机械设计基础第三章-凸轮机构

机械设计基础第三章凸轮机构2020年8月18日机械设计基础第3章凸轮机构从动件常用运动规律图解法设计平面凸轮轮廓曲线解析法设计平面凸轮轮廓曲线凸轮机构基本尺寸的确定圆柱凸轮机构凸轮机构的应用及分类机械设计基础3.1凸轮机构的应用及分类3.1.1凸轮机构的组成1─凸轮2─从动件3─机架高副机构内燃机配气凸轮机构机械设计基础自动机床进刀凸轮机构当圆柱凸轮绕其轴线转动时，通过其沟槽与摆杆一端的滚子接触，并推动摆杆绕固定轴按特定的规律作往复摆动，同时通过摆杆另一端的扇形齿轮驱动刀架实现进刀或退刀运动。1-圆柱凸轮2-摆杆3-滚子机械设计基础绕线机凸轮机构这种凸轮在运动中能推动摆动从动件2实现均匀缠绕线绳的运动学要求。绕线机凸轮机构1-凸轮2-摆动从动件3-线轴机械设计基础3.1.2凸轮机构的分类1.按凸轮的形状分类盘形凸轮：最基本的形式，结构简单，应用最为广泛移动凸轮：凸轮相对机架做直线运动圆柱凸轮：空间凸轮机构盘形凸轮移动凸轮圆柱凸轮机械设计基础2.按从动件的形状分类尖端从动件尖端能以任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。但尖端处极易磨损，只适用于低速场合。机械设计基础滚子从动件平底从动件凸轮与从动件之间为滚动摩擦，因此摩擦磨损较小，可用于传递较大的动力。从动件与凸轮之间易形成油膜，润滑状况好，受力平稳，传动效率高，常用于高速场合。但与之相配合的凸轮轮廓须全部外凸。机械设计基础3.按从动件的运动形式分类移动从动件摆动从动件机械设计基础4.按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类(1)力封闭─依靠从动件的重力、弹簧力或其他外力使从动件与凸轮轮廓始终保持高副接触。机械设计基础(2)型封闭─依靠凸轮与从动件的特殊几何结构来保持两者始终接触沟槽凸轮：通过其沟槽两侧的廓线始终保持与从动件接触。优点：封闭方式结构简单缺点：加大了凸轮的尺寸和重量机械设计基础等宽凸轮机构：凸轮廓线上任意两条平行切线间的距离都等于框架内侧的宽度。缺点：从动件的运动规律的选择受到一定的限制，当180º范围内的凸轮廓线根据从动件运动规律确定后，其余180º内的凸轮廓线必须符合等宽原则机械设计基础等径凸轮机构：两滚子中心间的距离始终保持不变。缺点：从动件运动规律的选择受到一定的限制机械设计基础共轭凸轮机构：优点：克服了等宽、等径凸轮的缺点缺点：结构复杂，制造精度要求高一个凸轮推动从动件完成正行程运动，另一个凸轮推动从动件完成反行程的运动机械设计基础3.2从动件常用运动规律4.2.1凸轮机构的运动学设计参数sDCBA360°AheωABCDOrbsss''s'B'KrK机械设计基础回程运动角近休止角从动件运动规律（从动件位移线图）基圆─以凸轮轮廓的最小向径rb所作的圆升程─从动件上升的最大距离h推程运动角Φ0远休止角Φs'0's机械设计基础3.2.2从动件常用运动规律1.等速运动特点：速度有突变，加速度理论上由零至无穷大，从而使从动件产生巨大的惯性力，机构受到强烈冲击——刚性冲击适应场合：低速轻载机械设计基础2.等加速等减速(抛物线)运动特点：加速度曲线有突变，加速度的变化率(即跃度j)在这些位置为无穷大——柔性冲击适应场合：中速轻载shO124563O2vshO124563O2vO0a2aO∞∞∞-2j机械设计基础3.简谐运动(余弦加速度运动)当质点在圆周上作匀速运动时，它在该圆直径上的投影所构成的运动规律—简谐运动φΦπcos12hs特点：有柔性冲击适用场合：中速轻载(当从动件作连续运动时，可用于高速)机械设计基础4.摆线运动半径R=h/2π的滚圆沿纵座标作纯滚动，圆上最初位于座标原点的点其位移随时间变化的规律—摆线运动特点：无刚性、柔性冲击适用场合：适于高速sh124563123564OO2Oav机械设计基础5.3-4-5多项式运动543Φφ6Φφ15Φφ10hs特点：无刚性冲击、柔性冲击适用场合：高速、中载机械设计基础3.2.3从动件运动规律的选择1.常用运动规律性能比较机械设计基础2.从动件运动规律的选择原则考虑因素：对运动规律的要求凸轮的转速（动力特性和便于加工）3.2.4从动件运动规律的组合1.满足工作对运动规律的特殊要求；2.为避免刚性冲击，位移曲线和速度曲线必须连续；而为避免柔性冲击，加速度曲线也必须连续。3.尽量减小速度和加速度的最大值。机械设计基础1、改进型正弦运动规律该曲线在运动起始的段和终止的段，采用周期相同的正弦函数；在两段中间的段则采用一段周期较长的简谐函数。2、改进型等加速等减速运动规律用几段简谐函数使加速度成为连续曲线。加速段和减速段的加速度曲线是对称的。组合型运动规律运动线图机械设计基础设计方法：图解法，解析法一、图解法设计凸轮轮廓曲线(一)、图解法的原理§3-3用图解法设计盘形凸轮轮廓曲线假想给整个机构加一公共角速度-w,凸轮：相对静止不动推杆：一方面随导轨以-w绕凸轮轴心转动另一方面又沿导轨作预期的往复移动推杆尖顶在这种复合运动中的运动轨迹即为凸轮轮廓曲线。机械设计基础机械设计基础设计凸轮廓线的图解法是根据反转法原理作出从动件推杆尖顶在反转运动中依次占据的各位置，然后作出其高副元素所形成的曲线族；并作从动件高副元素所形成的曲线族的包络线，即是所求的凸轮轮廓曲线。(二)、图解法的方法和步骤机械设计基础1、对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构设计要求：已知凸轮的基圆半径为r0,凸轮沿逆时针方向等速回转。而推杆的运动规律如图所示。试设计该对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。机械设计基础机械设计基础机械设计基础2、对心直动滚子从动件盘形凸轮机构已知条件:凸轮的基圆半径为r0,滚子半径rr,凸轮沿逆时针方向等速回转。推杆的运动规律如图所示。试设计对心直动滚子从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。机械设计基础机械设计基础机械设计基础3、对心直动平底从动件盘形凸轮机构已知条件:凸轮的基圆半径为r0,凸轮沿逆时针方向等速回转。推杆的运动规律如图所示。试设计对心直动平底从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。机械设计基础机械设计基础4、偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构已知条件:已知凸轮的基圆半径为r0,凸轮沿逆时针方向等速回转。而推杆的运动规律已知，已知偏距e。试设计。从动画中看，从动件在反转运动中依次占据的位置将不在是以凸轮回转中心作出的径向线,而是始终与O保持一偏距e的直线,因此若以凸轮回转中心O为圆心，以偏距e为半径作圆（称为偏距圆）,则从动件在反转运动中依次占据的位置必然都是偏距圆的切线,(图中…)从动件的位移(…)也应沿切线量取。然后将…等点用光滑的曲线连接起来，既得偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓。机械设计基础4、偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构已知条件:已知凸轮的基圆半径为r0,凸轮转动方向。凸轮转动中心与从动件摆动中心的距离，摆动从动件的长度，已知从动件的运动规律，试设计。（从动件的位移是角位移）机械设计基础理论廓线的曲率半径：r实际廓线的曲率半径：ra一、滚子半径的选取内凹轮廓：§3-5设计凸轮机构应注意的问题凸轮机构设计实现预定运动规律受力良好，效率高，结构紧凑滚子半径：r0机械设计基础结论：外凸的凸轮轮廓曲线,应使r0ρmin，通常取同时ρa=1-5mm,另外滚子半径还受强度、结构等的限制，因而也不能做得太小，通常取滚子半径rr=0.4r0。min08.0r外凸轮廓：ra=r-rT机械设计基础机械设计基础二、凸轮压力角的校核(1)、凸轮机构的压力角定义凸轮机构从动件作用力的方向线与从动件上力作用点的速度方向之间所夹的锐角，用α表示。(2)、压力角与作用力以及机构尺寸的关系将凸轮对从动件的作用力F分解为F1和F2。F2为有效分力，F1为有害分力，当压力角α越大，有害分力F1越大，如果压力角增大，有害分力所引起的摩擦阻力也将增大，摩擦功耗增大，效率降低。如果压力角大到一定值时，有害分力所引起的摩擦阻力将大于有效分力F‘，这时无论凸轮对从动件的作用力F有多大，都不能使从动件运动，机构将发生自锁。机械设计基础srtan20α越大，r0越小，凸轮机构紧凑。α越小，r0越大，凸轮机构传力性能越好，但机构不紧凑机械设计基础(3)、许用压力角为了提高机构的效率、改善其受力情况，通常规定一许用压力角[α]，使。推程：直动推杆取[α]＝300；摆动推杆[α]＝300～450；回程：通常不会引起自锁问题，但为了使推杆不至产生过大的加速度从而引起不良后果，通常取[α]=700～800。(4)、压力角校核αmax一般出现在1）从动件的起点位置2）从动件最大速度位置3）凸轮轮廓向径变化最大部分滚子从动件按理论轮廓校核平底从动件一般α=0，不需校核若αmax[α]:增大基圆半径偏置从动件机械设计基础机械设计基础机械设计基础三、凸轮基圆半径的确定srtan20r0越小，凸轮机构紧凑，但α越大，会造成αmax[α]，所以r0不能过小r0越大，α越小，凸轮机构传力性能越好，但机构不紧凑dr)26.1(0d:安装凸轮处轴径机械设计基础机械设计基础诺模图：机械设计基础3.3图解法设计平面凸轮轮廓曲线3.3.1凸轮轮廓设计的反转法原理反转后，从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。OA111sAs1BB'A'机械设计基础3.3.2图解法设计凸轮轮廓1.尖顶从动件盘形凸轮(1)尖顶直动从动件盘形凸轮brs-e()已知：基圆半径，曲线，从动件偏置于凸轮轴心左侧，偏距为，等角速度逆时针旋转。机械设计基础2.尖顶摆动从动件盘形凸轮机械设计基础２、滚子从动件盘形凸轮注意：基圆是指凸轮理论廓线上由最小半径所作的圆Orbshl2345678910l2l1l'2'3'4'5'6'7'8'10'9'360°O(0)e011'22'33'44'55'66'78910117'8'9'10'01234567891011ηηη'''凸轮的理论廓线：根据滚子中心的运动轨迹设计出的廓线凸轮的实际廓线：与滚子直接接触的廓线过程中的一系列位置机械设计基础３、平底从动件盘形凸轮与滚子从动件盘形凸轮廓线的设计方法相类似。将平底与导路中心线的交点作为假想的尖底从动件的尖端；应用反转法，根据平底从动件的运动规律，依次确定出假想的尖端在反转过程中所处的位置，并在这些位置点分别作出各平底的图形；作平底的内包络线，即为所要设计的凸轮廓线机械设计基础一、直动滚子从动件盘形凸轮已知：凸轮以等角速度逆时针方向转动，凸轮基园半径ro、滚子半径rr，导路和凸轮轴心间的相对位置及偏距e，从动件的运动规律。()ss1.理论廓线方程:sincos)(cossin)(00essyessx(,)Bxy3.4解析法设计平面凸轮轮廓曲线erb'''B0OxyBB'B'nnsMNHKs0220er=0s机械设计基础2.实际廓线方程:sincosryyrxx2222)/dd()/dd(/ddcos)/dd()/dd(/ddsinyxyyxx平面凸轮廓线设计cossin)dd(ddddtanyxyxsin)(cos)/dd(/ddcos)(sin)/dd(/dd00ssesyssesx(,)Bxy机械设计基础3.刀具的中心轨迹方程应用数控铣床或凸轮磨床可加工凸轮的实际廓线。在加工凸轮前需计算刀具的中心轨迹方程。2222)/dd()/dd(/dd)/dd()/dd(/ddyxxrrxyyxyrrxxccccrrcrrc平面凸轮廓线设计rTc'rr()Tc'c-rcrT()-Trrcrc机械设计基础3.5凸轮机构基本尺寸的确定3.5.1凸轮机构的压力角及其许用值1、压力角：从动