机械原理凸轮凸轮机构及其设计ppt课件

凸轮机构及其设计,凸轮机构的应用和分类从动件（推杆）的运动规律凸轮轮廓曲线的设计凸轮机构基本尺寸的确定,1,凸轮机构的应用和分类,一、凸轮机构的组成,凸轮机构凸轮、从动件、机架凸轮匀速运动从动件间歇（连续）移动或摆动,结束,2,二、凸轮机构的应用1、绕线机的凸轮机构,2、自动机床进刀凸轮机构,凸轮机构的应用和分类,3、内燃机配气凸轮机构,结束,3,三、凸轮机构的类型,1、按凸轮的形状圆柱凸轮、盘形凸轮（移动凸轮）,2、按从动件的运动形式摆动从动件、移动从动件,凸轮机构的应用和分类,结束,4,三、凸轮机构的类型,1、按凸轮的形状圆柱凸轮、盘形凸轮（移动凸轮）,2、按从动件的运动形式摆动从动件、移动从动件,凸轮机构的应用和分类,3、按从动件的形式尖底从动件、平底从动件、滚子从动件,结束,5,三、凸轮机构的类型,1、按凸轮的形状圆柱凸轮、盘形凸轮（移动凸轮）,2、按从动件的运动形式摆动从动件、移动从动件,凸轮机构的应用和分类,3、按从动件的形式尖底从动件、平底从动件、滚子从动件,凸轮形状,从动件形式,凸轮具有曲线轮廓或凹槽的构件,结束,6,三、凸轮机构的类型,1、按凸轮的形状圆柱凸轮、盘形凸轮（移动凸轮）,2、按从动件的运动形式摆动从动件、移动从动件,凸轮机构的应用和分类,3、按从动件的形式尖底从动件、平底从动件、滚子从动件,4、按凸轮与从动件的锁合形式力锁合型、几何（形）锁合型,结束,7,四、凸轮机构的特点,1、构件数目少，结构简单、紧凑。,2、只要适当地设计凸轮的廓线，可以实现任意的从动件运动规律,凸轮机构的应用和分类,3、从动件与凸轮之间为高副（点、线）接触易磨损，常用于传力不大的场合,结束,4、轮廓加工困难，不过现在借助新的加工设备已经有了很大改善,5、从动件位移量不能过大，否则凸轮体积将会很大；,8,A点起始、转动接触点：AB推程,推杆常用的运动规律,基圆：以凸轮最小矢径r0为半径所作的圆,一、推杆的运动规律,运动规律s、v、a变化规律：s(t)、v(t)、a(t)或s()、v()、a()推杆的运动规律取决于凸轮廓线的形状设计时：工作要求推杆运动规律设计凸轮的轮廓曲线,r0基圆半径,DA近休程、近休止角020+01+0+02=2,、推程角0、行程h,BC远休程、远休止角01,CD回程、回程角0,结束,9,1、多项式运动规律,推杆常用的运动规律,二、推杆常用的运动规律（以推程为例）,（1）n=1,边界条件：=0时，s=0；=0时，s=hC0=0，C1=h/0,运动线图,始、末位置：,理论上：a惯性力极大冲击刚性冲击只能用于低速、轻载场合,等速运动规律,结束,10,推杆常用的运动规律,二、推杆常用的运动规律（以推程为例）,（2）n=2,前半程：=0时，s=0,v=0；=0/2时，s=h/2C0=0，C1=0，C2=2h/02,后半程：=0/2时,s=h/2；=0时，s=h，v=0C0=-h,C1=4h/0,C2=-2h/02,1、多项式运动规律,结束,11,推杆常用的运动规律,二、推杆常用的运动规律（以推程为例）,（2）n=2,前半程：=0时，s=0,v=0；=0/2时，s=h/2C0=0，C1=0，C2=2h/02,等加速等减速运动规律,后半程：=0/2时,s=h/2；=0时，s=h，v=0C0=-h,C1=4h/0,C2=-2h/02,1、多项式运动规律,没有刚性冲击但在=0、0/2、0处有柔性冲击只能用于中低速、轻载场合s=Ct2=K2=1：2：3s=1：4：9,结束,12,推杆常用的运动规律,二、推杆常用的运动规律（以推程为例）,（3）n=5,可自行选择6个边界条件：=0时,s=0,v=0,a=0；=0时，s=h,v=0,a=0C0=C1=C2=0,C3=10h/03,C4=-15h/04,C5=6h/05,3-4-5次多项式运动规律,1、多项式运动规律,得到位移方程（其他类似得到）,既无刚性冲击也无柔性冲击高速、中载场合理论上，随着多项式次数的增多，可以满足任意复杂的运动规律。实际上，次数过高使曲线过于复杂，导致机加工困难，凸轮对误差敏感性增大。,结束,13,推杆常用的运动规律,二、推杆常用的运动规律（以推程为例）,（1）余弦加速度运动规律,简谐运动,2、三角函数运动规律,简谐运动：圆周上匀速运动的质点在其直径上的投影构成的运动规律。,R=h/2,位移S=R-Rcos=h(1-cos)/2,得到运动方程：,始、末：柔性冲击中低速、中重载,结束,14,推杆常用的运动规律,二、推杆常用的运动规律（以推程为例）,（2）正弦加速度运动规律,摆线运动,2、三角函数运动规律,摆线：沿直线匀速纯滚动的圆上任意点的轨迹,取2R=h,结束,15,推杆常用的运动规律,二、推杆常用的运动规律（以推程为例）,（2）正弦加速度运动规律,摆线运动,2、三角函数运动规律,摆线：沿直线匀速纯滚动的圆上任意点的轨迹,取2R=h,得到运动方程：,无刚性或柔性冲击高速、轻载,结束,16,推杆常用的运动规律,二、推杆常用的运动规律（以推程为例）,位移线图的绘制,结束,17,推杆常用的运动规律,二、推杆常用的运动规律（以推程为例）,3、组合型运动规律,改善推杆运动特性，满足生产需要,等速,组合的关键：保证在衔接点处的运动参数（位移、速度、加速度）连续；满足边界条件。结合点处曲线的高阶平滑相切。,结束,18,推杆常用的运动规律,三、推杆运动规律的选择,满足工作要求，良好的动力特性，便于加工。,1、只要求完成一定行程（1）低速、轻栽：便于加工直线、圆弧等,2、要求特定的运动规律根据需要选择,在选择推杆运动规律时，除了考虑冲击特性外，还要考虑最大速度vmax、最大加速度amax、最大跃度jmax。,（2）高速凸轮：良好的动力特性，避免冲击正弦加速度、高次多项式等,常用运动规律特性值比较,结束,19,凸轮轮廓曲线的设计,工作要求运动规律位移曲线+其它条件设计凸轮廓线一、设计原理：,起始位置，凸轮与从动件A点接触，凸轮以1逆时针转过,结束,20,工作要求运动规律位移曲线+其它条件设计凸轮廓线一、设计原理：,凸轮轮廓曲线的设计,起始位置，凸轮与从动件A点接触，凸轮以1逆时针转过,A,3,2,1,从动件上升s,将整个机构沿-1转过角,AA,B接触,结束,21,工作要求运动规律位移曲线+其它条件设计凸轮廓线一、设计原理：,凸轮轮廓曲线的设计,起始位置，凸轮与从动件A点接触，凸轮以1逆时针转过,从动件上升s,将整个机构沿-1转过角,AA,B接触,凸轮未动，从动、导路反转，运动规律不变。,反转法：假定凸轮不动，使推杆反转并在道路中作预期的运动，则尖底的轨迹凸轮廓线。,结束,22,工作要求运动规律位移曲线+其它条件设计凸轮廓线一、设计原理：,凸轮轮廓曲线的设计,起始位置，凸轮与从动件A点接触，凸轮以1逆时针转过,从动件上升s,将整个机构沿-1转过角,AA,B接触,凸轮未动，从动、导路反转，运动规律不变。,反转法：假定凸轮不动，使推杆反转并在道路中作预期的运动，则尖底的轨迹凸轮廓线。,结束,23,（4）量取相应位移量,（2）作基圆，取起始点B0,（3）沿-1分基圆为1、2、3、4,且等分1、3,2,4,二、用作图法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,（一）直动尖低推杆盘形凸轮机构1、对心凸轮机构已知：s2=s2（）、r0、1（逆时针）设计凸轮廓线步骤：（1）作位移线图s2-，且等分1、3(或列表计算),结束,24,（4）量取相应位移量,（2）作基圆，取起始点B0,（3）沿-1分基圆为1、2、3、4,且等分1、3,2,4,二、用作图法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,（一）直动尖低推杆盘形凸轮机构1、对心凸轮机构已知：s2=s2（）、r0、1（逆时针）设计凸轮廓线步骤：（1）作位移线图s2-，且等分1、3(或列表计算),结束,25,（4）量取相应位移量,（2）作基圆，取起始点B0,（3）沿-1分基圆为1、2、3、4,且等分1、3,2,4,二、用作图法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,（一）直动尖低推杆盘形凸轮机构1、对心凸轮机构已知：s2=s2（）、r0、1（逆时针）设计凸轮廓线步骤：（1）作位移线图s2-，且等分1、3(或列表计算),（5）光滑连接B0、B1、B2B0凸轮廓线。,结束,26,二、用作图法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,2、篇置凸轮机构已知：s2=s2（）、r0、1（逆时针）设计凸轮廓线,（一）直动尖低推杆盘形凸轮机构,分析：,推杆与凸轮回转中心始终报纸距离e偏距圆以距离e为半径作的圆,推杆的运动方向总是与偏距圆相切,所以从动件的位移量应该在各切线上量取，其余步骤与对心从动件判刑凸设计方法雷同。,结束,27,二、用作图法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,2、篇置凸轮机构已知：s2=s2（）、r0、1（逆时针）设计凸轮廓线,（一）直动尖低推杆盘形凸轮机构,分析：,推杆与凸轮回转中心始终报纸距离e偏距圆以距离e为半径作的圆,推杆的运动方向总是与偏距圆相切,所以从动件的位移量应该在各切线上量取，其余步骤与对心从动件判刑凸设计方法雷同。,结束,28,二、用作图法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,（二）滚子推杆盘形凸轮机构,分析：,滚子中心从动件的运动规律中心轨迹与凸轮廓线等距曲线中心尖底凸轮廓线理论廓线,以理论廓线为圆心，以滚子半径rk为半径作一系列小圆包洛线实际廓线,r0一理论廓线的基圆半径,结束,29,二、用作图法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,（二）滚子推杆盘形凸轮机构,分析：,滚子中心从动件的运动规律中心轨迹与凸轮廓线等距曲线中心尖底凸轮廓线理论廓线,以理论廓线为圆心，以滚子半径rk为半径作一系列小圆包洛线实际廓线,r0一理论廓线的基圆半径,结束,30,二、用作图法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,（三）平底推杆盘形凸轮机构,分析:,平底与导路交点从动件的运动规律交点尖底，一系列平底位置包洛线凸轮廓线,结束,31,二、用作图法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,（三）平底推杆盘形凸轮机构,分析:,平底与导路交点从动件的运动规律交点尖底，一系列平底位置包洛线凸轮廓线,结束,32,二、用作图法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,（三）平底推杆盘形凸轮机构,分析:,平底与导路交点从动件的运动规律交点尖底，一系列平底位置包洛线凸轮廓线,结束,33,二、用作图法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,（四）摆动推杆盘形凸轮机构,分析:,尖底,运动规律：s(t)(t)或s()()设计原理与制动从动件类似反转法,摆杆长AB、中心距AO不变初始角0不变,结束,34,二、用作图法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,（四）摆动推杆盘形凸轮机构,分析:,尖底,运动规律：s(t)(t)或s()()设计原理与制动从动件类似反转法,摆杆长AB、中心距AO不变初始角0不变,B,结束,35,二、用作图法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,（四）摆动推杆盘形凸轮机构,注意：1）位移线图纵坐标为角度参量。2）若以s=L作为纵坐标，通过截取作图，其解为近似解。3）若从动件为滚子或平底，其解同前述。,结束,36,二、用作图法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,（四）摆动推杆盘形凸轮机构,注意：1）位移线图纵坐标为角度参量。2）若以s=L作为纵坐标，通过截取作图，其解为近似解。3）若从动件为滚子或平底，其解同前述。,结束,37,二、用作图法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,（五）置动推杆圆柱凸轮机构,若取作图比例与原机构相同，则位移运动线图就是凸轮理论廓线的展开图。,结束,38,二、用作图法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,（五）置动推杆圆柱凸轮机构,若取作图比例与原机构相同，则位移运动线图就是凸轮理论廓线的展开图。,结束,39,二、用作图法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,（六）摆动推杆圆柱凸轮机构,结束,40,三、用解析法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,1、偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构,建立B点封闭矢量方程,向x、y轴投影，得凸轮理论廓线：,结束,41,三、用解析法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,1、偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构,建立B点封闭矢量方程,向x、y轴投影，得凸轮理论廓线：,实际廓线：,“-”用于内包络，“+”用于外包络,结束,42,三、用解析法设计凸轮廓线,4-3凸轮轮廓曲线的设计,1、偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构,建立B点封闭矢量方程,向x、y轴投影，得凸轮理论廓线：,实际廓线：,“-”用于内包络，“+”用于外包络,注意：偏距e是有符号的。偏于接触点处凸轮速度的反方向为正，反之为负。,结束,43,三、用解析法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,1、偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构,实际廓线：,刀具轨迹中心方程式，只要将包络线方程中的rr换成|rr-rc|即可。,结束,44,三、用解析法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,2、对心平底推杆盘形凸轮机构,凸轮与推杆的瞬心P,建立封闭矢量方程,投影得凸轮实际廓线(so=ro)坐标：,结束,45,三、用解析法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,3、摆动滚子推杆盘形凸轮机构,建立B点封闭矢量方程,投影得凸轮廓线B点坐标：,结束,46,三、用解析法设计凸轮廓线,凸轮轮廓曲线的设计,3、摆动滚子推杆盘形凸轮机构,建立B点封闭矢量方程,投影得凸轮廓线B点坐标：,结束,47,凸轮机构基本尺寸的确定,基本尺寸：基圆半径，滚子半径，平底长度，中心距,一、凸轮机构的压力角与作用力,定义：推杆受力方向与其运动方向的夹角为压力角(不考虑摩擦）。,推杆受力：G、F、FR1、FR2,平衡条件：Fx=0、Fy=0、MB=0,结束,48,4-4凸轮机构基本尺寸的确定,基本尺寸：基圆半径，滚子半径，平底长度，中心距,一、凸轮机构的压力角与作用力,定义：推杆受力方向与其运动方向的夹角为压力角(不考虑摩擦）。,推杆受力：G、F、FR1、FR2,平衡条件：Fx=0、Fy=0、MB=0,讨论：,1、F传力性能2、分母为零时F自锁临界压力角c：,3、不同位置处压力角不同,通常max,推程：3040(直动从动件)4050(摆动从动件)回程：7080,结束,49,凸轮机构基本尺寸的确定,基本尺寸：基圆半径，滚子半径，平底长度，中心距,二、凸轮基圆半径的确定,1、压力角与基圆半径r0和偏置的关系,P点为凸轮与推杆的相对瞬心,（1）压力角与偏置的关系（a）推杆偏于接触点处凸轮速度反向（速度瞬心侧）正偏置（b）推杆偏于接触点处凸轮速度同向负偏置（c）正偏置；负偏置（d）正偏置时，e推程，但回程,结束,50,凸轮机构基本尺寸的确定,基本尺寸：基圆半径，滚子半径，平底长度，中心距,二、凸轮基圆半径的确定,1、压力角与基圆半径r0和偏置的关系,P点为凸轮与推杆的相对瞬心,（2）压力角与基圆半径r0的关系r，但结构r结构紧凑，但,结束,51,凸轮机构基本尺寸的确定,基本尺寸：基圆半径，滚子半径，平底长度，中心距,二、凸轮基圆半径的确定,2、基圆半径r0的确定,（1）根据结构和强度要求确定r0,凸轮与轴做成一体：r0rs+(35)mm,凸轮单独制造：r0rh+(35)mm,凸轮廓线：min15mm,结束,52,凸轮机构基本尺寸的确定,基本尺寸：基圆半径，滚子半径，平底长度，中心距,二、凸轮基圆半径的确定,2、基圆半径r0的确定,（2）根据许用压力角确定r0,ds/d,推杆运动规律确定，lOP=ds/d是定值O取在m-m上P必在n-n上，不变；O取在m-m左侧P必在n-n左侧，变小；O取在m-m右侧P必在n-n右侧，变大。,结束,53,凸轮机构基本