机械设计基础 凸轮机构

机械设计基础凸轮机构第1页/共46页凸轮机构的优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到所需的运动规律，并且结构简单、紧凑、设计方便凸轮机构的缺点：凸轮轮廓与从动件之间是点接触或线接触，易于磨损，通常用于传力不大的控制机构第2页/共46页4.1.1凸轮机构的应用盘形凸轮机构在印刷机中的应用等径凸轮机构在机械加工中的应用4.1凸轮机构的应用及类型第3页/共46页利用分度凸轮机构实现转位圆柱凸轮机构在机械加工中的应用第4页/共46页内燃机第5页/共46页靠模凸轮机构送料机构5-铣刀；6-被加工件第6页/共46页二、凸轮机构的类型1、按凸轮的几何形状分：（1）盘形凸轮第7页/共46页第8页/共46页第9页/共46页（2）移动凸轮第10页/共46页第11页/共46页（3）圆柱凸轮第12页/共46页第13页/共46页2、按从动件（推杆）端部形状分（1）尖顶从动件对心直动尖顶从动件偏置直动尖顶从动件第14页/共46页第15页/共46页（2）滚子从动件对心直动滚子从动件第16页/共46页（3）平底从动件对心直动平底从动件第17页/共46页3按从动件（推杆）的运动形式分（1）直动从动件（推杆）

(a)对心直动(b)偏置直动（2）摆动从动件（推杆）第18页/共46页第19页/共46页4按凸轮与推杆维持高副接触的封闭方式分（1）力封闭第20页/共46页（2）形封闭第21页/共46页4.2推杆的运动规律4.2.1凸轮机构的运动循环及基本名词术语进入CAI教学软件4.2.2从动件运动规律进入CAI教学软件第22页/共46页1．等速运动规律设凸轮以等角速度回转，推程的运动方程为

推杆在运动开始和终了的瞬时，因速度有突变，所以这时推杆的加速度及其由此产生的惯性力在理论上将出现瞬时的无穷大值。实际上由于材料具有弹性，加速度和惯性力虽不会达到无穷大，但仍很大，从而产生强烈的冲击，这种冲击称为刚性冲击。因此，等速运动规律只适用于低速、轻载的场合。

第23页/共46页2．等加速等减速运动规律通常取前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动，加速度和减速度的绝对值相等。因此，推杆作加速运动和减速运动的位移各为，凸轮的转角各为，分别相等。其推程时等加速段运动方程为

推程时等减速段运动方程为在行程的起始点A、中点B及终点C处加速度有突变，因而推杆的惯性力也将有突变。不过这一突变为有限值，所以引起的冲击也较为平缓。这种由于加速度有突变产生的冲击称为柔性冲击。因此，这种运动规律只适用于中、低速的场合。第24页/共46页3．余弦加速度运动（简谐运动）规律点在圆周上作匀速运动时，它在这个圆的直径上的投影所构成的运动称为简谐运动。推程的运动方程式为

在首末两点推杆的加速度有突变，故也有柔性冲击，一般只适用于中速场合。

第25页/共46页4．正弦加速度运动（摆线运动）规律一动圆沿一曲线C作纯滚动时，与动圆固定的一点P（可在圆上、圆内、圆外）的运动轨迹称为摆线。当推杆的加速度按正弦规律变化时，其推程的运动方程式为

加速度没有突变，可以避免柔性冲击及刚性冲击，故适于高速传动。第26页/共46页对于回程时的运动方程可以用下式得出

其中用回程运动角代替，凸轮转角应从回程运动规律的起始位置计量起。

组合型运动规律当采用不同的运动规律构成组合型运动规律时，它们在连接点处的位移、速度和加速度应分别相等。第27页/共46页4.2.3运动规律的特征值最大速度vmax：影响从动件的最大动量mvmax，即机构停动的灵活性。最大加速度amax

：影响从动件的惯性力最大跃动Jmax：惯性力的最大变化率。影响机构工作的平稳性。从动件运动规律的选择原则：amax

、vmax、

Jmax越小越好，但他们互相制约，可参考以下原则（1）高速轻载：按amax

、vmax、

Jmax的顺序考虑，可选用等加速等减速运动规律。（2）低速重载：按vmax、

amax

、Jmax的顺序考虑，可选用改进型等速运动规律。（3）中速中载：要求vmax、

amax

、Jmax都比较好，可选用正弦加速度运动规律。第28页/共46页4.3凸轮轮廓曲线的设计图解法解析法4.3.1凸轮轮廓设计方法的基本原理根据工作要求，选择推杆运动规律、凸轮机构的型式、凸轮的基圆半径等基本尺寸和凸轮的转向,然后进行凸轮廓线设计.

反转法第29页/共46页4.对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓设计第30页/共46页4.3.3用解析法设计凸轮廓线第31页/共46页偏距e为代数值，当凸轮沿逆时针方向转动时，推杆导路方向位于凸轮回转中心的右侧时，e为正；反之e为负。若凸轮沿顺时针方向回转，则相反。

第32页/共46页4.4凸轮机构的压力角和基本尺寸4.4.1凸轮机构的作用力与凸轮机构的压力角FY=FcosαFx=F

sin

ααmax≤[α]自锁直动推杆取[α]=30°摆动推杆取[α]=35°～45°若在回程时,推杆是靠重力或弹簧力的作用返回，则回程的许用压力角[α]′=70°～80°

F

sin

αf>

Fcosαfsinα>

cosα为保证传力性能：第33页/共46页4.4.2凸轮机构基本尺寸的确定1.盘形凸轮基圆半径的确定当导路和瞬心P在凸轮轴心O的同侧时，式中取“-”号第34页/共46页当推杆运动规律给定后，对应于凸轮的某一转角、s均为已知数。由上式可知，若要凸轮机构的压力角减小，势必要增大凸轮的基圆半径，也即要增大凸轮机构尺寸，对机构紧凑性不利；反之对凸轮机构的受力又不利。在实际设计中，可在保证凸轮机构的最大压力角不超过许用压力角[a]的前提下，利用上式确定基圆半径。

若凸轮较小,考虑凸轮的结构及强度，式中R为安装凸轮的轴半径。

第35页/共46页2圆柱凸轮基圆半径的确定4.4.3滚子半径的选择圆柱凸轮上任一点的压力角就是位移线图上相应点的切线的倾角。其横坐标x表示。其纵坐标s表示推杆的轴向位移第36页/共46页不论选择多大的滚子，都能作出实际轮廓可以作出凸轮的实际轮廓能作出凸轮实际轮廓，但出现了“尖点”。作出的实际轮廓出现了相交的包络线。即出现“失真”现象。内凹：第37页/共46页若滚子的半径太小，会导致接触应力过度增大，且滚子本身的强度不足，此时，可增大凸轮的基圆半径r0，以增大理论廓线的最小曲率半径。一般推荐：mm或第38页/共46页4.5空间凸轮间歇运动机构从动件作整周转动，并具有周期性的停歇。利用分度凸轮机构实现转位圆柱凸轮间歇运动机构蜗形凸轮间歇运动机构第39页/共46页4.6凸轮机构的强度计算及结构设计4.6.1凸轮和滚子材料的选择表4-1凸轮常用材料及热处理使用场合材料热处理方式速度较低、载荷不大的一般场合45调质，230～260HBSHT200、HT250、HT300170～250HBSQT600-3190～270HBS速度较高、载荷较大的重要场合45、40Cr表面淬火，40～50HRC高频淬火，52～58HRC15、20Cr、20CrMnTi渗碳淬火，56～62HRC38CrMoAlA、35CrAlA氮化，>60HRC

滚子材料可采用20Cr，也可采用与凸轮相同的材料。

第40页/共46页4.6.2凸轮传动的强度校核赫兹公式

第41页/共46页4.6.3凸轮传动的结构1从动件结构从动件悬臂长度b应小于导路长度的一半。第42页/共46页2凸轮结构镶块式凸轮结构组合式凸轮结构

整体式凸轮：简单。用于不经常更换的凸轮、较小的凸轮镶块式凸轮：凸轮廓线由若干镶块拼接、固定在鼓轮上组合而成。可以更换镶块，改变凸轮廓线形状，以适应工作情况变化；用于需要经常更换凸轮的场合组合式凸轮：盘状凸轮与轮毂是分离的，用螺栓连接。凸轮上螺栓孔较长，以实现从动件的起始位置可调。第43页/共46页盘形凸轮机构设计作业题目（用图解法设计偏置滚子直动从动件盘形凸轮轮廓）方案序列凸轮角速度ω方向基圆半径r0

(mm)偏距e(mm)滚子半径rr(mm)