凸轮机构及其设计分解.ppt

第9章凸轮机构及其设计,91凸轮机构的应用和分类,凸轮：具有曲线轮廓或凹槽的构件推杆：被凸轮直接推动的构件应用：在工业生产中得到广泛的应用，尤其是自动机械和自动控制装置中。,凸轮机构在机械加工中应用,凸轮机构实现转位,圆柱凸轮机构在机械加工中的应用,结构：三个构件、盘(柱)状曲线轮廓、从动件呈杆状。,作用：将连续回转=从动件直线移动或摆动。,优点：可精确实现任意运动规律，简单紧凑。,缺点：高副，线接触，易磨损，传力不大。,应用：内燃机、自动生产线、配钥匙机等。,分类：1)按凸轮形状分：盘形、移动、圆柱凸轮(端面)。,2)按推杆形状分：尖顶、滚子、平底从动件。,特点：尖顶构造简单、易磨损、用于仪表机构；,滚子磨损小，应用广；,平底受力好、润滑好，用于高速传动。,实例,3).按推杆运动分：直动(对心、偏置)、摆动,4).按保持接触方式分：力封闭（重力、弹簧等）,内燃机气门机构,机床进给机构,几何形状封闭(凹槽、等宽、等径、主回凸轮),r1+r2=const,等宽凸轮,作者：潘存云教授,主回凸轮,设计：潘存云,绕线机构,应用实例：,设计：潘存云,设计：潘存云,送料机构,92推杆的运动规律,设计：潘存云,凸轮机构设计的基本任务:1)根据工作要求选定凸轮机构的形式;,名词术语：,凸轮运动:推程-远休-回程-近休,基圆、,推程运动角、,基圆半径、,推程、,远休止角、,回程运动角、,回程、,近休止角、,行程。一个循环,而根据工作要求选定推杆运动规律，是设计凸轮轮廓曲线的前提。,2)推杆运动规律;,3)合理确定结构尺寸;,4)设计轮廓曲线。,偏距:凸轮回转中心与从动件导路间的偏置距离。,设计：潘存云,运动规律：推杆在推程或回程时，其位移S2、速度V2、和加速度a2随时间t的变化规律。,形式：多项式、三角函数。,S2=S2(t)V2=V2(t)a2=a2(t),边界条件：凸轮转过推程运动角t从动件上升h,一、多项式运动规律,一般表达式：s2=C0+C11+C221+Cnn1(1),求一阶导数得速度方程：v2=ds2/dt,求二阶导数得加速度方程：a2=dv2/dt=2C221+6C3211+n(n-1)Cn21n-21,其中：1凸轮转角，d1/dt=1凸轮角速度,Ci待定系数。,=C11+2C211+nCn1n-11,凸轮转过回程运动角h从动件下降h,在推程起始点：1=0，s2=0,代入得：C00，C1h/t,推程运动方程：s2h1/t,v2h1/t,在推程终止点：1=t，s2=h,刚性冲击,s2=C0+C11+C221+Cnn1,v2=C1+2C21+nCn1n-11,a2=2C221+6C3211+n(n-1)Cn21n-21,a20,1.一次多项式（等速运动）运动规律,在回程起始点：1=0，s2=h,在回程终止点：1=h，s2=0,同理得回程运动方程：s2h(1-1/h),v2-h1/h,a20,刚性冲击,2.二次多项式（等加等减速）运动规律,位移曲线为一抛物线。加、减速各占一半。,(1)推程加速上升段边界条件：,起始点：1=0，s2=0，v20,中间点：1=t/2，s2=h/2,求得：C00，C10，C22h/2t,加速段推程运动方程为：,s22h21/2t,v24h11/2t,a24h21/2t,设计：潘存云,(2)推程减速上升段边界条件：,终止点：1=t，s2=h，v20,中间点：1=t/2，s2=h/2,求得：C0h，C14h/t，C2-2h/2t,减速段推程运动方程为：,s2h-2h(t1)2/2t,v2-4h1(t-1)/2t,a2-4h21/2t,柔性冲击,3.五次多项式运动规律,位移方程：s2=10h(1/t)315h(1/t)4+6h(1/t)5,s2,v2,a2,无冲击，适用于高速凸轮。,设计：潘存云,二、三角函数运动规律,1.余弦加速度(简谐)运动规律,推程：s2h1-cos(1/t)/2,v2h1sin(1/t)1/2t,a22h21cos(1/t)/22t,回程：s2h1cos(1/h)/2,v2-h1sin(1/h)1/2h,a2-2h21cos(1/h)/22h,在起始和终止处理论上a2为有限值，产生柔性冲击。,2.正弦加速度（摆线）运动规律,无冲击,设计：潘存云,正弦改进等速,三、改进型运动规律,将几种运动规律组合，以改善运动特性。,推杆运动规律的选择原则：1.首先需满足机器的工作要求，2.同时还应使凸轮机构具有良好的动力特性,3.使所设计的凸轮便于加工，等等。例：1.无特定要求，只要求推杆完成行程h或角行程。P263图9.132.对推杆的运动规律有确定的要求3.高速，要考虑冲击。,93凸轮轮廓曲线的设计,凸轮轮廓曲线的设计方法:作图法和解析法无论采用何种方法，所依据的基本原理都是反转法。,1.给整个凸轮机构加上一个公共角速度-,使其绕轴心o转动2.这时凸轮与推杆之间的相对运动(相对位置)并未改变3.这时凸轮将静止不动4.推杆与其导轨以-绕轴心o转动5.推杆在导轨内作预期的往复移动。推杆在这种复合运动中，其尖顶的运动轨迹即为凸轮轮廓曲线。注意明确：凸轮机构反转时，凸轮与从动件间相对位置不改变，相对运动不改变。,一、凸轮廓线设计方法的基本原理,反转法原理：,设计：潘存云,依据此原理可以用几何作图的方法设计凸轮的轮廓曲线,设计：潘存云,对心直动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径r0，角速度1和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,设计步骤小结：,选比例尺l作基圆r0。,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,作图法,特点：推杆的移动方向始终与偏心圆相切,2.偏置直动尖顶从动件盘形凸轮,设计：潘存云,偏置直动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径r0，角速度1和从动件的运动规律和偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。,2.偏置直动尖顶从动件盘形凸轮,理论轮廓：滚子中心的运动轨迹为凸轮的理论轮廓。工作轮廓：以理论轮廓上各点为圆心，以滚子半径为半径的圆族的包络线，即为滚子从动件凸轮的工作轮廓，或称实际轮廓。,3.滚子直动从动件盘形凸轮,设计：潘存云,理论轮廓,实际轮廓,作各位置滚子圆的内(外)包络线。,3.滚子直动从动件盘形凸轮,滚子直动从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径r0，角速度1和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,特点：平底始终与凸轮相切,4.对心直动平底从动件盘形凸轮,设计：潘存云,对心直动平底从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径r0，角速度1和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,作平底直线族的内包络线。,4.对心直动平底从动件盘形凸轮,对比：直动推杆：位移s、行程h摆动推杆：角位移，角行程摆动推杆角位移方程式：=F(),5、摆动从动件盘形凸轮机构,设计：潘存云,摆动从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径r0，角速度1，摆杆长度l以及摆杆回转中心与凸轮回转中心的距离d，摆杆角位移方程，设计该凸轮轮廓曲线。,5、摆动从动件盘形凸轮机构,二、解析法设计凸轮的轮廓曲线,1.偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构,2.对心平底推杆盘形凸轮机构,3.摆动滚子推杆盘形凸轮机构,94凸轮机构基本尺寸的确定,设计：潘存云,设计凸轮机构时，除了要求从动件能实现预期的运动规律外，还希望凸轮机构结构紧凑，受力情况良好。而这与压力角有很大关系。,定义：推杆上B点所受正压力与B点速度方向间所夹的锐角,F，Ff,若大到一定程度时，会有：,机构发生自锁。,一、凸轮机构中的作用力和凸轮机构的压力角,压力角与作用力的关系,不考虑摩擦时，作用力沿法线方向。,F-有用分力,沿导路方向,F-有害分力，垂直于导路,F=Ftg,F一定时，,FfF,为了保证凸轮机构正常工作，要求：,0。,对于直动从动件盘形凸轮机构，为了改善其传力性能或减小凸轮尺寸，经常采用下图中的偏置凸轮机构。推程时凸轮与推杆的相对瞬心和推杆的偏置方向位于凸轮轴心的同一侧。此时e0，压力角减小，改善机构受力。正偏置直动推杆凸轮机构与对心直动推杆凸轮机构相比，推程段压力角减小了。,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。,对于直动推杆盘形凸轮机构，如果限定推程，则得到:,由上式计算得的基圆半径随凸轮廓线上各点的ds/d、s值的不同而不同。在实际设计工作中，凸轮基圆半径r0的确定，不仅要受到max的限制，还要考虑到凸轮的结构及强度的要求等。因为根据max的条件所确定的凸轮基圆半径一般都比较小，所以，在实际设计工作中，凸轮基圆半径是根据具体结构条件来选择的，必要时再检查所设计的凸轮机构是否满足max的要求。见P165的说明。,设计：潘存云,提问：对于平底推杆凸轮机构：？,0,设计：潘存云,a工作轮廓的曲率半径，理论轮廓的曲率半径，rr滚子半径,rr,arT,轮廓正常,外凸,凸轮工作廓线的最小曲率半径min一般不应小于15mm。如果不能满足此要求时，就应1.适当增大基圆半径2.适当减小滚子半径；3.有时必须修改推杆的运动规律，使凸轮工作廓线上出现尖点的地方代以合适的曲线。由于强度、结构原因，滚子半径rr不能太小。通常取滚子半径rr=（0.10.5)r0。(r0为基圆半径),平底尺寸的确定：推杆平底中心E至推杆平底与凸轮廓线的接触点间的最大距离BE=lmax推杆平底长度：l=2lmax+(57)mm,设计：潘存云,对平底推杆凸轮机构，也有失真现象。,解决失真现象：增大基圆半径r0。,凸轮基圆半径的确定，不但与结构尺寸有关，还影响到压力角，以及凸轮实际廓线的变尖与失真问题。在结构尺寸许可的条件下，应尽可能取较大的基圆半径，这样可以改善凸轮机构的传力性能，避免自锁和失真现象的发生。,本章重点：1、从动件常用运动规律及其特点；2、反转法设计凸轮轮廓的基本原理已知从动件运动规律，设计凸轮轮廓曲线；3、凸轮机构基本尺寸的确定及其相互关系。,例题:如图所示凸轮机构，凸轮逆时针运转，用作图法求1.理论廓线、基圆，偏距圆；2.从动件推程h；3.升程角0，回程角0，远休止角01，近休止角024.推杆运动到最高点的压力角5.凸轮转过300位置压力角1要求写出作图步骤，保留作图线,h,0,0,例题:如图所示凸轮机构，凸轮逆时针