《凸轮机构设计》 (2)ppt课件

1、第第4 4章章 凸轮机构设计凸轮机构设计4 41 1 凸轮机构的运用和分类凸轮机构的运用和分类4 42 2 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律4 43 3 盘状凸轮轮廓的设计盘状凸轮轮廓的设计4 44 4 设计凸轮机构应留意的问题设计凸轮机构应留意的问题凸轮机构由凸轮、从动件、机架三个根本构件组成的高副机构。凸轮机构由凸轮、从动件、机架三个根本构件组成的高副机构。机架机架从动件从动件滚子滚子凸轮凸轮一、凸轮机构的组成及其特点一、凸轮机构的组成及其特点4 41 1 凸轮机构的运用和分类凸轮机构的运用和分类组成：三个构件、盘组成：三个构件、盘(柱柱)状曲线轮廓、从动件呈杆状。状曲线轮廓、从动

2、件呈杆状。作用：将延续回转作用：将延续回转 = 从动件直线挪动或摆动。从动件直线挪动或摆动。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通常作凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通常作延续等速转动，从动件那么在凸轮轮廓的控制下延续等速转动，从动件那么在凸轮轮廓的控制下按预定的运动规律作往复挪动或摆动。按预定的运动规律作往复挪动或摆动。 优点：构件少，运动链短，构造简单紧凑；易使从动优点：构件少，运动链短，构造简单紧凑；易使从动件件follower得到各种预期的运动规律。得到各种预期的运动规律。凸轮机构的特点凸轮机构的特点 缺陷：从动件与凸轮为点、线接触，故易于磨损。凸缺陷：从动件与凸轮为点、线接触，故

3、易于磨损。凸轮轮廓加工比较困难，费用较高。轮轮廓加工比较困难，费用较高。二、凸轮机构的运用二、凸轮机构的运用132送料机构送料机构多用在传送动力不大的各种自动机械、仪表及自动控制安装中。多用在传送动力不大的各种自动机械、仪表及自动控制安装中。内燃机气门机构内燃机气门机构盘形凸轮机构盘形凸轮机构在印刷机中的运用在印刷机中的运用等径凸轮机构等径凸轮机构在机械加工中的运用在机械加工中的运用运用实例：运用实例：利用分度凸轮利用分度凸轮机构实现转位机构实现转位圆柱凸轮机构在机圆柱凸轮机构在机械加工中的运用械加工中的运用三、凸轮机构的分类三、凸轮机构的分类1、按凸轮的外形分类、按凸轮的外形分类1盘形凸轮：

4、凸轮为一绕固定轴线转动且有变化向盘形凸轮：凸轮为一绕固定轴线转动且有变化向径的盘形构件。径的盘形构件。盘形凸轮机构简单，盘形凸轮机构简单，运用广泛，但限于凸运用广泛，但限于凸轮径向尺寸不能变化轮径向尺寸不能变化太大，故从动件的行太大，故从动件的行程较短。程较短。2挪动凸轮：凸轮是具有曲线轮廓、作往复直线挪动挪动凸轮：凸轮是具有曲线轮廓、作往复直线挪动 的构件，它可看成是转动轴线位于无穷的构件，它可看成是转动轴线位于无穷 远处的盘形凸轮。远处的盘形凸轮。3圆柱凸轮：凸轮是圆柱面上开有凹槽的圆柱体，可圆柱凸轮：凸轮是圆柱面上开有凹槽的圆柱体，可 看成是绕卷在圆柱体上的挪动凸轮，利看成是绕卷在圆柱体

5、上的挪动凸轮，利 用它可使从动件得到较大的行程。用它可使从动件得到较大的行程。盘形凸轮和挪动凸轮与从动件的运动均在同一平面内，盘形凸轮和挪动凸轮与从动件的运动均在同一平面内，所以又称为平面凸轮机构；而圆柱凸轮与从动件的运动所以又称为平面凸轮机构；而圆柱凸轮与从动件的运动均不在同一平面内，所以又称为空间凸轮机构。均不在同一平面内，所以又称为空间凸轮机构。2、按从动件运动副元素外形分类、按从动件运动副元素外形分类1尖顶从动件：从动件的端部呈尖点，特点是能与尖顶从动件：从动件的端部呈尖点，特点是能与任何外形的凸轮轮廓上各点相接触，因此实际上可实任何外形的凸轮轮廓上各点相接触，因此实际上可实现恣意预期

6、的运动规律。现恣意预期的运动规律。特点：特点：是研讨其他型式从动件凸轮机构的根底。构造简单，是研讨其他型式从动件凸轮机构的根底。构造简单，尖顶易磨损，只能用于轻载低速的场所，多用于仪尖顶易磨损，只能用于轻载低速的场所，多用于仪表机构。表机构。对心直动尖顶从动件对心直动尖顶从动件偏置直动尖顶从动件偏置直动尖顶从动件2滚子从动件：从动件的端部装有滚子。滚子从动件：从动件的端部装有滚子。特点：特点：从动件与凸轮之间可构成滚动摩擦，所以磨损显著减从动件与凸轮之间可构成滚动摩擦，所以磨损显著减少，能接受较大载荷，运用较广。但端部分量较大，少，能接受较大载荷，运用较广。但端部分量较大，又不易光滑，故仍不宜

7、用于高速。又不易光滑，故仍不宜用于高速。3平底从动件：从动件端部为一平底。平底从动件：从动件端部为一平底。特点：特点：假设不计摩擦，凸轮对从动件的作用力一直垂直假设不计摩擦，凸轮对从动件的作用力一直垂直于平底，传力性能良好，且凸轮与平底接触面间于平底，传力性能良好，且凸轮与平底接触面间易构成光滑油膜，摩擦磨损小、效率高，故可用易构成光滑油膜，摩擦磨损小、效率高，故可用于高速，缺陷是不能用于凸轮轮廓有内凹的情况。于高速，缺陷是不能用于凸轮轮廓有内凹的情况。 3、根据从动件的运动方式分类、根据从动件的运动方式分类1直动从动件：按其从动件导路能否经过凸轮回转中直动从动件：按其从动件导路能否经过凸轮回

8、转中 心分为对心直动从动件和偏置直动从心分为对心直动从动件和偏置直动从 动件凸轮机构。动件凸轮机构。对心直动尖顶从动件对心直动尖顶从动件偏置直动尖顶从动件偏置直动尖顶从动件2摆动从动件：从动件的运动为绕固定轴的摆动。摆动从动件：从动件的运动为绕固定轴的摆动。摆动滚子从动件摆动滚子从动件摆动尖顶从动件摆动尖顶从动件4、按凸轮高副的锁合方式分类、按凸轮高副的锁合方式分类所谓的锁合是指坚持从动件与凸轮之间的高副接触。所谓的锁合是指坚持从动件与凸轮之间的高副接触。1力锁合凸轮机构：依托力锁合凸轮机构：依托重力、弹簧力或其他外力来重力、弹簧力或其他外力来保证锁合，如内燃机配气凸保证锁合，如内燃机配气凸轮

9、机构。轮机构。2形锁合凸轮机构：依托凸轮和从动件几何外形来形锁合凸轮机构：依托凸轮和从动件几何外形来保证锁合。如凹槽、等宽、等径、共轭凸轮。保证锁合。如凹槽、等宽、等径、共轭凸轮。等宽凸轮机构等宽凸轮机构等径凸轮机构等径凸轮机构共轭凸轮机构共轭凸轮机构凸轮机构分类凸轮机构分类1. 按凸轮的外形按凸轮的外形 分类分类2. 按从动件运动副按从动件运动副元素外形分类元素外形分类3. 按从动件的运动按从动件的运动 方式分类方式分类盘形凸轮盘形凸轮挪动凸轮挪动凸轮 尖顶从尖顶从动件动件滚子从动件滚子从动件平底从动件平底从动件直动从动件直动从动件摆动从动件摆动从动件圆柱凸轮圆柱凸轮对心直动从动件对心直动从

10、动件偏置直动从动件偏置直动从动件平面凸轮机构平面凸轮机构空间凸轮机构空间凸轮机构4. 按凸轮高副的锁按凸轮高副的锁合方式分类合方式分类力锁合力锁合形锁合形锁合4 42 2 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律凸轮机构设计的根本义务凸轮机构设计的根本义务: : 1) 1)根据任务要求选定凸轮机构的方式；根据任务要求选定凸轮机构的方式；而根据任务要求选定推杆运动规律，是设计而根据任务要求选定推杆运动规律，是设计凸轮轮廓曲线的前提。凸轮轮廓曲线的前提。2)2)推杆运动规律；推杆运动规律；3)3)合理确定构造尺寸；合理确定构造尺寸；4)4)设计轮廓曲线。设计轮廓曲线。一、凸轮机构的根本术语一、凸轮

11、机构的根本术语 以尖顶从动件为对象予以引见以尖顶从动件为对象予以引见tr0 对心式尖顶从动对心式尖顶从动件盘形凸轮机构件盘形凸轮机构基圆基圆基圆基圆基圆基圆以凸轮实际轮廓最小向以凸轮实际轮廓最小向径径r0r0为半径所作的圆。为半径所作的圆。基圆半径基圆半径r0r0推程推程从动件从间隔凸轮回从动件从间隔凸轮回转中心最近位置到间隔凸轮转中心最近位置到间隔凸轮回转中心最远位置的过程，回转中心最远位置的过程，称为推程。称为推程。推程运动角推程运动角t 从动件推程从动件推程过程，对应凸轮转角称为推过程，对应凸轮转角称为推程运动角。程运动角。从动件行程从动件行程推杆在推程或回程推杆在推程或回程中挪动的间隔

12、中挪动的间隔h，亦称升距。，亦称升距。Sh S htr0 对心式尖顶从动对心式尖顶从动件盘形凸轮机构件盘形凸轮机构远休止角远休止角ss推杆在最高位置静推杆在最高位置静止不动，凸轮相应的转角。止不动，凸轮相应的转角。回程回程 从动件从间隔凸轮回转从动件从间隔凸轮回转中心最远位置到起始位置，从中心最远位置到起始位置，从动件移向凸轮轴线的行程，称动件移向凸轮轴线的行程，称为回程。对应凸轮转角为回程。对应凸轮转角h称为称为回程运动角。回程运动角。近休止角近休止角s s 推杆在最低推杆在最低位置静止不动，凸轮相应的转角位置静止不动，凸轮相应的转角。 需求阐明的是，其中两个停顿阶段能够有，也需求阐明的是，

13、其中两个停顿阶段能够有，也能够没有。因此，凸轮机构在一个运动循环中，最能够没有。因此，凸轮机构在一个运动循环中，最多只具有这四个运动阶段。多只具有这四个运动阶段。运动规律：从动件在推程或回程时，其位移运动规律：从动件在推程或回程时，其位移S2S2、速度、速度V2V2、和加速度、和加速度a2 a2 随时间随时间t t 的变化规律。的变化规律。S2=S2(t)S2=S2(t)，V2=V2(t)V2=V2(t)，a2=a2(t)a2=a2(t)二、从动件运动规律二、从动件运动规律从动件的运动规律是经过凸轮轮廓与从动件的高副从动件的运动规律是经过凸轮轮廓与从动件的高副元素的接触来实现的，凸轮的轮廓曲线

14、不同，从动元素的接触来实现的，凸轮的轮廓曲线不同，从动件的运动规律不同。从动件的运动规律完全取决于件的运动规律不同。从动件的运动规律完全取决于凸轮廓线的外形。凸轮廓线的外形。从动件运动线图：从动件位移从动件运动线图：从动件位移S2、速度、速度v2、加速度、加速度a2与凸与凸轮转角轮转角1或时间或时间t之间的对应关系曲线。之间的对应关系曲线。 111ShS tSh S tr0h 1. 等速运动一次多项式运动规律等速运动一次多项式运动规律-v0v21a21hs21t特点：存在刚性冲击特点：存在刚性冲击位置：发生在运动的位置：发生在运动的起始点和终止点起始点和终止点在推程起始点：在推程起始点：1=0

15、1=0， s2=0 s2=0代入得：代入得：C0C00 0， C1 C1h/th/t推程运动方程：推程运动方程： s2 s2 h1/t h1/t v2 h1 /t在推程终止点：在推程终止点：1=t 1=t ，s2=hs2=h同理得回程运动方程：同理得回程运动方程： s2 s2h(1-1/h )h(1-1/h )v2-h1 /ha20a2 0运用：用于低速轻载和从动件质量较小的场所。运用：用于低速轻载和从动件质量较小的场所。2. 等加速等减速运动规律抛物线运动规律等加速等减速运动规律抛物线运动规律等加速等减速运动规律是指从动件在前半推程或回程等加速等减速运动规律是指从动件在前半推程或回程h/2中

16、作等加速运动，后半推程或回程中作等加速运动，后半推程或回程h/2中中作等减速运动。通常加速度和减速度的绝对值相等。作等减速运动。通常加速度和减速度的绝对值相等。加速段推程运动方程为：加速段推程运动方程为：s2 2h12 /t2v2 4h11 /t2a2 4h12 /t2减速段推程运动方程为：减速段推程运动方程为：s2 h-2h(t 1)2/t2v2 -4h1(t-1)/t2a2 -4h12 /t2a0ABCv21h1ts2-a0a21回程等加速段的运动方程为：回程等加速段的运动方程为：s2 h-2h12/h2v2 -4h11/h2a2 -4h12/h2回程等减速段运动方程为：回程等减速段运动方

17、程为：s2 2h(h-1)2/h2v2 -4h1(h-1)/h2a2 4h12/h2特点：存在柔性冲击特点：存在柔性冲击位置：发生在运动的起始点、中间点和终止点位置：发生在运动的起始点、中间点和终止点运用：用于中、低速轻载的场所。运用：用于中、低速轻载的场所。a0ABCv21h1ts2-a0a211建立坐标系，并将横建立坐标系，并将横 坐标坐标6等分，分别记作等分，分别记作1、2、3、4、5、6，以，以o为端点为端点 作一射线并按平方关系描作一射线并按平方关系描点记为点记为1、4、9、4、1、0。 491ooov2a2方法一作图步骤：方法一作图步骤：123456 1123456410s22衔接

18、衔接O点与推程点与推程h最高点最高点c ，并过点并过点1、4、9、4、1分别作分别作其平行线，再过这些点作其平行线，再过这些点作s2轴的垂线，和过点轴的垂线，和过点1、2、3、4、5、6作作1轴的垂线相交轴的垂线相交于于1、2.c3光滑的衔接光滑的衔接o、1、2、3、4、5、6，所构成的曲线即，所构成的曲线即为从动件的位移线图。为从动件的位移线图。 1 1h/2h/21 25463方法二作图步骤：方法二作图步骤：1建立坐标系，在纵、横坐标建立坐标系，在纵、横坐标轴上将轴上将h/2和和t/2 对应分成一对应分成一样的假设干等份图中为样的假设干等份图中为3等等份，得分点份，得分点1、2、3和和1、

19、2、3。 2将将o点与点与1、2、3相连，得相连，得连线连线o1、o2、o3，和过点，和过点1、2、3点作点作1轴的垂线相交于轴的垂线相交于1、2、3。t t11s2o11a22h/t2h/t4h2/t24h2/t211v2oo3光滑的衔接光滑的衔接o、1、2、3 ，所构成的曲线即为从动件等加速所构成的曲线即为从动件等加速段的位移曲线。等减速段的曲线段的位移曲线。等减速段的曲线可用同样方法按相反的次序画出。可用同样方法按相反的次序画出。123123. .余弦加速度余弦加速度( (简谐简谐) )运动规律运动规律推程：推程： s2 s2h1-cos(1/t)/2 h1-cos(1/t)/2 v2

20、h1sin(1/t)1/2ta2 2h12 cos(1/t)/2t2 回程： s2h1cos(1/h)/2 v2-h1sin(1/h)1/2ha2-2h12 cos(1/h)/2h2在起始和终止处置论上在起始和终止处置论上a2a2为有限值，产生柔性冲击。为有限值，产生柔性冲击。运用：存在柔性冲击，运用于中速的场所。运用：存在柔性冲击，运用于中速的场所。v2oa2o123456O132456 1s2123456v2oa2o1、建立坐标系，并、建立坐标系，并将横坐标将横坐标6等分，以等分，以从动件推程从动件推程h作为直作为直径作半圆，并将其径作半圆，并将其6等分。分别记作等分。分别记作1、2、3、

21、4、5、6。 2、分别作这些等分点关、分别作这些等分点关 于于1轴和轴和s2轴的垂线，分轴的垂线，分 别两两对应相交于别两两对应相交于1、2 3、4、5、6。3、光滑的衔接、光滑的衔接1、2、3、4、5、6，所构成的曲线即为从，所构成的曲线即为从动件的位移线图。动件的位移线图。作图步骤：作图步骤：h 1 1 s21111a211v2htt. .正弦加速度摆线运动规律正弦加速度摆线运动规律推程：推程：s2s2h1/t-sin(21/t)/2 h1/t-sin(21/t)/2 v2h11-cos(21/t)/ta22h12 sin(21/t)/t2 回程： s2h1-1/h +sin(21/h)/

22、2 v2h1cos(21/h)-1/ha2-2h12 sin(21/h)/h2无冲击无冲击运用：无冲击，运用于高速重载的运用：无冲击，运用于高速重载的场所。场所。三、从动件运动规律的选择三、从动件运动规律的选择 在选择从动件的运动规律时，除要思索刚性冲击与柔性在选择从动件的运动规律时，除要思索刚性冲击与柔性冲击外，还应该思索各种运动规律的速度幅值冲击外，还应该思索各种运动规律的速度幅值 vmax 、加、加速度幅值速度幅值 amax及其影响加以分析和比较。及其影响加以分析和比较。从动件动量从动件动量mvmax从动件惯性力从动件惯性力mamax对于重载凸轮机构，应选择对于重载凸轮机构，应选择 vm

23、ax vmax值较小的运动规律；值较小的运动规律；对于高速凸轮机构，宜选择对于高速凸轮机构，宜选择 amax amax值较小的运动规律。值较小的运动规律。vmaxamax低速轻负荷低速轻负荷中速轻负荷中速轻负荷中低速中负荷中低速中负荷中高速轻负荷中高速轻负荷高速中负荷高速中负荷低速重负荷低速重负荷中高速重负荷中高速重负荷高速轻负荷高速轻负荷假设干种从动件运动规律特性比较假设干种从动件运动规律特性比较运动规律运动规律)/(tmaxw whv)/(2t2maxw wha冲冲 击击运用场所运用场所等速等速等加速等减速等加速等减速余弦加速度余弦加速度正弦加速度正弦加速度3-4-53-4-5多项式多项式

24、改良型等速改良型等速改良型正弦加速度改良型正弦加速度改良型梯形加速度改良型梯形加速度刚刚 性性柔柔 性性柔柔 性性4.004.936.285.778.385.534.891.002.001.572.001.881.331.762.00凸轮上的察看结果凸轮上的察看结果机架上的察看结果机架上的察看结果4 43 3 盘状凸轮轮廓的设计盘状凸轮轮廓的设计一、凸轮廓线设计方法的根本原理一、凸轮廓线设计方法的根本原理反转原理：反转原理：根据此原理可以用几何作图根据此原理可以用几何作图的方法设计凸轮的轮廓曲线。的方法设计凸轮的轮廓曲线。 给整个凸轮机构施以给整个凸轮机构施以-时，不影响各构件之间时，不影响各

25、构件之间的相对运动，此时，凸轮将静止，而从动件尖顶复合的相对运动，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。运动的轨迹即凸轮的轮廓曲线。O O - -3 31 12 23 33 31 11 12 22 2反转前反转前反转后反转后机架机架凸轮凸轮从动件从动件不动不动不动不动w w转动转动- w转动S挪动挪动S挪动挪动- w转动r0 r0 A1A2A3A4S2r0 A2A3A1A4S3S4r0 A2A3A1A4r0 A1A2A3 A4r0 A1A2A3 A4- r0 A1A2A3 A4- - - - A1A2A3 A4r0 1 2 3 4 5 6 7 8 910- - 1 21

26、03456789475813269101 23tS4789651011S20SS thh知从动件运动规律、凸轮转向、知从动件运动规律、凸轮转向、基圆半径，设计该凸轮轮廓曲基圆半径，设计该凸轮轮廓曲线。线。设计步骤：设计步骤：a. 选定比例尺，绘制从动件的位移线图和凸选定比例尺，绘制从动件的位移线图和凸轮的基圆，标出轮的基圆，标出方向，并按此方向分割方向，并按此方向分割出出t 、s 、h和和s；c. 过位移线图中等分点作过位移线图中等分点作y轴平行线交位移轴平行线交位移线图于线图于i 点，过基圆上等分点作射线；点，过基圆上等分点作射线；反转中导道路反转中导道路d. 在射线上度量出相应推杆的位移，

27、在射线上度量出相应推杆的位移，得尖顶轨迹点得尖顶轨迹点i ；f. 光滑衔接光滑衔接i得凸轮廓线。得凸轮廓线。b. 在基圆与位移线图共同将在基圆与位移线图共同将t 和和h 进展进展n等分，并标注等分点；等分，并标注等分点；二、对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计二、对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计三、对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计三、对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计 1、分析、分析r0- - t794581326101 2347895106r0- - t794581326101 2347895106实践廓线实践廓线实际廓线实际廓线2、设计、设计留意：留意：1实际轮廓与实践轮廓互为等

28、距曲线；实际轮廓与实践轮廓互为等距曲线； 2凸轮的基圆半径为实际廓线的最小向径；凸轮的基圆半径为实际廓线的最小向径；3先求实际廓线，后作包络线，得实践廓线。先求实际廓线，后作包络线，得实践廓线。包络线包络线1、分析、分析 尖顶轨迹线尖顶轨迹线四、对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓的设计四、对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓的设计1 23478951062、设计、设计实际廓线实际廓线79458132610r0- - ta.将基圆沿将基圆沿-方向将方向将t和和h 与位与位移线图进展对应等分；移线图进展对应等分；c. 光滑衔接光滑衔接i 得凸轮实际廓线；得凸轮实际廓线；b.过等分点作射线；在射线上过等分点作

29、射线；在射线上度量出相应推杆的位移，得尖度量出相应推杆的位移，得尖顶轨迹点顶轨迹点i ；设计步骤：设计步骤： d. 作平底线，得其包络线作平底线，得其包络线实践廓线。实践廓线。4 44 4 设计凸轮机构应留意的问题设计凸轮机构应留意的问题一、凸轮机构的压力角与自锁一、凸轮机构的压力角与自锁OB11定义：正压力与推杆上力作用点定义：正压力与推杆上力作用点B速度方向间的夹角速度方向间的夹角 F F，假设假设大到一定程度时，会有：大到一定程度时，会有：机构发生自锁。机构发生自锁。nn不思索摩擦时，作用力沿法线方向。不思索摩擦时，作用力沿法线方向。FFFF-有用分力有用分力, 沿导路方向沿导路方向F-有害分力，垂直于导有害分力，垂直于导路路F=F tanF一定时，一定时， Ff Ff F FFfFf此时无论凸轮加给从动件的作用此时无论凸轮加给从动件的作用力多大，从动件都不能运动。力多大，从动件都不能运动。max max 从减小推力和防止自锁的观念来看，压力角愈小愈从减小推力和防止自锁的观念来看，压力角愈小愈 好。好。凸轮廓线上不同点处的压力角是不同的。为保证凸凸轮廓线上不同点处的压力角是不同的。为保证凸 轮机构能正常运转，设计时应使