凸轮-机械原理PPT课件

凸轮机构,1凸轮机构的应用及分类2从动件运动规律及其选择3按预定运动规律设计盘型凸轮轮廓4盘型凸轮机构基本尺寸的确定5空间凸轮机构简介,-,2,本章要求了解凸轮机构的组成、分类、应用；从动件常用的运动规律；凸轮轮廓的设计方法。重点：推杆常用运动规律的特点及其选择原则；盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线的设计。难点：凸轮基圆半径与压力角的关系。,凸轮机构是通过凸轮与从动件间的接触来传递运动和动力，是一种常见的高副机构，结构简单，只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现任何预定的复杂运动规律。,1凸轮机构的应用及分类,一.凸轮机构应用和分类,1、组成：凸轮:具有曲线轮廓的构件，称为凸轮.从动件:与凸轮保持接触的杆，称为从动件或推杆。机架,2、作用：将凸轮的转动或移动转变为从动件的移动或摆动,4、应用：适用于传力不大的控制机构和调节机构,3、特点:(1)只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到所需的运动规律.(2)结构简单、紧凑，工作可靠，容易设计；(3)高副接触，易磨损.,-,6,凸轮是由一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，多为主动件，通常作等速连续转动，从动件作连续或间歇往复摆动、移动或平面复杂运动。从动件的运动规律完全取决于凸轮轮廓或沟槽的形状。凸轮机构是含有凸轮的一种高副机构，由凸轮、从动件和机架三个构件、两个低副和一个高副组成的单自由度机构。,二、凸轮机构的类型,1、按凸轮的形状和运动分类,(1)、盘形回转凸轮凸轮呈盘状，具有变化的向径，绕固定轴线回转，从动件在垂直于凸轮轴线的平面内运动,(2)、移动凸轮相当于盘形凸轮机构的轴线位于无穷远，凸轮相对于机架作往复直线运动,(3)、圆柱凸轮,2、按从动件的形状分类,它可以看成是将移动凸轮卷绕在圆柱体的外表面上而形成的,属于空间凸轮机构.,盘形凸轮是最基本的形式,应用较为广泛,故本章只研究盘形凸轮机构.,(1)、尖顶从动件,(2)、滚子从动件,(3)、平底从动件,-,10,3、按从动件的运动形式分类,（1）直(移)动从动件,摆动从动件,对心直动从动件,偏置直动从动件,摆动从动件,(2)摆动从动件,3、按锁合方式分类维持运动副中两个构件之间的接触方式称为锁合.,如沟槽凸轮、等径及等宽凸轮、,力锁合凸轮:,如靠重力、弹簧力锁合的凸轮等；,形锁合凸轮:,-,13,2从动件运动规律,一、凸轮传动的运动特性,基圆：以凸轮最小半径rb所作的圆，rb称为凸轮的基圆半径。推程、推程运动角：0,远休、远休止角：,回程、回程运动角：,近休、近休止角：,行程：h,推杆的运动规律：是指推杆在运动过程中，其位移、速度和加速度随时间变化（凸轮转角变化）的规律。,-,15,凸轮机构的工作原理,在凸轮机构的一个运动循环中，凸轮以等角速转动一周，而且凸轮的转角存在着下面的关系,在这个运动循环中，凸轮作连续的等速转动，而从动件经历了推程、停歇、回程和停歇四个阶段，从动件的运动是间歇运动。,从动件的运动规律,由于凸轮以等角速度作等速转动，因此在凸轮运动的任意瞬时，凸轮的转角与转动时间t成线性关系，即t。,从动件的运动规律是指在推程和回程中，从动件的位移、速度、加速度随凸轮转角或时间变化的规律。,对于直动从动件来说，存在着如下的函数关系：,ss（）vv（）aa（）,从动件的运动线图,将从动件在一个运动循环中的运动规律表示成凸轮转角的函数，与之对应的图形称为从动件的运动线图。,以凸轮的转角（或对应的时间）为横坐标，以从动件的位移为纵坐标所作的曲线，称为从动件的位移曲线。即ss（）,表示vv（）和aa（）的线图分别称为速度线图和加速度线图,二从动件常用的运动规律,生产中对工作构件的运动要求是多种多样的。例如自动机床中用来控制刀具进给运动的凸轮机构，要求刀具（从动件）在工作行程时作等速运动（速度要求）。内燃机配气凸轮机构，则要求凸轮具有良好的动力学性能(主要是加速度要求)。在某些控制机构中则只有简单的升距要求。,-,19,人们经过长期的理论研究和生产实践，已经积累了能适应多种工作要求的从动件典型运动特性的运动曲线，即所谓“常用运动规律”。,凸轮的轮廓形状决定了从动件的运动规律。反之，从动件不同的运动规律要求凸轮具有不同形状的轮廓曲线，也即是说，凸轮轮廓曲线的形状取决于凸轮机构从动件的运动参数。,设计凸轮机构时，通常只需根据工作要求，从常用运动规律中选择适当的运动曲线。在一般情况下，推程是工作行程，要求比较严格，需要进行仔细研究。回程一般要求较低，受力情况也比推程阶段有利，故不作专门讨论。,-,20,1.等速运动规律,从动件运动的速度为常数时的运动规律，称为等速运动规律（直线运动规律）。,推程时，设凸轮推程运动角为，从动件升程为h，相应的推程时间为T，则从动件的速度为：,初始条件为：t=0时，s=0；t=T时，s=h，利用位移方程得到C1=0和C=h/T。因此有,由于凸轮转角=t，=T，代入式，则得推程时从动件用转角表示的运动方程：,推程的运动方程：,-,21,实际上，由于构件材料有弹性，加速度和惯性力不至于达到无穷大，但仍将造成强烈冲击。当加速度为正时，它将增大凸轮压力，使凸轮轮廓严重磨损；加速度为负时，可能会造成用力封闭的从动件与凸轮轮廓瞬时脱离接触，并加大力封闭弹簧的负荷。因此这种运动规律只适用于低速，如自动机床刀具进给机构以及在低速下工作的一些凸轮控制机构。,从动件在运动起始位置和终止两瞬时的速度有突变，故加速度在理论上由零值突变为无穷大，惯性力也为无穷大。由此的强烈冲击称为刚性冲击。适用于低速场合。,-,22,2.等加速等减速运动规律（抛物线运动规律）,从动件在推程（或回程）中，前半段作等加速运动，后半段作等减速运动，加速度为常数。且通常两部分加速度的绝对值相等.由于从动件等加速段的初速度和等减速段的末速度为零，故两段升程所需的时间必相等，即凸轮转角均t/2；两段升程也必相等，即均为h/2。,推程等加速运动的方程式为：,3、简谐运动规律（余弦加速度运动规律）：,当质点在（半径R）圆周上作匀速运动时，其在该圆直径上的投影所构成的运动称为简谐运动，由于其加速度曲线为余弦曲线，故又称为余弦加速度运动规律。,由位移线图可以看出,其位移曲线方程为:,S=R-Rcos,而R=h/2及/=/,代入上式得:,运动特性：这种运动规律的加速度在起点和终点时有有限数值的突变，故也有柔性冲击。适用场合：中速、中载。,-,27,4.摆线运动规律,如下图所示，一滚圆沿纵轴(S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。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。,从位移线图可以看出,所以得:,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，故不会产生任何冲击。,-,28,三、从动件运动规律的选择,1.选择推杆运动规律的基本要求,满足机器的工作要求；使凸轮机构具有良好的动力特性；使所设计的凸轮便于加工。,2.根据工作条件确定推杆运动规律几种常见情况,（1）当机械的工作过程对从动件的运动规律有特殊要求，凸轮转速不太高时，首先满足从动件的运动规律，其次考虑动力特性和便于加工。例如各种机床中控制刀架进给的凸轮机构，为了加工出表面光滑的零件，并使机床载荷稳定，要求进刀时刀具作等速运动，故从动件应选择等速运动规律。内燃机配气凸轮机构，工作要求气门的开关愈快愈好，全开的时间保持得愈长愈好，同时为了避免产生过大的惯性力，减小冲击和噪音，从动件可选用等加速等减速运动规律。,-,30,（2）当机械的工作过程只要求从动件实现一定的工作行程，而对其运动规律无特殊要求时，低速时考虑使凸轮机构具有较好的动力特性和便于加工。高速时主要考虑以减小惯性力和冲击为依据来选择从动件的运动规律。例如，用于机床操纵机构中的凸轮机构，主要是要求凸轮转过一定角度，从动件摆动一定角度。至于从动件按什么规律运动并不重要。所以从动件运动规律的选择是在满足位移要求的前提下，尽可能使凸轮便于加工，例如，用圆弧和直线组成凸轮的轮廓曲线。,-,31,（3）对于高速轻载的凸轮机构，当凸轮高速转动时，将使从动件产生很大的惯性力从而增大运动副中的动压力和摩擦力，加剧磨损、降低使用寿命。因此，使其最大加速度不要太大，以减小惯性力，改善其动力性能，就成为选择从动件运动规律的主要依据。对于大质量的从动件，由于其动量mv较大，当从动件突然被阻止时，将出现很大的冲击力。因此对这类从动件应注意最大速度不宜太大。,-,32,前面说过,凸轮的轮廓形状决定了从动件的运动规律。反之，从动件不同的运动规律要求凸轮具有不同形状的轮廓曲线，也即是说，凸轮轮廓曲线的形状取决于凸轮机构从动件的运动参数。根据已知从动件运动规律求轮廓曲线既凸轮机构的设计.,按给定从动件位移线图设计凸轮廓线是画位移线图的逆过程,3用图解法设计盘形凸轮轮廓曲线,一、图解法的原理-反转法,假想给整个机构加一公共角速度-凸轮：相对静止不动推杆：一方面随导轨以-绕凸轮轴心转动另一方面又沿导轨作预期的往复移动推杆尖顶在这种复合运动中的运动轨迹即为凸轮轮廓曲线,-,33,依据此原理可以用几何作图的方法设计凸轮的轮廓曲线.,给整个凸轮机构施以-时，不影响各构件之间的相对运动，此时，凸轮将静止，而从动件尖顶复合运动的轨迹即凸轮的轮廓曲线。,二、图解法的方法和步骤,设计凸轮廓线的图解法是根据反转法原理作出从动件推杆尖顶在反转运动中依次占据的各位置，然后作出其高副元素所形成的曲线族；并作从动件高副元素所形成的曲线族的包络线，即是所求的凸轮轮廓曲线。,1、对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构设计要求：已知凸轮的基圆半径为rb,凸轮沿逆时针方向等速回转。而推杆的运动规律如图所示。试设计该对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。,-,36,设计步骤小结：,选比例尺l作基圆rb。,反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。,确定反转后从动件尖顶在各等份点的位置。,将各尖顶点连接成一条光滑曲线。,1、对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构,2、对心直动滚子从动件盘形凸轮机构已知条件:凸轮的基圆半径为rb,滚子半径rr,凸轮沿逆时针方向等速回转。推杆的运动规律如图所示。试设计对心直动滚子从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。,-,39,2、对心直动滚子从动件盘形凸轮机构,理论轮廓(pitchcurve),实际轮廓Camprofile,作各位置滚子圆的内(外)包络线。,3、对心直动平底从动件盘形凸轮机构已知条件:凸轮的基圆半径为rb,凸轮沿逆时针方向等速回转。推杆的运动规律如图所示。试设计对心直动平底从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。,-,42,3、对心直动平底从动件盘形凸轮机构,作平底直线族的内包络线。,4、偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构已知条件:已知凸轮的基圆半径为rb,凸轮沿逆时针方向等速回转。而推杆的运动规律已知，已知偏距e。,从动画中看，从动件在反转运动中依次占据的位置将不在是以凸轮回转中心作出的径向线,而是始终与O保持一偏距e的直线,因此若以凸轮回转中心O为圆心，以偏距e为半径作圆（称为偏距圆）,则从动件在反转运动中依次占据的位置必然都是偏距圆的切线,(图中K1B1、K2B2)从动件的位移(B1B1B2B2)也应沿切线量取。然后将B1B2B3等点用光滑的曲线连接起来，既得偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓。,-,45,4、偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构,-,46,4盘型凸轮机构基本尺寸的确定,一、作用力与尺寸参数的关系,图示为盘状凸轮机构的推杆在推程中的受力情况。P为凸轮对推杆的作用力；Q为推杆所受载荷；R1R2为导轨作用在推杆上的反力；12为摩擦角。,根据瞬时力平衡条件可得:,由以上三式消去R1和R2，整理得,为改善受力情况，应尽量增大等式右边的分母。,1.压力角,凸轮机构从动件作用力的方向线与从动件上力作用点的速度方向之间所夹的锐角，用表示。,压力角与作用力以及机构尺寸的关系将凸轮对从动件的作用力F分解为F1和F2。F2为有效分力，F1为有害分力，当压力角越大，有害分力F1越大，如果压力角增大，有害分力所引起的摩擦阻力也将增大，摩擦功耗增大，效率降低。,F1=FsinF2=Fcos,2.自锁现象,当压力角越大，有害分力F1越大,有效分力F2越小,使得机构的受力情况越差,传动效率越低.当压力角增大到一定值时,有害分力F1所引起的摩擦阻力将大于有效分力F2,出现F2，容易引起自锁,所以rb不能过小,在满足许用压力角和强度要求的条件下,一般尽可能的确定较小的凸轮基圆半径.（滚子从动件基圆半径？）,偏距大小受从动件地偏置方式的影响,包括凸轮转动方向.从动件相对凸轮的偏置方向及推程或回程等因素.,上式中“+”用于导路和瞬心位于凸轮回转中心的两侧；“-”用于导路和瞬心位于凸轮回转中心的同侧；显然，导路和瞬心位于中心同侧时，压力角将减小。,正确偏置：导路位于与凸轮旋转方向相反的位置。,错误偏置,正确偏置,注意：用偏置法可减小推程压力角，但同时增大了回程压力角，故偏距e不能太大。,三、滚子半径的选取,理论廓线的曲率半径：实际廓线的曲率半径：a滚子半径：rr,内凹轮廓,滚子从动件凸轮的实际廓线，是以理论廓线上各点为圆心作一系列滚子圆，然后作滚子该圆族的包络线得到的。因此凸轮实际廓线的形状还受滚子半径rr大小的影响。,外凸轮廓：a=-rr,结论：外凸的凸轮轮廓曲线,应使滚子半径rr理论廓线的最小曲率半径min，通常取rr0.8min。另外滚子半径还受强度、结构等的限制，因而也不能做得太小，通常取滚子半径rr=0.4rb。,-,57,四、平底长度的确定,图示为平底移动从动件凸轮机构。为保证平底