第04章 凸轮机构及其设计

第四章凸轮机构及其设计第一节凸轮机构的应用及分类第二节从动件的常用运动规律第三节凸轮轮廓曲线的设计第四节凸轮机构设中计应注意的几个问题本章总结第一节凸轮机构的应用及分类一、凸轮机构的构成和应用构成特点应用二、凸轮机构的分类三、凸轮机构的基本名词术语1.凸轮——具有曲线状轮廓的构件2.从动件——作往复移动或摆动的构件往复移动——直动从动件往复摆动——摆动从动件3.机架——参考坐标系，支承构件构成应用(a)机床刀架中的凸轮机构(b)箭杆织机中的打纬凸轮机构直动从动件摆动从动件机床刀架中的凸轮机构箭杆织机中的打纬凸轮机构应用图高副联接，可较精确地实现任意复杂的运动规律，构件数目少，结构简单、紧凑，工作可靠。缺点：不易实现较理想的润滑，接触应力较大，易磨损，寿命相对较短，凸轮制造困难，高速传动可能产生较大冲击。当凸轮作等速转动时，从动件的运动规律（指位移、速度、加速度、跃度等）取决于凸轮轮廓的曲线形状；反之，按机器的工作要求给定从动件的运动规律以后，可合理地设计出凸轮的曲线轮廓。特点二、凸轮机构的分类1．按凸轮的形状分类2．按从动件形状分类3．按凸轮与从动件维持高副接触的方式分类4．按从动件的运动形式分类1．按凸轮的形状分类盘状凸轮移动凸轮圆柱凸轮2．按从动件形状分类尖顶从动件滚子从动件平底从动件曲底从动件3．按凸轮与从动件维持高副接触的方式分类力封闭凸轮机构形封闭凸轮机构4．按从动件的运动形式分类直动从动件摆动从动件对心式偏置式三、凸轮机构的特点凸轮机构的优点：1.确定适当的凸轮轮廓就可使从动件得到任意预期的运动规律；2.结构简单，体积小，易于设计。凸轮机构的缺点：1.由于凸轮与从动件是高副接触，压力较大，易磨损。故不宜用于大功率传动第二节从动件的运动规律从动件的运动规律几种常用的从动件运动规律h一、凸轮机构的工作原理S(A)BCD(,S)S’S’hSAB’OeCDBOπ2基圆推程运动角远休止角近休止角回程运动角1.从动件的运动规律是指从动件的位移、速度、加速度与凸轮转角（或时间）之间的函数关系。凸轮的轮廓曲线取决于从动件的运动规律，故从动件的运动规律是设计凸轮的重要依据。2.几种常用的从动件运动规律（1）等速运动规律——从动件上升或下降的速度为一常数。在行程的起点与终点处，由于速度发生突变，加速度在理论上无穷大，导致从动件产生非常大的冲击惯性力，称这种冲击为刚性冲击。由加速度线图可知，O、A、B三点的加速度有突变，因而从动件的惯性力也有突变。由于加速度的突变为一有限值，惯性力的突变也是有限值。对凸轮机构的冲击也是有限的，故称之为柔性冲击。（2）等加等减速运动规律——从动件前半行程作等加运动，后半行程作等减速运动。（3）简谐运动规律简谐运动规律的加速度在行程始、终点有突变，会引起柔性冲击。（4）摆线运动规律摆线运动规律的加速度方程为整周期的正弦曲线，也称正弦加速度运动规律。由于加速度没有突变，因而在运动中没有冲击。可在较高速度工况下使用。第三节凸轮轮廓曲线的设计主要任务根据选定的从动件运动规律和其它设计数据，画出凸轮的轮廓曲线或计算出轮廓曲线的坐标值。一、凸轮机构的相对运动原理二、凸轮机构的轮廓曲线三、凸轮廓线的设计1.直动从动件盘形凸轮廓线的设计2.直动平底从动件盘形凸轮廓线的设计3.摆动滚子从动件盘形凸轮廓线的设计一、凸轮机构的相对运动原理直动尖底从动件盘形凸轮机构结论：复合运动中从动件尖顶相对凸轮运动的运动轨迹就形成了凸轮的轮廓曲线。反转法平底从动件滚子从动件)()(s平底从动件滚子从动件实际廓线——凸轮与从动件直接接触的廓线称为凸轮的工作廓线。理论廓线——对于滚子从动件，可把滚子圆心看作从动件的尖点，该点的复合运动轨迹称为凸轮的理论廓线。实际廓线是滚子的包络线。理论廓线与实际廓线之间的法线距离处处相等，均等于滚子半径。因此，当已知凸轮的理论廓线方程和滚子曲线方程后，滚子的包络线方程就是凸轮的实际廓线方程。二、凸轮机构的轮廓曲线注意：在滚子从动件盘形凸轮机构中，凸轮转角一般在理论廓线的基圆上量度，从动件的位移也是导路的方向线与理轮廓线基圆的交点至滚子中心之间的距离。1.直动从动件盘形凸轮廓线的设计yxB0B0.cossinsincosssyxyx2200B0B0ersyexcossinyxssss式中：coscos)(cossin)(00essyessx代入上式并整理，得直动滚子从动件盘形凸轮的理轮廓线方程为：0),,(0),,(aaaayxfyxf0)()(),,(2r2a2aaaryyxxyxf0dd)(2dd)(2),,(aaaayyyxxxyxf滚子圆的方程为：所以：实际廓线是圆心位于理论廓线上的滚子圆的包络线，其方程为：dd)(dd).(aayyyxxx22ra22ra)dd()dd(dd)dd()dd(ddyxxryyyxyrxx联立求解包络线方程，可得到实际廓线方程为：即：2．直动平底从动件盘形凸轮廓线的设计式中：sincos.cossinsincosyxB0B0opopssyxyxdd,cos,sin,,0yxbB0B0sopssssryxsinddcos)(cosddsin)(bbssryssrx代入并整理得直动平底从动件盘形凸轮的实际廓线方程为：3．摆动滚子从动件盘形凸轮廓线的设计式中：代入并整理得理论廓线方程为AAA0B0A0B0.)cos()sin()sin()cos(yxyyxxyx0B00B0A0A0AAcos,sin,0cos,sinlaylxayxayax)2arccos(20220alrla)cos(cos)sin(sin00laylax第四节凸轮机构的压力角及基本尺寸的确定一、凸轮机构的压力角二、凸轮机构基本尺寸的设计1.基圆半径的设计2.滚子半径的设计一.凸轮机构的压力角压力角从动件在高副接触点所受的法向压力与从动件在该点的线速度方向所夹的锐角。凸轮机构的压力角是凸轮设计的重要参数。运动过程中，压力角的大小是变化的。凸轮机构的最大压力角要小于许用压力角，即max[]1.基圆半径的设计由图可得对心直动滚子从动件盘形凸轮机构在推程任一位置时压力角的表达式为srsbddtan分析结果：基圆半径越大，压力角越小。从传力的角度来看，基圆半径越大越好；从机构紧凑的角度来看，基圆半径越小越好。在设计时，应在满足许用压力角要求的前提下，选取最小的基圆半径。设计要求：滚子尺寸的设计要满足强度和运动特性。从强度要求考虑，滚子半径一般应满足：rr2.滚子半径的设计rar从运动特性考虑，不能发生运动的失真现象。为避免发生这种现象，要对滚子半径加以限制。b)5.01.0(r≥minr8.0r≤1.了解凸轮机构的组成、特点、类型及应用；2.了解从动件常用运动规律及其特点；3.理解相对运动（也称“反转法”）的原理；4.掌握常用盘形凸轮轮廓曲线的设计（解析法）；5.学会确定凸轮机构的压力角、基圆半径和滚子半径等基本尺寸。本章总结