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)用和類型單元4.2從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律單元4.3盤形凸輪輪廓曲線設(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)通過本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，了解并掌握凸輪機(jī)構(gòu)基本類型以及從動(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；（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)用和類型圖4-3車床靠模機(jī)構(gòu)如圖4-3所示為車床靠模機(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)用和類型4.1.2凸輪機(jī)構(gòu)的分類1.

按凸輪形狀分類（1）盤形凸輪特點(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)中心在無窮遠(yuǎn)處的盤形凸輪，相對機(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)用和類型2.

按從動(dòng)件端部結(jié)構(gòu)分類（1）尖頂從動(dòng)件從動(dòng)件的機(jī)構(gòu)最簡單，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)用和類型3.

按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式分類（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)件回程相對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角，φ'；近休止角：與從動(dòng)件近休程相對應(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)加速度理論上為無窮大，因而產(chǎn)生理論上亦為無窮大的慣性力。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，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，由此將對機(jī)構(gòu)造成有限大小的沖擊，這種沖擊稱為“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)律又稱簡諧運(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，則無柔性沖擊，可用于高速場合，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)過程中速度和加速度連續(xù)無突變，避免了剛性和柔性沖擊，適用于高速運(yùn)動(dòng)場合，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”原理來完成，“反轉(zhuǎn)法”原理如下:4.3.1盤形凸輪輪廓曲線設(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)相對運(yùn)動(dòng)原理，機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件間的相對運(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，稱為“反轉(zhuǎn)法”。單元4.3盤形凸輪輪廓曲線設(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.對心尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)單元4.3盤形凸輪輪廓曲線設(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)件盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)單元4.3盤形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)實(shí)際輪廓曲線理論輪廓曲線3.對心直動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪設(shè)計(jì)單元4.3盤形凸輪輪廓曲線設(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盤形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)對于外凸的凸輪廓線：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,稱為壓力角。若壓力角過大，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，可用鍵和銷與軸連接，這種結(jié)構(gòu)稱為整體式，如圖4-19所示。2.整體式凸輪單元4.3盤形凸輪輪廓曲線設(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，然后用圓錐銷固定；如圖4-21（b）所示，采用開槽錐形套固定，調(diào)整靈活，但傳遞轉(zhuǎn)矩不能太大。3.

組合式（a）圓錐銷或緊釘螺釘固定

（b）開槽錐形套固定圖4-21凸輪在軸上的固定方式圖4-20組合式凸輪

單元4.3盤形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)4.3.4

凸輪機(jī)構(gòu)的材料