华北理工机械原理教案11凸轮机构的应用及从动件的运动规律

课程名称：《机械原理》第11讲次授课题目第六章凸轮机构及其设计6-1凸轮机构的应用和分类6-2从动件的运动规律本讲目的要求及重点难点：目的要求]本讲课要讲凸轮机构的类型、特点和应用，推杆作等速运动，等加速等减速运动等常用运动规律，要求掌握位移线图的作法，各种运动规律的冲击特点。[重点]位移线图冲击特点[难点]内容[本讲课程的引入]凸轮机构作为一种高副机构，在实际中应用相当广泛，常用在对运动有精确要求的控制场合。这一章要将凸轮机构的形式，凸轮机构的图解法和解析法设计，凸轮基本尺寸的确定等内容。[本讲课程的内容]第六章凸轮机构及其设计6-1凸轮机构的应用和分类凸轮机构是一种高副机构。由凸轮、从动件（推杆）和机架组成。如图6-1所示内燃机的配气机构中，凸轮1上向径变化部分与阀杆接触时，气阀向下／向上运动（打开／关闭），凸轮上的圆弧部分与阀杆接触时，气阀静止不动。图6-2的自动机床进刀机构。带凹槽的圆柱凸轮1回转，凹槽的侧面通过滚子迫使从动件2摆动，从而驱使刀架进刀或退刀。刀架的运动规律取决于凹槽的形状。应用：凸轮机构因其可以实现特殊的，不规则的运动规律，而广泛的应用于传力不大的自动控制机构中，尤其在轻工业生产中应用广泛。图6-1图6-2一、凸轮机构的组成凸轮是具有曲线轮廓的构件，常为主动件。可转动或移动。图9-4内容从动件——通过高副接触，直接被凸轮轮廓推动的构件。可直动，摆动机架——支撑凸轮和从动件，相对固定的构件二、凸轮机构的特点优点：可实现预期的复杂运动规律；结构简单，紧凑，工作可靠；设计简单。缺点：图6-3凸轮加工困难（如圆柱凸轮、球形凸轮、圆锥凸轮、分度凸轮），但随着数控机床的普及，会解决这类加工的问题；高副接触，易磨损；从动件行程短。三、凸轮机构的分类1.按凸轮的形状分为：盘形凸轮：最基本的型式，一般绕定轴转动，向径有变化移动凸轮：当盘形凸轮的回转中心在无穷远处时，就成为移动凸轮了。靠凸轮轮廓推动从动件运动。圆柱凸轮：将移动凸轮卷成筒状则转化为圆柱凸轮或在圆柱上开一些凹槽，与滚子相接触，属空间凸轮２．按从动件端部形状分：尖顶从动件——可与凸轮上所有点接触，保证可严格实现运动规律。易磨损，受力不能太大，用的较少。滚子从动件——克服了尖顶从动件的确定，用滚子将滑动摩擦转化为滚动摩擦，平底从动件——接触部位是平面，受力平稳，利于润滑；但不能用于凹形凸轮中。按从动件的运动分：直动从动件、摆动从动件3．按锁合方式分为：力封闭凸轮机构——利用从动件的重力、弹簧力等维持高副接触的凸轮机构；几何封闭的凸轮机构——靠从动件的特殊几何形状维持接触的凸轮机构。如：等宽凸轮机构；等径凸轮机构；共轭凸轮机构。如图6-5所示。这种凸轮机构避免了弹簧的附加力，提高了效率，但同时其设计、制造相对复杂。注意：凸轮的名称应包括从动件的类型，运动形式和凸轮的类型。例如：对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构。随着机构自动化的发展，凸轮机构的应用越来越广泛，越来越向高速、重载方向发展，其动力学问题也越来越受到重视。已有一些合适的从动件运动规律和新型的凸轮机构。另外，凸轮的设计日渐采用CAD辅助设计，为其更广泛的应用创造了条件。内容6-2从动件的运动规律凸轮机构的设计关键是根据从动件的运动规律，设计出凸轮的轮廓曲线，从而使凸轮的廓线推动从动件按给定的运动规律运动。目前从动件运动规律有很多种，我们介绍一些最常用的运动规律。一、几个概念：图6-6以移动从动件盘形凸轮机构（图6-6）为例，介绍名词：对心从动件盘轮机构——从动件的导路通过凸轮回转中心。偏置从动件盘轮机构——从动件的导路不通过凸轮回转中心，有一个偏距e。1．凸轮的基圆（0r）－以凸轮回转中心为圆心，以凸轮的最小向径为半径的圆。2．推程－从动件从最低位置运动到最高位置的过程。3．推程运动角0－从动件从最低位置运动到最高位置过程中，凸轮的转角称为推程运动角。4．远程休止（角01）－从动件处于最高位置不动的过程；远休对应的凸轮转角称为远休止角。5．回程——推杆从最高位置返回最低位置的过程。相应的凸轮转角为回程运动角06．近程休止(角02)——推杆在最低位置停留的过程称为近休。相应的凸轮转角为近休止角。7．行程h——从动件从最低位置到最高位置的距离。8．从动件的位移线图——凸轮转角为横坐标，从动件的位移或摆角为纵坐标绘制的曲线。二、从动件几种常用的运动规律１．等速运动规律位移、速度、加速度的关系如下图左所示。在运动的起始点和终止点，将产生无穷大的加速度突变，从而产生非常大的惯性力，形成冲击→刚性冲击。刚性冲击对构件有很大的破坏性，所以等速运动主要用于低速、轻载的场合。式（6-3），（6-4）分别为等速运动在推程和回程的运动方程。内容2．等加速等减速运动（二次多项式运动规律）通常认为：推程的前一半，凸轮转角为0/2段，为等加速；后一半为等减速，加速度的大小相同，方向相反。位移方程为一个二次多项式，对其求导得速度式，再求导得加速度式。2221221022CaCCvCCCs等加速边界条件：2,20,0,00hsvs20210200hCCC等减速的边界条件为：0,,2,200vhshs20201024hChChC则等加速段方程：20220202442hahvhs；等减速段方程：20220020204)(4)(2hahvhhs由图6-10可见：在推程的始点、终点以及等加速与等减速的转换点，其加速度都有有限值的突变，因此，从动件在瞬间也将产生有限值的惯性力而引起冲击，这种冲击称为柔性冲击。这种运动规律适用中速，重载场合。3、简谐运动（余弦加速度规律）等加速等减速运动有柔性冲击内容简谐运动——一个点沿圆周作匀速运动，则该点在直径上投影的运动，称为简谐运动。如图6-12所示，加速度在起始点和终止点也是有限值突变，会产生柔性冲击。4、摆线运动规律（正弦加速度运动规律）这种运动规律既没有刚性冲击，也没有柔性冲击，适用于高速场合。如图6-13。三、推杆运动规律的选择选择运动规律时，要考虑各种运动规律的冲击特性（特别是高速凸轮），是否满足工作要求，是否便于加工等条件。有时为了完成某项工作需要从动件做等速运动，但凸轮机构的运转速度又较高。怎么办？此时可在等速运动规律推程的两端与其它适当的运动规律组合，构成改进型等速运动规律，如图6-14这样的组合既消除了等速运动在推程起始点、终止点造成的刚性冲击，又满足了要求。图6-12图6-13图6-14[本讲小结]本讲课主要讲了：（1）凸轮机构的类型、特点和应用；（2）推杆作等速运动，等加速等减速运动等常用运动规律的位移方程及位移曲线；（3）各种运动规律的冲击特点[本讲课程的作业]思考题6-1