第八章凸轮机构及其设计1.ppt

第九章凸轮机构及其设计,9-1凸轮机构的应用和分类,9-2推杆的运动规律,9-3凸轮轮廓曲线的设计,9-4凸轮机构基本尺寸的确定,9-1凸轮机构的应用和分类,1凸轮机构的应用,（1）实例,内燃机配气凸轮机构,自动机床进刀机构,自动机床凸轮机构,（2）特点,适当的设计凸轮廓线可实现各种运动规律，结构简单，紧凑；但易磨损，传力不大。应用：各种机械，特别是自动机械、自动控制装置和装配生产线中。,工程中用以实现机械化和自动化的一种常用机构。,1-圆柱凸轮2-直动从动件3-毛坯,这种自动送料凸轮机构，能够完成输送毛坯到达预期位置的功能，但对毛坯在移动过程中的运动没有特殊的要求,9-1凸轮机构的应用和分类,绕线机构,这种凸轮在运动中能推动摆动从动件2实现均匀缠绕线绳的运动学要求。,9-1凸轮机构的应用和分类,靠模车削机构,9-1凸轮机构的应用和分类,9-1凸轮机构的应用和分类,9-1凸轮机构的应用和分类,凸轮机构,凸轮1,从动件2,机架3,三个基本构件组成的高副机构,具有曲线轮廓或凹槽的构件。,由凸轮直接推动的构件。又称推杆。,当凸轮运动时，通过其上的曲线轮廓与从动件的高副接触。若凸轮轮廓曲线或凹槽曲线按从动件的预期运动规律设计而成，可获得预期的运动。,组成：,9-1凸轮机构的应用和分类,盘形凸轮Platecam,移动凸轮Wedgecam,(1)按凸轮的形状分,可视为盘形凸轮的回转轴心处于无穷远处时演化而成的,结构简单，易于加工。应用最为广泛,9-1凸轮机构的应用和分类,2凸轮机构的分类,圆柱凸轮Cylindricalcam,空间凸轮机构,可使从动件获得大的工作行程又不致过于庞大。,9-1凸轮机构的应用和分类,(2)按推杆的形状分,尖顶从动件Knife-edgefollower,滚子从动件Rollerfollower,构造简单、易磨损、用于仪表机构。,磨损小，应用广。,9-1凸轮机构的应用和分类,平底从动件Flat-facefollower,受力好、润滑好，用于高速传动。,9-1凸轮机构的应用和分类,()按推杆的运动形式分,摆动从动件Oscillatingfollower,移动从动件Reciprocatingfollower,9-1凸轮机构的应用和分类,据导路与回转中心的相对位置,对心式偏置式,移动从动件,9-1凸轮机构的应用和分类,(4)按凸轮与从动件维持高副接触(封闭)的方式分,力封闭型凸轮机构Force-closedcams,弹簧力封闭Force-closedbypreloadedspring,重力封闭Force-closedbygravity,从动件与凸轮保持接触的方式，保持运动不失真。,9-1凸轮机构的应用和分类,形封闭型凸轮机构Form-closedcams,凹槽凸轮机构Plate-groovecammechanism,等宽凸轮机构Constant-breadthcammechanism,利用凸轮与从动件的特殊几何形状和尺寸,9-1凸轮机构的应用和分类,等径凸轮机构Conjugateyokeradialcammechanism,r1+r2=const,过凸轮轴心O所作任一径向线上与凸轮相接触的两滚子中心间的距离处处相等。,9-1凸轮机构的应用和分类,共轭凸轮机构（主回）Conjugatecammechanism,主凸轮1推动从动件完成沿逆时针方向正行程的摆动，另一个凸轮1/推动完成沿顺时针方向的反行程的摆动。这种凸轮机构又称为主回凸轮机构,9-1凸轮机构的应用和分类,总结：,（1）按凸轮的形状分,1）盘形凸轮（移动凸轮）,2）圆柱凸轮,（2）按推杆形状及运动形式分,1）尖顶推杆、滚子推杆和平底推杆,2）对心直动推杆、偏置直动推杆和摆动推杆,（3）按保持高副接触方法分,1）力封闭的凸轮机构,2）几何封闭的凸轮机构,9-1凸轮机构的应用和分类,9-1凸轮机构的应用和分类,不同类型的凸轮与从动件组合：尖顶直动从动件对心盘状凸轮机构滚子直动从动件偏置盘状凸轮机构等,（最基本类型）,本章重点：以基本类型为重点研究，找出凸轮设计的基本方法。,9-1凸轮机构的应用和分类,9-2推杆的运动规律,基圆基圆半径r0,推程推程运动角0,远休远休止角01,回程回程运动角0,近休近休止角02,行程h,ss(t)s()vv(t)v()aa(t)a(),1名词术语及符号,推杆运动规律：推杆在推程或回程时，其位移S、速度V和加速度a随时间t的变化规律。,2推杆常用的运动规律,（1）多项式运动规律,推程时：s=h/0,在始末两瞬时有刚性冲击。,1）一次多项式运动规律（等速运动规律）,推杆的多项式运动规律的一般表达式为：,s=C0+C1+C22+Cnn,式中为凸轮转角；s为推杆位移；C0，C1，C2，Cn为待定系数，可利用边界条件等来确定。,9-2推杆的运动规律,推杆等加速推程段：s=2h2/02,推杆等减速推程段：s=h2h(0)2/02,在始、中、末三瞬时有柔性冲击。,2）二次多项式运动规律（等加速等减速或抛物线运动规律）,9-2推杆的运动规律,9-2推杆的运动规律,s10h3/0315h4/046h5/05,既无刚性冲击，又无柔性冲击。,3）五次多项式运动规律（3-4-5多项式运动规律）,对于多项式运动规律，其多项式中待定系数的数目应与边界条件的数目相等，其数目多少应根据工作要求来确定。但当边界条件增多时，会使设计计算复杂，加工精度也难以达到，故通常不宜采用太高次数的多项式。,说明,（2）三角函数运动规律,推程时：sh1cos(/0)/2,在始、末两瞬时有柔性冲击。,1）余弦加速度运动规律（简谐运动规律）,9-2推杆的运动规律,推程时：sh(/0)sin(2/0)/(2),2）正弦加速度运动规律（摆线运动规律）,9-2推杆的运动规律,既无刚性冲击，又无柔性冲击。,当滚圆沿纵坐标一作匀速纯滚动时，圆周上一点的轨迹为一摆线。此时，该点在纵坐标上的投影随时间变化的规律称为摆线运动规律。,9-2推杆的运动规律,组合原则要保证在衔接点上运动参数保持连续；在运动的始末处满足边界条件。,（3）组合型运动规律,3推杆的运动规律的选择,1）机器的工作过程只要求凸轮转过角度0时，推杆完成一个行程h或角行程，而对其运动规律并未作严格要求。,在此情况下，可考虑采用圆弧、直线或其他简单曲线为凸轮廓线。,例主令开关中的凸轮机构,2）机器的工作过程对推杆的运动规律有完全确定的要求。,此时只能根据工作所需要的运动规律来设计。,3）对于速度较高的凸轮机构，还应考虑该种运动规律的速度最大值vmax、加速度最大值amax和跃度的最大值jmax等。,（表9-1）,9-2推杆的运动规律,衡量运动特性的主要指标：,1、最大速度最大速度值越大，则从动件系统的动量也大。若机构在工作中遇到需要紧急停车的情况，由于从动件系统动量过大，会出现操控失灵，造成机构损坏等安全事故。因此希望从动件运动速度的最大值越小越好。,9-2推杆的运动规律,2、最大加速度最大加速度值的大小，会直接影响从动件系统的惯性力，从动件与凸轮廓线的接触应力，从动件的强度等。因此希望从动件在运动过程中的加速度最大值越小越好。,3、运动规律的高阶导数运动规律的高阶导数是否连续也是衡量运动规律特性的主要指标。研究表明，为有效改善凸轮机构的动力学特性，减小系统的残余振动，应选取跃度连续的运动规律进行凸轮廓线设计。,9-2推杆的运动规律,无论是采用作图法还是解析法设计凸轮廓线，所依据的基本原理都是反转法原理。,9-3凸轮轮廓曲线的设计,1凸轮廓线设计的基本原理,当根据凸轮机构的工作要求和结构条件选定了其机构的型式、基本尺寸、推杆的运动规律和凸轮的转向之后，就可以进行凸轮轮廓曲线的设计了。,凸轮廓线设计的方法：,作图法和解析法,偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构,9-3凸轮轮廓曲线的设计,当给整个凸轮机构加一个公共角速度，使其绕凸轮轴心转动时，,凸轮将静止不动，而推杆则一方面随其导轨作反转运动，另一方面又沿导轨作预期的往复运动。,推杆在这种复合运动中，其尖顶的运动轨迹即为凸轮的轮廓曲线。,（1）凸轮的轮廓曲线与推杆的相对运动关系,在设计凸轮廓线时，可假设凸轮静止不动，而其推杆相对凸轮作反转运动，同时又在其导轨内作预期运动，,作出推杆在这种复合运动中的一系列位置，则其尖顶的轨迹就是所要求的凸轮廓线。,这就是凸轮廓线设计方法的反转法原理。,2用作图法设计凸轮廓线,（1）直动推杆盘形凸轮廓线的设计,结论尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计是滚子推杆和平底推杆盘形凸轮廓线设计的基本问题及方法。,（2）凸轮廓线设计方法的基本原理,1）偏置直动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计,2）偏置直动滚子推杆盘形凸轮廓线的设计,3）对心直动平底推杆盘形凸轮廓线的设计,9-3凸轮轮廓曲线的设计,（2）摆动推杆盘形凸轮廓线的设计,1）摆动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计,2）摆动滚子推杆盘形凸轮廓线的设计,3）摆动平底推杆盘形凸轮廓线的设计,总结对于滚子推杆（或平底推杆）的盘形凸轮廓线的设计，只要先将其滚子中心点（或推杆平底与其导路中心线的交点）视为尖顶推杆的尖顶，就可用尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计方法来确定出凸轮理论廓线上各点的位置；然后再以这些点为圆心作出一系列滚子圆（或过这些点作一系列平底推杆的平底线），再作出此圆族（或直线族）的包络线。即得所设计凸轮的工作廓线。,9-3凸轮轮廓曲线的设计,结论摆动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计方法与直动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计方法基本类似，所不同的是推杆的预期运动规律及作图设计中都要用到推杆的角位移表示，即将直动推杆的各位移方程中的位移s改为角位移,行程h改为角行程，就可用来求摆动推杆的角位移了。,（3）直动推杆圆柱凸轮廓线的设计,9-3凸轮轮廓曲线的设计,作图法的特点概念清晰，简便易行；误差大、效率低。解析法的特点计算精度高、速度快，适合凸轮在数控机床上加工。解析法设计的关键问题将凸轮廓线表示为数学方程，这一过程称为建立数学模型。,9-3凸轮轮廓曲线的设计,3用解析法设计凸轮的轮廓曲线,用解析法设计凸轮廓线，就是根据工作所要求的推杆运动规律和已知的机构参数，求凸轮廓线的方程式，并精确地计算出凸轮廓线上各点的坐标值。,（1）偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构,（2）对心直动平底推杆盘形凸轮机构,（3）摆动滚子推杆盘形凸轮机构,9-3凸轮轮廓曲线的设计,9-4凸轮机构基本尺寸的确定,1凸轮机构的压力角,（2）凸轮机构的压力角,FG/cos(+1)(1+2b/l)sin(+1)tan2,若大至使F增至无穷大时，机构将发生自锁。,凸轮机构的压力角是指推杆所受正压力的方向与推杆上点B的速度方向之间所夹的锐角，,它是影响凸轮机构受力情况的一个重要参数。,常以表示。,在其他情况不变的情况下，愈大，F愈大，,此时机构的压力角称为临界压力角c，,即carctan1/(12b/l)tan21,（1）凸轮机构中的作用力,为保证凸轮机构能正常运转，应使其最大压力角max小于临界压力角c，,增大l，,减小b，,可以使c值提高。,通常规定：凸轮机构的最大压力角max应小于某一许用压力角，,生产实际中，为了提高机构的效率，改善其受力情况，,许用压力角的一般取值为,推程时：,直动推杆30,摆动推杆3545,回程时：,7080,9-4凸轮机构基本尺寸的确定,2凸轮基圆半径的确定,tan(ds/d)e/（r02e2)1/2s,在偏距一定，推杆的运动规律已知的条件下，,可减小压力角，,加大基圆半径r0，,从而改善机构的传力特性，,但机构的尺寸会增大。,（2）凸轮基圆半径的确定,凸轮基圆半径的确定的原则是：应在满足max的条件下，合理地确定凸轮的基圆半径，使凸轮机构的尺寸不至过大。,先按满足推程压力角的条件来确定基圆半径r0，,用上式计算得r0随凸轮廓线上各点的ds/d、s值的不同而不同，,故需确定r0的极大值，即为凸轮基圆半径的最小半径值。,（1）凸轮机构的压力角与基圆半径的关系,9-4凸轮机构基本尺寸的确定,还要考虑满足凸轮的结构及强度的要求：,当凸轮和轴做成一体时，凸轮工作廓线的最小半径应略大于轴的半径。,当凸轮和轴单独制作时，凸轮上要作出轮毂，此时凸轮工作廓线的最小半径应略大于轮毂的外径。可取凸轮工作廓线的最小直径等于或大于轴径的（1.62）倍。,9-4凸轮机构基本尺寸的确定,9-4凸轮机构基本尺寸的确定,显然，导路和瞬心位于中心同侧时，压力角将减小。,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。,正确偏置：导路位于与凸轮旋转方向相反的位置。,正确偏置,错误偏置,9-4凸轮机构基本尺寸的确定,当采用滚子从动件时，其滚子半径rr的大小不仅与其本身的结构和强度等有关，还受到凸轮廓线形状的限制。下面分析二者之间的关系。,9-4凸轮机构基本尺寸的确定,3滚子推杆滚子半径的选择,（1）凸轮轮廓曲线与滚子半径的关系,则arr。,此时，无论滚子半径大小如何，凸轮的工作廓线总是可以平滑地作出来的。,则arr。,若rr时，,则a0，即工作廓线出现变尖现象。,若rr时，,则a0，即工作廓线出现交叉，推杆运动规律出现失真现象。,1）当凸轮理论廓线内凹时，,2）当凸轮理论廓线外凸时，,9-4凸轮机构基本尺寸的确定,（2）滚子半径的选择,首先，应使滚子半径rr小于理论廓线的最小曲率半径min。,而min的大小则可用解析法或作图法确定。,其次，要求凸轮工作廓线的最小曲率半径amin一般不应小于15mm。,若不满足此要求时，就应增大r0，或减小rr，或修改s()，或使其工作廓线出现尖点的地方代以合适曲线。,此外，滚子半径受其强度、结构限制而不能太小。一般应取rr(0.10.5)r0,9-4凸轮机构基本尺寸的确定,4平底推杆平底尺寸的确定,l2lmax(57)mm（a）,1）用作图法确定：,2）用计算公式确定：,l2|ds/d|max(57)mm（b）,当平底推杆凸轮机构出现失真现象时，可适当增大凸轮的基圆半径r0来消除失真现象。,（1）平底长度的确定,（2）平底推杆凸轮机构的失真现象,9-4凸轮机构基本尺寸的确定,9-4凸轮机构基本尺寸的确定,总结：,（1）压力角1）定义2）在其他条件相同的情况下，越大，推杆所受作用力F越大，当C时，机构自锁。在生产实际中，规定max。（2）基圆半径1）对