凸轮机构及其他常用机构

第4章凸轮机构 4 1凸轮机构的类型及应用4 2凸轮机构的从动件常用运动规律4 3盘形凸轮的设计方法4 4凸轮机构设计中应注意的几个问题4 5凸轮机构的常用材料和结构 本章知识导读 1 主要内容凸轮机构的类型 特点和适用场合 从动件常见运动规律及位移曲线的绘制 凸轮机构的设计计算 凸轮机构的常用材料及结构 2 重点 难点的提示本章的重点是从动件的常用运动规律 尖顶 滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计等问题 难点是利用解析法设计凸轮的轮廓 4 1凸轮机构的类型及应用 凸轮机构广泛应用在各种机械和自动控制装置中 内燃机配气机构1 凸轮2 气阀杆3 机架 4 1 1凸轮机构的应用和组成 4 1 1凸轮机构的应用和组成 冲床送料机构1 凸轮2 送料杆3 机架 绕线机的凸轮机构1 凸轮2 布线杆3 绕线轴 4 1 1凸轮机构的应用和组成 综上所述 凸轮机构由凸轮 从动件和机架组成 凸轮是具有变化向径或曲线轮廓的构件 凸轮与从动件通过高副连接 故凸轮机构属于高副机构 凸轮机构的主要作用是将主动凸轮的连续转动或移动转化为从动件的往复移动或摆动 凸轮机构特点 凸轮机构结构简单 紧凑 设计方便 只需设计适当的凸轮轮廓 便可以使从动件实现预期运动规律 缺点是凸轮轮廓与从动件之间是点或线接触 易磨损 通常用于传力不大的控制机械中 例如 自动机床进刀机构 上料机构 内燃机配气机构 印刷机 纺织机和各种电气开关中的凸轮机构等 4 1 2凸轮机构的分类 1 盘形凸轮具有变化向径的盘状构件称为盘形凸轮 它是凸轮的基本形式 常用凸轮机构可按下列方法分类 1 按凸轮形状分类 4 1 2凸轮机构的分类 2 移动凸轮做移动的平面凸轮 可看作是当转动中心在无穷远处时盘形凸轮的演化形式 4 1 2凸轮机构的分类 3 圆柱凸轮圆柱体的表面上具有曲线凹槽或端面上具有曲线轮廓 称为圆柱凸轮 属于空间凸轮机构 圆柱凸轮机构 进刀机构 4 1 2凸轮机构的分类 2 按从动件的端部结构分类 从动件端部以尖顶与凸轮轮廓接触 这种从动件结构最简单 尖顶能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触 从动件的端部结构形式 1 尖顶从动件 4 1 2凸轮机构的分类 2 滚子从动件 3 平底从动件 从动件端部装有可以自由转动的滚子 滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦 借以减小与凸轮轮廓接触表面的磨损 从动件的端部是一平底 这种从动件与凸轮轮廓接触处在一定条件下易形成油膜 利于润滑 能传动较大的作用力 4 1 2凸轮机构的分类 3 按从动件的运动方式分类 1 移动从动件 从动件做往复直线移动 2 摆动从动件 从动件做往复摆动 4 按锁合方式分类使从动件与凸轮轮廓始终保持接触的特性称为锁合 1 力锁合利用重力 弹簧力或其他力锁合 凸轮机构利用弹簧力锁合 2 形锁合利用凸轮和从动件的特殊几何形状锁合 4 2凸轮机构的从动件常用运动规律 在凸轮机构中 从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线的形状 结合凸轮轮廓 分析从动件的位移 速度 加速度的运动规律 称为凸轮机构的运动分析 4 2 1凸轮机构运动分析的基本概念 升 停 降 停运动过程是凸轮机构典型的运动过程 4 2 1凸轮机构运动分析的基本概念 综上所述 从动件的运动取决于凸轮轮廓曲线的形状 即凸轮轮廓决定了从动件的运动规律 因此 设计凸轮轮廓曲线时 首先根据工作要求选定从动件的运动规律 然后再按从动件的位移曲线设计出相应的凸轮轮廓曲线 4 2 2从动件的常用运动规律 1 等速运动规律从动件在运动过程中 运动速度为定值的运动规律 称为等速运动规律 当凸轮以等角速度 1转动时 从动件在推程或回程中的速度为常数 凸轮转角 与时间t的关系为 1t 推程时 从动件位移s与时间t的关系为s vt 等速运动规律的位移 速度 加速度线图 4 2 2从动件的常用运动规律 2 等加速等减速运动规律 从动件在运动过程的前半程做等加速运动 后半程做等减速运动 两部分加速度的绝对值相等 这种运动规律称为等加速等减速运动规律 等加速等减速运动规律的位移 速度 加速度线图 4 2 2从动件的常用运动规律 3 简谐运动规律 质点在圆周上做等速运动时 它在这个圆的直径上的投影所构成的运动称为简谐运动 简谐运动规律的位移速度 加速度线图 4 3盘形凸轮的设计方法 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 进而可以对凸轮轮廓曲线进行设计 凸轮轮廓曲线的设计方法有图解法和解析法 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 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 4 3 1图解法设计盘形凸轮轮廓曲线 利用与凸轮转向相反的方向逐点按位移曲线绘制出凸轮轮廓曲线的方法称为反转法 反转法原理 4 3 1图解法设计盘形凸轮轮廓曲线 1 对心尖顶直动从动件盘形凸轮 2 对心直动滚子从动件盘形凸轮 实际轮廓 理论轮廓 4 3 1图解法设计盘形凸轮轮廓曲线 3 对心平底直动从动件盘形凸轮 4 3 1图解法设计盘形凸轮轮廓曲线 4 4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 4 4 1滚子半径的选择 滚子半径的选择 4 4 1滚子半径的选择 1 凸轮理论轮廓的内凹部分 由图 a 可得 a 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 由图 b 图 d 可得 a min rT 4 4 1滚子半径的选择 当 min rT时 则有 a 0 实际轮廓曲线为一平滑的曲线 这种情况属于正常 当 min rT时 则有 a 0 凸轮实际轮廓曲线出现了尖点 当 min rT时 则有 a 0 凸轮实际轮廓曲线不仅出现尖点 而且相交 图中阴影部分的轮廓在实际加工中被切去 使从动件工作时不能到达预定的工作位置 无法实现预期的运动规律 这种现象称为运动失真 2 凸轮理论轮廓的外凸部分 4 4 1滚子半径的选择 一般推荐T 0 8 min 若从结构上考虑 可使rT 0 1 0 15 r0 为了避免出现尖点 一般要求 a 3 5mm 理论轮廓曲线最小曲率半径的求法 4 4 2压力角的校核 凸轮加给从动件的作用力F沿凸轮轮廓的法线n n方向传递 从动件上受到的力F的方向与该力作用点的线速度v的方向之间所夹锐角 称为凸轮机构在该位置的压力角 1 压力角与作用力的关系 凸轮机构压力角 4 4 3基圆半径的确定 基圆半径一般可根据经验公式选择即r0 0 9ds 7 9 mm依据选定的r0设计出凸轮轮廓后 应进行压力角的检验 若发现 max 则应适当增大凸轮基圆半径 重新设计 4 5凸轮机构的常用材料和结构 凸轮机构主要的失效形式是磨损和疲劳点蚀 这就要求凸轮和滚子的工作表面硬度高 耐磨并且有足够的表面接触强度 低速 中小载荷的一般场合 凸轮采用45钢 40Cr表面淬火 硬度40 50HRC 亦可采用15钢 20Cr 20CrMnTi经渗碳淬火 硬度达56 62HRC 滚子材料可采用20Cr 经渗碳淬火 表面硬度达56 62HRC 也可用滚动轴承作为滚子 4 5 1凸轮常用材料 4 5 2凸轮的结构 1 凸轮轴 2 整体式 4 5 2凸轮的结构 3 镶块式 4 组合式 4 5 2凸轮的结构 除采用键联接将凸轮固定在轴上外 也可以采用紧定螺钉和锥面固定 4 6其他常用结构 4 6 1棘轮机构 工作原理 棘轮机构主要由棘轮2 棘爪3和机架4三个基本构件组成 图4 24棘轮机构 卷扬机提升机构 自行车飞轮 4