机械设计基础――凸轮机构

机械设计基础西南科技大学制造学院机械设计基础主讲钟良Email:[e-mail]西南科技大学机械设计基础西南科技大学制造学院第三章凸轮机构•学习重点：1.了解凸轮机构的组成、特点、分类及应用2.掌握从动件的常用运动规律；了解其冲击特性及应用学习难点凸轮机构运动的实现机械设计基础西南科技大学制造学院当从动件的位移、速度、加速度必须严格按预定规律变化，特别是当原动件作连续运动时从动件必须作间歇运动下，采用凸轮机构设计最为简便机械设计基础西南科技大学制造学院3-1凸轮机构的组成及分类1、凸轮:具有曲线轮廓或凹槽的构件,是主动件,通常等速转动。2、从动件:由凸轮控制按其运动规律作移动或摆动运动的构件。3、机架:支承活动构件的构件。1、组成机械设计基础西南科技大学制造学院作用：将连续回转=从动件直线移动或摆动。优点：可精确实现任意运动规律，简单紧凑。缺点：高副，线接触，易磨损，传力不大。机械设计基础西南科技大学制造学院3.2凸轮的分类1.按凸轮的形状分类(1)盘形凸轮它是凸轮的最基本形式，是一个绕固定轴线转动并且具有变化半径的盘形构件。如内燃机配气凸轮机构。气阀2的运动规律规定了凸轮的外形。当凸轮向径变化时，气阀产生往复运动，而当凸轮回转中心为圆心的圆弧轮廓与气阀平底接触时，气阀静止不动。凸轮气阀机架机械设计基础西南科技大学制造学院•(2)移动凸轮当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，则成为移动凸轮，当移动凸轮沿工作直线往复运动时，推动从动件作往复运动。如靠模车削机构。机械设计基础西南科技大学制造学院•(3)圆柱凸轮机械设计基础西南科技大学制造学院3.2凸轮的分类(2)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。滚子从动件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。平底从动件按从动件的形状分：尖底、滚子、平底。机械设计基础西南科技大学制造学院3.2凸轮的分类(3)直动从动件摆动从动件直动从动件：从动件作往复移动，其运动轨迹为一段直线；摆动从动件：从动件作往复摆动，其运动轨迹为一段圆弧。按从动件的运动形式分：直动从动件（对心、偏心）、摆动从动件。机械设计基础西南科技大学制造学院3.2凸轮的分类(4)按凸轮与从动件维持接触的方式分：外力锁合（重力、弹簧力、其他力）、几何锁合（通过几何形状来锁合）弹簧力锁合重力锁合几何锁合机械设计基础西南科技大学制造学院滚子对心移动从动件盘形凸轮机构机构中凸轮匀速旋转，带动从动件往复移动，滚子接触,摩擦阻力小，不易摩擦，承载能力较大，但运动规律有局限性，滚子轴处有间隙，不宜高速。机械设计基础西南科技大学制造学院平底移动从动件盘形凸轮机构机构中凸轮匀速旋转，带动从动件往复移动，压力角始终为零度，传力特性好，结构紧凑，润滑性能好，摩擦阻力较小，适用于高速，但凸轮轮廓不允许呈下凹，因此实现准确的运动规律受到限制。机械设计基础西南科技大学制造学院移动凸轮当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，即成为移动凸轮，一般作往复移动，多用于靠模仿形机械中。机械设计基础西南科技大学制造学院形锁合凸轮为保证凸轮机构能正常工作，必须保持凸轮轮廓与从动件相接触，该机构是靠凸轮与从动件的特殊几何结构来保持两者的接触。机械设计基础西南科技大学制造学院滚子摆动从动件盘形凸轮机构机构中凸轮匀速旋转，带动从动件往复摆动，滚子接触，摩擦阻力小，不易摩擦，承载能力较大，但运动规律有局限性，滚子轴处有间隙，不宜高速。机械设计基础西南科技大学制造学院机械设计基础西南科技大学制造学院机械设计基础西南科技大学制造学院机械设计基础西南科技大学制造学院机械设计基础西南科技大学制造学院3.3凸轮机构的运动过程机械设计基础西南科技大学制造学院3、推程：4、行程：从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定的运动规律由离回转中心最近位置A到达最远位置B的过程。从动件在推程中上升的最大位移h。5、推程运动角：δ0=∠AOB与推程相应的凸轮转角δ0。δ0'δs'wAB'OBCDδ0δsh机械设计基础西南科技大学制造学院7、远停程角：从动件在最远位置停止不动所对应的凸轮转角δs。δS=∠BOC6、远停程：凸轮由B转动到C，从动件在最远位置停止不动。δ0'δs'wAB'OBCDδ0δsh机械设计基础西南科技大学制造学院8、回程运动角：δ0'=∠CODδs'=∠AOD7、回程：从动件在弹簧力或重力作用下，，以一定的运动规律回到起始位置的过程。与回程相应的凸轮转角δ0'。从动件在最近位置停止不动所对应的凸轮转角δs'。δhδs'wAB'OBCDδtδsh9、近停程角：机械设计基础西南科技大学制造学院以纵坐标代表从动件位移s2，横坐标代表凸轮转角δ1或时间t，所画出的图形为位移曲线图。10、从动件位移线图：升—停—降—停tδ1s2ABCDh2pδ0'δs'δ0δsAδ0'δs'wAB'OBCDδ0δsh从动件位移线图决定于凸轮轮廓曲线的形状。机械设计基础西南科技大学制造学院3.4从动件常用的运动规律•1.等速运动规律•2.等加速-等减速运动规律•3.简谐运动规律机械设计基础西南科技大学制造学院作推程运动线图000,00)()(常数aωhvhsh0sOvO0v0aO0∞∞1.等速运动规律从动件在推程（或回程）的运动速度为常数的运动规律。机械设计基础西南科技大学制造学院从动件在起始和终止点速度有突变，使瞬时加速度趋于无穷大，从而产生无限值惯性力，并由此对凸轮产生冲击——刚性冲击因此只适用于低速、轻载的场合。1.等速运动规律实际上由于材料的弹性变形，加速度和惯性力不会达到无穷大）机械设计基础西南科技大学制造学院hsO00/2h/2vO00/22h/0aO0/24h2/0204h2/022.等加速-等减速运动规律从动件在一个行程h中，前半行程做等加速运动，后半行程作等减速运动的运动规律。BAC机械设计基础西南科技大学制造学院2.等加速-等减速运动规律★等加速等减速运动规律运动特性：从动件在运动起始、中点和终止点存在柔性冲击；适用于中速、中载的场合；从动件在起点、中点和终点，因加速度有有限值突变而引起推杆惯性力的有限值突变，并由此对凸轮产生有限的冲击——柔性冲击机械设计基础西南科技大学制造学院sOh00/2ph/2000/2vOaO00/2p22h/202-p22h/2023.余弦加速度（简谐运动）规律：从动件加速度在起点和终点存在有限值突变，故有柔性冲击;若从动件作无停歇的升－降－升连续往复运动，加速度曲线变为连续曲线，可以避免柔性冲击;可适用于高速的场合。机械设计基础西南科技大学制造学院•完全由工艺动作要求决定•已知凸轮的转角，运动规律可选择。从动件运动规律的确定方法注意：速度突变及加速度突变会产生冲击max:v1.大质量从动件应选小的运动规律max:a2.高速情况应选小的运动规律机械设计基础西南科技大学制造学院根据工作条件要求，确定从动件的运动规律，选定凸轮的转动方向、基圆半径等，进而对凸轮轮廓曲线进行设计。设计方法:1.图解法：简便易行、直观，但精度较低，可用于设计一般精度要求的凸轮机构。2.解析法:精度高，但计算量大，多用于设计精度要求较高的凸轮机构。3.5凸轮轮廓曲线的设计机械设计基础西南科技大学制造学院esB1B-B0rb-1、图解法的原理假想给整个凸轮机构加上一个与凸轮角速度大小相等、方向相反的角速度（-），凸轮将处于静止状态；机架则以（-）的角速度围绕凸轮原来的转动轴线转动；而从动件一方面随机架转动，另一方面又按照给定的运动规律相对机架作往复运动。——反转法机械设计基础西南科技大学制造学院已知凸轮的基圆半径r0，角速度ω和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。机械设计基础西南科技大学制造学院oSp290º120º123567h150º4δ82.凸轮轮廓设计——作图法尖顶移动从动件盘型凸轮机构（1）选取适当的比例尺作出位移线图；（2）按基本尺寸作出凸轮机构的初始位置；（3）按-方向划分基圆周得c0、c1、c2……等点；并过这些点作射线，即为反转后的导路线；（4）在各反转导路线上量取与位移图相应的位移，得B1、B2……等点，即为凸轮轮廓上的点。rbB0B1B2B4B8B5c1c2c4c5c8B6B7c6c7c0c390ºB3机械设计基础西南科技大学制造学院滚子从动件凸轮轮廓曲线的设计步骤：（1）画出滚子中心的轨迹（称为理论轮廓曲线）（2）以理论轮廓上的点为圆心，滚子半径rT为半径作一系列的滚子圆，再画滚子圆的内包络线，则为从动件凸轮的实际轮廓曲线。注意：（1）理论轮廓与实际轮廓互为等距曲线；（2）凸轮的基圆是指理论轮廓曲线上的基圆。nnBCr0rT实际轮廓曲线β理论轮廓曲线β′机械设计基础西南科技大学制造学院直动平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制机械设计基础西南科技大学制造学院-直动平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制实际廓线机械设计基础西南科技大学制造学院3.6凸轮机构设计中应注意的几个问题设计滚子从动件时若从强度和耐用性考虑，滚子的半径应取大些。滚子半径取大时，对凸轮的实际轮廓曲线影响很大，有时甚至使从动件不能完成预期的运动规律。（1）滚子半径的选择滚子半径的选择机械设计基础西南科技大学制造学院①.凸轮理论轮廓为内凹时由图(a)可得ρ'=ρmin+rT实际轮廓曲线曲率半径总大于理论轮廓曲线曲率半径。因此，不论选择多大的滚子，都能作出实际轮廓曲线。机械设计基础西南科技大学制造学院②当理论廓线外凸时(可分为三种情况)r'=rmin-rT1)rminrT时r'0这时所得的凸轮实际轮廓为光滑的曲线(如图b)2)rmin=rT时r'=0，实际轮廓线变尖，极易磨损，产生失真(如图c)。3)rminrT时r'0，即实际曲线出现交叉会出现严重失真(如图d)。机械设计基础西南科技大学制造学院内凹凸轮廓线：滚子半径无限制外凸凸轮廓线：理论轮廓的最小曲率半径大于滚子半径,即rminrr一般rr=0.8rmin实际设计时，应保证rmin-rr[ra]=3~5mm结论:故如果不满足要求，可以：增加整个理论轮廓的曲率半径；缩小滚子半径。机械设计基础西南科技大学制造学院1.压力角a与驱动力Faa↑→F2↑F1→效率η↓当a大于一定值,将自锁.一般,推程[a]=30(移动)35—45(摆动)回程无自锁[a']=70~80a'过大将造成滑脱QQ3.6.2.凸轮机构的压力角ｎｎｔｔνF2F1FF1＝Fｃｏｓα（有效分力）F2＝Fｓｉｎα（有害分力）机械设计基础西南科技大学制造学院O3、压力角a与基圆半径r0tga=——CPBC=OP-OCBC其中：①据三心定理VP1=VP2②OC=e③BC=即:OP·=V得:OP=V/S+S0=S+r02-e2从而tga=V/-eS+r02-e2CBPa123S0显然,r0↑→a↓SVer0机械设计基础西南科技大学制造学院基圆越大凸轮推程廓线越平缓压力角a越小；基圆越小，凸轮推程廓线越陡峭，压力角a越大；导致磨损加剧，甚至引起机构自锁。基圆r0越小结构紧凑压力角a效率原则amax[a]机械设计基础西南科技大学制造学院一、判断题（正确：T，错误：F）1.凸轮机构是一种低副机构。2.凸轮机构中，凸轮基圆半径越大，说明从动件的位移越大。3.在运动规律一定时，凸轮的基圆越大，则从动件就越不容易发生自锁卡死。4.凸轮机构采用等加速等减速运动规律时，由于在起始点加速度出现有限值的突然变化，因而产生惯性力的突变，结果引起刚性冲击。T机械设计基础西南科技大学制造学院5.凸轮的基圆半径就是凸轮理论轮廓线上的最小曲率半径。6.滚子从动件盘形凸轮的实际轮廓曲线是理论轮廓的等距曲线，因此，实际轮廓上各点的向径就等于理论轮廓上各点的向径减去滚子半径。8.一般说来，在凸轮机构中，尖顶从动件可适应任何运动规律而不致发生运动失真