第四章凸轮机构

1、高等职业教育机械类专业核心技术课程机械设计基础第四章 凸轮机构 第四章 凸轮机构第一节 概述第二节 从动件常用运动规律第五节 凸轮机构设计中的几个问题第三节 图解法设计盘形凸轮轮廓第四节 用解析法设计凸轮轮廓曲线 第六节 凸轮常用材料和结构第一节第一节 概述概述结构结构：三个构件：三个构件凸轮、从动件、机架。凸轮、从动件、机架。作用作用：将连续回转：将连续回转 从动件从动件直线移动直线移动或或摆动摆动。优点优点：可精确实现任意运动规律，简单紧凑。：可精确实现任意运动规律，简单紧凑。缺点缺点：高副，线接触，易磨损，传力不大。：高副，线接触，易磨损，传力不大。 应用应用：内燃机内燃机 、缝纫机挑线

2、机构缝纫机挑线机构、自动车床自动车床等。等。一、凸轮机构的应用和特一、凸轮机构的应用和特点点凸轮凸轮：具有控制从动件运动规律的具有控制从动件运动规律的曲线轮廓曲线轮廓或或凹槽凹槽的主动件。的主动件。 1、按凸轮形状分：、按凸轮形状分：盘形盘形、 移动移动、圆柱凸轮圆柱凸轮 ( 端面端面 ) 。2、按从动件形式分：、按从动件形式分：尖顶尖顶、 滚子滚子、平底平底从动件。从动件。特点：特点：尖顶尖顶构造简单、易磨损、用于仪表机构；构造简单、易磨损、用于仪表机构；滚子滚子磨损小，应用广；磨损小，应用广；平底平底受力好、润滑好，用于高速传动。受力好、润滑好，用于高速传动。二、凸轮机构分类二、凸轮机构分

3、类3、按凸轮与从动件的锁合方式分类：、按凸轮与从动件的锁合方式分类： 力锁合力锁合：利用弹簧力或从动件自身重力使从动件：利用弹簧力或从动件自身重力使从动件与凸轮始终保持接触。与凸轮始终保持接触。 形锁合形锁合： 利用凸轮与从动件的特殊结构形状使从动件利用凸轮与从动件的特殊结构形状使从动件与凸轮始终保持接触。与凸轮始终保持接触。 设计：潘存云hhot1s2第二节第二节 从动件的运动规律从动件的运动规律 凸轮机构设计的基本任务: 1)据工作要求选定凸轮机构的形式；名词术语名词术语：一、一、凸轮机构的凸轮机构的工作过程工作过程基圆、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、

4、 行程。rminh 1A2)从动件的运动规律；3)合理确定结构尺寸；4)设计轮廓曲线。ssssDBCBtt升升-停停-降降-停的运动循环停的运动循环 在推程起始点：1=0=0， s2=0： s2 h1/t v2 h1 /ts21tv21a21h在推程终止点：1=t t ，s2=h+刚性冲击刚性冲击： s2h(1-1/h )v2-h1 /ha20a2 01. .等速运动规律等速运动规律二、从动件常用的运动规律二、从动件常用的运动规律位移曲线为一抛物线。加、减速各占一半。边界条件：边界条件：起始点：1=0=0，s2=0，v20中间点：1=t t /2，s2=h/2 加速段推程运动方程加速段推程运动

5、方程：s2 2h21 /2tv2 4h11 /2ta2 4h21 /2t终止点：1=t t ，s2=h，v20减速段推程运动方程减速段推程运动方程：s2 h-2h(t 1)2/2tv2 -4h1(t-1)/2ta2 -4h21 /2t设计：潘存云1a2h/2t th/211s22 35462h/2h/t t柔性冲击柔性冲击4h4h2 2/2 2t t31v2设计：潘存云ht1 s s21a23. .简谐简谐( (余弦加速度余弦加速度) )运动规律运动规律推程：推程： s2h1- -cos(1/t)/2 v2 h1sin(1/t)/2ta2 2h21 cos(1/t)/22t 回程：回程： s2

6、h1cos(1/h)/2 v2- -h1sin(1/h)/2h a2- -2h21 cos(1/h)/22h123 4561v v2V Vmaxmax=1.57h/2=1.57h/20 0在起始和终止处理论上a2为有限值，产生柔性冲击。123456设计：潘存云一、一、反转法原理反转法原理： 给整个凸轮机构施以-1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。O O - -13 31 12 23 33 31 11 12 22 21设计：潘存云60rmin120-111对心直动尖顶对心直动尖顶从动件从动件凸轮机构中，已知凸轮的凸轮机构中，已知凸轮的基

7、圆半径基圆半径rmin，角速度角速度1和从动件的运动规律，和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。设计该凸轮轮廓曲线。设计步骤小结：设计步骤小结：选比例尺选比例尺l作基圆作基圆r rminmin。反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。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。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。将各尖顶点连接成一条光滑曲线。1. .对心尖顶对心尖顶从动件从动件盘形凸轮盘形凸轮135782345 67 8910111213149090A1876543214131211109二、直动从动件盘形凸轮轮廓设计二、直动从动

8、件盘形凸轮轮廓设计 6012090901 3 5 7 8911 13 15s2 191113121410设计：潘存云s2 1911 13 151 3 5 7 8rminA120-11设计步骤小结设计步骤小结：选比例尺l作基圆rmin。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。135789111312142345 67 8910111213146090901876543214131211109理论轮廓理论轮廓实际轮廓实际轮廓作各位置滚子圆的内(外)包络线。2. .滚子直动从动件盘形凸轮滚子直动从动件盘形凸轮滚子直动从动件凸轮机构中，

9、已知凸轮的基圆半径rmin，角速度1和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。 6012090901设计：潘存云s2 1911 13 151 3 5 7 8rmin对心直动平底从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，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：设计步骤：选比例尺l作基圆rmin。反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。确定反转后，从动件平底直线在各等份点的位置。作平底直线族的内包络线。3. .对心直动平底对心直动平底从动件从动件盘形凸轮盘形凸轮8765432191011121314-11A13578911131214123456781514131211109 60

10、1209090设计：潘存云911 13 151 3 5 7 8O OeA A偏置直动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，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。4. .偏置直动尖顶偏置直动尖顶从动件从动件盘形凸轮盘形凸轮13578911131214-11612345781514131211109设计步骤小结：设计步骤小结：选比例尺l作基圆rmin; 反向等分各运动角; 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。1514131211109k9k10k11k12k13k14k1512345678k1k2k3k5k4k6k7k8 6012

11、09090s2 1612345781514131211109设计：潘存云120B11 1rmin 601209090s2 1摆动从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，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。三、摆动三、摆动从动件从动件盘形凸轮机构盘形凸轮机构12345 6 7 85678B1B2B3B4B5B6B7B860 90 1-1dABl1 2 3 4B22 2B33 3B44 4B55 5B66 6B77 7A1A2A3A4A5A6A7A8设计：潘存云B0OB1S0S2第四节第四节 用解析法设计凸轮轮廓曲线用解析法设计凸轮

12、轮廓曲线 已知条件：已知条件：e e、r rminmin、r rT T、S S2=S=S2(1) )、1及其方向。及其方向。理论轮廓的极坐标参数方程理论轮廓的极坐标参数方程：= (S= (S2+S+S0 0) )2 2 + e + e2 2=1+ +0其中： S S0 0 = r = r2 2minmin e e2tantan0 = e/ S= e/ S0 0tantan = e/(S= e/(S2 + S+ S0 0) )-1rT= = 1e ermin1 (+ (+0 0) )(1+ +)S00实际轮廓方程是理论轮廓的等距曲线。由高等数学可知：等距线对应点具有公共的法线。设计：潘存云其中：

13、 tantan=B0BO1-11nnT T = = 2 2 + r + r2 2TmTm-2-2r rT TcoscosT T =+=+实际轮廓上对应点的实际轮廓上对应点的 T T 位置：位置：位于理论轮廓位于理论轮廓 B B 点法线点法线 n-n n-n 与滚子圆的交线上。与滚子圆的交线上。 T=arctan=arctanT T点的极坐标参数方程为：点的极坐标参数方程为：由图有由图有： = =+ +其中：其中： tan = S2 + r2min + e2ds2/d1 erT sin - - rT cos TT直角坐标参数方程为：x = = T T cos cos T T y = = T T

14、sin sin T T a工作轮廓的曲率半径，工作轮廓的曲率半径，理论轮廓的曲率半径，理论轮廓的曲率半径， rT滚滚子半径子半径1、滚子半径滚子半径的确定的确定arT 轮廓正常轮廓正常内凹内凹arT rT arT 轮廓正常轮廓正常外凸外凸rTa一、滚子半径的选择与平底尺寸的确定一、滚子半径的选择与平底尺寸的确定设计：潘存云rT arT rT 轮廓失轮廓失真真rT arT0轮廓变尖轮廓变尖rTrT2、平底长度的确定、平底长度的确定 对平底推杆凸轮机构，也有失真现象。为保证在所有位置上，平底都能与凸轮轮廓相切，一般取从动件平底的长度L=2lmax+57mm 设计：潘存云Orminrminlmax设

15、计：潘存云OB1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”，若若大到一定程度时，会有：大到一定程度时，会有：机构发生自锁。机构发生自锁。nn二、二、压力角压力角及其校核及其校核 不考虑摩擦时，作用力沿法线方向。不考虑摩擦时，作用力沿法线方向。FFF”F 有用分力有用分力, 沿导路方向沿导路方向F” 有害分力，垂直于导路有害分力，垂直于导路F”=F tan F 一定时，一定时， Ff FF Ff为了保证凸轮机构正常工作，要求：为了保证凸轮机构正常工作，要求： 设计：潘存云OB1二、压力角的校核二、压力角的校核 = 30= 30 直动从动件；

16、= = 354545摆动从动件；Peds2/d1C若发现设计结果，可采用增大基圆半径或改对心凸轮机构为偏置凸轮机构的方法。 s0s2Dv2v2r rminmin注意：用偏置法可减小推程压角，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1相反的位置。要求max 提问：提问：对于平底推杆凸轮机构对于平底推杆凸轮机构 ？0 0v2第六节第六节 凸轮常用材料和结构凸轮常用材料和结构一、凸轮机构常用材料及热处理一、凸轮机构常用材料及热处理低速、轻载盘形凸轮机构，可选HT250、HT300、QT800-2、QT900-2等作为凸轮材料，从动件可选用中碳结构钢，高副端表面淬火至4050HRC。 中速、中载的凸轮常用45、40Cr、20Cr、20CrMn等材料，从动件可用20Cr等低碳合金钢，并经表面淬火，低碳合金钢应渗碳淬火，渗碳层深0.81.5mm，硬度达5662HRC。高速、重载凸轮机构，通常选用无冲击的从动件运动规律。凸轮可用40Cr等中