【ppt课件】《机械设计基础》第六章：凸轮机构

第6章 凸轮机构,主要内容,6-1凸轮机构的特点和类型6-2凸轮从动件常用运动规律6-3盘形凸轮轮廓曲线的设计6-4凸轮机构基本参数的确定6-5凸轮的失效及承载能力6-6凸轮机构的结构设计,基本要求,了解凸轮机构的分类及应用了解推杆常用的运动规律及推杆运动规律的选择原则掌握在确定凸轮机构的基本尺寸时应考虑的主要问题（包括压力角对尺寸的影响，压力角对凸轮受力的情况、效率和自锁的影响及“失真”等问题）能根据选定的凸轮类型和推杆的运动规律设计凸轮的轮廓曲线,6-1 凸轮机构的特点和类型,内燃机,内燃机配气凸轮机构,自动机床进刀凸轮机构,冲床凸轮机构,绕线机凸轮机构,自动车床凸轮机构,圆柱凸轮输送机,凸轮机构的组成,凸轮、从动件和机架。,凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。,凸轮机构的适用场合,广泛用于各种机械，特别是自动机械、自动控制装置和装配生产线。,从动件行程不能过大,否则会使凸轮变得笨重。,凸轮机构的优点,结构简单、紧凑、工作可靠;,可以使从动件准确实现各种预期的运动规律;,易于实现多个运动的相互协调配合。,凸轮机构的缺点,凸轮轮廓与从动件之间是高副接触，易于磨损，只宜用于传力不大的场合;,凸轮轮廓加工比较困难;,(一) 按凸轮的形状分,盘形凸轮,移动凸轮,二凸轮机构的分类,圆柱凸轮,(二) 按从动件运动副元素的形状分,尖顶从动件,滚子从动件,平底从动件,(三) 按从动件的运动形式分,摆动从动件,直动从动件（对心、偏置）,(四)按凸轮与从动件维持高副接触(封闭)的方式分,力封闭型凸轮机构,弹簧力封闭,重力封闭,形封闭型凸轮机构,凹槽凸轮机构,等宽凸轮机构,形封闭型凸轮机构,等径凸轮机构,共轭凸轮机构,6-2凸轮从动件常用运动规律,基本概念,从动件的运动规律,在凸轮廓线的推动下，从动件的位移、速度、加速度随时间变化的规律，常以图线表示，又称为从动件运动曲线。,一般假定凸轮轴作等速运转，故凸轮转角与时间成正比，因此凸轮机构从动件的运动规律通常又可以表示为凸轮转角的函数。,一凸轮机构的运动过程与基本参数,基圆,基圆半径rmin,推程,推程运动角t,行程 h,远休止程,远休止角s,回程,回程运动角h,近休止程,近休止角s,位移曲线,凸轮轮廓曲线的形状决定了从动件的运动规律。要使从动件实现某种运动规律，就要设计出与其相应的凸轮轮廓曲线。,从动件的运动线图,位移线图反映了动件的位移s 随时间t 或凸轮转角变化的规律.,速度线图反映从动件的速度v 随时间t 或凸轮转角变化的规律.,加速度线图反映从动件的加速度a 随时间t 或凸轮转角 变化的规律.,二、从动件运动规律设计,从动件的运动规律由凸轮轮廓曲线形状决定。从动件不同的运动规律，要求凸轮具有不同形状的轮廓曲线。,正确选择和设计从动件的运动规律，是凸轮机构设计的重要环节。,常用运动规律工程实际中经常用到的运动规律。,从动件运动规律的表示,运动线图,数学方程式位移方程s=f(),s C0C1 C2 2 C3 3Cn nv (C1 2C2 3C3 2nCn n-1)a 22C2 6C3 n(n-1)Cn n-2,从动件的常用运动规律,(一)基本运动规律,基本运动规律包括多项式类运动规律和三角函数类运动规律。,1. 多项式类运动规律,2. 三角函数类运动规律,主要有余弦加速度运动规律和正弦加速度运动规律,余弦加速度运动规律, 正弦加速度运动规律,或,或,推程,位移线图,加速度线图,速度线图,3. 几种常用运动规律的特点, 等速运动规律,速度曲线不连续，机构将产生刚性冲击。,等速运动规律适用于低速轻载场合。, 等加速等减速运动规律,加速度曲线不连续，机构将产生柔性冲击。,推程,后半程,前半程,等加速等减速运动规律适用于中速轻载场合。, 余弦加速度运动规律,推程,加速度曲线不连续，存在柔性冲击。余弦加速度运动规律适用于中速中载场合。, 正弦加速度运动规律,速度曲线和加速度曲线连续，无刚性冲击和柔性冲击。正弦加速度运动规律适用于高速轻载场合。,推程, 345次多项式运动规律,推程,s,v,a,速度曲线和加速度曲线连续，无刚性冲击和柔性冲击。3-4-5次运动规律适用于高速中载场合。,各段运动规律的位移、速度和加速度曲线在连接点处其值应分别相等。,正弦加速度曲线与直线组合,(二) 组合运动规律,克服单一运动规律的某些缺陷，获得更好的运动和动力特性，可以把几种运动规律拼接起来，构成组合运动规律。,组合原则,位移曲线、速度曲线必须连续，高速凸轮机构加速度曲线也必须连续。, 当机器的工作过程对从动件的运动规律有特殊要求，而凸轮的转速不太高时，应首先从满足工作需要出发来选择或设计从动件的运动规律，其次考虑动力特性和便于加工。,刀架进给凸轮机构,(三) 选择或设计从动件运动规律时应考虑的问题, 当机器的工作过程只要求从动件实现一定的工作行程，而对其运动规律无特殊要求时，对于低速凸轮机构，主要考虑便于加工；对于高速凸轮机构，首先考虑动力特性。,夹紧凸轮机构, 当机器对从动件的运动特性有特殊要求，而凸轮的转速又较高，并且只用一种基本运动规律又难于满足这些要求时，可以考虑采用满足要求的组合运动规律。, 在设计从动件运动规律时，除了要考虑其冲击特性之外，还要考虑从动件的最大速度vmax、最大加速度amax以及最大跃度jmax，这一点对于高速凸轮机构尤其重要。,6-3盘形凸轮轮廓曲线的设计,一、凸轮廓线设计的基本原理反转法,依据此原理可以用几何作图的方法设计凸轮的轮廓曲线。,给整个凸轮机构施以-时，不影响各构件之间的相对运动，此时，凸轮将静止，而从动件尖顶复合运动的轨迹即凸轮的轮廓曲线。,二、 用作图法设计凸轮廓线 1. 对心尖顶移动从动件盘形凸轮廓线的设计,已知凸轮的基圆半径rmin，凸轮角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。, 选比例尺l，作位移曲线和基圆rb。, 等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。, 确定反转后从动件尖顶在各等分点占据的位置。,设计步骤, 将各尖顶点连接成一条光滑曲线。,2. 对心滚子移动从动件盘形凸轮廓线的设计,已知凸轮的基圆半径rmin，滚子半径rr、凸轮角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。, 选比例尺l，作位移曲线和基圆rb。, 等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。,理论轮廓曲线,实际轮廓曲线, 确定反转后从动件滚子中心在各等分点占据的位置。, 将各点连接成一条光滑曲线。, 作滚子圆族及滚子圆族的内(外)包络线。,设计步骤,3. 对心平底移动从动件盘形凸轮廓线的设计,已知凸轮的基圆半径rmin，角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。, 选比例尺l，作位移曲线和基圆rb。,设计步骤, 等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。, 确定反转后平底与导路中心线的交点A在各等分点占据的位置。, 作平底直线族及平底直线族的内包络线。,4. 偏置尖顶移动从动件盘形凸轮廓线的设计,已知凸轮的基圆半径rmin，角速度和从动件的运动规律及偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。, 选比例尺l，作位移曲线、基圆rb和偏距圆e。, 等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。, 确定反转后从动件尖顶在各等分点占据的位置。, 将各尖顶点连接成一条光滑曲线。,设计步骤,5. 尖顶摆动从动件盘形凸轮廓线的设计,已知凸轮的基圆半径rmin，角速度，摆杆长度l以及摆杆回转中心与凸轮回转中心的距离L，摆杆角位移曲线，设计该凸轮轮廓曲线。, 选比例尺，作位移曲线，作基圆rb和转轴圆OA。, 等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的转轴A的位置。, 确定反转后从动件尖顶在各等分点占据的位置。,设计步骤, 将各尖顶点连接成一条光滑曲线。,根据凸轮机构的运动学参数和基本尺寸的设计结果，求出凸轮轮廓曲线的方程，利用计算机精确地计算出凸轮轮廓曲线上各点的坐标值。,三、 用解析法设计凸轮廓线,作图法的缺点:,繁琐、误差较大。,解析法的优点:,计算精度高、速度快，适合凸轮在数控机床上加工。,解析法的设计结果,滚子移动从动件盘形凸轮机构 已知参数 rb、rr、e、ss(),分析 滚子中心B的运动规律就是从动件的运动规律。将滚子中心视为尖顶从动件的尖顶，建立凸轮轮廓曲线方程。,理论轮廓曲线,凸轮的基圆半径rb、压力角定义在理论轮廓曲线上。,理论轮廓曲线(Pitch curve)方程,实际轮廓曲线(Cam profile)方程,曲线在B点的法线nn的斜率,刀具中心轨迹,理论轮廓曲线,实际轮廓曲线,b)刀具直径小于滚子直径,刀具中心轨迹,实际轮廓曲线,a)刀具直径大于滚子直径,(3)刀具中心轨迹计算滚子从动件盘形凸轮机构 用数控机床加工凸轮以及在凸轮磨床上磨削凸轮时，通常需要给出刀具中心的直角坐标值。,理论轮廓曲线,刀具中心直角坐标方程,6-4 凸轮机构基本参数的确定,凸轮机构的压力角凸轮基园半径的确定滚子半径的选择,一、凸轮机构的压力角,压力角：从动件与凸轮在接触点处的受力方向与其在该点绝对速度方向之间所夹的锐角,F=Fcos ,F=Ftan ,当压力角非常大时，理论上作用力为无穷大时才能推动从动件，此时凸轮机构将发生自锁。我们将此时凸轮机构的压力角称为临界压力角,其他条件相同时，压力角越大，推动从动件所需的作用力越大；,许用压力角,回程（空回行程）,为改善凸轮机构的受力情况、提高机械效率，规定了允许采用的最大压力角。,推程（工作行程）推荐的许用压力角为：,直动从动件,摆动从动件,几种常见的盘形凸轮机构的压力角,dsd,压力角对凸轮机构的受力状况有直接影响，在运动规律选定之后，它主要取决于凸轮机构的基本结构尺寸。,P为相对瞬心,由BCP得,结论移动从动件盘形凸轮机构的压力角与基圆半径rb、从动件偏置方位和偏距e有关。,二、盘形凸轮机构基本尺寸的设计,1. 压力角与凸轮基圆的关系,对心移动从动件盘形凸轮机构e0。,说明：凸轮逆时针方向转动，当从动件导路中心偏在凸轮轴心右侧时，推程取减号，回程取加号；偏在左侧时，推程取加号，回程取减号。若凸轮顺针方向转动，则加减号的取法与上述相反。,偏置方位的选择应有利于减小凸轮机构推程时的压力角。应当使从动件偏置在推程时瞬心P 的位置的同一侧,正确偏置,错误偏置,需要注意的是，若推程压力角减小，则回程压力角将增大。,2. 偏置方位和偏距e的确定,当要求机构具有紧凑的尺寸时，应当按许用压力角来确定凸轮的基圆半径rb。 步骤 确定凸轮转动轴心的位置 确定从动件的正确偏置方位以及偏距e 将代入前式, 确定ss()，求出dsd，代入上式求出一系列rb值，选取其中的最大值作为凸轮的基圆半径, 凸轮的基圆半径rb应大于凸轮轴的半径rS ； 最大压力角max许用压力角 ； 凸轮轮廓曲线的最小曲率半径min0。,3. 凸轮基圆半径的确定,限制基圆半径的条件,确定凸轮基圆半径的通常做法,根据结构和强度的需要，按经验公式rb(1.62)rS初步选定凸轮基圆半径rb，然后校核压力角，以满足max的条件。,注意,凸轮机构的效率不仅与压力角有关，还与从动件支承的悬臂长b及两支承的距离l 有关，在设计时要注意选择。,压力角还与dsd有关，在工作行程h确定后， dsd则与推程角 有关。若推程角没有因多个运动协调关系而受到严格限制，也可以通过适当增大 来获得较好的动力特性。,三、从动件滚子半径的确定 1. 滚子半径的确定, rr,a rr 0,结论对于外凸轮廓，要保证凸轮正常工作，应使min rr。,轮廓失真,a rr, rr,a rr 0,轮廓正常,轮廓变尖, rr,a rr,轮廓正常,外凸轮廓,理论轮廓曲线,实际轮廓曲线,6-5凸轮的失效及承载能力,组成凸轮副的凸轮轮廓与从动件之间理论上是,凸轮轮廓与从动件在接触处存在相对运动，因此凸轮副又是一种摩擦副，,点接触或线接触,载荷,弹性变形,形成一个微小的接触面,由于接触面很小，因而这种应力往往很大,在凸轮运转过程中这种应力是交变的,凸轮轮廓和从动件的工作面必然会被磨损。,1. 接触疲劳磨损（点蚀）凸轮副在交变接触应力和剪切应力的作用下，工作表面产生裂纹，裂纹沿着与工作表面倾斜的方向扩展到一定深度后，又向工作表面延伸，形成小片而脱落，在工作表面上留下一个个小凹坑。这种现象称为接触疲劳磨损，也称点蚀。,2. 粘着磨损（胶合）当凸轮副接触处相对滑动速度较高时，工作表面温度增高，使接触表面不平整的峰顶材料产生塑性变形，并导致凸轮副材料产生粘焊现象，并因相对滑动使粘焊处被撕脱，在工作表面沿滑动方向形成沟痕。这种现象称为粘着磨损，通常也称胶合。,主要失效形式:,5. 振动和噪声 凸轮-从动件系统是一多自由度弹性振动系统。由于凸轮轮廓加工后存在微观的切削痕迹，痕迹峰脊与从动件工作表面相对运动时，对系统附加高频激振源，严重时会导致强烈振动和有害噪声。,3. 磨粒磨损 凸轮副在相对运动过程中带入硬质颗粒，使工作表面上的材料脱落，称为磨粒磨损。点蚀脱落的金属屑和介质中的硬颗粒杂质，都是导致磨粒磨损的因素。,4. 腐蚀磨损 在高温、潮湿的环境中，或在有腐蚀性气体的工作位置上运转的凸轮副，其工作表面与周围介质发生化学反应或电化学反应而使表层材料变质脱落，称为腐蚀磨损。,凸轮和从动件应具有足够的强度和耐磨性。 一般应使从动件上与凸轮相接触部分的硬度略低于凸轮的硬度，因更换从动件比更换凸轮价廉而简便。,防止或减轻上述磨损失效的主要措施,提高凸轮副材料的表面硬度,降低表面粗糙度值,采取润滑,凸轮副的材料及其热处理:,对于滚子从动件盘形凸轮机构，滚子与凸轮轮廓理论上为线接触，考虑到弹性变形，实际上为很小的面接触。接触面上的最大接触应力可按赫兹公式计算。,6-6凸轮机构的结构设计,当工作载荷较小时，曲线轮廓的轴向厚度一般取为轮廓曲线最大矢径的1/101/5；对于受力较大的重要场合，需按凸轮轮廓面与从动件间的接触强度进行设计。,凸轮的结构设计主要任务,确定曲线轮廓的轴向厚度,凸轮与传动轴的连接方式,凸轮曲线轮廓的轴向厚度,在确定凸轮与传动轴的联接方式时，应综合考虑,凸轮与传动轴的连接方式,凸轮的装拆,凸轮