常用机构设计与零部件课件 学习项目2工作任务2设计内燃机配气机构中的盘形凸轮机构

学习项目二设计盘形凸轮机构

工作任务2设计内燃机配气机构中的盘形凸轮机构

凸轮机构的相关知识1操作与实践2

拓展知识4自主学习3主要内容一、任务导入学习任务设计配气机构中的盘形凸轮机构任务要求：1．掌握凸轮机构的相关知识；2．学会正确选择凸轮的材料；3．掌握凸轮机构的工作原理，会分析其运动状态；4．学会设计凸轮机构的方法；5．掌握凸轮机构的主要参数和如何选择这些参数？凸轮机构由凸轮、从动件和机架三部分组成。

凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过与从动件的高副接触，在运动时可以使从动件获得连续或不连续的任意预期运动。

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。二、相关知识

第一节概述

二、相关知识

第一节概述

内燃机配气凸轮机构自动机床进刀凸轮机构冲床凸轮机构绕线机凸轮机构自动车床凸轮机构圆柱凸轮输送机凸轮机构的组成

凸轮、从动件和机架。

凸轮机构的适用场合广泛用于各种机械，特别是自动机械、自动控制装置和装配生产线。

凸轮机构的优点结构简单、紧凑、工作可靠，可以使从动件准确实现各种预期的运动规律，还易于实现多个运动的相互协调配合。

凸轮机构的缺点凸轮轮廓与从动件之间是高副接触，易于磨损。二．凸轮机构的分类(一)按凸轮的形状分盘形凸轮移动凸轮圆柱端面凸轮(二)按从动件运动副元素的形状分尖顶从动件滚子从动件平底从动件(三)按从动件的运动形式分摆动从动件移动从动件(四)按凸轮与从动件维持高副接触(锁合)的方式分力锁合型凸轮机构弹簧力锁合重力锁合形锁合型凸轮机构凹槽凸轮机构等宽凸轮机构形锁合型凸轮机构等径凸轮机构共轭凸轮机构5.1概述5.1.3凸轮和滚子的材料凸轮的主要失效形势为磨损和疲劳点蚀。对凸轮和滚子的材料要求：工作表面硬度高耐磨有足够的表面接触强度凸轮芯部有较强的韧性常用的凸轮材料：40Cr、20Cr、40CrMnTi常用的滚子材料：20Cr（）或者滚动轴承rb三．凸轮机构的工作循环与运动学设计参数h

S

S

S

S

DD0B0B

sO

,t360º基圆基圆半径rb推程推程角

升距h远停远停角

s回程回程角

近停近停角

s

B

位移曲线

从动件的运动线图

位移线图—反映了从动件的位移s随时间t或凸轮转角

变化的规律。

速度线图—反映了从动件的速度v随时间t或凸轮转角

变化的规律。

加速度线图—反映了从动件的加速度a随时间t或凸轮转角

变化的规律。

结论

凸轮轮廓曲线的形状决定了从动件的运动规律。要使从动件实现某种运动规律，就要设计出与其相应的凸轮轮廓曲线。

凸轮机构的运动学设计参数推程角

远停角

S

回程角

近停角

S

从动件的位移s、速度v、加速度a

凸轮机构的基本尺寸基圆半径rb

移动从动件凸轮机构的偏距e

摆动从动件的杆长

l

中心距

L5.4.1凸轮机构的压力角

从动件的运动方向和凸轮作用于它的法向力Fn方向之间所夹的角a称为压力角。

第二节凸轮机构的传力特性由上述关系式知，压力角a愈大，有效分力Ｆ1愈小，有害分力Ｆ2愈大。当a角大到某一数值时，必将会出现F1<F2的情况。这时，不论施加多大的Fn力，都不能使从动件运动，这种现象称为自锁。因此，为了保证凸轮机构的正常工作，必须对凸轮机构的压力角进行限制。推荐压力角数值推程移动从动件[

]

30º

40º；摆动从动件[

]

40º

45º。回程[

]

70º

80º。第三节凸轮机构的设计过程

凸轮机构的设计内容机构运动分配设计凸轮机构选型凸轮机构的动力学分析与设计凸轮机构结构设计刀具中心轨迹坐标计算凸轮轮廓曲线设计凸轮机构基本尺寸设计确定凸轮各个转角计算从动件位移参数从动件运动规律设计凸轮机构运动学尺度设计第四节凸轮机构运动学参数和基本尺寸的设计

一、工作循环图与凸轮工作转角的确定

凸轮的工作转角应当根据机器中各个执行机构动作之间的配合关系，由工作循环图来确定。工艺过程电阻体上料电阻体夹紧送帽压帽电阻自动压帽机传动系统图送帽压帽机构凸轮电阻坯件电阻送料机构凸轮电阻帽夹紧机构凸轮送帽压帽机构凸轮回程等待夹紧电阻自动压帽机工作循环图从动件位移曲线图凸轮轮廓图凸轮名称序号90º240º0º150º送电阻体135º342º0º252º60º送帽压帽0º120º285º45º回程夹紧0º90º180º270º360º电阻体上料凸轮电阻体夹紧凸轮送、压帽凸轮132回程等待压帽二、从动件运动规律设计从动件的运动规律，由凸轮轮廓曲线形状决定。从动件不同的运动规律，要求凸轮具有不同形状的轮廓曲线。正确选择和设计从动件的运动规律，是凸轮机构设计的重要环节。常用运动规律—工程实际中经常用到的运动规律。几种常用运动规律的特点

⑴等速运动规律推程

速度曲线不连续，机构将产生刚性冲击。等速运动规律适用于低速轻载场合。s

,t

v

,ta

,th

位移线图加速度线图速度线图

h

2h

2

⑵等加速等减速运动规律

加速度曲线不连续，机构将产生柔性冲击。等加速等减速运动规律适用于中速轻载场合。

,ta

,ts4h

2

2

,tv2h

推程后半程前半程

⑶余弦加速度运动规律

,ts

,ta

,tvvmax

1.57h

推程

加速度曲线不连续，存在柔性冲击。余弦加速度运动规律适用于中速中载场合。h

amax

4.93h

2

Φ2

⑷正弦加速度运动规律

速度曲线和加速度曲线连续，无刚性冲击和柔性冲击。正弦加速度运动规律适用于高速轻载场合。s

,t

,ta

,tvh

vmax

2h

amax

6.28h

2

2推程

(二)组合运动规律

为了克服单一运动规律的某些缺陷，获得更好的运动和动力特性，可以把几种运动规律拼接起来，构成组合运动规律。

组合原则位移曲线、速度曲线必须连续，高速凸轮机构加速度曲线也必须连续。各段运动规律的位移、速度和加速度曲线在连接点处其值应分别相等。vs

a

,t

,t

,thOOO

vs

a

,t

,t

,thOOO

正弦加速度曲线与直线组合

(三)选择或设计从动件运动规律时应考虑的问题⑴当机器的工作过程对从动件的运动规律有特殊要求，而凸轮的转速不太高时，应首先从满足工作需要出发来选择或设计从动件的运动规律，其次考虑动力特性和便于加工。

h

刀架进给凸轮机构

工件

⑵当机器的工作过程只要求从动件实现一定的工作行程，而对其运动规律无特殊要求时，对于低速凸轮机构，主要考虑便于加工；对于高速凸轮机构，首先考虑动力特性。夹紧凸轮机构工件

⑶当机器对从动件的运动特性有特殊要求，而凸轮的转速又较高，并且只用一种基本运动规律又难于满足这些要求时，可以考虑采用满足要求的组合运动规律。

⑷在设计从动件运动规律时，除了要考虑其冲击特性之外，还要考虑从动件的最大速度vmax、最大加速度amax以及最大跃度jmax，这一点对于高速凸轮机构尤其重要。

CnnO

Bes0sDrb

ds

d

三、盘形凸轮机构基本尺寸的设计

(一)移动从动件盘形凸轮机构基本尺寸的设计

1.

压力角与凸轮基圆的关系压力角对凸轮机构的受力状况有直接影响，在运动规律选定之后，它主要取决于凸轮机构的基本结构尺寸。P为相对瞬心由

BCP得vvP

对心移动从动件盘形凸轮机构e

0。结论移动从动件盘形凸轮机构的压力角

与基圆半径rb、从动件偏置方位和偏距e有关。

2.

偏置方位和偏距e的确定偏置方位的选择应有利于减小凸轮机构推程时的压力角。

应当使从动件偏置在推程时瞬心P的位置的同一侧

正确偏置

OB

nnPe错误偏置

需要注意的是，若推程压力角减小，则回程压力角将增大。确定e可用图解法或解析法。

BO

nnPe

3.凸轮基圆半径的确定

限制基圆半径的条件⑴凸轮的基圆半径rb应大于凸轮轴的半径rS

；⑵最大压力角

max

许用压力角[

]

；⑶凸轮轮廓曲线的最小曲率半径

min

0。第五节平面凸轮轮廓曲线的设计

一、凸轮轮廓曲线设计的基本原理

(一)

凸轮轮廓曲线的设计方法

作图法解析法基本原理反转法原理凸轮轮廓曲线设计方法的基本原理凸轮轮廓曲线设计方法的基本原理反转法原理加角速度-w(与凸轮角速度大小相等、方向相反)从动件与导路绕角速度-w以凸轮转动凸轮静止不动从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线从动件相对导路移动对于滚子从动件，则滚子中心可看作是从动件的尖顶，其运动轨迹就是凸轮的理论轮廓曲线，凸轮的实际轮廓曲线是与理论轮廓曲线相距滚子半径rT的一条等距曲线。rbOs

13578

60º120º90º90º60º120º

1

2

90ºA90º91113151

3

5

7

8

9

11

13

12

14

10

二、

用作图法设计凸轮廓线

1.

对心尖顶移动从动件盘形凸轮廓线的设计

已知凸轮的基圆半径rb，凸轮角速度

和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。

①选比例尺

l，作位移曲线和基圆rb。

②

等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。3

4

5

6

7

8

1876543210

11

9

12

13

14

1413121110915

③

确定反转后从动件尖顶在各等分点占据的位置。

设计步骤④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。rbOA

2.

对心滚子移动从动件盘形凸轮廓线的设计

已知凸轮的基圆半径rb，滚子半径rr、凸轮角速度

和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。

①选比例尺

l，作位移曲线和基圆rb。

②等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。理论轮廓曲线实际轮廓曲线s

13578

60º120º90º90º91113151

3

5

7

8

9

11

13

12

14

10

60º120º

1

2

90º90º3

4

5

6

7

8

1876543210

11

9

12

13

14

1413121110915

③确定反转后从动件滚子中心在各等分点占据的位置。④将各点连接成一条光滑曲线。⑤作滚子圆族及滚子圆族的内(外)包络线。

设计步骤rbOA

3.

对心平底移动从动件盘形凸轮廓线的设计

已知凸轮的基圆半径rb，角速度

和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。

①选比例尺

l，作位移曲线和基圆rb。

设计步骤

②

等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。s

13578

60º120º90º90º91113151

3

5

7

8

9

11

13

12

14

10

60º120º

1

2

90º90º3

4

5

6

7

8

1876543210

11

9

12

13

14

1413121110915

③

确定反转后平底与导路中心线的交点A在各等分点占据的位置。④作平底直线族及平底直线族的内包络线。eA

4.

偏置尖顶移动从动件盘形凸轮廓线的设计

已知凸轮的基圆半径rb，角速度

和从动件的运动规律及偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。

①选比例尺

l，作位移曲线、基圆rb和偏距圆e。

②

等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。O

6

1

2

3

4

5

7

8

14

13

12

11

10

9

s

13578

60º120º90º90º91113151

3

5

7

8

9

11

1312

14

10

③

确定反转后从动件尖顶在各等分点占据的位置。④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。

设计步骤k1k2k3k5k4k6k7k812345678k9k10k11k12k13k14k159101112131415rbO12345678

60º120º90º90º

5.

尖顶摆动从动件盘形凸轮廓线的设计

已知凸轮的基圆半径rb，角速度

，摆杆长度l以及摆杆回转中心与凸轮回转中心的距离L，摆杆角位移曲线，设计该凸轮轮廓曲线。1

2

3

4

5

6

7

120ºB

1

1B1B2B3B4B5B6B7B860º90º

dB

2

2B

3

3B

4

4B

5

5B

6

6B

7

7A1A2A3A4A5A6A7A8

ABl

①选比例尺

，作位移曲线，作基圆rb和转轴圆OA。

②等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的转轴A的位置。

③

确定反转后从动件尖顶在各等分点占据的位置。

设计步骤

④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。第六节凸轮机构从动件的设计

从动件高副元素的形状、从动件与凸轮轮廓维持接触的方式、滚子从动件的滚子直径、平底从动件的平底宽度等的确定，与凸轮机构的工作场合、工作性能、从动件的运动规律等方面的要求密切相关。

一、从动件高副元素形状的选择平面凸轮可以采用尖顶、滚子、平底等形状的从动件，空间凸轮通常只能采用滚子从动件。从动件高副元素形状应根据凸轮机构的应用场合确定。

二、从动件滚子半径及平底宽度的确定

1.

滚子半径的确定

rr

a

rr

0结论

对于外凸轮廓，要保证凸轮正常工作，应使

min

rr。

轮廓失真

a

rr

rr

a

rr

0轮廓正常轮廓变尖内凹轮廓

a

rr

rr

a

rr轮廓正常外凸轮廓

a

理论轮廓曲线

实际轮廓曲线

rrrrrr

2.

平底宽度的确定123456788

7

6

5

4

3

2

1

9

10

11

12

13

14

1514131211109

rblmax

⑴作图法确定

l

2lmax

(5

7)mm

3.

平底从动件凸轮机构的失