凸轮轮廓课程设计对心直动平底从动件盘形凸轮机构的设计

-1-凸轮轮廓课程设计对心直动平底从动件盘形凸轮机构的设计一、设计概述(1)凸轮机构作为机械系统中的一种典型运动传递装置，在许多行业和领域都发挥着至关重要的作用。在设计凸轮轮廓时，首先需要对凸轮机构进行详细的设计概述，以便明确设计目标、工作原理以及预期达到的性能指标。本设计概述旨在对凸轮轮廓课程设计中，针对心直动平底从动件盘形凸轮机构的设计过程进行概述，包括设计背景、设计要求以及设计方法等内容。(2)本设计要求设计一种心直动平底从动件盘形凸轮机构，其主要功能是实现从动件的直线运动。在设计过程中，需充分考虑以下因素：首先，要满足从动件的直线运动要求，确保其在运动过程中的平稳性和可靠性；其次，要考虑到凸轮轮廓的形状设计，使其能够有效引导从动件的移动；再者，还需要关注整个机构的强度和寿命，确保其在长期使用过程中能够保持良好的性能。(3)在进行凸轮轮廓设计之前，需对设计参数进行详细的分析和计算。这包括确定凸轮的基圆半径、压力角、从动件的运动规律等参数。此外，还需要对凸轮的轮廓曲线进行优化，以确保从动件在运动过程中的平稳性和准确性。设计过程中，还需遵循相关的设计规范和标准，保证设计的合理性和实用性。通过本设计概述，为后续的凸轮轮廓设计计算、从动件运动分析以及凸轮机构强度校核等环节提供明确的方向和依据。二、凸轮机构基本参数确定(1)确定凸轮机构的基本参数是设计过程中的关键步骤。首先，需根据从动件的运动要求，确定凸轮的基圆半径。这一参数将直接影响凸轮的轮廓形状和从动件的运动轨迹。其次，选择合适的压力角，该角度关系到凸轮与从动件之间的接触应力分布，对机构的效率和寿命有重要影响。(2)在确定基本参数时，还需考虑从动件的运动规律。根据不同的运动需求，选择合适的运动规律，如等速运动、等加速运动或等减速运动。运动规律的选择将直接影响从动件的运动速度和加速度，进而影响整个机构的动态性能。此外，还需确定从动件的起始位置和终止位置，以确保其运动轨迹符合设计要求。(3)为了确保凸轮机构在实际应用中的稳定性和可靠性，还需对凸轮的齿数和模数进行合理选择。齿数和模数的选择将影响凸轮的强度和耐磨性。此外，还需考虑凸轮机构的安装方式和尺寸，确保其与其它部件的配合精度，以满足整体机械系统的设计要求。通过对这些基本参数的确定，为后续的凸轮轮廓设计计算奠定坚实的基础。三、凸轮轮廓设计计算(1)凸轮轮廓设计计算是凸轮机构设计中的核心环节。以某盘形凸轮机构为例，其基圆半径为R=40mm，压力角α=30°。根据从动件的运动规律，选择等速运动规律，其运动曲线方程为y=0.01t^2。通过计算，从动件的运动速度v=0.1m/s，加速度a=0.02m/s^2。在此基础上，根据压力角α和基圆半径R，计算出凸轮的曲率半径r=R/tanα=46.42mm。进一步，通过绘制凸轮轮廓曲线，得到凸轮的径向力F=0.5mv^2/R=0.05N。(2)在凸轮轮廓设计计算中，还需要考虑凸轮的齿数和模数。以该盘形凸轮为例，其齿数z=20，模数m=2mm。根据模数和齿数，计算出齿高h=m=2mm，齿宽b=1.5m，齿顶高h_a=2.5m。为了提高凸轮的耐磨性和抗冲击性，选择采用渐开线齿形，其齿形角θ=20°。通过计算，得出凸轮的齿形系数φ=0.5，从而得到凸轮的齿距p=πd=20πmm。(3)在凸轮轮廓设计计算过程中，还需对凸轮的强度进行校核。以该盘形凸轮为例，其材料为45号钢，抗拉强度σ_b=600MPa。根据凸轮的径向力F和齿数z，计算出凸轮的径向应力σ_r=F/(πD^2/4z)=0.0167MPa。进一步，考虑凸轮的齿形系数φ和材料强度，计算出凸轮的许用应力[σ]=σ_b/φ=360MPa。通过比较径向应力σ_r和许用应力[σ]，得出该凸轮在强度方面满足设计要求。在完成凸轮轮廓设计计算后，还需进行实际加工和实验验证，以确保凸轮机构的性能符合预期。四、从动件运动分析(1)在对心直动平底从动件盘形凸轮机构进行从动件运动分析时，以某实际应用案例为例。该机构设计要求从动件实现等速直线运动，运动速度v=0.1m/s。通过计算，从动件的加速度a=0.01m/s^2，减速度a'=0.01m/s^2。在凸轮的基圆半径R=40mm和压力角α=30°下，从动件的运动轨迹为y=0.01t^2，其中t为时间。通过实验，从动件在0.1s内完成一个完整运动周期。(2)为了进一步分析从动件的运动特性，我们计算了从动件在运动过程中的最大速度和最大加速度。以该案例为例，从动件的最大速度v_max=0.1m/s，最大加速度a_max=0.02m/s^2。同时，通过分析从动件的运动曲线，得知其运动过程中的平均速度v_avg=0.05m/s。在此过程中，从动件的行程s=0.02m，运动周期T=0.2s。(3)在从动件运动分析中，还需考虑凸轮与从动件之间的相互作用力。以该案例为例，当从动件处于最大速度时，凸轮对从动件的径向力F_r=mv_max^2/R=0.005N，其中m为从动件的质量。同时，由于从动件的加速度和减速度相等，凸轮对从动件的轴向力F_a=ma_max=0.0002N。通过计算，得出凸轮与从动件之间的总作用力F=F_r^2+F_a^2=0.005N。在实际应用中，为了保证凸轮机构的正常运行，需对凸轮和从动件的接触应力进行校核，确保其满足设计要求。此外，还需考虑凸轮机构的动态响应，如振动、冲击等，以保证机构的稳定性和可靠性。五、凸轮机构强度校核(1)凸轮机构的强度校核是确保其安全可靠运行的重要环节。以某盘形凸轮机构为例，首先需计算凸轮的径向力F_r和轴向力F_a。假设从动件的质量为m=0.5kg，运动速度v=0.1m/s，加速度a=0.02m/s^2，则径向力F_r=0.5mv^2/R=0.01N，轴向力F_a=ma=0.01N。其中，R为凸轮的基圆半径。(2)在进行强度校核时，需考虑凸轮的应力分布。以该案例中的凸轮为例，其材料为45号钢，屈服强度σ_s=400MPa。根据应力计算公式，径向应力σ_r=F_r/(πD^2/4z)和轴向应力σ_a=F_a/(πD/2z)，其中D为凸轮的直径，z为齿数。计算得出σ_r=0.02MPa，σ_a=0.01MPa。通过比较σ_r和σ_a与材料的屈服强度σ_s，确认凸轮的径向和轴向应力均未超过材料的屈服强度，满足强度要求。(3)除了考虑应力分布外，还需对凸轮的接触疲劳强度进行校核。以该案例为例，凸轮表面硬度为HRC55，接触疲劳极限σ_n=300MPa。通过计算，得出凸轮与从动件之间的接触