清华大学机械原理课件——第3章凸轮机构

第3章 凸轮机构凸轮机构的组成与类型凸轮机构的特点和功能从动件运动规律设计凸轮轮廓的设计凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构的计算机辅助设计,3.1 凸轮机构的组成与类型3.1.1 凸轮机构的组成,1 凸轮2 从动件3 机架,高副机构,3.1.2 凸轮机构的类型1. 按凸轮的形状分类,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 移动凸轮 圆柱凸轮,2. 按从动件的形状分类,尖端从动件,曲面从动件,尖端能以任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。但尖端处极易磨损，只适用于低速场合。,磨损比尖端从动件小。,滚子从动件,平底从动件,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。,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。,3. 按从动件的运动形式分类,移动从动件 摆动从动件,移动从动件：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。,4.按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类(1) 力锁合弹簧力、从动件重力或其它外力(2) 型锁合利用高副元素本身的几何形状,槽凸轮机构 槽两侧面的距离等于滚子直径。优点：锁和方式结构简单缺点：加大了凸轮的尺寸和重量,等宽凸轮机构 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，当180范围内的凸轮廓线根据从动件运动规律确定后，其余180内的凸轮廓线必须符合等宽原则,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,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,5. 反凸轮机构,摆杆为主动件，凸轮为从动件,反凸轮机构应用实例自动铣槽机应用反凸轮机构实现料斗反转,3.2 凸轮机构的特点与功能3.2.1 凸轮机构的特点 结构简单、紧凑 优点：实现任意要求的从动件运动规律 缺点：高副接触，易磨损，多用于传力 不大的场合,3.1.2 凸轮机构的功能1. 实现无特定运动规律要求的工作行程例：车床床头箱实现变速操纵,2. 实现由特定运动规律要求的工作行程例：自动机床实现自动进刀、退刀,3. 实现对运动和动力特性有特殊要求的工作行程例：船用柴油机控制阀门的启闭,4. 实现复杂的运动轨迹例：印刷机的吸纸吸头,3.3 从动件运动规律设计3.3.1 凸轮机构的工作情况,回程运动角近休止角从动件运动规律（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推程运动角0远休止角s,3.3.2 从动件常用运动规律1.等速运动,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,推程：,回程：,2.等加速等减速(抛物线)运动,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,推程：等加速：,等减速：,回程：等减速：,等加速：,3.简谐运动(余弦加速度运动),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,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),余弦加速度运动,推程：,回程：,4.摆线运动(正弦加速度运动),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,特点：无刚性、柔性冲击适用场合：适于高速,推程：,回程：,正弦加速度运动,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,3.3.3 从动件运动规律的选择1. 常用运动规律性能比较,2.从动件运动规律的选择原则(1) 要求从动件实现一定的工作行程，对其运动规律无特殊要求 较好的动力特性，便于加工(2) 对从动件运动规律有特殊要求，凸轮转速一般 首先：运动规律，其次：动力特性、便于加工(3) 对从动件运动规律有特殊要求，凸轮转速较高 兼顾运动规律和动力特性,3.3.4 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。,3.4 凸轮廓线的设计3.4.1 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。,3.4.2 用作图法设计凸轮廓线1. 移动从动件盘形凸轮(1)尖底从动件,（2）滚子从动件,滚子中心将描绘一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，可形成槽凸轮廓线。,（3）平底从动件,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。,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,3.4.3 用解析法设计图轮廓线 运动规律 机构参数,凸轮廓线方程,移动滚子从动件盘形凸轮机构1）理论廓线方程,B点的直角坐标,即为凸轮理论廓线的方程式,对心移动从动件,2）实际廓线方程B点处的法线斜率为,3) 刀具中心轨迹方程刀具半径大于滚子半径,刀具半径小于滚子半径,2. 移动平底从动件盘形凸轮机构1）凸轮实际廓线方程,因为P 为瞬心，所以：,B点的坐标为：,2）刀具中心轨迹方程,当用砂轮的端面加工凸轮廓线时，刀具中心C点的轨迹方程为：,当用刀具的外圆加工凸轮廓线时，刀具中心点轨迹方程的求法与滚子从动件相同。,3.摆动滚子从动件盘形凸轮机构,理论廓线方程B点的坐标为：,凸轮实际廓线方程和刀具中心轨迹方程与移动滚子从动件盘形凸轮机构相同。,3.5 凸轮机构基本尺寸的确定3.5.1 移动滚子从动件盘形凸轮机构,(1) 压力角与许用值,(2) 凸轮基圆半径的确定,P点为瞬心，因此：,压力角越小，基圆半径越大，但结构尺寸较大,(3) 从动件偏置方向的选择,凸轮逆时针回转，从动件右偏置同理：凸轮顺时针回转，从动件左偏置,凸轮逆时针回转，从动件左偏置凸轮顺时针回转，从动件右偏置,原则：凸轮逆时针回转，从动件右偏置 凸轮顺时针回转，从动件左偏置,推程： 回程：,压力角减小 压力角增大,(4)凸轮轮廓形状与滚子半径的关系外凸凸轮廓线,理论廓线实际廓线,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,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。,运动失真原因：避免方法：滚子半径的选择考虑结构、强度与运动规律等因素,3.5.2 移动平底从动件盘形凸轮(1)运动失真现象及其避免的方法,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,运动失真基圆半径的确定 避免运动失真，可知：, 基圆半径过小 从动件升程过大,(2)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。,(3) 平底宽度的确定作图,理论推导得到平底宽度为：,3.6 凸轮机构的计算机辅助设计简介1.根据使用场合和工作要求，选择凸轮机构的类型2.根据工作要求，选择或设计从动件的运动规律3.根据机构的具体结构条件，初选凸轮的基圆半径4.对凸轮机构进行计算机辅助设计,文献指南运动规律的研究1.邹慧君等编译. 凸轮机构的现代设