4凸轮机构

第五章凸轮机构机械设计基础邓宁凸轮机构机械设计基础邓宁5.1概述5.2常用的从动件运动规律5.3盘形凸轮轮廓的设计与加工方法5.4凸轮机构基本尺寸的确定5.5凸轮机构的结构和精度凸轮机构5.1概述机械设计基础邓宁5.1概述凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件凸轮机构由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成优点：只需设计适当的凸轮轮廓曲线，便可使从动件得到任意预定的运动规律，机构简单、紧凑局限性：凸轮机构是高副机构(凸轮与从动件为点、线接触)，易磨损，因此只适用于传递动力不大的场合凸轮机构5.1概述机械设计基础邓宁凸轮机构凸轮是一个具有曲线轮廓的构件含有凸轮的机构称为凸轮机构它由凸轮、从动件和机架组成凸轮机构5.1概述机械设计基础邓宁内燃机配气凸轮机构5.1.1凸轮机构的应用凸轮机构5.1概述机械设计基础邓宁分度转位机构靠模车削机构凸轮机构5.1概述机械设计基础邓宁自动送料机构凸轮机构5.1概述机械设计基础邓宁5.1.2凸轮机构的分类一、按凸轮形状分类1、盘形凸轮凸轮机构可以按凸轮的形状、从动件的形状以及从动件的运动形式等来分类是凸轮中最基本的形式，为平面凸轮机构盘形凸轮凸轮绕固定轴转动且径向变化的盘形零件。凸轮机构5.1概述机械设计基础邓宁移动凸轮回转半径无限大，凸轮作往复移动2、移动凸轮具有曲线轮廓作往复直线移动的构件。(可以认为当盘形凸轮回转中心趋于无穷大时，凸轮相对机架作直线运动。)为平面凸轮机构凸轮机构5.1概述机械设计基础邓宁4、曲面凸轮3、圆柱凸轮在圆柱面上开有曲线凹槽的构件。(可看作是将移动凸轮卷成圆柱体而形成的。它是一种空间凸轮机构圆柱表面用圆弧面代替的构件。(它也是一种空间凸轮机构。)凸轮机构5.1概述机械设计基础邓宁1、力锁合的凸轮机构二、按锁合方式分类力锁合：如弹簧力、从动杆的重力凸轮机构5.1概述机械设计基础邓宁2、几何锁合的凸轮机构几何锁合：利用几何形状来锁合，如凸轮上的凹槽、等径及等宽凸轮等。凸轮机构5.1概述机械设计基础邓宁1、尖顶从动件2、滚子从动件3、平底从动件三、按从动件型式分类与凸轮是点接触，只用于受力小的低速机构；尖顶能与复杂的凸轮轮廓保持接触，传动精确与凸轮形成滚动磨擦，可传递较大载荷，应用极广；但凸轮上凹陷的轮廓未必能很好地与滚子接触，会影响实现预期的运动规律受力较好，效率高，接触面油膜易形成，利于润滑，可用于高速凸轮机构5.1概述机械设计基础邓宁2、摆动从动件凸轮机构四、按从动件运动形式分1、直动从动件凸轮机构凸轮机构5.1概述机械设计基础邓宁平底从动件滚子从动件尖底从动件凸轮机构5.1概述机械设计基础邓宁凸轮机构的主要失效形式是磨损和疲劳点蚀，要求其工作表面硬度高、耐磨并且有足够的表面接触强度，凸轮芯部有较强的韧性一般凸轮的材料常采用40Cr钢（经表面淬火，硬度为40－45HRC），也可采用20Cr、20CrMnTi（经表面渗碳淬火，表面硬度为56-62HRC）滚子材料采用20Cr（经渗碳淬火，表面硬度为56-62HRC），也有的用滚动轴承作为滚子5.1.3凸轮和滚子的材料凸轮机构5.2常用的从动件运动规律机械设计基础邓宁5.2.1平面凸轮机构的基本尺寸和运动参数凸轮机构5.2常用的从动件运动规律机械设计基础邓宁凸轮机构的运动过程凸轮机构5.2常用的从动件运动规律机械设计基础邓宁1、基圆——以凸轮的转动中心O为圆心，以凸轮的最小向径为半径r0所作的圆。r0称为凸轮的基圆半径2、推程、推程运动角3、远休、远休止角4、回程、回程运动角5、近休、近休止角6、行程——从动杆在推程或回程中移动的距离h7、位移线图——描述位移s与凸轮转角φ之间关系的图形推程→远休→回程→近休→推程凸轮机构5.2常用的从动件运动规律机械设计基础邓宁从动件的位移s与凸轮转角φ的关系可以用从动件的位移线图来表示。由于大多数凸轮作等速转动，转角与时间成正比，因此横坐标也代表时间t结论：从动件的运动规律取决于凸轮的轮廓形状凸轮机构5.2常用的从动件运动规律机械设计基础邓宁摆动从动件凸轮机构ABCDO1O2aB1rbmaxl凸轮机构5.2常用的从动件运动规律机械设计基础邓宁5.2.2常用的从动件运动规律等速运动从动件在开始和终止的瞬时，速度有突变，加速度a在理论上为无穷大，其惯性力将引起刚性冲击。所以，等速运动只适用于低速。刚性冲击：由于加速度发生无穷大突度而引起的冲击称为刚性冲击。凸轮机构5.2常用的从动件运动规律机械设计基础邓宁柔性冲击：加速度发生有限值的突变（适用于中速场合）从加速度线图可看出，加速度a在始未及中点处有有限值的突变，因而惯性力也发生突变。这种有限值的惯性力突变，将产生柔性冲击，所以，等加速等减速运动用于低、中速场合等加速-等减速运动凸轮机构5.2常用的从动件运动规律机械设计基础邓宁由加速度线图可知：这种运动规律的从动件在行程的始点和终点有柔性冲击。但当加速度曲线保持连续时，这种规律的运动就能避免冲击。余弦加速度运动凸轮机构5.2常用的从动件运动规律机械设计基础邓宁正弦加速度运动由加速度线图可知，从动件在起点和终点的加速度均为零，并且在整个过程中，加速度曲线是连续的，没有加速度突变，因此没有刚性冲击，也没有柔性冲击,适用于高速5、组合运动规律为了获得更好的运动特征，可以把上述几种运动规律组合起来应用，组合时，两条曲线在拼接处必须保持连续。凸轮机构5.2常用的从动件运动规律机械设计基础邓宁等速运动——刚性冲击——低速轻载等加速-等减速运动——柔性冲击——中速轻载余弦加速度运动——柔性冲击——中速正弦加速度运动——无冲击——高速凸轮机构5.2常用的从动件运动规律机械设计基础邓宁5.2.3从动件运动规律的选择1、根据机器工作时的运动要求来确定从动件的运动规律2、无运动要求，只需要一定位移量的凸轮机构，主要考虑加工方便3、高速机构，应减小惯性力、改善动力性能，避免冲击凸轮机构5.3盘形凸轮轮廓的设计与加工方法机械设计基础邓宁5.3.1反转法原理通过整个机构加一个（-ω）这样凸轮不动、从动件导路机架以（-ω）转动，且从动件相对导路移动反转后，尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓原来凸轮转动、导路机架不动从动件运动规律和凸轮基圆半径确定后，就可以进行凸轮轮廓设计，有作图法和解析法两种方法凸轮机构5.3盘形凸轮轮廓的设计与加工方法机械设计基础邓宁2S1123s1s2hOrb-11s11'1s12s2s23hh3'2'凸轮机构5.3盘形凸轮轮廓的设计与加工方法机械设计基础邓宁5.3.2图解法设计凸轮轮廓曲线图解法是以对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的绘制为基础1.对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的绘制已知：对心式尖顶从动件的位移线图（S-φ），基圆半径rb，凸轮顺时针回转，要求：设计凸轮轮廓作图步骤：a.以rb为半径作基圆（注意比例），将基圆与从动件的交点A0作为起始位置；b.自OA0沿（-ω）方向取Φ、Φ′、Φs′，并在Φ、Φ′中再细分成若干等分，连接OA1′、OA2′、OA3′、…，得反转中导路的各个位置；c.取A1A1′=11′、A2A2′=22′、…，得反转中尖顶的一系列位置A1、A2、…；凸轮机构5.3盘形凸轮轮廓的设计与加工方法机械设计基础邓宁d.将A0、A1、A2、…连成光滑曲线，即得所求的凸轮轮廓。注意：(1)取位移的比例要和所画基圆比例一致。(2)位移要从基圆上向外量起偏置尖顶从动件凸轮轮廓曲线设计（反转法）2S1123s1s2h-1111's1Orbes22h3Fvs11已知：S=S（），rb，e，凸轮机构5.3盘形凸轮轮廓的设计与加工方法机械设计基础邓宁5.3.2图解法设计凸轮轮廓曲线偏置直动尖顶从动件盘形凸轮设计凸轮机构5.3盘形凸轮轮廓的设计与加工方法机械设计基础邓宁3.滚子从动件盘形凸轮轮廓的绘制若设计条件不变，只是将尖顶从动件改为滚子从动件。这时凸轮轮廓的绘制方法同尖顶从动件基本相同，只不过是将滚子中心看作尖顶从动件的尖顶而已注意：(1)滚子从动件凸轮的基圆半径是指理论廓线的最小向径。(2)理论廓线与实际廓线并不是相似，而是等距曲线。偏置滚子从动件凸轮轮廓曲线设计（反转法）2S1123s1s2h-1111's1Orbes22h3已知：S=S（），rb，e，，rr理论轮廓实际轮廓Fv凸轮机构5.3盘形凸轮轮廓的设计与加工方法机械设计基础邓宁偏置直动滚子从动件盘形凸轮设计摆动从动件盘形凸轮机构SS''911223344556677883B2B5B4B3C0B7B6B8C1C6C4C5C2C3C8C71已知：=（），rb，L，a，A0B00OS''SA1A2A3A4A5A9A8A7A6B1C9B9Fv凸轮机构5.3盘形凸轮轮廓的设计与加工方法机械设计基础邓宁5.3.3解析法设计凸轮轮廓曲线设凸轮机构的滚子半径为rT，基圆半径为r0，偏距为e，从动件运动规律s=s(φ)，凸轮以等角速度ω1顺时针方向回转图中ρ，θ为理论轮廓线η上各点的极坐标值；ρT，θT为实际轮廓线η′上各点的极坐标值凸轮机构5.3盘形凸轮轮廓的设计与加工方法机械设计基础邓宁5.3.3凸轮轮廓的加工方法1、铣、锉削加工用于低速、轻载场合的凸轮，可以应用反转法原理在未淬火凸轮轮坯上通过作图法绘制轮廓曲线，采用铣床或用手工锉削办法加工而成。必要时可进行淬火处理，但用这种方法则凸轮的变形难以得到修正2、数控加工采用数控线切割机床对淬火凸轮进行加工，这是目前最常用的一种凸轮加工方法。加工时应用解析法，求出凸轮轮廓曲线的极坐标值(ρ，θ)，应用专用编程软件，切割而成。此方法加工出的凸轮精度高，适用于高速、重载的场合凸轮机构5.3盘形凸轮轮廓的设计与加工方法机械设计基础邓宁凸轮的设计凸轮的加工铣、锉削加工解析法数控加工作图法凸轮的设计和加工凸轮机构5.4凸轮机构基本尺寸的确定机械设计基础邓宁压力角:从动杆所受正压力的方向与从动杆上作用点的速度方向之间夹角αcossin21FFFFα越小，传动效率越高压力角许用值[α]:移动从动杆推程时，[α]=30º~40º摆动从动杆推程时，[α]=40º~50º移动和摆动从动杆回程时，[α]=70º~80º校核：αmin=[α]5.4.1凸轮机构的压力角压力角不符合要求时，可加大基圆半径使α减小，另外，合理设计偏距也可减小压力角凸轮机构5.4凸轮机构基本尺寸的确定机械设计基础邓宁5.4.2基圆半径的确定设计时，通常是考虑最大压力角不超过许用值的前提下，缩小凸轮尺寸凸轮机构5.4凸轮机构基本尺寸的确定机械设计基础邓宁从强度考虑，rT越大越好。（∵rT增大，接触应力小，磨损小，强度高。）但滚子半径对实际轮廓曲线是有影响的，不能任意增大图中：ρmin--理论廓线的最小曲率半径；ρ′min--实际廓线的最小曲率半径当实际廓线为外包络线时ρ′min=ρmin+rT此时，无论滚子半径大小，凸轮工作轮廓总是光滑曲线5.4.3滚子半径的确定凸轮机构5.4凸轮机构基本尺寸的确定机械设计基础邓宁rT=ρmin，出现尖点，容易磨损，导致运动失真rTρmin，出现交叉，导致运动失真rT=0.8ρmin,并且ρmin-rT=(3~5)mm当实际廓线为内包络线时ρ′min=ρmin-rT凸轮机构5.5凸轮机构的结构和精度机械设计基础邓宁一、凸轮机构的结构1、凸轮的结构凸轮尺寸较小，且与轴的尺寸相近时，则与轴做成一体尺寸较大时，则凸轮与轴分别制造再装配在一起使用2、从动件的端部结构常见的为滚子结构，滚子相对于从动件能自由转动二、凸轮的精度凸轮的精度主要包括凸轮的公差和表面粗糙度一般可查表得到凸轮机构机械设计基础邓宁