第4章 凸轮机构及其设计-1

第4章凸轮机构及其设计第4章凸轮机构及其设计山东大学机械工程学院机械设计及理论研究所TheoryofMachinesandMechanisms设计制作：牛军川第4章凸轮机构及其设计§4-1凸轮机构的应用和分类§4-2从动件的运动规律§4-3按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线§4-4设计凸轮轮廓曲线——解析法§4-5凸轮机构基本尺寸的确定设计制作：牛军川§4-1凸轮机构的应用和分类§4-1凸轮机构的应用和分类一、凸轮机构一、凸轮机构O1从动件2机架31滚轮凸轮机构2.组成：1.定义：具有曲线轮廓或凹槽的构件，当其连续运动时（移动、转动或摆动），可使与其高副接触的从动件按预定规律运动。主动件：凸轮从动件：推杆或摆杆固定件：机架设计制作：牛军川二、凸轮机构的分类二、凸轮机构的分类（一）按凸轮的形状分：盘形凸轮移动凸轮圆柱凸轮移动凸轮副空间凸轮2§4-1凸轮机构的应用和分类设计制作：牛军川（二）按从动件上高副元素的几何形状分：尖顶从动件滚子从动件平底从动件§4-1凸轮机构的应用和分类设计制作：牛军川（三）按从动件的运动分：摆动从动件移动从动件偏置移动从动件对心移动从动件摆杆凸轮尖顶凸轮机构尖顶凸轮机构（偏心）§4-1凸轮机构的应用和分类设计制作：牛军川（四）按凸轮与从动件维持接触（锁合）的方式分：力锁合形锁合§4-1凸轮机构的应用和分类设计制作：牛军川沟槽凸轮等宽凸轮等径凸轮强制凸轮等宽凸轮力锁合形锁合§4-1凸轮机构的应用和分类设计制作：牛军川优点：缺点：应用：主要用于要求从动件s、v、a严格按预期规律变化且传递动力不大的场合。自动机床、轻工机械、纺织机械、印刷机械、食品机械、包装机械、机电一体化产品。凸轮与从动件间为点线接触，易磨损，宜用于传力不大的场合；凸轮轮廓加工较困难；从动件行程不能过大，否则会使凸轮变得笨重。三、凸轮机构的特点和应用三、凸轮机构的特点和应用只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动结构简单，紧凑，设计方便§4-1凸轮机构的应用和分类设计制作：牛军川内燃机凸轮组合机构§4-1凸轮机构的应用和分类内燃机配气机构可写R的机构设计制作：牛军川§4-1凸轮机构的应用和分类内燃机配气机构设计制作：牛军川§4-1凸轮机构的应用和分类车床上控制刀架的靠模机构设计制作：牛军川§4-1凸轮机构的应用和分类罐装机设计制作：牛军川粉料压片机机构系统图O1123456789101112O2O313型腔（料斗）（上冲头）（下冲头）移动料斗4至型腔上方，并使料斗振动，将粉料装入型腔。下冲头6下沉，以防止上冲头12下压时将型腔内粉料抖出。上、下冲头对粉料加压，并保压一定时间。上冲头退出，下冲头顶出药片。§4-1凸轮机构的应用和分类设计制作：牛军川分度转位机构§4-1凸轮机构的应用和分类设计制作：牛军川§4-1凸轮机构的应用和分类分度转位机构——压盖设计制作：牛军川§4-1凸轮机构的应用和分类印刷机构设计制作：牛军川§4-1凸轮机构的应用和分类加工机构设计制作：牛军川§4-1凸轮机构的应用和分类加工机构设计制作：牛军川其他视频——无碳小车§4-1凸轮机构的应用和分类设计制作：牛军川Dr0eABC一、基本概念一、基本概念sCDh行程推程运动角远休止角回程运动角近休止角Bos§4-2从动件的运动规律§4-2从动件的运动规律基圆该位置为初始位置1.直动从动件凸轮机构偏距圆运动（位移、速度、加速度）线图设计制作：牛军川最大摆角2.摆动从动件凸轮机构AO1O2B1B从动件摆角CD推程运动角远休止角回程运动角近休止角OB最大摆角摆角§4-2从动件的运动规律凸轮运动角设计制作：牛军川sOsOsO（1）升-停-回-停型（RDRD型）（2）升-回-停型（RRD型）（3）升-停-回型（RDR型）（4）升-回型（RR型）sO按照从动件在一个循环中是否需要停歇及停在何处等，可将凸轮机构从动件的位移曲线分成如下四种类型：§4-2从动件的运动规律设计制作：牛军川1.等速运动规律推程的运动方程hOSv0OvOa从动件在运动起始位置和终止两瞬时的加速度在理论上由零值突变为无穷大，惯性力也为无穷大。由此的冲击称为刚性冲击。适用于低速场合。二、基本运动规律二、基本运动规律§4-2从动件的运动规律回程的运动方程：设计制作：牛军川2.等加速等减速运动规律推程等加速段1494101423560s0v0a0j在运动规律推程的始末点和前后半程的交接处，加速度突变虽为有限值，但加速度对时间的变化率理论上为无穷大。由此引起的冲击称为柔性冲击。适用于中、低速场合。§4-2从动件的运动规律推程等减速段设计制作：牛军川多项式运动规律多项式运动规律1)n+1个系数，可由n+1个边界条件确定;2)方次越高，可以满足更多的运动要求。但加工精度对运动的影响越显著。常用n10;说明：hOSvOvOan＝5§4-2从动件的运动规律设计制作：牛军川3.简谐运动规律（余弦加速度）对RDRD（升停回停）型运动循环，该运动规律在推程的开始和终止瞬时，从动件的加速度仍有突变，故存在柔性冲击。因此适用于中、低速场合。对RR型运动，若推程、回程均为余弦加速度规律，加速度曲线无突变，因而无冲击，可用于高速凸轮。1'2'3'4'5'6'0s123456a123456amax-amaxv123456，s§4-2从动件的运动规律设计制作：牛军川§4-2从动件的运动规律1234564.摆线运动规律（正弦加速度）理论上无冲击，可用于高速凸轮。设计制作：牛军川三、组合运动规律简介三、组合运动规律简介1.运动规律组合时应遵循以下原则：中、低速凸轮机构，要求从动件的位移曲线在衔接处相切，以保证速度曲线的连续。即要求在衔接处的位移和速度应分别相等。中、高速凸轮，要求从动件的速度曲线在衔接处相切，保证加速度曲线连续，即要求在衔接处的位移、速度和加速度应分别相等。§4-2从动件的运动规律2.几种典型的组合运动规律1）等加速—等速—等减速运动规律目的：消除等速运动中的刚性冲击特点：加速度曲线不连续，但刚性冲击变柔性冲击。设计制作：牛军川2）变形正弦加速度规律（三段正弦曲线组合）§4-2从动件的运动规律8设计制作：牛军川3）修正梯形组合运动规律a12345678oa0amax=(h2/2)×4.00amax=(h2/2)×6.28等加速等减速运动规律正弦加速度运动规律a=10.1250.50.875j=10.1250.50.875修正梯形组合运动规律amax=(h2/2)×4.888§4-2从动件的运动规律设计制作：牛军川4）改进型等速运动规律Oa正弦加速度运动规律等速运动规律aos12av§4-2从动件的运动规律设计制作：牛军川3.从动件常用运动规律特性比较1）刚性冲击和柔性冲击；2）vmax愈大，动量mv越大，大的冲击力，应选择小的vmax；3）amax愈大，惯性力越大，应力↑，强度↓，磨损↑，对高速凸轮，应选择amax较小的运动规律。§4-2从动件的运动规律设计制作：牛军川四、从动件运动规律设计应考虑的问题四、从动件运动规律设计应考虑的问题（1）应满足机器工作的要求；（2）对于高速凸轮机构，应使凸轮机构具有良好的运动和动力性能；（3）设计从动件运动规律时，应考虑到凸轮轮廓的工艺性要好§4-2从动件的运动规律设计制作：牛军川§4-3按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线§4-3按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线已知从动件的运动规律[s=s(),v=v(),a=a()]及凸轮机构的基本尺寸(如rb,e)及转向，求凸轮轮廓曲线上点的坐标值或作出凸轮的轮廓曲线。反转法反转法主讲内容——凸轮轮廓作图法1.直动从动件盘形凸轮机构2.摆动从动件盘形凸轮机构2.运动中尖底总与凸轮接触，故知，尖底相对凸轮的运动轨迹―凸轮廓线分析：1.运动中凸轮位置变化，为了绘出凸轮廓线，凸轮必须相对图纸平面静止。设计制作：牛军川rbesB0BosB1S--反转法原理已知从动件的运动规律[s=s(),v=v(),a=a()]及凸轮机构的基本尺寸(如rb,e)及转向，求凸轮轮廓曲线上点的坐标值或作出凸轮的轮廓曲线。§4-3按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线设计制作：牛军川B1B-一、直动从动件盘型凸轮机构一、直动从动件盘型凸轮机构（一）尖底偏置直动从动件盘型凸轮机构已知的转向,rb,e,s=s(),求凸轮轮廓曲线上点的坐标值或作出凸轮的轮廓曲线。1.解析法-xyO1)取定oxy坐标，x或y轴平行于导路线，且使初始位置在第一象限；2)写出点B1的坐标；4)写出凸轮轮廓上点B的坐标。3)写出平面旋转矩阵;eB0rb注意：逆时针为正。§4-3按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线设计制作：牛军川1）按已设计好的运动规律作出位移线图；2.几何法-3）把推程和回程运动角平分若干等份；4）相应推程和回程运动角，按-方向划分偏距圆得c0,c1,c2，等点；c1c2c3c4c5c6c7c0erbO180ºB1B3B4B2B5B86）从基圆起，在导路线上取与位移图相应位移，得B1,B2,等点，为轮廓上的点。B6c10c8c9B7120ºB9B1060ºB0os180º120º60º12345678910h§4-3按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线2）作出基圆，偏距圆，凸轮初始位置；5）并过这些点作偏距圆的切线，即为反转导路线；7）用平滑曲线联接B0,B1,B2,等点，即为凸轮的轮廓曲线。设计制作：牛军川180º60º120º1）按已设计好的运动规律作出位移线图；或-3）把推程和回程运动角平分若干等份；4）相应推程和回程运动角，按-方向划分基圆得C0,C1,C2，等点；erbOB1B3B4B2B5B86）从基圆起，在导路线上取与位移图相应位移，得B1,B2,等点，为轮廓上的点。B6B7B9B10B0(C0)os180º120º60º12345678910h§4-3按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线2）作出基圆，偏距圆，凸轮初始位置；5）并过这些点作偏距圆的切线，即为反转导路线；7）用平滑曲线联接B0,B1,B2,等点，即为凸轮的轮廓曲线。C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10设计制作：牛军川凸轮轮廓设计1凸轮的轮廓设计§4-3按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线思考：如果是对心凸轮机构，其轮廓设计？设计制作：牛军川（二）滚子从动件盘型凸轮机构凸轮轮廓设计2滚轮凸轮机构§4-3按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线设计制作：牛军川nnBCxyrbB0轮廓曲线的设计步骤：理论轮廓曲线'实际轮廓曲线1)求出滚子中心在固定坐标系oxy中的轨迹（称为理论轮廓）；2)再求滚子从动件凸轮的工作轮廓曲线（η'称为实际轮廓曲线）。理论轮廓曲线上点B处的法线n-n的斜率：实际轮廓曲线上对应点C点的坐标：rr注意：1）理论轮廓与实际轮廓互为等距曲线；xC=xBrrcosyC=yBrrsin2）滚子从动件凸轮机构的基圆半径是指理论轮廓曲线的最小向径。§4-3按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线设计制作：牛军川（三）平底移动从动件盘型凸轮机构B12SrbB1P（1）选定oxy坐标如图；xyOP为构件1、2的瞬心（2）写出点B1的坐标；（4）写出凸轮轮廓上点B的坐标。（3）写出平面旋转矩阵；注意：逆时针为正。v2=op.-平底凸轮机构§4-3按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线设计制作：牛军川作图法-sO180º120º60º1234567891021180º120º平底凸轮机构§4-3按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线B0B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10设计制作：牛军川对于平底移动从动件盘型凸轮，只要运动规律相同，偏置从动件和对心从动件具有相同的轮廓。B121§4-3按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线21B2B1b2b1设计制作：牛军川（一）尖顶摆动从动件盘型凸轮机构已知：的转向，rb,中心距lOA=a，摆杆长L，ψ=ψ(φ)1.解析法B1B1）取定oxy坐标，x或y轴在O1O2线上，且使初始位置在第一象限；2）写出