第4章--凸轮机构传动

第4章凸轮机构传动凸轮机构的应用及类型4.1从动件的常用运动规律4.2图解法设计凸轮轮廓4.3盘形凸轮的结构设计4.4while语句5.7switch语句5.6do-while语句5.9for语句5.84.1凸轮机构的应用及类型4.1.1凸轮机构的组成、应用及特点如图4-1所示，凸轮机构是由凸轮1、从动件2和机架3组成的高副机构。图4-1内燃机配气的凸轮机构凸轮机构的主要优点是：只要正确地设计凸轮轮廓曲线，就能使从动件实现任意给定的运动规律，且结构简单、紧凑，工作可靠，易于设计。缺点是：由于凸轮机构属于高副机构，故凸轮与从动件之间为点或线接触，不便润滑，易于磨损。因此凸轮机构多用于传力不大的控制机构和调节机构。图4-2挑线机构图4-3移动凸轮机构凸轮机构按形状可分为三类，分述如下。1．盘形凸轮如图4-l所示，这种凸轮是一个具有变化向径轮廓尺寸的盘形构件，是凸轮的最基本类型。4.1.2凸轮机构的分类当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架作直线运动，这种凸轮称为移动凸轮，如图4-3所示。2．移动凸轮图4-2所示为圆柱凸轮，该凸轮是在表面制出一定曲线凹槽的圆柱体。当凸轮回转时，可使从动件在凹槽侧壁的推动下产生不同的运动规律或得到较大的行程。3．圆柱凸轮另一种分类方法是按从动杆的端部形状和运动形式来分，如表4-1所示。端部形状运动形式主要特点移动摆动尖端结构紧凑，能与各种凸轮轮廓上的几乎所有点接触，可实现较复杂的运动规律，但易于磨损。设计时，多借用这种从动件的凸轮机构来进行理论分析，描绘凸轮轮廓滚子滚动接触磨损小，可传递较大的力，是一种常用的类型，但结构较复杂，尺寸、重量较大，不易润滑且轴销强度较低平底结构紧凑，平底与凸轮接触易形成楔形油膜，润滑较好，磨损小，且当不计摩擦时，凸轮对从动件的作用力始终垂直于平底，传动效率较高，故常用于高速；但不能与内凹或直线轮廓接触球面优、缺点介于滚子和尖端之间，当机构有变形或安装有偏差时，不至于改变其接触状态，故可避免用滚子时因安装偏斜而造成载荷集中、应力增大的缺点表4-1凸轮机构从动件的基本类型4.2.1凸轮机构的工作过程分析图4-4(a)所示为尖顶移动从动件盘形凸轮机构，以凸轮轴心O为圆心，以凸轮轮廓的最小向径rb为半径所作的圆称为基圆，rb称为基圆半径。图示位置是从动件移动上升的起点，也是从动件尖顶所处的最底点A。4.2从动件的常用运动规律当凸轮从图示位置逆时针转过o时，从动件在向径渐增的凸轮轮廓作用下，以一定的运动规律被推至距凸轮回转中心最远的位置B点，这一过程称为推程，从动件所移动的距离h称为升程或行程，凸轮对应的转角o称为推程运动角。当凸轮继续转过s时，以O点为圆心的圆弧与从动件接触，使从动件在最远处静止不动，称为停程，其对应转角s称为远休止角。当凸轮继续回转时，从动件沿着凸轮轮廓按预定运动规律降到最低位置，称为回程，转角称为回程运动角。BCoCDo当凸轮再回转时，从动件尖顶沿着凸轮轮廓上基圆圆弧滑动至起点A，在这一行程中，从动件并未沿导路发生移动，故段行程称近停程，称为近休止角。若凸轮连续转动时，从动件必重复上述的升→停→降→停的运动过程。通常推程是凸轮机构的工作行程，而回程则是凸轮机构的空回行程。sDADAs图4-4凸轮与从动件的运动关系从动件位移s与凸轮转角之间的关系可用图4-4(b)表示，它称为位移曲线（也称s-曲线）。位移曲线直观地表示了从动件的位移变化规律，它是凸轮轮廓设计的依据。1．等速运动规律2．等加速等减速运动规律4.2.2从动件常用运动规律图4-5等速运动规律曲线图4-6等加速等减速运动规律曲线以上介绍的两种运动规律之外，工程上还常用到简谐运动规律、摆线运动规律、函数曲线运动规律等，或者将几种运动规律组合起来使用，设计凸轮机构时可参阅有关资料。凸轮轮廓的设计方法有图解法和解析法两种。4.3.1反转法原理4.3图解法设计凸轮轮廓根据相对运动原理，如果给整个凸轮机构加上一个与凸轮转动角速度数值相等、方向相反的−角速度，则凸轮处于相对静止状态，而从动件则一方面按原定规律在机架导路中作往复移动，另一方面随同机架以−角速度绕O点转动，即凸轮机构中各构件仍保持原相对运动关系不变。由于从动件的尖顶始终与凸轮轮廓接触，所以在从动件反转过程中，其尖顶的运动轨迹，就是凸轮轮廓曲线（见图4-7），这就是凸轮轮廓曲线设计的反转法原理。图4-7反转法原理凸轮轮廓曲线的绘制步骤如下。①选取比例尺，作位移曲线：②画基圆并确定从动件尖顶的起始位置：③画反转过程中从动件的导路位置：④画凸轮工作轮廓：4.3.2尖顶对心移动从动件盘形凸轮轮廓的设计凸轮转角0°～90°90°～150°150°～330°330°～360°从动件运动等速上升30mm停止不动等加速等减速下降到原处停止不动表4-2从动件的运动规律图4-8尖顶对心移动从动件盘形凸轮机构①将滚子的回转中心视为从动件的尖顶，按照上例步骤作出尖顶从动件的凸轮轮廓，称为理论轮廓曲线（见图4-9）。4.3.3对心移动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计②以理论轮廓曲线上的各点为圆心，以滚子半径rr为半径，画一系列的圆，再作这一系列圆的内包络线'，该包络线即为凸轮的工作轮廓（见图4-9）。凸轮的基圆半径rb是指理论轮廓曲线上的最小向径。图4-9对心移动滚子从动件盘形凸轮机构以凸轮轴心O为圆心，以偏距e为半径所作的圆称为偏距圆。从动件在反转过程中依次占据的位置，不再是通过凸轮转动中心的径向线，而是偏距圆的切线K1B1、K2B2、…，从动件的位移A1B1、A2B2、…也应沿相应的切线量取。4.3.4尖顶偏置移动从动件盘形凸轮轮廓的设计凸轮各转角的量取也与对心式凸轮机构不同，而应自OK开始沿−方向进行。其余的作图步骤与尖顶对心移动从动件盘形凸轮相同。图4-10尖顶偏置移动从动件盘形凸轮机构4.4.1尖压力角从动件的运动方向和凸轮作用于它的法向力Fn方向之间所夹的锐角称压力角。一般不会出现自锁现象，压力角可以取大一些，推荐[]=70°～80°。4.4盘形凸轮的结构设计图4-11凸轮机构的压力角图4-12压力角的检验图4-13从动件偏置方向对压力角的影响（1）根据凸轮的结构确定rb当凸轮与轴做成一体（凸轮轴）时：rb≥r+rr+(2～5)mm（4-2）当凸轮装在轴上时：rb≥rn+rr+(2～5)mm（4-3）4.4.2凸轮基圆半径的选择式中，r——凸轮轴的半径，mm；rn——凸轮轮毂的半径，mm，一般rn=(1.5～1.7)r；rr——滚子半径，mm。若从动件不带滚子，则rr=0。（2）根据max≤[]确定rb适于对心移动从动件盘形凸轮机构的诺模图。图4-14基圆与压力角图4-15求盘形凸轮基圆半径的诺模图图4-16中，为理论轮廓线某点的曲率半径，'为凸轮实际轮廓线对应点的曲率半径，rr为滚子半径。4.4.3滚子半径的选择图4-16滚子半径的选取（1）当理论廓线内凹时［见图4-16(a)］'=+rrH这时，无论滚子半径大小，凸轮工作轮廓总是光滑曲线。（2）当理论廓线外凸时［见图4-16(b)、(c)、(d)］'=−rr这时可分三种情况：①rr时，'0，这时所得的凸轮实际轮廓为光滑的曲线［见图4-16(b)］；②=rr时，'=0，实际廓线变尖［见图4-16(c)］，极易磨损，不能使用。③rr时，'0，即实际廓线出现交叉［见图4-16(d)］，交点以外的廓线在加工时将被切去，致使从动件不能按预定的运动规律运动，这种现象称为失真。图4-17曲率半径的近似求法1．凸轮在轴上的固定方式当凸轮轮廓尺寸接近轴径尺寸时，凸轮与轴可做成一体（见图4-18）；当尺寸相差比较大时，凸轮和轴的固定采用键联接（见图4-19）或销联接（见图4-20）。4.4.4凸轮的结构图4-18凸轮轴图4-19用平键联接图4-20销联接2．滚子及其联接3．凸轮和滚子的材料凸轮和滚子常用的材料有45、20Cr、18CrMnTi或T9、T10等并经表面淬火处理。图4-22滚子结构