機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課件 模塊4 凸輪機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

模塊4凸輪機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)單元4.1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類(lèi)型單元4.2從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律單元4.3盤(pán)形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)模塊4凸輪機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)知識(shí)目標(biāo)通過(guò)本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，了解并掌握凸輪機(jī)構(gòu)基本類(lèi)型以及從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。能夠運(yùn)用基本知識(shí)，熟練的運(yùn)用“圖解法”進(jìn)行凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)；能夠?qū)ν馆喗Y(jié)構(gòu)的基本尺寸確定以及凸輪材料的選用；能夠熟練的利用基本知識(shí)進(jìn)行凸輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。知識(shí)要點(diǎn)（1）凸輪機(jī)構(gòu)的分類(lèi)；（2）基圓、基圓半徑、推程、回程、推程運(yùn)動(dòng)角、遠(yuǎn)休止角、回程運(yùn)動(dòng)角、近休止角；（3）等速運(yùn)動(dòng)、等加速等減速運(yùn)動(dòng)、余弦加速度運(yùn)動(dòng)及正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律；（4）盤(pán)形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)、反轉(zhuǎn)法；（5）凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸確定（包括滾子半徑、壓力角、基圓半徑的確定）；（6）凸輪機(jī)構(gòu)的材料、凸輪的結(jié)構(gòu)（包括凸輪軸、整體式凸輪、組合式凸輪）。單元4.1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類(lèi)型凸輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械中的一種常用機(jī)構(gòu)，主要由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架組成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，廣泛應(yīng)用在各種機(jī)械和自動(dòng)控制裝置中。凸輪與從動(dòng)件以點(diǎn)或線接觸，屬于高副機(jī)構(gòu)，易于磨損，適于傳遞動(dòng)力不大的場(chǎng)合。如圖4-2所示為內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)。凸輪1以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)其輪廓曲線驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件氣閥2上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)有規(guī)律的控制氣閥開(kāi)閉。圖4-2內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)單元4.1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類(lèi)型圖4-3車(chē)床靠模機(jī)構(gòu)如圖4-3所示為車(chē)床靠模機(jī)構(gòu)。工件1回轉(zhuǎn)，凸輪固定在床身上，刀架2沿靠模凸輪3的輪廓曲線運(yùn)動(dòng)，刀具切削出與靠模曲線一致的軌跡。圖4-4自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)如圖4-4所示為自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)。帶有凹槽的凸輪1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)槽中的滾子帶動(dòng)從動(dòng)件2作往復(fù)移動(dòng)，將毛坯推送到加工位置完成送料動(dòng)作。單元4.1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類(lèi)型4.1.2凸輪機(jī)構(gòu)的分類(lèi)1.

按凸輪形狀分類(lèi)（1）盤(pán)形凸輪特點(diǎn)是具有徑向廓線尺寸變化并繞其軸線旋轉(zhuǎn)的凸輪，是凸輪的基本形式。凸輪是繞固定軸線轉(zhuǎn)動(dòng)且具有半徑變化的盤(pán)形零件，如圖4-2所示。（2）移動(dòng)凸輪可視為回轉(zhuǎn)中心在無(wú)窮遠(yuǎn)處的盤(pán)形凸輪，相對(duì)機(jī)架做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，如圖4-3所示。（3）圓柱凸輪一種在圓柱面上開(kāi)有曲線凹槽或在圓柱端面上作出曲線輪廓的構(gòu)件,它可以看做是將移動(dòng)凸輪卷成圓柱體演化而成的，可看作是移動(dòng)凸輪繞在圓柱體上形成，屬于空間凸輪，如圖4-4所示。單元4.1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類(lèi)型2.

按從動(dòng)件端部結(jié)構(gòu)分類(lèi)（1）尖頂從動(dòng)件從動(dòng)件的機(jī)構(gòu)最簡(jiǎn)單，尖頂能與復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，可以實(shí)現(xiàn)任意運(yùn)動(dòng)規(guī)律。尖頂與凸輪是點(diǎn)接觸，易磨損，只適用于低速、輕載的機(jī)構(gòu)中。圖4-5從動(dòng)件的端部結(jié)構(gòu)形式（2）滾子從動(dòng)件從動(dòng)件的端部裝有可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的滾子，它與凸輪輪廓間為滾動(dòng)摩擦，磨損小，可以承受較大的載荷，廣泛應(yīng)用在中速、中載的場(chǎng)合。（3）平底從動(dòng)件從動(dòng)件的端部為一平底，凸輪與從動(dòng)件之間的作用力始終和平底垂直，傳動(dòng)效率高，且接觸處易形成油膜，利于潤(rùn)滑，傳動(dòng)效率高，常用于高速重載的凸輪機(jī)構(gòu)中。單元4.1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類(lèi)型3.

按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式分類(lèi)（1）移動(dòng)從動(dòng)件從動(dòng)件作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；（2）擺動(dòng)從動(dòng)件從動(dòng)件作往復(fù)擺動(dòng)。使從動(dòng)件與凸輪輪廓始終保持接觸的特性稱(chēng)為鎖合。(1)力鎖合利用重力、彈簧力或其他力鎖合。凸輪機(jī)構(gòu)利用彈簧力鎖合。(2)形鎖合利用凸輪和從動(dòng)件的特殊幾何形狀鎖合。4.按鎖合形式分類(lèi)單元4.2從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在凸輪機(jī)構(gòu)中，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于凸輪輪廓曲線的形狀。4.2.1凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸和運(yùn)動(dòng)參數(shù)凸輪基圓：以凸輪軸心為圓心,以其輪廓最小向徑

ro

為半徑的圓；從動(dòng)件行程:在推程或回程中從動(dòng)件的最大位移,用

h

表示；偏距:凸輪回轉(zhuǎn)中心與從動(dòng)件導(dǎo)路間的偏置距離,用e

表示。推程運(yùn)動(dòng)角：與從動(dòng)件推程相對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角，φ；遠(yuǎn)休止角：與從動(dòng)件遠(yuǎn)休程相對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角，φs；回程運(yùn)動(dòng)角：與從動(dòng)件回程相對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角，φ'；近休止角：與從動(dòng)件近休程相對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角，φs'；單元4.2從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律hhωAB’OOr0φφsDBCφφsδdSt基圓回程運(yùn)動(dòng)，回程角近休止角推程運(yùn)動(dòng)，推程角遠(yuǎn)休止角φ’φ’φs

’單元4.2從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律4.2.2從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律凸輪的輪廓曲線取決于從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線時(shí)，首先根據(jù)工作要求選定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后再按從動(dòng)件的位移曲線設(shè)計(jì)相應(yīng)的凸輪輪廓曲線。1.等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律從動(dòng)件在推程或回程的運(yùn)動(dòng)速度為常數(shù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。凸輪以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件在推程中的行程為h。其位移曲線為斜直線，速度曲線為平直線，加速度曲線為零線。從動(dòng)件在推程始末兩點(diǎn)、處，速度有突變，瞬時(shí)加速度理論上為無(wú)窮大，因而產(chǎn)生理論上亦為無(wú)窮大的慣性力。因此,實(shí)際上常采用改良的勻速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,即將行程起、末處用圓弧或其他曲線光滑連接。單元4.2從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律由圖可見(jiàn)，在推程的始末點(diǎn)和前、后半程的交接處，加速度有突變，因而慣性力也產(chǎn)生突變，但它們的大小及突變量均為有限值，由此將對(duì)機(jī)構(gòu)造成有限大小的沖擊，這種沖擊稱(chēng)為“柔性沖擊”或“軟沖”。在高速情況下，柔性沖擊仍會(huì)引起相當(dāng)嚴(yán)重的振動(dòng)、噪聲和磨損，因此這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律只適用于中速、中載的場(chǎng)合。

等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律:是指從動(dòng)件在一個(gè)行程中，前半行程作等加速運(yùn)動(dòng)，后半行程作等減速運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2.

等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律單元4.2從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律3.余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律又稱(chēng)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，從運(yùn)動(dòng)線圖中可以看出，從動(dòng)件按余弦加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度是連續(xù)的，但在運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，終點(diǎn)處加速度產(chǎn)生突變，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)產(chǎn)生柔性沖擊。適用于中速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。但從動(dòng)件僅做升－降－升連續(xù)運(yùn)動(dòng)，加速度曲線變?yōu)檫B續(xù)曲線，則無(wú)柔性沖擊，可用于高速場(chǎng)合，如圖4-9所示。4.正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律從動(dòng)件在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度和加速度連續(xù)無(wú)突變，避免了剛性和柔性沖擊，適用于高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，如圖4-10所示。圖4-9余弦加速度運(yùn)動(dòng)

圖4-10正弦加速度運(yùn)動(dòng)單元4.3盤(pán)形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)根據(jù)工作條件要求，確定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，凸輪的轉(zhuǎn)向，基圓的半徑后，就可以進(jìn)行凸輪輪廓設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)方法有作圖法和解析法。我們主要介紹圖解法。圖解法的原理是利用“反轉(zhuǎn)法”原理來(lái)完成，“反轉(zhuǎn)法”原理如下:4.3.1盤(pán)形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)設(shè)想給凸輪機(jī)構(gòu)加上一個(gè)繞凸輪軸心并與凸輪角速度等值反向的角速度。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)并不改變，但凸輪已視為靜止。從動(dòng)件則被看成隨同導(dǎo)路以角速度繞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)沿導(dǎo)路按預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律作往復(fù)移動(dòng)。從動(dòng)件尖頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡即為凸輪的輪廓。這就是圖解法繪制凸輪輪廓曲線的原理，稱(chēng)為“反轉(zhuǎn)法”。單元4.3盤(pán)形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)（1）選與位移線圖一致的比例作凸輪的基圓；（2）將基圓分成與位移線圖中相對(duì)應(yīng)的等份；（3）分別自基圓圓周向外量取從動(dòng)件位移線圖中相應(yīng)的位移量；（4）光滑連接各點(diǎn)即為所求的凸輪輪廓。已知，基圓半徑r0,從動(dòng)件位移曲線如圖。繪制凸輪的輪廓線。1.對(duì)心尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪輪廓設(shè)計(jì)單元4.3盤(pán)形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)e已知基圓半徑為r0

，偏矩為e

，凸輪以角速度ω順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件的位移曲線如圖所示，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。2.偏置直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤(pán)形凸輪輪廓設(shè)計(jì)單元4.3盤(pán)形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)實(shí)際輪廓曲線理論輪廓曲線3.對(duì)心直動(dòng)滾子從動(dòng)件盤(pán)形凸輪設(shè)計(jì)單元4.3盤(pán)形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)4.3.2

凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸確定設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)，不僅要保證從動(dòng)件能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，還須使設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)傳力性能良好，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足強(qiáng)度和安裝等要求，為此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意處理好下述問(wèn)題。

滾子半徑的選擇凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角凸輪基圓半徑的確定

單元4.3盤(pán)形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)對(duì)于外凸的凸輪廓線：實(shí)際輪廓為光滑曲線

實(shí)際廓線出現(xiàn)尖點(diǎn)

實(shí)際輪廓相交而造成從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)失真對(duì)于內(nèi)凹的凸輪廓線：實(shí)際輪廓為光滑曲線

1.

滾子半徑的選擇單元4.3盤(pán)形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)2.

凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角與基圓半徑從動(dòng)件的速度方向與所受力之間的夾角,稱(chēng)為壓力角。若壓力角過(guò)大，則推動(dòng)從動(dòng)件的有效分力很小，甚至可能小于橫向分力在導(dǎo)路中產(chǎn)生的摩擦力使機(jī)構(gòu)以生自鎖。通常規(guī)定：推桿在推程時(shí)壓力角αmax≤30°擺桿在推程時(shí)壓力角αmax≤45°回程時(shí)壓力角αmax≤80°

壓力角越小，傳力越好。單元4.3盤(pán)形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)基圓半徑愈小，壓力角愈大；反之，壓力角則愈小。因此，在選取基圓半徑時(shí)應(yīng)注意：滾子從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，在保證和從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)不失真的前提下，可將基圓半徑取小些，滿足對(duì)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊的要求。在結(jié)構(gòu)空間允許條件下，可適當(dāng)將基圓半徑取大些，以利于改善機(jī)構(gòu)的傳力性能，減少磨損和減少凸輪廓線的制造誤差。單元4.3盤(pán)形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)4.3.3

凸輪的結(jié)構(gòu)形式圖4-19整體式凸輪1.

凸輪軸當(dāng)凸輪的徑尺寸與軸的直徑尺寸相差不大時(shí)，凸輪與軸做成一體，這種凸輪結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，如圖4-18所示。圖

4-18凸輪軸

當(dāng)凸輪與軸尺寸相差較大時(shí)，將凸輪與軸分別制造，可用鍵和銷(xiāo)與軸連接，這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為整體式，如圖4-19所示。2.整體式凸輪單元4.3盤(pán)形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)如圖4-20所示，組合式凸輪用螺栓將凸輪和輪轂連成一體，可以方便地調(diào)整凸輪與從動(dòng)件起始的相對(duì)位置。凸輪在軸上固定，除采用鍵連接外，也可以采用緊釘螺釘和圓錐固定，如圖4-21（a）所示，初調(diào)時(shí)用緊釘螺釘定位，然后用圓錐銷(xiāo)固定；如圖4-21（b）所示，采用開(kāi)槽錐形套固定，調(diào)整靈活，但傳遞轉(zhuǎn)矩不能太大。3.

組合式（a）圓錐銷(xiāo)或緊釘螺釘固定

（b）開(kāi)槽錐形套固定圖4-21凸輪在軸上的固定方式圖4-20組合式凸輪

單元4.3盤(pán)形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)4.3.4

凸輪機(jī)構(gòu)的材料