第三章凸轮与间歇运动机构

第三章凸轮与间歇运动机构第一页，共74页。3.1凸轮机构

3.1.1凸轮机构的应用

在各种机械中，为了实现各种复杂的运动要求，广泛地应用着凸轮机构。凸轮机构由凸轮、从动件和机架三部分组成，结构简单，只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现任何预期的运动规律。但另一方面，由于凸轮机构是高副机构，易于磨损，因此只适用于传递动力不大的场合。

内燃机配汽机构第二页，共74页。平底凸轮动画第三页，共74页。凸轮的分类(1)按凸轮的形状分盘形凸轮：移动凸轮：圆柱凸轮：可看成是移动凸轮卷在圆柱体上推杆凸轮推杆凸轮第四页，共74页。移动凸轮动画第五页，共74页。移动凸轮机构动画第六页，共74页。圆柱凸轮动画(3D)第七页，共74页。圆柱凸轮动画(3D)第八页，共74页。(2)按从动件的型式分尖顶推杆滚子推杆平底推杆能与任意凸轮轮廓保持接触，可实现复杂的运动规律易磨损，只宜用于轻载、低速接触面易形成油膜，利于润滑，常用于高速运动配合的凸轮轮廓必须全部外凸耐磨、承载大，较常用第九页，共74页。(3)按从动件的运动形式分直动摆动(4)一般凸轮机构的命名原则布置形式＋运动形式＋推杆形状＋凸轮形状对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构摆动平底推杆盘形凸轮机构第十页，共74页。对心直动平底推杆盘形凸轮机构动画第十一页，共74页。

摆动平底推杆盘形凸轮动画第十二页，共74页。

对心直动尖顶推杆盘形凸轮动画第十三页，共74页。

摆动圆底推杆盘形凸轮动画第十四页，共74页。

摆动滚子推杆盘形凸轮动画第十五页，共74页。

对心直动滚子推杆盘形凸轮机构动画第十六页，共74页。偏心凸轮动画第十七页，共74页。等径凸轮动画第十八页，共74页。槽凸轮动画第十九页，共74页。

回程，回程运动角

h

休止，休止角

s

行程（升程），h

位移线图：从动件的位移s、速度v、加速度a等随时间t或凸轮转角d变化的关系图。

t推程

s远休止

h回程

s’近休止hA’BCDAr1

t

s

h

s’

3.1.2从动件常用的运动规律从动件的运动规律是指从动件的位移、速度、加速度等随时间t或凸轮转角d变化的规律。t

s0基圆，基圆半径r1推程，推程运动角

t第二十页，共74页。从动件常用的运动规律动画第二十一页，共74页。1、等速运动规律推程（0≤

≤

t）回程（0≤

≤

t’）运动线图冲击特性：始点、末点刚性冲击适用场合：低速轻载hs

0v

0a

0-

位移速度加速度+

+

t

t’-

第二十二页，共74页。2、等加速等减速运动规律推程:

先加速运动线图冲击特性：起、中、末点柔性冲击适用场合：低速轻载s

0

tv

0a

0h/2h/2

t/2

t/2h

后减速第二十三页，共74页。3、余弦加速度运动规律推程（0≤

≤

t）运动线图冲击特性：始、末点有柔性冲击适用场合：中低速、中轻载δsδa123456δv12345hδt第二十四页，共74页。4、正弦加速度运动规律advd012345678hA2ph

t推程（0≤

≤

t）运动线图冲击特性：无冲击适用场合：高速轻载

t

tsd第二十五页，共74页。1、从动件的压力角FxnnFnmmaFfFn的两个分力：Ff为导路对从动件的磨擦力Fn一定时，a↑，

Fx↑，

Ff↑当Ff＞Fy时，机构发生自锁！推程[a]为：移动从动件a≤30°

摆动从动件a≤45°回程[a]为：a≤70o～

80°建议Fy

3.1.3凸轮机构的压力角第二十六页，共74页。3.1.4凸轮的基圆半径

1．基圆半径越小，凸轮的外廓尺寸越小。

2．基圆半径越小，凸轮理论廓线的最小曲率半径越小，滚子凸轮的实际轮廓容易变尖和交叉。

3．基圆半径越小，压力角越大，凸轮机构容易自锁。

4．基圆半径过小，不便于凸轮与轴进行联接。

从图可见按结构条件确定基圆半径

r1≥1.8rb+4～10mm

rb—轴的半径。第二十七页，共74页。3.2按给定运动规律设计盘形凸轮轮廓

凸轮轮廓线设计基本原理：反转法。AAAAAAAAAAAAAAA

-

r0r0第二十八页，共74页。作图步骤：根据从动件的运动规律：作出位移线图S2-δt，并等分角度；定基圆；作出推杆在反转运动中依次占据的位置；据运动规律，求出从动件在预期运动中依次占据的位置；将两种运动复合，就求出了从动件尖端在复合运动中依次占据的位置点；将各位置点联接成光滑的曲线；在理论轮廓上再作出凸轮的实际轮廓。作图法设计凸轮轮廓线1

对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构2

对心直动滚子推杆盘形凸轮机构3

对心直动平底推杆盘形凸轮机构4

偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构第二十九页，共74页。1、对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构已知：r1，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动。设计：凸轮轮廓线s

0h定比例尺初始位置及推杆位移曲线确定推杆反转运动占据的各位置确定推杆预期运动占据的各位置推杆高副元素族推杆高副元素的包络线求解步骤：第三十页，共74页。2、对心直动滚子推杆盘形凸轮机构已知：r1，推杆运动规律，滚子半径rk,凸轮逆时针方向转动设计：凸轮轮廓线s

0h理论轮廓实际轮廓求解步骤：定比例尺初始位置及推杆位移曲线注：两条轮廓线，理论／实际轮廓线实际轮廓线基圆rmin理论轮廓线基圆r1确定推杆反转运动占据的各位置确定推杆预期运动占据的各位置推杆高副元素族推杆高副元素的包络线第三十一页，共74页。r

=-rk＝0rk

r

=-rk<0rk

=rk

<rk外凸凸轮轮廓线r

=-rk

>rk，r

>0，实际廓线平滑

=rk，r

=0，实际廓线变尖

<rk，r

<0，实际廓线出现交叉，加工切割掉一部分，运动失真。r

rk

>rkr

=-rk>0第三十二页，共74页。滚子半径的选择：实际轮廓线曲率半径：r

理论轮廓线曲率半径：滚子半径：rk内凹凸轮廓线r

=+rk理论轮廓线最小结论：无论滚子半径多大，总能由理论轮廓线得到实际廓线。rk理论实际r

r

=+rk第三十三页，共74页。3、对心直动平底推杆盘形凸轮机构已知：r1，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动设计：凸轮轮廓线求解步骤：

定比例尺初始位置及推杆位移曲线确定推杆反转运动占据的各位置确定推杆预期运动占据的各位置推杆高副元素族推杆高副元素的包络线s

0h实际轮廓第三十四页，共74页。

压力角校核动画第三十五页，共74页。3.1.6凸轮的结构和材料1．凸轮在轴上的固定方式

当凸轮轮廓尺寸接近轴的直径时，凸轮与轴可制作成一体，如左图所示；当其尺寸相差比较大时，凸轮与轴分开制造，凸轮与轴通过键联接，如右图所示；或通过圆锥销联接，如下图所示。第三十六页，共74页。2.滚子及其联接下图所示为常见的几种滚子结构。3.凸轮和滚子的材料凸轮机构工作时，往往承受冲击载荷，凸轮与从动件接触部分磨损较严重，因此必须合理地选择凸轮与滚子的材料，并进行适当的热处理，使滚子和凸轮的工作表面具有较高的硬度和耐磨性，而芯部具有较好的韧性。

常用的材料有45、20Cr、18CrMnTi或T8、T10等，并经过表面淬火处理。第三十七页，共74页。3.3棘轮机构

3.3.1棘轮机构的工作原理

棘轮机构是一种常用的间歇机构,主要由棘轮、棘爪和机架组成。第三十八页，共74页。

棘轮机构是一种常用的间歇机构,其工作原理见下页图。棘轮3与轴用键连接,弹簧5用来使制动棘爪4和棘轮3保持接触，驱动棘爪2与连杆机构的摇杆1组成回转副N。摇杆空套在轴上,可自由摆动。当摇杆逆时针摆动时,驱动棘爪便插入棘轮的齿槽中,推动棘轮转过一定角度,而制动棘爪则在棘轮的齿上滑过；当摇杆顺时针摆动时，驱动棘爪在棘轮的齿上滑过,而制动棘爪将阻止棘轮作顺时针转动,故棘轮静止不动。因此,摇杆作连续的往复摆动时,棘轮作单向间歇转动。第三十九页，共74页。棘轮机构的工作原理第四十页，共74页。

棘轮机构工作原理动画第四十一页，共74页。

如果要求摇杆往复摆动时都能使棘轮向同一方向转动,则可采用下图所示的双动式棘轮机构。驱动棘爪可制成钩头或直头。第四十二页，共74页。双动式棘轮机构动画第四十三页，共74页。双向棘轮机构：

左图所示为矩形齿双向棘轮机构,当棘爪1处于实线位置时,棘轮2作逆时针间歇转动；当棘爪处于图示虚线位置时,棘轮作顺时针间歇转动。右图所示为回转棘爪式双向棘轮机构。若将棘爪提升并绕本身轴线转动90°棘轮将静止不动。第四十四页，共74页。回转棘爪式双向棘轮机构动画第四十五页，共74页。可变向棘轮机构动画第四十六页，共74页。3.3.2棘轮转角的调节1.调节摇杆摆动角度的大小，控制棘轮的转角改变曲柄长度调节棘轮转角第四十七页，共74页。

2．用遮板调节棘轮转角

转角可调的棘轮机构

第四十八页，共74页。用遮板调节棘轮转角动画第四十九页，共74页。3.3.3、棘轮机构的特点与应用

棘轮机构结构简单,加工容易,改变转角大小方便,可实现送进、制动及超越等功能,故广泛应用于各种自动机械和仪表中。其缺点是在运动开始和终止时,棘轮和棘爪间都产生冲击,因此不宜用在具有很大质量的轴上。第五十页，共74页。

棘轮机构还常用作防止机构逆转的停止器。这类停止器广泛用于卷扬机、提升机以及运输机中。第五十一页，共74页。

棘轮机构防止逆转动画(3D)第五十二页，共74页。3.4槽轮机构3.4.1.槽轮机构的工作原理

槽轮机构如图所示,由带圆(柱)销A的主动拨盘1、具有径向槽的从动槽轮2和机架组成。拨盘作匀速转动时,驱动槽轮作时转、时停的单向间歇运动。213第五十三页，共74页。3.4.2槽轮机构的类型、特点及应用

槽轮机构有两种基本形式：一是外啮合槽轮机构,如图所示,其拨盘1与槽轮2转向相反；12第五十四页，共74页。槽轮机构动画第五十五页，共74页。

双圆销外啮合槽轮机构动画

第五十六页，共74页。

二是内啮合槽轮机构,如图所示,其拨盘1与槽轮2转向相同。一般常用外啮合槽轮机构。拨盘12第五十七页，共74页。内啮合槽轮机构动画第五十八页，共74页。空间槽轮机构动画第五十九页，共74页。

槽轮机构结构简单、工作可靠,机械效率高,在进入和脱离接触时运动比较平稳,能准确控制转动的角度。但槽轮的转角不可调节,故只能用于定转角的间歇运动机构中,如自动机床、电影机械、包装机械等。第六十页，共74页。电影放映机卷片机构动画第六十一页，共74页。

又如图所示的六角车床刀架的转位槽轮机构,刀架3上可装六把刀具并与具有相应的径向槽的槽轮2固连,拨盘上装有一个圆销A。拨盘每转一周,圆销A进入槽轮一次,驱使槽轮(即刀架)转60°,从而将下一工序的刀具转换到工作位置。第六十二页，共74页。转塔刀架动画(3D)第六十三页，共74页。3.4.3槽轮槽数z和拨盘圆柱销数k的选择

在一个运动循环内，槽轮2的运动时间与拨盘1的运动时间之比称为运动系数，用表示。当拨盘1作等速转动时，也可用转角之比来表示。由于运动系数τ应当小于1，故由上式得

有关棘轮机构和槽轮机构的设计，可参阅机械