清华大学-机械原理课件-第3章-凸轮机构

,机械原理网络教学课件,第3章 凸轮机构,具有曲线轮廓的构件通过高副带动从动件实现预期运动,3.1凸轮机构的组成与类型3.2从动件运动规律设计3.3凸轮轮廓的设计3.4凸轮机构基本尺寸的确定3.5凸轮机构的计算机辅助设计,第3章 凸轮机构,3.1凸轮机构的组成与类型,3.1.1 凸轮机构的组成3.1.2 凸轮机构的类型3.1.2 凸轮机构的应用,3.1.1 凸轮机构的组成,高副机构,3.1凸轮机构的组成与类型,3.1.2 凸轮机构的类型,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,按凸轮的形状分类,移动凸轮,圆柱凸轮,3.1凸轮机构的组成与类型,按从动件的形状分类,尖端从动件,曲面从动件,能与任意形状的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。尖端处极易磨损，只适用于低速场合。,磨损比尖端从动件小,3.1凸轮机构的组成与类型,滚子从动件,平底从动件,滚动摩擦，磨损小用于传递较大的动力,从动件与凸轮之间易形成油膜，润滑好，受力平稳，传动效率高高速场合；但凸轮轮廓须全部外凸,按从动件的形状分类,3.1凸轮机构的组成与类型,按从动件的运动形式分类,移动从动件,移动从动件：从动件往复移动，运动轨迹为一段直线；摆动从动件：从动件往复摆动，运动轨迹为一段圆弧。,摆动从动件,3.1凸轮机构的组成与类型,小结：,按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类,力锁合：弹簧力、从动件重力或其它外力,型锁合利用高副元素本身的几何形状,槽两侧面的距离等于滚子直径；优点：锁合方式结构简单缺点：加大了凸轮的尺寸和重量,槽凸轮机构,3.1凸轮机构的组成与类型,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,型锁合凸轮,等宽凸轮机构,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,3.1凸轮机构的组成与类型,主回凸轮机构(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,型锁合凸轮,3.1凸轮机构的组成与类型,型锁合凸轮,摆杆为主动件，凸轮为从动件,反凸轮机构,3.1凸轮机构的组成与类型,3.1.3 凸轮机构的应用,3.1凸轮机构的组成与类型,凸轮机构的特点凸轮机构的应用,实现无特定运动规律要求的工作行程实现有特定运动规律要求的工作行程实现对运动和动力特性有特殊要求的工作行程实现复杂的运动轨迹,凸轮机构的特点,优点：构件少；结构简单、紧凑可方便地设计出任意要求的从动件运动规律缺点：高副接触，易磨损，用于受力不大的场合,3.1.3 凸轮机构的应用实现无特定运动规律的工作行程例1：车床床头箱利用凸轮机构实现变速操纵,3.1凸轮机构的组成与类型,实现特殊运动规律的工作行程例2：自动机床中利用凸轮实现自动进刀、退刀,3.1凸轮机构的组成与类型,实现对运动鹤动力有特殊要求的工作行程例3：船用柴油机中凸轮控制阀门的启闭,3.1凸轮机构的组成与类型,例4：印刷机通过凸轮组合实现的吸纸吸头的复杂轨迹,3.1凸轮机构的组成与类型,3.2 从动件运动规律设计,3.2.1 基础知识：凸轮机构的工作情况3.2.2从动件常用运动规律3.2.3从动件运动规律的选择3.2.3从动件运动规律的组合,3.2.1 凸轮机构的工作情况,3.2.1 凸轮机构的工作情况,从动件位移线图,3.2.1 凸轮机构的工作情况,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,1.等速运动2.等加速等减速(抛物线)运动3.简谐运动(余弦加速度运动)4.摆线运动(简介)5. 3-4-5多项式运动(简介),3.2.2 从动件常用运动规律,3.2.2 从动件常用运动规律,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,1.等速运动,2.等加速等减速(抛物线)运动,3.2.2 从动件常用运动规律,2.等加速等减速(抛物线)运动,2.等加速等减速(抛物线)运动,3.2.2 从动件常用运动规律,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,3.简谐运动(余弦加速度运动),3.2.2 从动件常用运动规律,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,3.简谐运动(余弦加速度运动),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),3.2.2 从动件常用运动规律,4.摆线运动(简介),半径R=h/2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,4.摆线运动(简介),特点：无刚性、柔性冲击适用场合：适于高速,5. 3-4-5多项式运动(简介),特点：无刚性冲击、柔性冲击适用场合：高速、中载,3.2.3 从动件运动规律的选择,1. 从动件常用运动规律性能比较,2.从动件运动规律的选择原则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。,3.3 凸轮轮廓的设计,3.3.1 基本原理（反转法）3.3.2 图解法设计凸轮轮廓移动从动件盘形凸轮尖底从动件滚子从动件平底从动件摆动从动件盘形凸轮设计总结3.3.3 解析法,3.3.1 基本原理（反转法）,反转后，从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线,3.3 凸轮轮廓的设计,3.3.1 基本原理（反转法）,反转后，从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线,3.3 凸轮轮廓的设计,3.3.2 图解法设计凸轮轮廓,1. 移动从动件盘形凸轮(1)尖底从动件,3.3 凸轮轮廓的设计,关键：反转法,关键：反转法,1. 移动从动件盘形凸轮（2）滚子从动件,滚子中心将描绘-条与凸轮廓线法向等距的曲线-理论廓线。Rb指的是理论廓线的基圆。,作内包络线，得到凸轮的实际廓线；若同时作外包络线，形成槽凸轮廓线,取平底从动件表面上的点B0作为假想的尖端从动件的尖端。,移动从动件盘形凸轮（3）平底从动件,为了保证在所有位置从动件平底都能与凸轮轮廓曲线相切，凸轮廓线必须是外凸的。,2. 摆动从动件盘形凸轮,2. 摆动从动件盘形凸轮,凸轮轮廓设计总结：,反转法的灵活应用（）理论轮廓和实际轮廓图解法设计时注意：从动件位移量的截取（注意绘图比例）凸轮转角的分度,3.3.3解析法设计凸轮廓线,1、移动滚子从动件盘形凸轮机构理论廓线方程,式中：e为偏距，,3.3.3解析法设计凸轮廓线,1、移动滚子从动件盘形凸轮机构实际廓线方程,3.3.3解析法设计凸轮廓线,1、移动滚子从动件盘形凸轮机构实际廓线方程,3.3.3解析法设计凸轮廓线,1、移动滚子从动件盘形凸轮机构实际廓线方程,3.3.3解析法设计凸轮廓线,1、移动滚子从动件盘形凸轮机构刀具中心轨迹方程,3.3.3解析法设计凸轮廓线,2、移动平底从动件盘形凸轮机构理论廓线方程,B,A,2、移动平底从动件盘形凸轮机构刀具轨迹用砂轮端面加工凸轮时平底上C的轨迹就是刀具中心,3.3.3解析法设计凸轮廓线,B,3.3.3解析法设计凸轮廓线,3、摆动从动件盘形凸轮机构B点的坐标方程,B,3.4 凸轮机构基本尺寸的确定,3.4.1移动滚子从动件盘形凸轮：压力角及其许用值基圆半径偏置方向滚子直径,1、压力角与许用值,1、压力角与许用值,2、 凸轮基圆半径的确定,基圆半径越大，压力角越小但结构尺寸较大,出现矛盾：,方法1：根据满足最大压力角a的要求确定方法2：令基圆半径大于1.62倍的凸轮轴径，校验压力角a,2、 凸轮基圆半径的确定,3、 从动件偏置方向的选择,3、 从动件偏置方向的选择,凸轮逆时针回转，从动件右偏置，取凸轮顺时针回转，从动件左偏置，取,BDP中,3、 从动件偏置方向的选择,合理选择偏置方向偏置的目的是为了减小从动件在推程阶段所受的压力角。,凸轮逆时针转时，从动件采用右偏置凸轮顺时针转时，从动件采用左偏置,4、凸轮轮廓形状与滚子半径的关系外凸凸轮廓线,实际廓线出现尖点,实际廓线出现交叉，从动件不能准确地实现预期的运动规律运动失真,运动失真 原因： 避免方法：凸轮设计保证时：,内凹凸轮廓线,无论滚子半径多大，总能由理论轮廓求出实际轮廓。,滚子半径的选择考虑结构、强度与运动规律等因素,3.4.2 移动平底从动件盘形凸轮,1.运动失真现象及避免方法 凸轮出现过度切割的现象，从动件无法完全实现预期的运动规律。原因？,减小升程h,增大基圆rb,增大偏心e,运动失真原因：,基圆半径过小从动件升程过大,基圆半径的确定: 避免运动失真,C,基圆半径的确定: 避免运动失真,C,基圆半径的确定: 避免运动失真,C,基圆半径的确定: 避免运动失真,C,基圆半径的确定: 避免运动失真,C,从动件偏置方向的选择,从动件偏置并不影响凸轮廓线的形状选择偏置的主要目的是为了减小从动件在推程阶段所受的弯曲应力。,平地宽度的确定,3.5 凸轮机构的计算机辅助设计,设计步骤根据使用场合和工作要求，选择机构类型根据工作要求选择或设计从动件运动规律根据机构的具体设计条件，初定凸轮基圆半径、滚子半径等对凸轮机构进行计算机辅助设计，保证凸轮既满足从动件的运动要求，又具有良好的受力，且机构紧凑。,设计实例,已知绕线机工作时，绕线轴1匀速回转，导线杆2匀速往复运动。已知l75mm，绕线时均匀布线。设计该绕线机。,1）问题的提出： 绕线机：绕线时，线需沿着轴向匀速移动2）问题的分析 绕线移动速度的求解3）运动规律 凸轮转速与主轴速比的求解4）设计方法与步骤,已知绕线轴长75mm,设计分析：导线杆作直线移动由均匀布线的要求，作出导线杆位移转角曲线,采用凸轮机构驱动,凸轮的推程和回程角为180度,绕线机凸轮机构设计分析,基圆半径大于40mm,绕线机凸轮机构设计分析,绕线机凸轮机构设计分析,总结,本章基本要求了解凸轮机构的类型及其应用 选型从动件运动规律的特点和适用场合，会根据工作要求选择或设计