凸轮机构及其设计精品医学PPT课件.ppt

第5章凸轮机构及其设计,5.1凸轮机构的应用与类型,5.2从动件的运动规律,5.3凸轮轮廓曲线的设计,5.4凸轮机构基本尺寸的确定,5.1凸轮机构的应用与类型,内燃机配气凸轮机构,内燃机配气凸轮机构此凸轮机构用于推动阀杆作往复摆动，使气阀开启或关闭，以控制燃料在适当时间进入气缸或排出废气。开启和关闭时间的长短及其运动规律，则取决于凸轮廓线的形状。,类型平面盘形凸轮端部平底锁合弹簧力输出直动,工作原理：盘形凸轮匀速转动，通过曲线轮廓向径的变化，使从动件按内燃机工作循环的要求开启和闭合。,1）凸轮机构的应用,1凸轮机构应用、组成及特点,自动机床的进刀凸轮机构此具有凹槽的圆柱凸轮，通过嵌于凹槽的滚子迫使推杆作往复摆动，以控制刀架的进刀和退刀运动，它们的运动规律，则取决于凹槽曲线的形状。,类型空间圆柱凸轮端部滚子从动件锁合凸轮沟槽输出从动杆摆动,工作原理：具有凹槽的圆柱凸轮回转时，凹槽侧面驱动杆绕点作往复摆动，控制刀架的进刀和退刀运动。,自动机床进刀机构,工件1回转，凸轮靠模3与床身固定；受弹簧作用，刀架2紧密接触凸轮。纵向移动拖板时，刀架2在凸轮靠模轮廓曲线的推动下作横向移动，切削出与靠模板曲线一致的工件。,类型平面移动凸轮端部滚子锁合弹簧力输出直动,工作原理：,靠模车削机构,自动车床的凸轮机构此自动车床在加工台阶销套时，其送料，夹紧，车外圆与钻孔及切断四道工序的运动及其时序配合要求，均由凸轮机构来实现。,自动车床凸轮机构,组成,凸轮、从动件和机架三部分组成其中凸轮具有曲线轮廓或凹槽属高副；经廓线设计可实现预期的精确运动。,特点,简单紧凑；适当的设计凸轮轮廓线可实现各种运动规律，结构简单，紧凑；但易磨损，传力不大。,轮廓难加工、易磨损，适于轻载；凸轮机构是高副机构，易于磨损，因此只适用于传递动力不大的场合。多能、灵活，广泛用于控制和驱动机械、仪表、自动生产线及操纵装置。,2）凸轮机构的组成和特点,凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，他通过与从动件的高副接触，在运动时可以使从动件获得连续或不连续的任意预期运动,按凸轮的形状分：盘形凸轮，圆柱凸轮,2凸轮机构的分类,按推杆形状及运动形式分：尖顶，滚子和平底推杆；对心（偏置与直动）和摆动推杆,按保持高副接触方式分：力封闭的凸轮机构，几何封闭的凸轮机构,小结,凸轮类型很多重点掌握平面盘形凸轮；,凸轮通过从动件端部设计解决减摩；常见的端部形式尖顶、滚子和平底。,锁合能确保凸轮始终与从动件可靠接触传动；常用形式力锁合与形锁合。,凸轮廓线是核心决定凸轮机构的性能与运动变换。,凸轮机构一般是将凸轮的匀速转动变换为从动件的预期往复移动；,尖端：接触处为滑动摩擦，会产生严重磨损，极少采用。滚子：接触处为滚动摩擦，摩擦磨损大为降低，应用较广。平底：接触处为滑动摩擦，但在接触处容易形成油膜，接触处作用力始终垂直于平底，使传动平稳，较广泛应用。,5.2从动件的运动规律,1凸轮机构的运动过程和基本参数,名词术语及符号,基圆r0：以凸轮轴心o为圆心，以最小半径r0为半径所作的圆称为凸轮的基圆，r0称为基圆半径。,5-2-1,推程：当凸轮以逆时针转过0角时，推杆由最低位置被推到最高位置的这一运动过程称为推程，而相应凸轮转角0，称为推程运动角0。,远休：当凸轮继续转过01角时，推杆处于最高位置而静止不动，这一过程称为远休，而角称为远休止角01。,回程：当凸轮继续转过0时，推杆由最高位置回到最低位置的这一过程称为回程，角度称为回程运动角0。,近休：当凸轮继续转过02时，推杆将处于最低位置静止不动，这一过程称为近休，角度称为近休止角02。,行程h：推杆在推程或回程中移动的距离h称为推杆的行程,2从动件常用运动规律,从动件运动规律指从动件的位移s、速度v和加速度a随时间t或凸轮转角的变化规律；其描述曲线称为从动件运动线图。一般位移曲线用于设计凸轮廓线，速度和加速度曲线用于性能分析。,常用运动规律：等速运动规律、等加速-等减速运动规律、余弦加速度运动规律、正弦加速度运动规律,1）等速运动规律,设凸轮以等角速度转过一个推程运动角0时，推杆完成行程h，则运动方程,运动特点：运动过程中，其加速度为零。推杆在运动的开始和终止的瞬时，因速度有突变，加速度为无穷大，致使推杆突然产生非常大的惯性力，因此对凸轮产生极大的冲击，这种冲击称为刚性冲击。推杆在运动的开始和终止的瞬时，有刚性冲击,运动线图及特点：位移线图为斜直线，速度线图为平行横轴直线,2）等加速等减速或抛物线运动规律,为保证凸轮机构运动平稳性，通常使推杆先作加速运动，后做减速运动。故在加速段和减速段凸轮的运动角及推杆的行程各占一半。运动方程：,运动特点：推杆在运动的始，中，末三瞬时，因加速度有突变，此时推杆的惯性力也将为有限突变，因而引起的冲击较小，故称这种冲击为柔性冲击。推杆在运动的始，中，末三瞬时有柔性冲击,运动线图及特点：从动件先作等加速后作等减速运动，图中加速、减速两段的时间相等(也可不等)，其位移曲线为两段抛物线连接而成。,3）余弦加速度运动规律（又称简谐运动规律）,质点沿圆周作等速运动时，其在直径上的投影的变化规律作为从动件相应的位移变化规律。运动方程：,5-2-2,运动线图及特点：速度曲线为正弦曲线，加速度曲线为余弦曲线。,运动特点：从动件在推程运动开始和结束位置，加速度存在有限值的突变，因此也会产生较严重的冲击，即柔性冲击,5-2-2,4）正弦加速度运动规律（又称摆线运动规律）,滚圆沿纵轴作匀速纯滚动，圆上任一点A的轨迹为摆线。滚圆转一周，A点回到纵轴上。运动方程：,5-2-2,运动特点：整个推程运动过程中的速度和加速度曲线都是连续变化的，加速度没有任何突变，因此就不会产生惯性力的突变，故既无刚性冲击又无柔性冲击,运动线图及特点：A点作摆线运动时，在纵轴上的投影即构成从动件摆线运动规律的位移曲线。其加速度曲线为正弦曲线,5-2-2,从动件常用运动规律小结,3从动件组合运动规律,为了改善推杆的运动特性，或当选用上述常用的运动规律不能满足工作需要时，如要求推杆必须采用等速运动规律，同时又无刚性冲击时。就必须采用将两种运动规律组合起来的组合型运动规律。,构造组合型运动规律的原则是：要保证各段运动规律在衔接点的运动参数（位移，速度，加速度等）保持连续，在运动的起始和终止处，运动参数满足边界条件。,理论和实践均表明：高阶光滑的凸轮廓线具有优良的动态性能，但也要求有很高的加工精度。应综合考虑各方面因素选择从动件运动规律；改善动态性能必然增大加工成本和难度。,等速运动与正弦加速度组合型运动规律,在求解时，可选定两修正段凸轮转角,4从动件运动规律选择,凸轮机构在连续运行过程中,若存在速度突变v，则会形成很大的加速度(v/t)，造成机构的疲劳破坏、剧烈磨损、强烈振动；即发生刚性冲击。,若存在加速度突变a，则会形成一定的动载(ma)，引发机构的噪声、磨损、振动；即存在柔性冲击。,所以选择从动件运动规律时应避免刚性或柔性冲击。,思考题1从动件的常用运动规律是指哪几个物理量的变化规律？位移、速度、加速度2如何判断某种运动规律从动件是否有冲击？何种性质的冲击？判断凸轮在某位置时所对应从动件的加速度有无突变。若加速度存在无穷大突变，则为刚性冲击；若加速度存在有限值突变，则为柔性冲击3选择或设计从动件运动规律应考虑那些因素？满足机械对从动件的具体运动要求，根据工作条件（如高、低速和轻、重载荷等）使凸轮机构有良好的动力特性4不同运动规律曲线组合时应满足什么条件？连接点处的位移、速度和加速度值分别相等,5.3凸轮轮廓曲线的设计,1凸轮廓线设计基本原理,无论是采用作图法还是解析法设计凸轮廓线，所依据的基本原理都是反转法原理。,设计时，假设凸轮静止不动，推杆相对于凸轮作反转运动，同时又沿导轨作预期的运动，推杆尖顶在此复合运动中的轨迹就是所要求的凸轮廓线。,5-3-1,给整个凸轮机构加上一个公共角速度-，使其绕轴心转动。此时凸轮静止不动，而推杆则一方面随其导轨作反转运动，另一方面又沿导轨作预期的往复移动。推杆在这种复合运动中其尖顶的运动轨迹即为凸轮的轮廓曲线。在设计凸轮廓线时，可假设凸轮静止不动，使推杆相对于凸轮作反转运动；同时又在其导轨内作预期运动，作出推杆在这种复合运动中的一系列位置，则其尖顶的轨迹就是所要求的凸轮廓线。这就是凸轮廓线设计的反转法原理。,2用图解法设计凸轮轮廓曲线,图解法几何描绘。简单易懂，但精度低；,解析法逐点运算。公式多、数据量大、精度高。,注：两者原理完全相同。,图解法的关键技术,分凸轮转角与从动件位移；画一系列反转机架位置；量位移定从动件位置；光滑连接或包络凸轮廓线。,1）偏置尖顶直动从动件盘形凸轮廓线的绘制,设已知凸轮的基圆半径r0=15mm，偏距e=7.5mm，凸轮以等角速度沿逆时针方向回转，推杆的行程h=16mm，其运动规律为：=0120推杆等速上升h；120180推杆远休180270正弦加速度下降h270360推杆近休。试设计此偏置直动尖顶推杆盘形凸轮廓线,5-3-2,作图,取比例尺1，先根据已知尺寸作出基圆与偏距圆，然后用反转法作图设计。逆时针左偏，顺时针右偏,当e=0时，即对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构。其设计方法与上述方法基本相同，不同的是推杆反转时其各导路位置线始终过轴心,5-3-2,2）偏置滚子直动从动件盘形凸轮廓线的绘制,设已知条件同上，且已知滚子半径rr，试设计此凸轮廓线,将滚子中心a视为尖顶推杆的尖顶，用前述相同方法设计出其凸轮理论廓线；再以理论廓线上各点为圆心，以滚子半径为半径，作出一系列的圆。最后再作此圆族的包络线，即为凸轮的工作廓线或实际廓线。可见，凸轮的基圆半径系指理论廓线的最小半径。,5-3-2,当e=0时，即对心直动滚子推杆盘形凸轮机构。其设计方法与上述方法基本相同，不同的是推杆反转时其各导路位置线始终过轴心,3）摆动尖顶推杆盘形凸轮机构,设已知凸轮的基圆半径r0，推杆的长度lAB和机架长度lOA，凸轮以等角速度沿逆时针方向回转，推杆的运动规律=（）同前。试设计此凸轮机构的凸轮廓线,只需将前直动推杆的位移方程中的位移s改为角位移，行程h改为角行程即可求得,5-3-3,作图,5-3-3,5.4凸轮机构基本尺寸的确定,从动件的运动方向和凸轮作用于它的法向力Fn方向之间所夹的角称为压力角,将从动件受力F分解为：推杆驱动力F1=Fcos；导路正压力F2=Fsin；,产生的最大摩擦力Ff=F“f。当存在关系FfF时，机构发生自锁；有ftan1。,压力角a愈大，有效分力y愈小。当a角大到某一数值时，会出现FyFx。不论施加多大的Fn力，都不能使从动件运动，这种现象称为自锁。为保证凸轮机构正常工作，必须对凸轮机构的压力角进行限制。,5-4-1,1凸轮轮廓的压力角,一般许用压力角的经验值为：,一般随压力角增大，机构的磨损加重、传力性能恶化、效率降低与工程实践相一致。,凸轮机构设计时，应满足：max,凸轮基圆半径r0与其各位置压力角i密切相关。增大r0则i减小；减小r0必然导致i增大。即结构紧凑与传力性能良好间存在矛盾。虽然偏距e也能适量减小推程压力角，但却会增大回程压力角。运用时应注意偏置方位。,2凸轮基圆半径的确定,5-4-2,对于一定型式的凸轮机构，推杆的运动规律选定后，凸轮机构压力角与凸轮基圆半径的大小直接相关。,1）压力角与基圆半径的关系,由此可知，在偏距一定，推杆的运动规律已知的条件下，加大基圆半径r0可减小压力角，从而改善机构的传力特性。但此时机构的尺寸会增大。,2）凸轮基圆半径的确定,凸轮基圆半径确定的原则：应在满足max=的条件下，合理的确定凸轮的基圆半径，使凸轮机构的尺寸不致过大。,先按满足推程压力角的条件来确定基圆半径r0，即,计算得r0随凸轮廓线上各点的ds/d，s值得不同而不同。故需确定r0的极大值，即为凸轮基圆半径的最小半径。,满足凸轮的结构及强度的要求:当凸轮与轴做成一体时，凸轮工作廓线的最小半径应大于轴的半径；当凸轮与轴单独制作时，凸轮上要作出轮毂，此时凸轮工作廓线的最小直径应略大于轮毂的外径。可取凸轮工作廓线的最小直径等于或大于轴径的1.6-2倍。,5-4-2,3滚子推杆滚子半径选择,采用滚子推杆时，滚子半径的选择，要考虑滚子的结构，强度及凸轮轮廓曲线的形状等多方面的因素。,凸轮轮廓曲线与滚子半径的关系,1)凸轮廓线内凹,工作廓线的曲率半径a等于理论廓线的曲率半径与滚子半径rr之和,此时无论滚子半径大小如何，凸轮的工作廓线总是可以平滑地作出来的。,5-4-3,2)凸轮廓线外凸,工作廓线的曲率半径a等于理论廓线的曲率半径与滚子半径rr之差,=rr时，工作廓线曲率半径0，工作廓线出现尖点，这种现象称为变尖现象,5-4-3,若