机械原理凸轮机构

机械工程学院机械设计系第4章凸轮机构及其设计2019年8月5日机械工程学院机械设计系第4章凸轮机构及其设计从动件常用运动规律图解法设计平面凸轮轮廓曲线解析法设计平面凸轮轮廓曲线凸轮机构基本尺寸的确定圆柱凸轮机构凸轮机构的应用及分类机械工程学院机械设计系4.1凸轮机构的应用及分类4.1.1凸轮机构的组成1─凸轮2─从动件3─机架高副机构内燃机配气凸轮机构机械工程学院机械设计系自动机床进刀凸轮机构当圆柱凸轮绕其轴线转动时，通过其沟槽与摆杆一端的滚子接触，并推动摆杆绕固定轴按特定的规律作往复摆动，同时通过摆杆另一端的扇形齿轮驱动刀架实现进刀或退刀运动。1-圆柱凸轮2-摆杆3-滚子机械工程学院机械设计系绕线机凸轮机构这种凸轮在运动中能推动摆动从动件2实现均匀缠绕线绳的运动学要求。绕线机凸轮机构1-凸轮2-摆动从动件3-线轴机械工程学院机械设计系4.1.2凸轮机构的分类1.按凸轮的形状分类盘形凸轮：最基本的形式，结构简单，应用最为广泛移动凸轮：凸轮相对机架做直线运动圆柱凸轮：空间凸轮机构盘形凸轮移动凸轮圆柱凸轮机械工程学院机械设计系2.按从动件的形状分类尖端从动件尖端能以任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。但尖端处极易磨损，只适用于低速场合。机械工程学院机械设计系滚子从动件平底从动件凸轮与从动件之间为滚动摩擦，因此摩擦磨损较小，可用于传递较大的动力。从动件与凸轮之间易形成油膜，润滑状况好，受力平稳，传动效率高，常用于高速场合。但与之相配合的凸轮轮廓须全部外凸。机械工程学院机械设计系3.按从动件的运动形式分类移动从动件摆动从动件机械工程学院机械设计系4.按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类(1)力封闭─依靠从动件的重力、弹簧力或其他外力使从动件与凸轮轮廓始终保持高副接触。机械工程学院机械设计系(2)型封闭─依靠凸轮与从动件的特殊几何结构来保持两者始终接触沟槽凸轮：通过其沟槽两侧的廓线始终保持与从动件接触。优点：封闭方式结构简单缺点：加大了凸轮的尺寸和重量机械工程学院机械设计系等宽凸轮机构：凸轮廓线上任意两条平行切线间的距离都等于框架内侧的宽度。缺点：从动件的运动规律的选择受到一定的限制，当180º范围内的凸轮廓线根据从动件运动规律确定后，其余180º内的凸轮廓线必须符合等宽原则机械工程学院机械设计系等径凸轮机构：两滚子中心间的距离始终保持不变。缺点：从动件运动规律的选择受到一定的限制机械工程学院机械设计系共轭凸轮机构：优点：克服了等宽、等径凸轮的缺点缺点：结构复杂，制造精度要求高一个凸轮推动从动件完成正行程运动，另一个凸轮推动从动件完成反行程的运动机械工程学院机械设计系4.2从动件常用运动规律4.2.1凸轮机构的运动学设计参数sDCBA360°AheωABCDOrbsss''s'B'KrK机械工程学院机械设计系回程运动角近休止角从动件运动规律（从动件位移线图）基圆─以凸轮轮廓的最小向径rb所作的圆升程─从动件上升的最大距离h推程运动角Φ0远休止角Φs'0's机械工程学院机械设计系4.2.2从动件常用运动规律1.等速运动特点：速度有突变，加速度理论上由零至无穷大，从而使从动件产生巨大的惯性力，机构受到强烈冲击——刚性冲击适应场合：低速轻载机械工程学院机械设计系2.等加速等减速(抛物线)运动特点：加速度曲线有突变，加速度的变化率(即跃度j)在这些位置为无穷大——柔性冲击适应场合：中速轻载shO124563O2vshO124563O2vO0a2aO∞∞∞-2j机械工程学院机械设计系3.简谐运动(余弦加速度运动)当质点在圆周上作匀速运动时，它在该圆直径上的投影所构成的运动规律—简谐运动φΦπcos12hs特点：有柔性冲击适用场合：中速轻载(当从动件作连续运动时，可用于高速)机械工程学院机械设计系4.摆线运动半径R=h/2π的滚圆沿纵座标作纯滚动，圆上最初位于座标原点的点其位移随时间变化的规律—摆线运动特点：无刚性、柔性冲击适用场合：适于高速sh124563123564OO2Oav机械工程学院机械设计系5.3-4-5多项式运动543Φφ6Φφ15Φφ10hs特点：无刚性冲击、柔性冲击适用场合：高速、中载机械工程学院机械设计系4.2.3从动件运动规律的选择1.常用运动规律性能比较机械工程学院机械设计系2.从动件运动规律的选择原则考虑因素：对运动规律的要求凸轮的转速（动力特性和便于加工）4.2.4从动件运动规律的组合1.满足工作对运动规律的特殊要求；2.为避免刚性冲击，位移曲线和速度曲线必须连续；而为避免柔性冲击，加速度曲线也必须连续。3.尽量减小速度和加速度的最大值。机械工程学院机械设计系1、改进型正弦运动规律该曲线在运动起始的段和终止的段，采用周期相同的正弦函数；在两段中间的段则采用一段周期较长的简谐函数。2、改进型等加速等减速运动规律用几段简谐函数使加速度成为连续曲线。加速段和减速段的加速度曲线是对称的。组合型运动规律运动线图机械工程学院机械设计系4.3图解法设计平面凸轮轮廓曲线4.3.1凸轮轮廓设计的反转法原理反转后，从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。OA111sAs1BB'A'机械工程学院机械设计系4.3.2图解法设计凸轮轮廓1.尖顶从动件盘形凸轮(1)尖顶直动从动件盘形凸轮brs-e()已知：基圆半径，曲线，从动件偏置于凸轮轴心左侧，偏距为，等角速度逆时针旋转。机械工程学院机械设计系2.尖顶摆动从动件盘形凸轮机械工程学院机械设计系２、滚子从动件盘形凸轮注意：基圆是指凸轮理论廓线上由最小半径所作的圆Orbshl2345678910l2l1l'2'3'4'5'6'7'8'10'9'360°O(0)e011'22'33'44'55'66'78910117'8'9'10'01234567891011ηηη'''凸轮的理论廓线：根据滚子中心的运动轨迹设计出的廓线凸轮的实际廓线：与滚子直接接触的廓线过程中的一系列位置机械工程学院机械设计系３、平底从动件盘形凸轮与滚子从动件盘形凸轮廓线的设计方法相类似。将平底与导路中心线的交点作为假想的尖底从动件的尖端；应用反转法，根据平底从动件的运动规律，依次确定出假想的尖端在反转过程中所处的位置，并在这些位置点分别作出各平底的图形；作平底的内包络线，即为所要设计的凸轮廓线机械工程学院机械设计系一、直动滚子从动件盘形凸轮已知：凸轮以等角速度逆时针方向转动，凸轮基园半径ro、滚子半径rr，导路和凸轮轴心间的相对位置及偏距e，从动件的运动规律。()ss1.理论廓线方程:sincos)(cossin)(00essyessx(,)Bxy4.4解析法设计平面凸轮轮廓曲线erb'''B0OxyBB'B'nnsMNHKs0220er=0s机械工程学院机械设计系2.实际廓线方程:sincosryyrxx2222)/dd()/dd(/ddcos)/dd()/dd(/ddsinyxyyxx平面凸轮廓线设计cossin)dd(ddddtanyxyxsin)(cos)/dd(/ddcos)(sin)/dd(/dd00ssesyssesx(,)Bxy机械工程学院机械设计系3.刀具的中心轨迹方程应用数控铣床或凸轮磨床可加工凸轮的实际廓线。在加工凸轮前需计算刀具的中心轨迹方程。2222)/dd()/dd(/dd)/dd()/dd(/ddyxxrrxyyxyrrxxccccrrcrrc平面凸轮廓线设计rTc'rr()Tc'c-rcrT()-Trrcrc机械工程学院机械设计系4.5凸轮机构基本尺寸的确定4.5.1凸轮机构的压力角及其许用值1、压力角：从动件与凸轮在接触点处的受力方向与其在该点绝对速度方向之间所夹的锐角seresseOPBDPD2200ds/dtanerbss0ODBPnnvFF'''F机械工程学院机械设计系2、许用压力角许用压力角：为改善凸轮机构的受力情况、提高机械效率，规定了允许采用的最大压力角。推程（工作行程）推荐的许用压力角为：直动从动件摆动从动件回程（空回行程）][][max0080~70][0045~35][0040~30][机械工程学院机械设计系4.5.2基圆半径的确定１、理论计算220)][ds/d(estger为保证凸轮机构在整个运动周期中均能满足，应选取计算结果中的最大值作为凸轮的基圆半径。][max机械工程学院机械设计系2.借助诺模图机械工程学院机械设计系3.许用压力角[α]及从动件的运动规律Bmax90°-[α]190°-[α]290°-[α]2ss'90°-[α]1d1d1'd2d2'vd'd1'δ2B0OKD1D2δ190°-[α]290°-[α]290°-[α]190°-[α]12机械工程学院机械设计系4.5.1滚子半径的选择外凸凸轮廓线0rρρrρ0minmin0min机械工程学院机械设计系滚子半径大小对凸轮实际轮廓的影响rTrTρρaρρarTρrTρa)b)d)c)机械工程学院机械设计系0rρρrρ0minmin0min实际廓线出现交叉，从动件不能准确地实现预期的运动规律—运动失真机械工程学院机械设计系运动失真原因：避免方法：滚子半径的选择考虑结构、强度与运动规律等因素rmin0min0min0增大增大)8.0(减小滚子半径brρrr机械工程学院机械设计系4.5.3平底从动件凸轮的基圆半径及平底宽度的确定凸轮出现过度切割的现象，从动件无法完全实现预期的运动规律。原因？？？rbO1、平底凸轮轮廓交叉现象机械工程学院机械设计系平地宽度的确定rbsueLrO'rρCminmaxddsddsB平底宽度:机械工程学院机械设计系4.6圆柱凸轮机构一、直动从动件圆柱凸轮机构m2πvrrmsOO2v2i360°iη1η21v1ηa)b)hinntti机械工程学院机械设计系二、摆动从动件圆柱凸轮机构mrOOBBB0'Amax1max12345678360°00BBBBBBBBB0B123456780A0AAAAAAAAA012345678mr2π1v-v1a)b)c)AA