某些控制機構(gòu)中則只有簡單的升距要求。

第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月人們經(jīng)過長期的理論研究和生產(chǎn)實踐，已經(jīng)積累了能適應(yīng)多種工作要求的從動件典型運動特性的運動曲線，即所謂“常用運動規(guī)律”。

設(shè)計凸輪機構(gòu)時，通常只需根據(jù)工作要求，從常用運動規(guī)律中選擇適當?shù)倪\動曲線。在一般情況下，推程是工作行程，要求比較嚴格，需要進行仔細研究。回程一般要求較低，受力情況也比推程階段有利，故不作專門討論。第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、從動件常用運動規(guī)律第25頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

從動件的位移曲線為多項式類運動s

c0

c1

c2

2

c3

3

cn

n（一）多項式運動規(guī)律

常用的有一次、二次、五次等多項式類運動規(guī)律。第26頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1.等速運動規(guī)律推程的運動方程：hOSvOvOa從動件在運動起始位置和終止兩瞬時的速度有突變，故加速度在理論上由零值突變?yōu)闊o窮大，慣性力也為無窮大。由此的強烈沖擊稱為剛性沖擊。適用于低速場合。

從動件運動的速度為常數(shù)時的運動規(guī)律，稱為等速運動規(guī)律（直線運動規(guī)律）。第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

實際上，由于構(gòu)件材料有彈性，加速度和慣性力不至于達到無窮大，但仍將造成強烈沖擊。當加速度為正時，它將增大凸輪壓力，使凸輪輪廓嚴重磨損；加速度為負時，可能會造成用力封閉的從動件與凸輪輪廓瞬時脫離接觸，并加大力封閉彈簧的負荷。因此這種運動規(guī)律只適用于低速，如自動機床刀具進給機構(gòu)以及在低速下工作的一些凸輪控制機構(gòu)。第28頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2.等加速等減速運動規(guī)律（拋物線運動規(guī)律）從動件在推程（或回程）中，前半段作等加速運動，后半段作等減速運動，加速度為常數(shù)。推程等加速運動的方程式為：149410h1423560s0vvmax0amax-amaxa0j在運動規(guī)律推程的始末點和前后半程的交接處，加速度雖為有限值，但加速度對時間的變化率理論上為無窮大。由此引起的沖擊稱為柔性沖擊。適用于低速場合。第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

5次多項式運動規(guī)律的加速度對凸輪轉(zhuǎn)角的變化是連續(xù)曲線，因而沒有慣性力引起的沖擊現(xiàn)象，運動平穩(wěn)性好，可用于高速凸輪機構(gòu)。3.3-4-5多項式運動規(guī)律(五次多項式運動規(guī)律)推程階段第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

位移方程式中5次多項式剩余項的次數(shù)為３、４、５，所以又稱為3-4-5多項式運動規(guī)律，無剛性沖擊，也無柔性沖擊。第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）三角函數(shù)類基本運動規(guī)律1.余弦加速度運動規(guī)律（簡諧運動規(guī)律）1'2'3'4'5'6'0s123456h該運動規(guī)律在推程的開始和終止瞬時，從動件的加速度仍有突變，故存在柔性沖擊。因此適用于中、低速場合。vmaxa123456amax-amaxv123456，從動件的加速度按余弦規(guī)律變化第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2.正弦加速度運動規(guī)律（擺線運動規(guī)律）推程階段的正弦加速度方程為12345678sohs''s'S=S''-S'2'1'3'4'6'h/2

5'7's12345678ovvmax12345678oaamax-amax這種運動規(guī)律的速度及加速度曲線都是連續(xù)的，沒有任何突變，因而既沒有剛性沖擊、又沒有柔性沖擊，可適用于高速凸輪機構(gòu)。從動桿的加速度按正弦規(guī)律變化第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月常用運動規(guī)律性能比較第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

基本運動規(guī)律的數(shù)學表達式簡單，便于分析，而且按此設(shè)計出的凸輪，加工方便簡單，曾被廣泛采用。但隨著工業(yè)及科學技術(shù)的不斷發(fā)展，對凸輪機構(gòu)的要求愈來愈高，工作要求也更加多樣復雜。為了提高凸輪機構(gòu)工作的可靠性和壽命，減小中、高速凸輪機構(gòu)的振動噪音，適應(yīng)中、高速重載的要求及滿足機器對從動件運動特性的某些特殊要求，只用某種基本運動規(guī)律往往難以滿足。為此，提出了改進型運動規(guī)律。通過把基本運動規(guī)律合理地加以組合得到所要求的運動規(guī)律。第35頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月三、組合運動規(guī)律組合后的從動件運動規(guī)律應(yīng)滿足：1）工作對從動件特殊的運動要求；2）能避免剛性沖擊、柔性沖擊；3）使最大速度和最大加速度盡可能小。第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）改進型等速運動規(guī)律正弦加速度運動規(guī)律與等速運動組合的改進型運動規(guī)律消除了從動件作等速運動時在行程兩端的剛性沖擊。第37頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月改進型等速運動規(guī)律Oa正弦加速度運動規(guī)律等速運動規(guī)律ao

s

1

2

a

v

第38頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）改進型梯形加速度運動規(guī)律

等加速等減速運動規(guī)律，在加速度突變處以正弦加速度曲線過渡而組成，這樣，既具有等加速等減速運動其理論最大加速度最小的優(yōu)點，有消除了柔形沖擊。第39頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月修正梯形組合運動規(guī)律a12345678o

a0amax=(h

2/2)×4.00amax=(h

2/2)×6.28等加速等減速運動規(guī)律正弦加速度運動規(guī)律a

=10.1250.50.875j

=10.1250.50.875修正梯形組合運動規(guī)律amax=(h

2/2)×4.888第40頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月這些因素又往往是互相制約的。因此，在選擇或設(shè)計從動件運動規(guī)律時，必須根據(jù)使用場合、工作條件等分清主次綜合考慮，確定選擇或設(shè)計運動規(guī)律的主要根據(jù)。在選擇或設(shè)計從動件運動規(guī)律時，應(yīng)考慮：a.是否滿足機械的具體工作要求？b.凸輪機構(gòu)是否具有良好的動力特性？c.所設(shè)計的凸輪廓線是否便于加工？四、從動件運動規(guī)律的選擇第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）當機械的工作過程對從動件的運動規(guī)律有特殊要求，凸輪轉(zhuǎn)速不太高時，首先滿足從動件的運動規(guī)律，其次考慮動力特性和便于加工。例如各種機床中控制刀架進給的凸輪機構(gòu)，為了加工出表面光滑的零件，并使機床載荷穩(wěn)定，要求進刀時刀具作等速運動，故從動件應(yīng)選擇等速運動規(guī)律。

h

第42頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu)，工作要求氣門的開關(guān)愈快愈好，全開的時間保持得愈長愈好，同時為了避免產(chǎn)生過大的慣性力，減小沖擊和噪音，從動件可選用等加速等減速運動規(guī)律。第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）當機械的工作過程只要求從動件實現(xiàn)一定的工作行程，而對其運動規(guī)律無特殊要求時，低速時考慮使凸輪機構(gòu)具有較好的動力特性和便于加工。高速時主要考慮以減小慣性力和沖擊為依據(jù)來選擇從動件的運動規(guī)律。第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月例如，用于機床操縱機構(gòu)中的凸輪機構(gòu)，主要是要求凸輪轉(zhuǎn)過一定角度，從動件擺動一定角度。至于從動件按什么規(guī)律運動并不重要。所以從動件運動規(guī)律的選擇是在滿足位移要求的前提下，盡可能使凸輪便于加工，例如，用圓弧和直線組成凸輪的輪廓曲線。工件

第45頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）對于高速輕載的凸輪機構(gòu)，當凸輪高速轉(zhuǎn)動時，將使從動件產(chǎn)生很大的慣性力從而增大運動副中的動壓力和摩擦力，加劇磨損、降低使用壽命。因此，使其最大加速度不要太大，以減小慣性力，改善其動力性能，就成為選擇從動件運動規(guī)律的主要依據(jù)。對于大質(zhì)量的從動件，由于其動量mv較大，當從動件突然被阻止時，將出現(xiàn)很大的沖擊力。因此對這類從動件應(yīng)注意最大速度不宜太大。第46頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月總結(jié)在選擇從動件的運動規(guī)律時，除要考慮剛性沖擊與柔性沖擊外，還應(yīng)該考慮各種運動規(guī)律的速度幅值、加速度幅值及其影響加以分析和比較。從動件動量從動件慣性力對于重載凸輪機構(gòu)，應(yīng)選擇值較小的運動規(guī)律；對于高速凸輪機構(gòu)，宜選擇值較小的運動規(guī)律。第47頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、凸輪輪廓曲線設(shè)計的基本原理

二、凸輪輪廓曲線的作圖法

§4-3凸輪輪廓曲線的設(shè)計第48頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月一、凸輪輪廓設(shè)計的基本原理

對心尖頂直動從動件盤形凸輪機構(gòu)，當凸輪以等角速度轉(zhuǎn)動時，從動件將按預定的運動規(guī)律運動。第49頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

已知從動件的運動規(guī)律[s=s()、v=v()、a=a()]及凸輪機構(gòu)的基本尺寸（如r0、e）及轉(zhuǎn)向，求凸輪輪廓曲線上點的坐標值或作出凸輪的輪廓曲線。r0esB0BosB1S-

S-

反轉(zhuǎn)法原理假象給正在運動著的整個凸輪機構(gòu)加上一個與凸輪角速度

大小相等、方向相反的公共角速度（-），這樣，各構(gòu)件的相對運動關(guān)系并不改變，但原來以角速度轉(zhuǎn)動的凸輪將處于靜止狀態(tài)；機架（從動件的導路）則以（-）的角速度圍繞凸輪原來的轉(zhuǎn)動軸線轉(zhuǎn)動；而從動件一方面隨機架轉(zhuǎn)動，另一方面又按照給定的運動規(guī)律相對機架作往復運動。從動件在這種復合運動中，其尖頂仍然始終與凸輪輪廓保持接觸，因此，在此運動過程中，尖頂?shù)倪\動軌跡即為凸輪輪廓。第50頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月rbOs

13578

60o120o90o90o60o120o

1

2

90oA90o91113151

3

5

7

8

9

11

13

12

14

10

二、

用作圖法設(shè)計凸輪廓線

1.

對心尖頂移動從動件盤形凸輪廓線的設(shè)計

已知凸輪的基圓半徑rb，凸輪角速度

和從動件的運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。

①選比例尺

l，作位移曲線和基圓rb。

②等分位移曲線及反向等分各運動角，確定反轉(zhuǎn)后對應(yīng)于各等分點的從動件的位置。3

4

5

6

7

8

1876543210

11

9

12

13

14

1413121110915

③確定反轉(zhuǎn)后從動件尖頂在各等分點占據(jù)的位置。

設(shè)計步驟④將各尖頂點連接成一條光滑曲線。第51頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月rbOA

2.

對心滾子移動從動件盤形凸輪廓線的設(shè)計

已知凸輪的基圓半徑rb，滾子半徑rr、凸輪角速度

和從動件的運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。

①選比例尺

l，作位移曲線和基圓rb。

設(shè)計步驟

②等分位移曲線及反向等分各運動角，確定反轉(zhuǎn)后對應(yīng)于各等分點的從動件的位置。理論輪廓曲線實際輪廓曲線s

13578

60o120o90o90o91113151

3

5

7

8

9

11

13

12

14

10

60o120o

1

2

90o90o3

4

5

6

7

8

1876543210

11

9

12

13

14

1413121110915

③確定反轉(zhuǎn)后從動件滾子中心在各等分點占據(jù)的位置。④將各點連接成一條光滑曲線。⑤作滾子圓族及滾子圓族的內(nèi)包絡(luò)線。第52頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

實際輪廓——凸輪與從動件直接接觸的廓線稱為凸輪的工作廓線。

理論輪廓——對于滾子從動件，可把滾子圓心看作從動件的尖點，該點的復合運動軌跡稱為凸輪的理論廓線。實際廓線是滾子的包絡(luò)線?；鶊A——以凸輪理論輪廓曲線上的最小半徑為半徑所畫的圓。對于尖頂從動件來說，凸輪的理論輪廓和實際輪廓重合。第53頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月eA

3.

偏置尖頂移動從動件盤形凸輪廓線的設(shè)計

已知凸輪的基圓半徑rb，角速度

和從動件的運動規(guī)律及偏心距e，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。

①選比例尺

l，作位移曲線、基圓rb和偏距圓e。

設(shè)計步驟

②等分位移曲線及反向等分各運動角，確定反轉(zhuǎn)后對應(yīng)于各等分點的從動件的位置。O

6

1

2

3

4

5

7

8

1514

13

12

11

10

9

1514131211109k9k10k11k12k13k14k1512345678k1k2k3k5k4k6k7k8

s

13578

60o120o90o90o91113151

3

5

7

8

9

11

1312

14

10

③確定反轉(zhuǎn)后從動件尖頂在各等分點占據(jù)的位置。④將各尖頂點連接成一條光滑曲線。第54頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-4凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定一、凸輪機構(gòu)的壓力角二、凸輪機構(gòu)基本尺寸的設(shè)計

1、基圓半徑的設(shè)計

2、滾子半徑的設(shè)計第55頁，課件共60頁，創(chuàng)