機械基礎 課件 模塊三任務 壓力機送料機構(gòu)中凸輪機構(gòu)的設計

教學目標知識目標1.了解凸輪機構(gòu)的應用與特點、組成與分類；2.掌握從動件常用的運動規(guī)律；3.掌握反轉(zhuǎn)法原理。能力目標1.能根據(jù)選定的凸輪類型和從動件運動規(guī)律設計凸輪的輪廓曲線。2.能正確選擇凸輪機構(gòu)的材料。素養(yǎng)目標1.培養(yǎng)學生標準意識和規(guī)范意識；2.培養(yǎng)學生嚴謹細心、愛崗敬業(yè)、精益求精的工匠精神。模塊三凸輪機構(gòu)任務

壓力機送料機構(gòu)中凸輪機構(gòu)的設計【學習重點與難點】1.從動件常用的運動規(guī)律；2.反轉(zhuǎn)法原理；3.尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓曲線的設計；4.滾子對心直動從動件盤形凸輪廓線設計；5.凸輪壓力角的校核與基圓半徑的選擇；6.凸輪機構(gòu)的材料與結(jié)構(gòu)。【相關(guān)知識】一、凸輪機構(gòu)的應用與特點、組成與分類（一）凸輪機構(gòu)的應用與特點

凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，在機械工業(yè)中應用廣泛，如圖所示。

凸輪機構(gòu)的特點如下：

（1）凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。

（2）改變凸輪的輪廓曲線，可實現(xiàn)從動件各種復雜的運動規(guī)律。

（3）凸輪機構(gòu)可作高速運動，且動作準確、可靠。

（4）凸輪機構(gòu)屬于高副機構(gòu)，在接觸處潤滑不良，容易磨損。內(nèi)燃機的配氣機構(gòu)圖自動機床進給機構(gòu)（二）凸輪機構(gòu)的組成與分類

1.凸輪機構(gòu)的組成

如圖所示，凸輪機構(gòu)由凸輪1、從動件2和機架3三個構(gòu)件組成。凸輪為主動件，作等速轉(zhuǎn)動，從動件隨凸輪輪廓的變化作相應的運動。凸輪機構(gòu)的組成2.凸輪機構(gòu)的分類（1）按凸輪形狀分

按凸輪的形狀可分為盤形凸輪、圓柱凸輪和移動凸輪。（a）盤形凸輪（b）圓柱凸輪（c）移動凸輪靠模車削凸輪機構(gòu)（2）按從動件末端形狀分

按從動件末端形狀可分為尖頂從動件、平底從動件、滾子從動件三種。（a）尖頂從動件（b）平底從動件（c）滾子從動件（3）按從動件運動形式分

按從動件運動形式可分為直動從動件、擺動從動件。（a）直動從動件（b）擺動從動件凸輪機構(gòu)運動過程二、從動件常用的運動規(guī)律（一）凸輪機構(gòu)運動過程及有關(guān)名稱

如圖所示的凸輪機構(gòu)運動過程圖中，從動件在最低位置時尖頂在A點。1.基圓

以凸輪最小向徑作的圓稱為基圓，其半徑稱為基圓半徑，用

表示。2.推程、推程運動角

凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動，從動件尖端被凸輪輪廓由最低點推至最高點的過程，稱為推程。在推程過程中，凸輪所轉(zhuǎn)過的角度，稱為推程運動角，用

表示。3.行程

從動件由最低點上升到最高點的距離，用h表示。4.遠休止、遠休止角

凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動，從動件尖端在最高點位置不動的過程，稱為遠休止。在遠休止過程時，凸輪所轉(zhuǎn)過的角度，稱為遠休止角，用

表示。5.回程、回程運動角

凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動，從動件尖端由最高點回到最低點的過程，稱為回程。在回程過程中，凸輪所轉(zhuǎn)過的角度，稱為回程運動角，用

表示。6.近休止、近休止角

凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動，從動件尖端在最低點位置不動的過程，稱為近休止。在近休止過程時，凸輪所轉(zhuǎn)過的角度，稱為近休止角，用

表示。凸輪機構(gòu)運動過程（二）位移線圖

從動件的運動過程，可用位移線圖表示，如圖所示。凸輪輪廓與從動件位移曲線（三）從動件常用的運動規(guī)律

從動件的運動規(guī)律是指從動件的位移S、速度v以及加速度a隨凸輪轉(zhuǎn)角δ的變化規(guī)律。常見的運動規(guī)律有等速運動規(guī)律、等加速等減速運動規(guī)律、簡諧運動規(guī)律等。1.等速運動規(guī)律

當凸輪以等角速度ω轉(zhuǎn)動時，從動件在推程或回程中的速度保持不變的運動規(guī)律，稱為等速運動規(guī)律。（2）運動線圖

運動線圖如圖所示。位移線圖為－斜直線，速度線圖為一水平線，加速度線圖與水平坐標軸重合。（a）推程

（b）回程運動線圖（3）運動特性分析

剛性沖擊：從動件的瞬時加速度趨于無窮大時，慣性力也趨于無窮大，致使機構(gòu)產(chǎn)生強烈的沖擊，這種沖擊稱為剛性沖擊。（4）適用范圍：由于產(chǎn)生剛性沖擊，故只適用低速、輕載的凸輪機構(gòu)。2.等加速等減速運動規(guī)律

當凸輪以等角速度轉(zhuǎn)動時，從動件在推程或回程中，前半程為等加速運動，后半程為等減速運動，且加速度的絕對值相等的運動規(guī)律，稱為等加速等減速運動規(guī)律。（2）運動線圖（a）推程

（b）回程運動線圖（3）運動特性分析

柔性沖擊：從動件的瞬時加速度發(fā)生有限值變化，慣性力也發(fā)生有限值變化，機構(gòu)由此受到的沖擊稱為柔性沖擊。（4）適用范圍：由于存在柔性沖擊，故僅適用中、低速場合。三、盤形凸輪輪廓的設計

凸輪輪廓曲線的設計方法有解析法和圖解法。本節(jié)只介紹圖解法。（一）圖解法設計凸輪的原理

圖解法設計凸輪輪廓采用反轉(zhuǎn)法。反轉(zhuǎn)法（二）圖解法設計對心直動尖頂從動件盤形凸輪輪廓曲線例：

已知凸輪基圓半徑rb=30mm，當凸輪轉(zhuǎn)動時，在0°～120°范圍內(nèi)從動件勻速上升20mm，在120°～180°范圍內(nèi)從動件停止不動，在180°～270°范圍內(nèi)從動件勻速下降至半徑為30mm處，繼續(xù)轉(zhuǎn)動至原處。試繪制此凸輪輪廓曲線。答案：凸輪輪廓曲線運動線圖（三）圖解法設計對心直動滾子從動件盤形凸輪輪廓曲線

對于如圖所示的對心移動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)，可以將從動件上滾子中心點假想為尖頂從動件的尖頂，先依據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，作出從動件做復合運動時滾子中心(假想尖頂)的軌跡，即圖中的點畫線曲線，此曲線稱為凸輪的理論輪廓曲線。以理論輪廓曲線上各點為圓心，以滾子半徑rr為半徑，作一系列的滾子圓，然后作這些滾子圓的內(nèi)包絡線，此包絡線即為所求的滾子從動件凸輪輪廓曲線，稱為凸輪的實際輪廓曲線。（a）（b）對心直動滾子從動件盤形凸輪輪廓曲線設計四、凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定

凸輪機構(gòu)的基本尺寸有：基圓半徑r0、滾子半徑rr、偏距e、移動從動件導路長度、擺動從動件的擺桿長度l和中心距a。1.凸輪機構(gòu)的壓力角

如圖所示，為尖頂直動從動件盤形凸輪機構(gòu)在推程的一個位置，不計摩擦時，凸輪與從動件在某瞬時接觸點處的公法線方向與從動件運動方向之間所夾的銳角α稱為凸輪機構(gòu)在該位置的壓力角。F1是沿著從動件運動方向的有效分力，F(xiàn)2只是使從動件與導路間的正壓力增大，從而使摩擦力增大，因而是有害分力。上式表明，在驅(qū)動力F一定的條件下，壓力角α越大，有害分力越大，機構(gòu)的效率就越低。當壓力角α增大到某一值時，有害分力F2所引起的摩擦阻力將大于有效分力F1，這時無論凸輪給從動件的作用力F有多大，都不能推動從動件運動，即機構(gòu)發(fā)生自鎖（卡死）現(xiàn)象，而此時的壓力角稱為臨界壓力角。為了提高機構(gòu)效率、改善傳力性能，確定凸輪機構(gòu)基本尺寸時務必使其最大壓力角αmax小于或等于許用壓力角[α]。根據(jù)理論力學分析和實際經(jīng)驗，壓力角的許用值如下:對于移動從動件，在推程時[a]=30°～38°；對于擺動從動件，在推程時[a]=40°～45°；對于靠彈簧力復位的移動或擺動從動件，在回程時可取[a]=70°～80°。2.凸輪基圓半徑的確定設計凸輪機構(gòu)時，除了應使機構(gòu)具有良好的傳動性能外，還希望機構(gòu)緊湊。在其它條件都不變的情況下，若把基圓半徑增大，則凸輪的尺寸也將隨之增大，因此，要使機構(gòu)緊湊就應當選用較小的基圓半徑。但是，基圓半徑減小會引起壓力角增大。在實際設計工作中，還需根據(jù)結(jié)構(gòu)和強度的需要確定凸輪的基圓半徑r0。如果安裝凸輪的軸的半徑已確定，則凸輪安裝到軸上時，其實際輪廓的最小半徑必須大于輪轂半徑。如果凸輪與軸做成一體，則其實際輪廓的最小半徑必須大于軸的半徑，通常取r0=(1.6～2.0)rs，rs為軸的半徑。3.滾子半徑的確定設計滾子從動件時若從強度和耐用性考慮，滾子的半徑應取大些。滾子半徑取大時，對凸輪的實際輪廓曲線影響很大，有時甚至使從動件不能完成預期的運動規(guī)律。（a）（b）（c）（d）（1）凸輪理論輪廓的內(nèi)凹部分(2)凸輪理論輪廓的外凸部分當ρa＞ρ-rr時，則有ρa＞0，實際輪廓曲線為一平滑的曲線。這種情況屬于正常。

當ρa=ρ-rr時，則有ρa=0

，凸輪實際輪廓曲線出現(xiàn)了尖點。這種尖點極易磨損，磨損后就會改變從動件預定的運動規(guī)律，從而影響凸輪機構(gòu)的工作壽命。當ρa＜ρ-rr時，則有ρa＜0，凸輪實際輪廓曲線不僅出現(xiàn)尖點，而且相交，圖中陰影部分的輪廓在實際加工中被切去，使從動件工作時不能到達預定的工作位置，無法實現(xiàn)預期的運動規(guī)律。這種現(xiàn)象稱為運動失真。

結(jié)論：滾子半徑rr不宜過大，否則產(chǎn)生運動失真；但滾子半徑也不宜過小，否則凸輪與滾子接觸應力過大且難以裝在軸上。

因此，一般推薦rr≤0.8ρmin，若從結(jié)構(gòu)上考慮，可使rr=(0.1～0.15)r0,為了避免出現(xiàn)尖點，一般要求ρa＞3～5mm。五、凸輪機構(gòu)的材料與結(jié)構(gòu)

當載荷不大、低速時可選用HT250、HT300、