机械设计基础凸轮机构ppt课件.ppt

机械设计基础 西南科技大学 第三章凸轮机构 学习重点 1 了解凸轮机构的组成 特点 分类及应用2 掌握从动件的常用运动规律 了解其冲击特性及应用学习难点凸轮机构运动的实现 当从动件的位移 速度 加速度必须严格按预定规律变化 特别是当原动件作连续运动时从动件必须作间歇运动下 采用凸轮机构设计最为简便 3 1凸轮机构的组成及分类 1 凸轮 具有曲线轮廓或凹槽的构件 是主动件 通常等速转动 2 从动件 由凸轮控制按其运动规律作移动或摆动运动的构件 3 机架 支承活动构件的构件 1 组成 作用 将连续回转 从动件直线移动或摆动 优点 可精确实现任意运动规律 简单紧凑 缺点 高副 线接触 易磨损 传力不大 3 2凸轮的分类 1 按凸轮的形状分类 1 盘形凸轮它是凸轮的最基本形式 是一个绕固定轴线转动并且具有变化半径的盘形构件 如内燃机配气凸轮机构 气阀2的运动规律规定了凸轮的外形 当凸轮向径变化时 气阀产生往复运动 而当凸轮回转中心为圆心的圆弧轮廓与气阀平底接触时 气阀静止不动 凸轮 气阀 机架 2 移动凸轮当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时 则成为移动凸轮 当移动凸轮沿工作直线往复运动时 推动从动件作往复运动 如靠模车削机构 3 圆柱凸轮 3 2凸轮的分类 2 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 滚子从动件 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 平底从动件 按从动件的形状分 尖底 滚子 平底 3 2凸轮的分类 3 直动从动件摆动从动件 直动从动件 从动件作往复移动 其运动轨迹为一段直线 摆动从动件 从动件作往复摆动 其运动轨迹为一段圆弧 按从动件的运动形式分 直动从动件 对心 偏心 摆动从动件 3 2凸轮的分类 4 按凸轮与从动件维持接触的方式分 外力锁合 重力 弹簧力 其他力 几何锁合 通过几何形状来锁合 弹簧力锁合 重力锁合 几何锁合 滚子对心移动从动件盘形凸轮机构 机构中凸轮匀速旋转 带动从动件往复移动 滚子接触 摩擦阻力小 不易摩擦 承载能力较大 但运动规律有局限性 滚子轴处有间隙 不宜高速 平底移动从动件盘形凸轮机构 机构中凸轮匀速旋转 带动从动件往复移动 压力角始终为零度 传力特性好 结构紧凑 润滑性能好 摩擦阻力较小 适用于高速 但凸轮轮廓不允许呈下凹 因此实现准确的运动规律受到限制 移动凸轮 当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时 即成为移动凸轮 一般作往复移动 多用于靠模仿形机械中 形锁合凸轮 为保证凸轮机构能正常工作 必须保持凸轮轮廓与从动件相接触 该机构是靠凸轮与从动件的特殊几何结构来保持两者的接触 滚子摆动从动件盘形凸轮机构 机构中凸轮匀速旋转 带动从动件往复摆动 滚子接触 摩擦阻力小 不易摩擦 承载能力较大 但运动规律有局限性 滚子轴处有间隙 不宜高速 3 3凸轮机构的运动过程 3 推程 4 行程 从动件尖顶被凸轮轮廓推动 以一定的运动规律由离回转中心最近位置A到达最远位置B的过程 从动件在推程中上升的最大位移h 5 推程运动角 0 AOB 与推程相应的凸轮转角 0 7 远停程角 从动件在最远位置停止不动所对应的凸轮转角 s S BOC 6 远停程 凸轮由B转动到C 从动件在最远位置停止不动 8 回程运动角 0 COD s AOD 7 回程 从动件在弹簧力或重力作用下 以一定的运动规律回到起始位置的过程 与回程相应的凸轮转角 0 从动件在最近位置停止不动所对应的凸轮转角 s 9 近停程角 以纵坐标代表从动件位移s2 横坐标代表凸轮转角 1或时间t 所画出的图形为位移曲线图 10 从动件位移线图 升 停 降 停 从动件位移线图决定于凸轮轮廓曲线的形状 3 4从动件常用的运动规律 1 等速运动规律2 等加速 等减速运动规律3 简谐运动规律 作推程运动线图 1 等速运动规律 从动件在推程 或回程 的运动速度为常数的运动规律 从动件在起始和终止点速度有突变 使瞬时加速度趋于无穷大 从而产生无限值惯性力 并由此对凸轮产生冲击 刚性冲击 因此只适用于低速 轻载的场合 1 等速运动规律 实际上由于材料的弹性变形 加速度和惯性力不会达到无穷大 2 等加速 等减速运动规律 从动件在一个行程h中 前半行程做等加速运动 后半行程作等减速运动的运动规律 B A C 2 等加速 等减速运动规律 等加速等减速运动规律运动特性 从动件在运动起始 中点和终止点存在柔性冲击 适用于中速 中载的场合 从动件在起点 中点和终点 因加速度有有限值突变而引起推杆惯性力的有限值突变 并由此对凸轮产生有限的冲击 柔性冲击 3 余弦加速度 简谐运动 规律 从动件加速度在起点和终点存在有限值突变 故有柔性冲击 若从动件作无停歇的升 降 升连续往复运动 加速度曲线变为连续曲线 可以避免柔性冲击 可适用于高速的场合 完全由工艺动作要求决定已知凸轮的转角 运动规律可选择 从动件运动规律的确定方法 注意 速度突变及加速度突变会产生冲击 根据工作条件要求 确定从动件的运动规律 选定凸轮的转动方向 基圆半径等 进而对凸轮轮廓曲线进行设计 设计方法 1 图解法 简便易行 直观 但精度较低 可用于设计一般精度要求的凸轮机构 2 解析法 精度高 但计算量大 多用于设计精度要求较高的凸轮机构 3 5凸轮轮廓曲线的设计 1 图解法的原理 假想给整个凸轮机构加上一个与凸轮角速度 大小相等 方向相反的角速度 凸轮将处于静止状态 机架则以 的角速度围绕凸轮原来的转动轴线转动 而从动件一方面随机架转动 另一方面又按照给定的运动规律相对机架作往复运动 反转法 已知凸轮的基圆半径r0 角速度 和从动件的运动规律 设计该凸轮轮廓曲线 2 凸轮轮廓设计 作图法 尖顶移动从动件盘型凸轮机构 1 选取适当的比例尺作出位移线图 2 按基本尺寸作出凸轮机构的初始位置 3 按 方向划分基圆周得c0 c1 c2 等点 并过这些点作射线 即为反转后的导路线 4 在各反转导路线上量取与位移图相应的位移 得B1 B2 等点 即为凸轮轮廓上的点 B8 滚子从动件凸轮轮廓曲线的设计步骤 1 画出滚子中心的轨迹 称为理论轮廓曲线 2 以理论轮廓上的点为圆心 滚子半径rT为半径作一系列的滚子圆 再画滚子圆的内包络线 则为从动件凸轮的实际轮廓曲线 注意 1 理论轮廓与实际轮廓互为等距曲线 2 凸轮的基圆是指理论轮廓曲线上的基圆 直动平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制 直动平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制 3 6凸轮机构设计中应注意的几个问题 设计滚子从动件时若从强度和耐用性考虑 滚子的半径应取大些 滚子半径取大时 对凸轮的实际轮廓曲线影响很大 有时甚至使从动件不能完成预期的运动规律 1 滚子半径的选择 滚子半径的选择 凸轮理论轮廓为内凹时 由图 a 可得 min rT实际轮廓曲线曲率半径总大于理论轮廓曲线曲率半径 因此 不论选择多大的滚子 都能作出实际轮廓曲线 当理论廓线外凸时 可分为三种情况 r rmin rT 1 rmin rT时r 0这时所得的凸轮实际轮廓为光滑的曲线 如图b 2 rmin rT时r 0 实际轮廓线变尖 极易磨损 产生失真 如图c 3 rmin rT时r 0 即实际曲线出现交叉会出现严重失真 如图d 内凹凸轮廓线 滚子半径无限制外凸凸轮廓线 理论轮廓的最小曲率半径大于滚子半径 即 min rr一般rr 0 8 min实际设计时 应保证 min rr a 3 5mm 结论 故如果不满足要求 可以 增加整个理论轮廓的曲率半径 缩小滚子半径 1 压力角a与驱动力F a a F2 F1 效率 当a大于一定值 将自锁 一般 推程 a 30 移动 35 45 摆动 回程无自锁 a 70 80 a 过大将造成滑脱 3 6 2 凸轮机构的压力角 F2 F1 F F1 F 有效分力 F2 F 有害分力 3 压力角a与基圆半径r0 tga CPBC OP OC BC 其中 据三心定理VP1 VP2 OC e BC 即 OP w V 得 OP V w S S0 S r02 e2 从而tga V w e S r02 e2 C B P a 1 2 3 S0 显然 r0 a e r0 基圆越大 凸轮推程廓线越平缓 压力角 越小 基圆越小 凸轮推程廓线越陡峭 压力角 越大 导致磨损加剧 甚至引起机构自锁 基圆r0越小 结构紧凑 压力角 效率 原则 max 一 判断题 正确 T 错误 F 1 凸轮机构是一种低副机构 2 凸轮机构中 凸轮基圆半径越大 说明从动件的位移越大 3 在运动规律一定时 凸轮的基圆越大 则从动件就越不容易发生自锁卡死 4 凸轮机构采用等加速等减速运动规律时 由于在起始点加速度出现有限值的突然变化 因而产生惯性力的突变 结果引起刚性冲击 T 5 凸轮的基圆半径就是凸轮理论轮廓线上的最小曲率半径 6 滚子从动件盘形凸轮的实际轮廓曲线是理论轮廓的等距曲线 因此 实际轮廓上各点的向径就等于理论轮廓上各点的向径减去滚子半径 8 一般说来 在凸轮机构中 尖顶从动件可适应任何运动规律而不致发生运动失真 7 当从动件采用等速运动规律时 则机构自始至终工作平稳不会产生刚性冲击 T T 9 平底移动从动件盘形凸轮机构的压力角恒等于一个常量 10 为了避免从动件运动失真 平底从动件凸轮轮廓不能内凹 T T 2 与其它机构相比 凸轮机构最大的优点是 A 可实现各种预期的运动规律B 便于润滑C 制造方便易获得较高的精度D 从动件的行程可较大 3 凸轮机构中 若从动件按等速运动规律运动 则最大加速度理论上为 A amax B amax 0C amax 有限值D amax 不定值 A 惯性力难以平衡B 点线接触易磨损C 设计较为复杂D 不能实现间歇运动 1 与连杆机构相比 凸轮机构最大的缺点是 2 选择题 B A A 6 为了避免运动失真并减少接触应力和磨损 滚子半径rr和凸轮理论廓线上的最小曲率半径 min应满足 A rr minC rr minD 不一定 A 增大基圆半径B 改用滚子推杆C 改变凸轮转向D 改为偏置直动尖顶推杆 5 对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构的推程压力角超过许用值时 可采用 措施解决 A 等速B 等加速等减速C 摆线D 简谐 4 在凸轮机构中 下述 运动规律既不会产生柔性冲击也不会产生刚性冲击 可用于高速场合 C AD A 7 凸轮机构压力角对凸轮尺寸的影响反映在 如果机构压力角减少其它参数不变时 基圆将 A 增大B 减少C 不变D 不一定 一段直线B 一段圆弧C 一段抛物线D 以凸轮转动中心为圆心的圆弧 8 若要盘形凸轮机构的从动件在某段时间内停止不动 对应的凸轮轮廓应是 A D A 压力角不变 运动规律不变B 压力角变 运动规律变C 压力角不变 运动规律变D 压力角变 运动规律不变 10 某凸轮机构的滚子损坏后换上一个较大的滚子 则该机构 9 为使凸轮机构的结构紧凑和受力条件好 设计时应满足 A B C D A B 思考题 1 凸轮机构中 选择基圆半径时 应考虑那些因素 原则是什么 答 为了得到轻便紧凑的凸轮机构 希望基圆半径尽可能小 但基圆半径过小 又可能造成运动失真和压力角超过许用值 因此 基圆半径选取的原则是 在保证不产生运动失真和压力角不超过许用值的前提下 寻求最小的基圆半径 2 凸轮机构中 从动件的常用运动规律有哪几种 各有什么特点 各适用什么场合 3 何谓凸轮的理论廓线 何谓凸轮的实际廓线 两者有何区别和联系 1 填空题 1 按凸轮形状来分 凸轮机构可分为 及三类 2 在凸轮的休止角范围内 随凸轮的转动 从动件的运动位置 3 凸轮机构的压力角指的是凸轮机构中的方向线与其方向线之间所夹的锐角 4 变转动为移动的机构有及机构 5 依靠外力维持接触的凸轮机构 在时发生自锁的可能性很小 故对这类凸轮只需对其压力角进行校核 6 凸轮轮廓曲线是由所决定的 盘形 移动 圆柱 选择题 1 在凸轮机构中 从动件按等加速等减速运动规律运动 会引起机构的 A 没有冲击 B 刚性冲击 C 柔性冲击 2 在设计凸轮机构时 要求承载能力大 耐磨损 应采用从动件 A 尖顶 B 滚子 C 平底 3 凸轮机构运动时 可能有很大冲击 其主要原因是 A 从动件运动规律选择不当 B 从动件往复运动的惯性 C 凸轮转速较高 4 设计一对心直动从动件盘形凸轮机构 当其他条件不变时 最小传动角由40o减小为20o 凸轮的尺寸会 A 减少 B 不变 C 增大 四杆机构的传动角连杆与从动件之间所夹的锐角 称为四杆机构在此位置的传动角 且 90 90 为了保证机构传力性能良好 应使 min 40 50 最小传动角对于曲柄摇杆机构 min出现在主动件曲柄与机架共线的两位置之一 死点对于曲柄摇杆机构 以摇杆为主动件 则当连杆与从动件曲柄共线时 机构的传动角 0 这时主动件通过连杆作用于从动件上的力恰好通过其回转中心 出现了不能使构件 从动件曲柄 转动的 顶死 现象 机构的这种位置称为 死点 1 曲柄摇杆机构中 当以曲柄为原动件时 机构是否一定存在急回运动 且一定无死点 为什么 曲柄摇杆机构中 当以曲柄为原动件时 若从动件摇杆的空回行程速度大于工作行程速度 即行程速比系数K 1或极位夹角 0 则该机构存在急回特性 否则无急回特性 2 四杆机构中的极位和死点有何异同 1 相同点 极位和死点都出现在曲柄与连杆共线的位置 2 不同点 极位出现在四杆机构中以曲柄为原动件 死点出现在四杆机构中以摇杆为原动件 基本概念题 画出图中机构的压力角 例 标出机构在图示位置的压力角与传动角 试画出图示两种机构的机构运动简图 并说明它们各为何种机构 图a中 偏心盘1绕固定轴o转动 迫使偏心盘2在圆盘3中绕其几何中心B相对转动 而圆盘3又相对于机架绕其几何中心C转动 试画出图示两种机构的机构运动简图 并说明它们各为何