機(jī)械零部件設(shè)計(jì) 第2版 課件 學(xué)習(xí)情境二 任務(wù)2.4設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)

《機(jī)械零部件設(shè)計(jì)》

情境二

設(shè)計(jì)

內(nèi)燃機(jī)中的常用機(jī)構(gòu)

1、了解內(nèi)燃機(jī)的組成及工作原理，學(xué)會(huì)進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)分析。2、掌握平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖繪制與自由度計(jì)算。3、掌握平面連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。4、掌握凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。5、培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力，勇于創(chuàng)新、敬業(yè)樂業(yè)的工作作風(fēng)和良好的職業(yè)道德以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。學(xué)習(xí)目標(biāo)任務(wù)二任務(wù)三任務(wù)四任務(wù)一工作任務(wù)內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)分析平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖繪制與自由度計(jì)算平面連桿機(jī)的設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)四凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作任務(wù)1、掌握凸輪機(jī)構(gòu)的組成、分類、特點(diǎn)及應(yīng)用；2、掌握從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律；3、掌握用反轉(zhuǎn)法原理設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線的一般方法；4、明確凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。學(xué)習(xí)目標(biāo)1、凸輪機(jī)構(gòu)的組成、分類；2、從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律；3、尖頂對(duì)心和對(duì)心滾子移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪設(shè)計(jì)；4、凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題；5、凸輪的材料選擇。主要內(nèi)容1、凸輪機(jī)構(gòu)的組成：

凸輪機(jī)構(gòu)是自動(dòng)控制系統(tǒng)與自動(dòng)機(jī)械的重要機(jī)構(gòu)。凸輪機(jī)構(gòu)由凸輪1、從動(dòng)件2、機(jī)架3三個(gè)基本構(gòu)件及鎖合裝置組成，是一種高副機(jī)構(gòu)。其中凸輪是一個(gè)具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，通常凸輪為主動(dòng)件作連續(xù)等速轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件則在凸輪輪廓的控制下按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作往復(fù)移動(dòng)或擺動(dòng)。一、凸輪機(jī)構(gòu)的組成、應(yīng)用及特點(diǎn)2、凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用：

平面連桿機(jī)構(gòu)雖然應(yīng)用廣泛，但它只能近似地實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，且設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。當(dāng)從動(dòng)件須精確地按預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律尤其是復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律工作時(shí)，則常采用凸輪機(jī)構(gòu)。內(nèi)燃機(jī)配氣閥門控制凸輪，凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件（氣門）作斷續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而控制氣門的開閉。一、凸輪機(jī)構(gòu)的組成、應(yīng)用及特點(diǎn)3、凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn):只要正確地設(shè)計(jì)和制造出凸輪的輪廓曲線，就能把凸輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠地轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭?dòng)件所預(yù)期的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，而且設(shè)計(jì)簡單;凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、運(yùn)動(dòng)可靠。缺點(diǎn):凸輪與從動(dòng)件之間為點(diǎn)或線接觸，故難以保持良好的潤滑，容易磨損。凸輪機(jī)構(gòu)通常適用于傳力不大的機(jī)械中。尤其廣泛應(yīng)用于自動(dòng)機(jī)械、儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。一、凸輪機(jī)構(gòu)的組成、應(yīng)用及特點(diǎn)1.按凸輪形狀分

（1）盤形凸輪。其凸輪都是繞固定軸線轉(zhuǎn)動(dòng)且有變化向徑的盤形構(gòu)件。盤形凸輪機(jī)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛，但限于凸輪徑向尺寸不能變化太大，故從動(dòng)件的行程較短。工作時(shí)，從動(dòng)件隨凸輪半徑的變化而在垂直于凸輪軸線的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)；或隨凸輪作往復(fù)擺動(dòng)或移動(dòng)。二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類1.按凸輪形狀分（2）移動(dòng)凸輪。其凸輪是具有曲線輪廓、作往復(fù)直線移動(dòng)的構(gòu)件。由盤形凸輪演變而來，它可看成是轉(zhuǎn)動(dòng)軸線位于無窮遠(yuǎn)處的盤形凸輪。如右圖所示，凸輪作往復(fù)移動(dòng)，從而使從動(dòng)件上下運(yùn)動(dòng)。二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類

靠模車削機(jī)構(gòu)

1.按凸輪形狀分（3）圓柱凸輪。由移動(dòng)凸輪演變而來，其凸輪是圓柱面上開有凹槽的圓柱體，可

看成是繞卷在圓柱體上

的移動(dòng)凸輪，利用它可

使從動(dòng)件得到較大行程。

凸輪作空間回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類圓柱凸輪機(jī)構(gòu)2.按從動(dòng)件末端形狀分：

（1）尖頂從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)其從動(dòng)件的端部呈尖點(diǎn)，特點(diǎn)是能與任何形狀的凸輪輪廓上各點(diǎn)相接觸，因而理論上可實(shí)現(xiàn)任意預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。只能用于輕載低速的場合。二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類2.按從動(dòng)件末端形狀分：（2）滾子從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)其從動(dòng)件的端部裝有滾子，由于從動(dòng)件與凸輪之間可形成滾動(dòng)摩擦，所以磨損顯著減少，能承受較大載荷，應(yīng)用較廣。不宜用于高速。二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類2.按從動(dòng)件末端形狀分：（3）平底從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)其從動(dòng)件端部為一平底。傳力性能良好，且凸輪與平底接觸面間易形成潤滑油膜，摩擦磨損小、效率高，故可用于高速，缺點(diǎn)是不能用于凸輪輪廓有內(nèi)凹的情況。二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類3.按鎖合方式分

鎖合指保持從動(dòng)件與凸輪之間的高副接觸。

（1）力鎖合。依靠重力、彈簧力或其他外力來保證鎖合，如內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)。

（2）形鎖合。又稱幾何鎖合。依靠凸輪和從動(dòng)件幾何形狀來保證鎖合。二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類4.按從動(dòng)件相對(duì)機(jī)架的運(yùn)動(dòng)方式分

（1）移動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)（2）擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類1.凸輪輪廓曲線與從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)系

生產(chǎn)中對(duì)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的要求是多種多樣的。凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪的輪廓形狀決定了從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，反之，從動(dòng)件的不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求凸輪具有不同形狀的輪廓。因此，設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)工作要求確定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，再據(jù)此來設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線。

從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是指其位移s、速度v和加速度a等隨凸輪轉(zhuǎn)角δ而變化的規(guī)律。這種規(guī)律可用方程表示，亦可用線圖表示。二、從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖a所示為一對(duì)心尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)。圖中，以凸輪的回轉(zhuǎn)軸心O為圓心，以凸輪輪廓的最小向徑r0為半徑所作的圓稱為凸輪的基圓，r0稱為基圓半徑。

推程AB段：當(dāng)凸輪以等角速度ω順時(shí)針轉(zhuǎn)過角θ0時(shí)，從動(dòng)件尖頂與凸輪輪廓AB接觸并按圖b對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律上升至最高位置點(diǎn)B′，這個(gè)過程稱為推程，從動(dòng)件移動(dòng)的最大位移h稱為行程，對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角θ0稱為推程角。2、凸輪機(jī)構(gòu)的工作過程分析

遠(yuǎn)休止BC段：當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過角θs時(shí)，從動(dòng)件尖頂與凸輪輪廓BC段接觸，由于BC是一段圓弧，向徑?jīng)]有變化，從動(dòng)件處于最高位置點(diǎn)靜止不動(dòng)，這一過程稱為遠(yuǎn)程休止，對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角θs稱為遠(yuǎn)休止角，在圖b中表現(xiàn)為一水平線段。（停）

回程段CD：當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過角θh時(shí)，從動(dòng)件尖頂與凸輪輪廓CD段接觸，從動(dòng)件按一定規(guī)律由最高位置點(diǎn)B′下降至最低位置點(diǎn)A，這個(gè)過程稱為回程，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角θh為回程角。（降）

近休止段DA：當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過角θj時(shí)，從動(dòng)件尖頂與凸輪輪廓圓弧段DA接觸，從動(dòng)件處于最低位置靜止不動(dòng)，這一過程稱為近程休止，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角為θj為近休止角。（停）2、凸輪機(jī)構(gòu)的工作過程分析2、凸輪機(jī)構(gòu)的工作過程分析當(dāng)凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件將重復(fù)上述運(yùn)動(dòng)過程。推程、遠(yuǎn)停程（遠(yuǎn)休止）、回程、近停程（近休止）

等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律：是指從動(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。從動(dòng)件作等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)線圖如圖所示。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。3、等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律

由圖可見，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。而實(shí)際上，由于構(gòu)件材料的彈性變形，加速度和慣性力不至于達(dá)到無窮大，但仍會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)造成強(qiáng)烈的沖擊，這種沖擊稱為“剛性沖擊”或“硬沖”。因此，單獨(dú)采用這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，只能用于凸輪轉(zhuǎn)速很低以及輕載的場合。3、等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律3、等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律自動(dòng)機(jī)床的進(jìn)刀機(jī)構(gòu)

等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律：為了使從動(dòng)件在開始和終止時(shí)的速度不發(fā)生突變，通常令推程或回程的前半程作等加速運(yùn)動(dòng)，后半程作等減速運(yùn)動(dòng)，且加速加速度與減速加速度的絕對(duì)值相等，這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律稱為等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。凸輪轉(zhuǎn)速較高時(shí)，為了避免剛性沖擊，可采用等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。4、等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律

加速度曲線：從動(dòng)件在等加速上升時(shí)，加速度a不變，因此從動(dòng)件的a-δ曲線為一水平直線。a-δ曲線在速度轉(zhuǎn)折處發(fā)生突變，則慣性力突變，但加速度不再是無窮大，由此將對(duì)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。

4、等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律

4、等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)線圖及繪制：反轉(zhuǎn)法原理：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，而從動(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”。三、凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)1、尖頂對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪

已知，如圖（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?；鶊A半徑Rb2、對(duì)心滾子移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪

滾子從動(dòng)件與尖頂從動(dòng)件的不同點(diǎn)，只是從動(dòng)件端部不是尖頂，而是裝了半徑為rT的小滾子。由于滾子的中心是從動(dòng)件上的一個(gè)定點(diǎn)，此點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)就是從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)。在應(yīng)用反轉(zhuǎn)法繪制凸輪輪廓曲線時(shí)，滾子中心的軌跡與尖頂從動(dòng)件尖端的軌跡完全相同，可參照前述方法繪制凸輪輪廓。

2、對(duì)心滾子移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪

實(shí)際輪廓曲線

理論輪廓曲線

1.滾子半徑

滾子從動(dòng)件有摩擦及磨損小的優(yōu)點(diǎn)，若僅從強(qiáng)度和耐磨性考慮，滾子的半徑宜大些，但滾子的半徑rT受到凸輪輪廓曲線曲率半徑的限制。四、凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題（1）內(nèi)凹的輪廓曲線

可得：

ρa(bǔ)＝ρmin+rT

由于實(shí)際廓線的曲率半徑ρa(bǔ)等于理論廓線最小曲率半徑ρmin與滾子半徑rT之和，所以無論滾子半徑rT大小如何，對(duì)應(yīng)的實(shí)際廓線的曲率半徑ρa(bǔ)始終大于零，得到的是一條滿足運(yùn)動(dòng)要求的光滑曲線。（2）外凸的輪廓曲線可得：

ρa(bǔ)＝ρmin-rT

（1）當(dāng)ρmin＞rT時(shí)，ρa(bǔ)＞0，實(shí)際輪廓曲線為光滑曲線。（2）當(dāng)ρmin

＝rT時(shí)，ρa(bǔ)

＝0，實(shí)際輪廓曲線出現(xiàn)尖點(diǎn)，凸輪輪廓在尖點(diǎn)處極易磨損而因之改變?cè)ǖ倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律。（3）當(dāng)ρmin＜rT時(shí)，ρa(bǔ)＜0，實(shí)際輪廓曲線相交，其交點(diǎn)以外的部分（圖中的陰影部分）加工時(shí)將被切去，這就使得從動(dòng)件達(dá)不到預(yù)期的工作位置，一部分運(yùn)動(dòng)規(guī)律難以實(shí)現(xiàn)。這種現(xiàn)象稱為“運(yùn)動(dòng)失真”。（2）外凸的輪廓曲線

為了避免上述后兩種情形，必須使得ρa(bǔ)＞0，也就是說滾子半徑必須小于凸輪理論輪廓線的最小曲率半徑。設(shè)計(jì)時(shí)通常取rT≤0.8ρmin。為了減小凸輪和滾子間的接觸應(yīng)力和磨損，還同時(shí)要求實(shí)際廓線的最小曲率半徑ρa(bǔ)min不小于1～5mm。如果不能滿足上述要求，就應(yīng)適當(dāng)減小滾子半徑（在滿足強(qiáng)度要求的前提下）或增大基圓半徑（使ρmin增大）。2.壓力角圖示為凸輪機(jī)構(gòu)在推程的某個(gè)位置。當(dāng)不計(jì)摩擦?xí)r，凸輪加給從動(dòng)件的壓力P沿凸輪的法線N-N方向傳遞。凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角α是指從動(dòng)件上某點(diǎn)速度v與該點(diǎn)的壓力P方向（法線N-N方向）所夾的銳夾角，其意義與前述連桿機(jī)構(gòu)的壓力角相同。四、凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題2.壓力角將力P分解成兩個(gè)分力：（1）與從動(dòng)件速度v方向一致的分力：P1=Pcosα；

（2）與速度v方向垂直的分力：P2=P

sinα。

P1是推動(dòng)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的有效分力。當(dāng)α增大時(shí)，P1減小，有害分力P2增大，摩擦阻力也增大。當(dāng)α增大到某一數(shù)值時(shí)，從動(dòng)件無法運(yùn)動(dòng)而被卡住，這種現(xiàn)象稱為自鎖。因此，設(shè)計(jì)中常對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角的最大值加以限制，推薦值如下：移動(dòng)從動(dòng)件的推程：α≤30°；擺動(dòng)從動(dòng)件的推程：α≤35°~45°。四、凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題2.壓力角回程時(shí)，從動(dòng)件靠重力和彈簧力復(fù)位，一般不會(huì)產(chǎn)生自鎖，可取α=80°。壓力角的檢驗(yàn)：在凸輪輪廓曲線畫出以后，在輪廓曲線較陡、變化較大的地方選取幾點(diǎn)，分別作輪廓線的法線和從動(dòng)件速度方向的直線，用量角器檢查其夾角是否超過許用值（如圖所示）。四、凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題3.基圓半徑在設(shè)計(jì)凸輪輪廓時(shí)，基圓半徑可采用初選的辦法：

rb≥（1.6～2）rs+rg

其中：rs——凸輪軸半徑；rg——滾子半徑。

按初選的基圓半徑rb設(shè)計(jì)凸輪輪廓，然后校核機(jī)構(gòu)推程的壓力角。

移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)在推程時(shí)，最大壓力角α一般出現(xiàn)在推程的起始位置，或從動(dòng)件產(chǎn)生最大速度的位置附近。校核的辦法如右圖所示，設(shè)E為校核點(diǎn)，求該點(diǎn)的法線：四、凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題

平底從動(dòng)件凸輪的失真

當(dāng)發(fā)現(xiàn)壓力角過大時(shí)，可加大基圓半徑，按原位移曲線重畫凸輪輪廓，以使壓力角減小到允許范圍內(nèi)。對(duì)于平底從動(dòng)件，當(dāng)凸輪基圓半徑過小時(shí)，凸輪有一部分工作輪廓（包絡(luò)線）不能與從動(dòng)件末端相切從而使運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)失真。為了避免失真，也可采取加大基圓半徑的方法。3.基圓半徑四、凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題4.凸輪的材料、加工及固定（1）凸輪的材料