第3章凸轮机构与间歇运动机构

1、1第三章第三章 凸轮机构与间歇运动机构凸轮机构与间歇运动机构【能力目标能力目标】【案例导入案例导入】【知识要点知识要点】3.1 凸轮机构的类型和识别凸轮机构的类型和识别3.2 凸轮机构的运行特性分析凸轮机构的运行特性分析3.3 用图解法设计盘行凸轮轮廓用图解法设计盘行凸轮轮廓3.4 间歇运行机构间歇运行机构棘轮机构棘轮机构3.5 间歇运行机构间歇运行机构槽轮机构槽轮机构【能力训练能力训练】本章小结2【能力目标能力目标】 n熟悉凸轮机构的分类、从动件运动规律及其特性。n熟练掌握平面凸轮轮廓曲线的图解法设计。n了解滚子半径、压力角和基圆半径之间的关系。n熟悉间歇运动机构的特点和应用。n掌握棘轮机构

2、和槽轮机构的工作原理和特点。返回目录3【案例导入案例导入】 n当向径变化的凸轮轮廓与气门的平底接触时，气门产生向下开启或向上关闭的往复运动(向上运动是借助弹簧的弹力作用)；当以凸轮回转中心为圆心的圆弧段轮廓与气门接触时，气门将静止不动。因此，当具有某种轮廓曲线的凸轮2连续转动时，气门1可获得间歇的、按预期规律的开闭运动,从而使内燃机正常工作。返回目录图图3-1 3-1 内燃机配气机构内燃机配气机构43.1凸轮机构的类型识别凸轮机构的类型识别3.1.1凸轮机构的组成、特点和应用凸轮机构的组成、特点和应用 凸轮机构广泛应用于自动机械和自动控制装置中，它是一种常见的高副机构，由凸轮、从动件、机架以及

3、辅助装置组成 。 图3-2所示为一自动机床的进刀机构。当圆柱凸轮1回转时，其凹槽的侧面迫使从动件2做往复摆动，通过从动件2上的扇形齿轮与固定在刀架上的齿条啮合，控制刀架作进刀和退刀运动。 返回目录5n圆柱凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，被凸轮直接推动的构件称为从动件（或称为推杆）。凸轮通常作等速转动，但也有作往复摆动或者往复直线移动等其他运动。从动件通过凸轮的曲线轮廓与其以高副接触从而获得预期的运动，所以凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。 返回目录图图3-2 3-2 自动机床进刀机构自动机床进刀机构图图3-2 自动机床进刀机构自动机床进刀机构6n凸轮机构在自动送料机

4、构、仿形机床进刀机构、内燃机配气机构、汽车的凸轮式制动器以及印刷机、纺织机、插秧机、闹钟和各种电气开关等传力不大的控制装置中得到广泛应用。如下图纺织机械里的绕线机构。返回目录7n凸轮机构的主要优点凸轮机构的主要优点： 只要适当设计凸轮的轮廓曲线，就可以使从动件获得各种预期的运动规律，而且结构简单紧凑、设计方便。n凸轮机构的缺点凸轮机构的缺点: 凸轮与从动件之间为点、线高副接触，易磨损，故该机构多用在要求准确实现预期运动规律且传递力不大的场合。83.1.2凸轮机构的类型凸轮机构的类型 返回目录凸轮可以按不同的属性进行分类。凸轮可以按不同的属性进行分类。1、按凸轮形状分类：盘形、圆柱、移动凸轮、按

5、凸轮形状分类：盘形、圆柱、移动凸轮93.1.2凸轮机构的类型凸轮机构的类型n盘状凸轮盘状凸轮:这种凸轮是绕固定轴线转动并具有变化向径的盘形零件。它是凸轮最常见的形式。n移动凸轮移动凸轮：当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架做直线运动，这种凸轮称为移动凸轮。n圆柱凸轮圆柱凸轮：这种凸轮可以认为是将移动凸轮首尾相接卷成圆柱体而形成。n盘状凸轮和移动凸轮与从动件之间的相对运动为平面，属于平面凸轮机构平面凸轮机构；而圆柱凸轮与从动件之间的相对运动为空间运动，属于空间凸轮机构空间凸轮机构。10返回目录2、从动件的形状：尖顶、从动件的形状：尖顶滚子、平底滚子、平底3、从动件运动：直动、从动件运动

6、：直动、摆动摆动113.1.2凸轮机构的类型凸轮机构的类型n从动件的结构形式：n(1) 尖顶从动件尖顶从动件：尖顶能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意运动。但尖顶与凸轮之间是滑动摩擦，易于磨损，故使用传力不大的低速凸轮机构。n(2) 滚子从动件滚子从动件：这种从动件的端部装有可以自由转动的滚子，因而摩擦较小，可传递较大的力，但零件多，滚子轴磨损后会产生噪音。所以适用于重载和中、低速的凸轮机构。n(3) 平底从动件平底从动件：这种从动件与凸轮的轮廓表面的接触面为一个平面。平面与凸轮接触处易形成油膜，故润滑良好，能大大减少磨损。当不考虑摩擦时，凸轮对从动件的作用力始终垂直了平底，从

7、动件受力比较平稳，传动效果好，故常用于高速凸轮机构中。缺点是不适用于轮廓有内凹的凸轮。12返回目录2、从动件的形状：尖顶、从动件的形状：尖顶滚子、平底滚子、平底3、从动件运动：直动、从动件运动：直动、摆动摆动133.1.2凸轮机构的类型凸轮机构的类型n从动件的运动形式：n(1)直动从动件直动从动件：从动件相对于机架做往复直线运动。 对心直动从动件凸轮机构对心直动从动件凸轮机构从动件导路的中心线通过凸轮的回转中心。 偏置直动从动件机构偏置直动从动件机构 （图3-3a)n(2)摆动从动件摆动从动件：从动件按照一定的运动规律绕自身轴作往复摆动。143.2凸轮机构的运动特性分析 凸轮机构的基本名词术语

8、凸轮机构的基本名词术语基圆、基圆半径基圆、基圆半径以凸轮轮廓最小向径rmin为半径所作的圆称为凸轮的基圆， rmin 称为基圆半径。如图3-4所示。推程、升程、推程运动角推程、升程、推程运动角从动件在凸轮轮廓的作用下由距凸轮轴心最近位置被推到距凸轮轴心最远位置的过程称为从动件的推程，在推程中从动件所走过的距离称为从动件的升程h，推程对应的凸轮转角称为推程运动角，如图3-4所示。返回目录153.2凸轮机构的运动特性分析n远休止角远休止角s：当凸轮以BC圆弧段与尖顶接触时，从动件处于最高位置而静止不动，该过程称为远程休止，相应的凸轮转角称为远休止角s。n回程和回程运动角回程和回程运动角：当凸轮继续

9、转动，从动件与凸轮CD段接触，由点C至D，向径逐渐减小，从动件由最高位C回到最低位置，该过程称为回程运动，凸轮相应的转角称为回程角。n近休止角：近休止角：从动件在DA段接触时，从动件在最低位置静止不动，该过程称为近程休止，凸轮相应的转角称为近休止角。n凸轮运动一周，从动件就重复上述升停回停的循环过程。n偏距偏距：从动件的中心线偏离凸轮转动中心0的距离。163.2凸轮机构的运动特性分析n从动件的位移线图从动件的位移线图 以直角坐标系的纵坐标代表从动件的位移，横坐标代表凸轮转角，则可以画出从动件与凸轮转角之间的关系曲线，则为从动件从动件的位移线图。的位移线图。n凸轮的轮廓形状决定从动件的运动规律，

10、反之，从动件不同的运动规律要求凸轮具有不同的轮廓曲线形状，因此在设计凸轮设计凸轮轮廓轮廓之前应首先确定从动件的运动规律确定从动件的运动规律。17返回目录hhA BOOr0abcDBabcdS基圆基圆回程运动角回程运动角近休止角近休止角推程运动角推程运动角远休止角远休止角C18从动件常用的运动规律从动件常用的运动规律 返回目录1、等速运动规律：、等速运动规律：凸轮以角速度匀凸轮以角速度匀速运动，从动件以恒定的速度运动。速运动，从动件以恒定的速度运动。s()= CS ()=Ca()= 0特点特点：1）刚性冲击运动）刚性冲击运动从动件在某瞬时速度突从动件在某瞬时速度突变，其加速度及惯性力在理论上均趋

11、于无变，其加速度及惯性力在理论上均趋于无穷大。穷大。2）只适用于低速轻载的凸轮机构。）只适用于低速轻载的凸轮机构。s()= CS ()=Ca()= 0s()= CS ()=C19返回目录2、等加速等减速运动规律、等加速等减速运动规律:凸轮以角速度匀速运动，从动凸轮以角速度匀速运动，从动件先做等加速运动后做等减速运动。件先做等加速运动后做等减速运动。s()= CS 2()=C a()= Ca （常数）（常数）特点特点：1）柔性冲击）柔性冲击从动件在从动件在某瞬时加速度发生有限值某瞬时加速度发生有限值的突变所引起的冲击。的突变所引起的冲击。2）适用于中、低速的凸）适用于中、低速的凸轮机构。轮机构。

12、20返回目录3、间谐运动规律：、间谐运动规律：当动点在一圆周上做匀速转动时，由该在当动点在一圆周上做匀速转动时，由该在此圆上直径上的投影所构成的运动规律。此圆上直径上的投影所构成的运动规律。s()=h(1-cos/0)/2()=C sin/0a()= Cacos/0特点特点：1）仅在运动始末两处有柔）仅在运动始末两处有柔性冲击。性冲击。2）适用于高速凸轮机构。）适用于高速凸轮机构。213.3用图解法设计盘形用图解法设计盘形凸轮轮廓凸轮轮廓返回目录22用图解法设计盘形凸轮轮廓用图解法设计盘形凸轮轮廓n设计步骤设计步骤 根据机器的工作要求选定了从动件的运动规律后，还要根据凸轮传力性能是否良好、凸轮

13、轮廓是否便于加工、结构是否紧凑、运动的可靠性等因素，来进行凸轮轮廓曲线的设计。n凸轮轮廓曲线设计的方法凸轮轮廓曲线设计的方法： 有图解法和解析法。解析法用于精度要求较高的高速凸轮、靠模凸轮等，计算量大，常常利用计算机辅助设计与制造技术。图解法简单易行，可以满足一般精度要求的机械设计。n本章介绍图解法设计一般精度的凸轮轮廓。233.3.1直动从动件盘形凸轮轮廓的直动从动件盘形凸轮轮廓的设计设计n用图解法绘制凸轮轮廓曲线所依据的方法是“反转法”。n采用反转法绘制盘形凸轮工作轮廓的步骤：n1）确定从动件的运动规律；n2）确定凸轮的转速和基圆半径；n3）选定绘制平面凸轮与图纸平面相对静止，且方便在图纸

14、上绘制；n4）反转，即机架和从动件绕凸轮中心相对转动。24返回目录3.3.1直动从动件盘形凸轮轮廓的设计直动从动件盘形凸轮轮廓的设计1.反转法作图的原理反转法作图的原理a)a)在凸轮轮廓作用下从动件向上移动在凸轮轮廓作用下从动件向上移动 b)b)机架和从动件绕凸轮中心相对转动机架和从动件绕凸轮中心相对转动图图 3-83-8 反转法原理反转法原理25返回目录尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制过程尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制过程（1）尖顶从动件）尖顶从动件 26 选取适当比例（包括长度比例和角度比例），按照从动件运动规律，做相应的位移线图位移线图。 做凸轮基圆，并确定从动件的初始位置。在

15、基圆上，由从动件尖顶起始位置A0处开始，沿-方向分别取推程运动角(900)、远程休止角(600)、回程运动角(1800)、近休止角(300)，并将推程运动角(900)和回程运动角(1800)与位移线图对应等分，在基圆上得A1、A2、A3、A4、A5诸点，自圆心做径向线。返回目录27沿各径向自基圆取从动件对应位移线图上的位移量，使A1B1=11、A2B2=22、A3B3=33、得反转后尖顶所占据的一系列位置B1、B2、B3、。 将A0、B1、B2、B3、连成光滑曲线，便是所要求的凸轮轮廓曲线。28滚子直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制过程滚子直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制过程绘制方法类似：滚子式可改善尖

16、顶型从动件与凸轮接触处的摩擦、磨损情况，其凸轮轮廓设计方法如右图所示。把滚子中心看作尖顶从动件的尖顶，按上述方法求出一条理论轮廓0，再以0上各点为圆心，以滚子半径为半径，作一系列圆，并作这一系列圆的内包络线，就得到滚子从动件凸轮的实际廓线。凸轮的基圆半径是指理论轮廓线的最小向径。返回目录29返回目录平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制过程平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制过程绘制方法类似：绘制方法类似：把平底与导路的交点A0看作尖顶从动件的尖顶，按照尖顶从动件凸轮轮廓的绘制方法，求出理论轮廓上一系列点A1、A2、A3、；过这些点画平底的各个位置A0B0、A1B1、A2B2、A3B3、；作这些平底的包络线，便

17、得到平底从动件凸轮的轮廓曲线。30返回目录3.3.2盘形凸轮机构设计基本参数盘形凸轮机构设计基本参数1 1、压力角：、压力角：从动件与凸轮在从动件与凸轮在接触点处的接触点处的受力方向受力方向与其在与其在该点绝对速度方向（该点绝对速度方向（运动方运动方向向）之间所夹的锐角）之间所夹的锐角seresseOPBDPD2200ds/dtan31n凸轮作用于从动件的凸轮作用于从动件的法向力法向力Fn可分解为两可分解为两个分力个分力：Fx和Fy。 Fr沿导路方向推动从动件做有用公功，是有效分力，除了克服工作阻力之外，还要克服导路的摩擦力； Fx使从动件压紧导路，产生摩擦力，是有害力。n凸轮机构自锁现象凸轮

18、机构自锁现象 在Fn一定的条件下，压力角越大，有效分力越小，有害分力越大。当压力角增大到某一数值时，必将出现有效分力小于摩擦力的情况，这时，不论施加多大的力，都不能使从动件运动，这种现象称为自锁。n凸轮上不同位置的压力角值是不同的。凸轮上不同位置的压力角值是不同的。32 许用压力角：许用压力角：为改善凸轮机构的受力情况、提高为改善凸轮机构的受力情况、提高机械效率，规定了允许采用的最大压力角。机械效率，规定了允许采用的最大压力角。推程推程（工作行程）推荐的许用压力角为：（工作行程）推荐的许用压力角为：直动从动件直动从动件摆动从动件摆动从动件回程回程（空回行程）（空回行程）max008070004

19、535004030返回目录33n当采用偏置从动件时，如图3-13所示，对于凸轮的同一位置，若凸轮顺时针转动，从动件偏置在凸轮转动中心左侧时压力角较小；若凸轮逆时针转动，从动件偏置在凸轮转动中心右侧时压力角较小n出现压力角大于或等于许用压力角时，可将对心式改为偏置式从动件，以减小推程中的压力角。34基圆半径的选取基圆半径的选取n由图3-12可以看出：n从动件的位移S2;n凸轮K点处的半径为r;nrb为凸轮的基圆半径，n则有：S2=r-rb35 由图3-12图中的速度多边形可知： 由式3-1可知，当w1、v2和s2一定时，如果要减小压力角，就必须增大凸轮的基圆半径。36压力角和基圆半径的关系压力角

20、和基圆半径的关系n从动件运动规律相同 时，当凸轮转过相同 的转角时，从动件上 升相同的位移，基圆 较大的凸轮轮廓较平 缓，压力角较小。37n为了减小压力角，宜取较大的基圆半径；为了使结构紧凑，则应尽可能较小基圆半径。n在设计凸轮机构时，凸轮的基圆半径可根据凸轮的结构选取。n为保证凸轮机构在整个运动周期中均能满足，应选取计算结果中的最大值作为凸轮的基圆半径。max38n凸轮轴基圆半径的选取凸轮轴基圆半径的选取 凸轮轴，基圆半径应大于轴的半径和滚子半径之和，即 rbr+rr 当凸轮与轴单独制造时,取： rb1.8r+(10-20)mm393 3、滚子半径的选择、滚子半径的选择n滚子半径的选择，要综

21、合考虑滚子的结构、强度、凸轮轮廓曲线形状等因素，特别是不能因滚子半径选得过大造成从动件运动规律失真。403 3、滚子半径的选择、滚子半径的选择n凸轮工作轮廓曲率半径凸轮工作轮廓曲率半径和凸轮理论轮廓曲率半和凸轮理论轮廓曲率半径径的之间的关系的之间的关系：n当凸轮轮廓内凹时：=+r，无论滚子半径取多大，凸轮轮廓总是光滑曲线，如图3-15a所示，所以此时滚子半径的大小不受限制。n当凸轮轮廓外凸时，=-r，0时，凸轮轮廓光滑，如图3-15b所示；=0时，凸轮工作轮廓出现尖点，工作时极易磨损，如图3-15c所示；0时，凸轮工作轮廓出现交叉，加工时将被切掉，不能实现预期运动规律，这就是运动失真现象，如图

22、3-15d所示；413 3、滚子半径的选择、滚子半径的选择 n外凸凸轮廓线0rr0minmin0min 返回目录42滚子半径大小对凸轮实际轮廓的影响 rTrTaarTrTa)b)d)c)返回目录43 0rr0minmin0min实际廓线出现交叉，从动件不能准确地实现预期的运动规律运动失真返回目录44n运动失真原因：避免方法：n滚子半径的选择 r0.80min 0min3-5mmrmin0min0min0大大)8 .0(减小滚子半径brrr返回目录45返回目录3.4间歇运动机构间歇运动机构棘轮机构棘轮机构3.4.1棘轮机构的工作原理46一、一、棘轮棘轮类型类型返回目录组成：组成：摆杆、棘爪、棘轮

23、、止动爪。摆杆、棘爪、棘轮、止动爪。工作原理：工作原理：摆杆往复摆动，棘爪推动棘轮间摆杆往复摆动，棘爪推动棘轮间歇转动。歇转动。优点：优点：结构简单、制造方便、运动可靠、转结构简单、制造方便、运动可靠、转角可调。角可调。缺点：缺点：工作时有较大的冲击和噪音，运动精工作时有较大的冲击和噪音，运动精度较差。适用于速度较低和载荷不大的场度较差。适用于速度较低和载荷不大的场合。合。47返回目录只能够实现单向间歇运动只能够实现单向间歇运动外接棘轮机构外接棘轮机构48返回目录内接棘轮机构内接棘轮机构49返回目录双向式棘轮机构双向式棘轮机构棘爪可翻转的矩形棘齿可以获得不同转向的间歇运动。棘爪可翻转的矩形棘齿

24、可以获得不同转向的间歇运动。50返回目录双动式棘轮机构双动式棘轮机构运动特点：摇杆来回摆动都能使棘轮向同一方向转动。运动特点：摇杆来回摆动都能使棘轮向同一方向转动。51a) a) 加调节摇杆加调节摇杆 b)b)加遮板加遮板图图3-193-19 调节棘轮转角的方法调节棘轮转角的方法返回目录52返回目录3.4.2棘轮机构的应用:可用于进给、制动、转位分度和超越机构。在提升机在提升机做制动器做制动器u这种制动这种制动器安全可靠，器安全可靠，使用方便。使用方便。53返回目录间歇送进间歇送进54返回目录超越、离合超越、离合55返回目录3.5间歇运动机构间歇运动机构槽轮机构槽轮机构3.5.1棘轮机构的工作

25、原理典型槽轮机构的组成：典型槽轮机构的组成：由主动拨由主动拨盘、从动槽轮和机架等组成。盘、从动槽轮和机架等组成。 槽轮机构的工作原理：槽轮机构的工作原理：主动拨盘主动拨盘连续转动，当主动拨盘的圆销连续转动，当主动拨盘的圆销A未进入槽轮径向槽时，槽轮未进入槽轮径向槽时，槽轮的内的内凹锁住弧被构件凹锁住弧被构件1的外凸圆弧卡的外凸圆弧卡住，住，静止不动；当主动拨盘的圆静止不动；当主动拨盘的圆销销A进入槽轮径向槽时，槽轮受进入槽轮径向槽时，槽轮受圆销圆销A驱动而转动。从而使槽轮驱动而转动。从而使槽轮做间歇运动。做间歇运动。56返回目录3.5.2槽轮机构的特点及应用槽轮机构的特点槽轮机构的特点：结构简单，转位迅速，效率较高，工作可靠，能较平稳、间歇地进行换位。与棘轮机构相比运转平稳，但因圆柱销突然进入与脱离径向槽，传动存在柔性冲击，不适用于高速场合。制造与装配精度要求较高，且槽轮转角大小不能调节 57 一般用于