第9章凸轮机构及其设计(1)

2020/7/31机械原理机电工程学院机械设计研究室TheoryofMachinesandMechanisms2020/7/32第9章凸轮机构及其设计CamMechanisms凸轮机构常用于将主动件的连续转动转变为从动件的往复移动或摆动，能使从动件获得任意预先给定的运动规律，因而广泛用于各种机械、仪表和操作装置中。2020/7/33第9章凸轮机构及其设计CamMechanisms§9-1凸轮机构的应用和分类§9-2推杆的运动规律§9-3凸轮轮廓曲线的设计§9-4凸轮机构基本尺寸的确定2020/7/34一、组成由三个构件组成的一种高副机构凸轮cam：具有曲线轮廓或凹槽的构件推杆/从动件follower，运动规律由凸轮廓线和运动尺寸决定机架frame推杆凸轮内燃机配气机构机架§9-1凸轮机构的应用和分类2020/7/35二、特点优点：实现各种复杂的运动要求结构简单、紧凑设计方便缺点：点、线接触，易磨损，不适合高速、重载推杆凸轮机架2020/7/36三、分类及应用1.按凸轮的形状分2.按从动件的形状分3.按从动件的运动形式分4.按从动件的布置形式分5.按凸轮与从动件维持高副接触的方法分6.小结推杆凸轮机架2020/7/371.按凸轮的形状分盘形凸轮plate,应用凸轮呈向径变化的盘形结构简单,应用最广泛移动凸轮traslating,应用凸轮呈板型,直线移动圆柱凸轮cylindrical,应用空间凸轮机构凸轮轮廓做在圆柱体上空间运动推杆凸轮凸轮推杆推杆凸轮2020/7/382.按从动件的形状分尖顶推杆Knife-edge尖顶始终能够与凸轮轮廓保持接触，可实现复杂的运动规律易磨损，只宜用于轻载、低速滚子推杆Roller耐磨、承载大，较常用平底推杆Flat-faced接触面易形成油膜，利于润滑，常用于高速运动配合的凸轮轮廓必须全部外凸尖顶推杆滚子推杆平底推杆平底推杆2020/7/393.按从动件的运动形式分直动推杆translating往复移动轨迹为直线摆动推杆oscillating往复摆动轨迹为圆弧尖顶推杆滚子推杆平底推杆直动推杆摆动推杆动画2020/7/3104.按从动件的布置形式分对心in-line直动推杆偏置offset直动推杆尖顶推杆滚子推杆2020/7/3115.按凸轮与从动件维持高副接触的方法分力封闭型（力锁合）Force-closed形封闭型（形锁合）Form-closed2020/7/3126.小结一般凸轮机构的命名原则:布置形式+运动形式+推杆形状+凸轮形状对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构摆动平底推杆盘形凸轮机构2020/7/313§9-2推杆的运动规律FollowerMotionCurves一．凸轮与推杆的运动关系二．推杆常用的运动规律三．推杆运动规律的选择2020/7/3141.基圆、基圆半径rb2.向径r3.推程、推程角04.上停程(远休)上停程角(远休止角)015.回程、回程角0'6.下停程(近休)下停程角(近休止角)027.转角、位移S8.行程(升程)htotalfollowertravelorliftrrbSh0010'02w一.凸轮与推杆的运动关系2020/7/315一.凸轮与推杆的运动关系（续）可见:从动件的运动规律是与凸轮轮廓曲线的形状相对应的。从动件位移s、速度ν、加速度a随凸轮转角（时间t）的变化规律，称为从动件运动规律。2020/7/316◆多项式运动规律★一次多项式运动规律——等速运动★二次多项式运动规律——等加速等减速运动★五次多项式运动规律◆三角函数运动规律★余弦加速度运动规律——简谐运动规律★正弦加速度运动——摆线运动规律◆组合运动规律重点：掌握各种运动规律的运动特性说明：凸轮一般为等速运动，有推杆运动规律常表示为推杆运动参数随凸轮转角δ变化的规律。,tw二.推杆常用的运动规律2020/7/3171.一次多项式运动规律——等速运动0//110dtdvaCdtdsvCCsw0//00ahvhsw★运动方程式一般表达式：★推程运动方程：运动始点：=0,s=0运动终点：hs,0推程运动方程式：边界条件推程运动线图2020/7/318★回程运动方程,0,0s回程运动方程式：0/)1(00ahvhsw运动始点：=0,s=h运动终点：边界条件0//110dtdvaCdtdsvCCsw一次多项式一般表达式：回程运动角δ是从回程起始位置计量的1.一次多项式运动规律——等速运动2020/7/3191.等速运动规律ConstantVelocityMotionCurve(直线位移运动规律、一次多项式运动规律)S0HV0aHw0∞∞0特点：设计简单、匀速进给、amax最小。始点、末点有刚性冲击。适于低速、轻载、从动杆质量不大，以及要求匀速的情况。二.推杆常用运动规律2020/7/3202.等加速等减速运动规律ConstantAccelerationandDeceleration(抛物线位移运动规律、二次多项式运动规律)S0HV0a2Hw004Hw200H特点:amax最小→惯性力小。起、中、末点有软性(柔性）冲击.适于中低速、中轻载.S2020/7/321a3.余弦加速度运动规律CosineAcceleration(简谐SimpleHarmonic运动位移运动规律)0H01234567812345678SV0123456780pHw20012345678p2Hw22020123456特点:加速度变化连续平缓.始、末点有软性冲击.适于中低速、中轻载.0123456780782020/7/322a0pHw202012467801234567834.正弦加速度运动规律SineAccelerationV2Hw001234680012345678557Hp特点：加速度变化连续.amax最大.对加工误差敏感.适于高中速、轻载.(摆线投影位移运动CycloidMotion规律)012345678H123456S7002020/7/323组合方式：主运动：等速运动规律组合运动：等速运动的行程两端与正弦加速度运动规律组合起来。组合运动规律示例5.组合运动规律2020/7/324◆只对推杆工作行程有要求，而对运动规律无特殊要求推杆运动规律选取应从便于加工和动力特性来考虑。低速轻载凸轮机构：采用圆弧、直线等易于加工的曲线作为凸轮轮廓曲线。高速凸轮机构：首先考虑动力特性，以避免产生过大的冲击。1.选择推杆运动规律的基本要求◆满足机器的工作要求；◆使凸轮机构具有良好的动力特性；◆使所设计的凸轮便于加工。2.根据工作条件确定推杆运动规律几种常见情况三、推杆运动规律的选择2020/7/325◆机器工作过程对从动件的的运动规律有特殊要求凸轮转速不高，按工作要求选择运动规律；凸轮转速较高时，选定主运动规律后，进行组合改进。2.根据工作条件确定推杆运动规律几种常见情况maxvmaxamaxmv从动件动量maxma从动件惯性力对于重载凸轮机构，应选择值较小的运动规律；对于高速凸轮机构，宜选择值较小的运动规律。maxvmaxa2020/7/326具有简单轮廓线的凸轮切线凸轮圆弧凸轮偏心凸轮适用于没有任何要求、轻载、小行程、手动。2020/7/327若干种从动件运动规律特性比较运动规律)/(0maxwhv)/(202maxwha冲击应用场合等速1.00刚性低速轻负荷等加速等减速2.004.00柔性中速轻负荷余弦加速度1.574.93柔性中低速中负荷正弦加速度2.006.28──中高速轻负荷3-4-5多项式1.885.77──高速中负荷改进型等速1.338.38──低速重负荷改进型正弦加速度1.765.53──中高速重负荷改进型梯形加速度2.004.89──高速轻负荷2020/7/328AAAAAAAAAAAAA解析法、作图法相对运动原理法:(也称反转法):principleofinversion对整个系统施加-ω运动此时，凸轮保持不动推杆作复合运动=反转运动(-)+预期运动(s)AAr0w-wr0§9-3凸轮轮廓曲线的设计SynthesisofthecamContour一、凸轮廓线设计方法的基本原理2020/7/329二、作图法设计凸轮廓线作图步骤：1根据从动件的运动规律：作出位移线图S2-δ1，并等分角度2定基圆3作出推杆在反转运动中依次占据的位置4据运动规律，求出从动件在预期运动中依次占据的位置5将两种运动复合，就求出了从动件尖端在复合运动中依次占据的位置点6将各位置点联接成光滑的曲线7在理论轮廓上再作出凸轮的实际轮廓1对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构2对心直动滚子推杆盘形凸轮机构3对心直动平底推杆盘形凸轮机构4偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构5摆动推杆盘形凸轮机构6小结2020/7/3301对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构PlateCamwithin-lineTranslatingKnife-edgeFollower已知：r0，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动设计：凸轮廓线解：1.定比例尺μl2.初始位置及推杆位移曲线3.确定推杆反转运动占据的各位置4.确定推杆预期运动占据的各位置5.推杆高副元素族6.推杆高副元素的包络线s0h1200600900902020/7/3312对心直动滚子推杆盘形凸轮机构已知：r0，推杆运动规律，滚子半径rr,凸轮逆时针方向转动设计：凸轮廓线解：1.定比例尺l2.初始位置及推杆位移曲线注：两条廓线，理论／实际廓线实际廓线基圆rmin理论廓线基圆r03.确定推杆反转运动占据的各位置4.确定推杆预期运动占据的各位置5.推杆高副元素族6.推杆高副元素的包络线s0h120060090090理论轮廓实际轮廓2020/7/332s0h1200600900903对心直动平底推杆盘形凸轮机构已知：r0，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动设计：凸轮廓线解：1.定比例尺l2.初始位置及推杆位移曲线3.确定推杆反转运动占据的各位置4.确定推杆预期运动占据的各位置5.推杆高副元素族6.推杆高副元素的包络线实际轮廓2020/7/333s0h1200600900904偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构已知：r0，偏置圆半径e，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动设计：凸轮廓线解：1.定比例尺l2.初始位置及推杆位移曲线偏距圆、基圆3.确定推杆反转运动占据的各位置4.确定推杆预期运动占据的各位置5.推杆高副元素族6.推杆高副元素的包络线2020/7/3345摆动推杆盘形凸轮机构r0wr0w分析：w2020/7/335摆动推杆盘形凸轮机构设计已知：r0，机架长度，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动设计：凸轮廓线解：1.定比例尺l2.初始位置及推杆位移曲线3.确定推杆反转运动占据的各位置4.确定推杆预期运动占据的各位置5.推杆高副元素族6.推杆高副元素的包络线f210120060090090wf21f22f23f24f25f26f27f28f29f210f211f2122020/7/3366小结应用反转法时应注意：要能正确理解凸轮实际廓线和理论廓线的关系要正确确定推杆的反转方向正确确定推杆在反转运动中占据的位置一．直动推杆：推杆在反转前后两位置线的夹角应等于凸轮的转角二．摆动推杆：反转前后推杆摆动中心和凸轮轴心的两连线之间的夹角应等于凸轮的转角正确确定推杆的位移或摆角一．直动推杆：位移等于推杆所在位置与理论廓线的交点和与基圆交点之间的距离二．摆动推杆：角位移等于推杆所在位置与推杆起始位置之间的夹角2020/7/337δyxB0三.用解析法设计凸轮的轮廓曲线例：偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构θ由图可知：s0＝(r02-e2)1/2实际轮廓线－为理论轮廓的等距线。曲线任意点切线与法线斜率互为负倒数：原理：反转法设计结果：轮廓的参数方