机械设计基础第五章凸轮机构

1、2020/8/23,课件,1,第5章 凸轮机构,5-1 凸轮机构的应用及分类 5-2 推杆的运动规律 5-3 凸轮轮廓曲线的设计 5-4 凸轮机构基本尺寸的确定,基本要求: 了解凸轮机构的类型及特点 掌握从动件常用运动规律的特点 掌握凸轮机构基本尺寸确定的原则 熟练掌握反转法原理并进行凸轮机构设计,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,2,5-1 凸轮机构的组成及分类,一、组成 二、特点 三、分类 四、应用,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,3,一、组成,由三个构件组成的一种高副机构 凸轮：具有曲线轮廓或凹槽的构件 推杆/ 从动件，运动规律由凸轮廓线和运动尺寸决定 机架

2、,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,4,二、特点,优点： 实现各种复杂的运动要求 结构简单、紧凑 设计方便 缺点： 点、线接触，易磨损，不适合高速、重载,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,5,三、分类,1 按凸轮的形状分 2 按从动件的形状分 3 按从动件的运动形式分 4 按从动件的布置形式分 5 凸轮机构的基本概念与参数,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,6,1 按凸轮的形状分,盘形凸轮, 实例 凸轮呈向径变化的盘形 结构简单, 应用最广泛 移动凸轮 凸轮呈板型, 直线移动,圆柱凸轮, 实例 空间凸轮机构 凸轮轮廓做在圆柱体上 空间运动,机械设计基础

3、凸轮机构,2020/8/23,课件,7,2 按从动件的形状分,尖顶推杆 尖顶始终能够与凸轮轮廓保持接触，可实现复杂的运动规律 易磨损，只宜用于轻载、低速 滚子推杆 耐磨、承载大，较常用,平底推杆 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,尖顶推杆,滚子推杆,平底推杆,平底推杆,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,8,3 按从动件的运动形式分,直动推杆 往复移动 轨迹为直线,摆动推杆 往复摆动 轨迹为圆弧,直动推杆,摆动推杆,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,9,4 按从动件的布置形式分,对心直动推杆,偏置直动推杆,机械设计基础凸轮机构,2

4、020/8/23,课件,10,一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,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,11,1、基圆：,凸轮理论轮廓上最小向径为半径所画的圆。,6、凸轮机构的基本概念与参数,2、偏距e：,从动件导路偏离凸轮回转中心的距离。,w,O,w,rmin,O,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,12,3、推程：,4、升程：,从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定的 运动规律由离回转中心最近位置A到达 最远位置B的过程。,从动件在推程中所走过的距离h。,5、

5、推程运动角：,6、远休止角：,t = AOB（升程角）,与推程相应的凸轮转角t。,S = BOC,从动件在最远位置停止不动所对应的凸轮转角s。,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,13,9、近休止角：,8、回程运动角：,h =COD,s =AOD,7、回程：,从动件在弹簧力或重力作用下，以一 定的运动规律回到起始位置的过程。,与回程相应的凸轮转角h。,从动件在最近位置停止不动所对应的凸轮转角s。,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,14,以纵坐标代表从动件位移s2 ，横坐标代表凸轮转角1或t，所画出的位移与转角之间的关系曲线。,10、从动件位移线图：,上升停降停,从动件

6、位移线图决定于凸轮轮廓曲线的形状。,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,15,1、推程：,2、升程：,3、 推程运动角：,4、 运休止角：,7、近休止角：,6、 回程运动角：,5、 回程：,偏置尖顶直动从动件盘形凸轮,h,t,s,h,s,2020/8/23,课件,16,左图为自动机床中的横向进给机构，当凸轮等速回转一周时，凸轮的曲线外廓推动从动件带动刀架完成以下动作：车刀快速接近工件，等速进刀切削，切削结束刀具快速退回，停留一段时间再进行下一个运动循环。,四、应用,2020/8/23,课件,17,2020/8/23,课件,18,5-2 推杆的运动规律,一、凸轮机构的运动过程 二、推

7、杆常用运动规律 三、选择运动规律应注意的问题,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,19,一、凸轮机构的运动过程,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j变化的规律 基圆(以凸轮轮廓最小向径所组成的圆)，基圆半径r0 推程，推程运动角0 远休止，远休止角01,回程，回程运动角0 近休止，近休止角02 行程（升程），h 运动线图: 从动件的位移、速度、加速度等随时间t或凸轮转角j变化关系图,B,C,D,A,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,20,二、推杆常用运动规律,1 等速运动 2 等加速等减速运动 3 摆线运动,注意： 为便于理解各种运动规

8、律特性, 本章将运动规律单独应用于推程或回程,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,21,1 等速推程运动一次多项式运动规律,推程(00) 运动方程： 位移方程： 速度方程： 加速度方程：,运动线图 冲击特性：始点、末点刚性冲击 适用场合：低速轻载,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,22,等速回程运动（续）,回程(00) 运动方程： 位移方程： 速度方程： 加速度方程：,运动线图 冲击特性：始点、末点刚性冲击 适用场合：低速轻载,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,23,2 等加速等减速运动二次多项式运动规律,推程 运动方程:,运动线图 冲击特性：起、中、末

9、点柔性冲击 适用场合：低速轻载,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,24,3 摆线运动正弦加速度运动,推程 运动方程：,运动线图 冲击特性：无冲击 适用场合：高速轻载,a,d,v,d,0,0,0 1 2 3 4 5 6 7 8,s,d,h,0,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,25,三、选择运动规律应注意的问题,实际使用时, 推程或回程的运动规律可采用单一运动规律,也可以将几种运动规律复合使用 1. 当机械的工作过程只要求推杆实现一定的工作行程，而对运动规律无特殊要求时，主要考虑动力特性和便于加工 低速轻载时，便于加工优先； 速度较高时，动力特性优先。 2. 当机械的

10、工作过程对推杆运动规律有特殊要求时： 转速较低时，首先满足运动规律，其次再考虑动力特性和加工 转速较高时，兼顾运动规律和动力特性，采用组合运动,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,26,5-3 凸轮轮廓曲线的设计,一、凸轮廓线设计的基本原理 二、作图法设计凸轮廓线,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,27,一、凸轮廓线设计的基本原理,解析法、作图法 相对运动原理法:(也称反转法): 对整个系统施加-w运动,此时，凸轮保持不动 推杆作复合运动=反转运动(-) +预期运动(s),机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,28,二、作图法设计凸轮廓线,作图步骤： 1 根

11、据从动件的运动规律：作出位移线图S2-1，并等分角度 2 定基圆 3 作出推杆在反转运动中依次占据的位置 4 据运动规律，求出从动件在预期运动中依次占据的位置 5 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 6 将各位置点联接成光滑的曲线 7 在理论轮廓上再作出凸轮的实际轮廓,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,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,29,1 对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构,已知：r0，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动 设计：凸轮廓线,解： 1. 定比例尺l 2. 初始位置及推杆位移曲线 3. 确定推杆反转运动占据的各

12、位置 4. 确定推杆预期运动占据的各位置 5. 推杆高副元素族 6. 推杆高副元素的包络线,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,30,2 对心直动滚子推杆盘形凸轮机构,已知：r0，推杆运动规律，滚子半径rr, 凸轮逆时针方向转动 设计：凸轮廓线,解： 1. 定比例尺l 2. 初始位置及推杆位移曲线 注：两条廓线，理论实际廓线 实际廓线基圆rmin 理论廓线基圆r0 3. 确定推杆反转运动占据的各位置 4. 确定推杆预期运动占据的各位置 5. 推杆高副元素族 6. 推杆高副元素的包络线,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,31,3小结,应用反转法时应注意： 要能正确理解凸

13、轮实际廓线和理论廓线的关系 要正确确定推杆的反转方向 正确确定推杆在反转运动中占据的位置 直动推杆：推杆在反转前后两位置线的夹角应等于凸轮的转角 摆动推杆：反转前后推杆摆动中心和凸轮轴心的两连线之间的夹角应等于凸轮的转角 正确确定推杆的位移或摆角 直动推杆：位移等于推杆所在位置与理论廓线的交点和与基圆交点之间的距离 摆动推杆：角位移等于推杆所在位置与推杆起始位置之间的夹角,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,32,5-4 凸轮机构基本尺寸的确定,一、压力角 二、基圆半径的选择 三、滚子半径的确定 四、凸轮和滚子的材料 五、凸轮的加工方法,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课

14、件,33,一、 压力角与许用值,2020/8/23,课件,34,二、 凸轮基圆半径的确定,基圆半径越大，压力角越小，但结构尺寸较大,2020/8/23,课件,35,(3) 从动件偏置方向的选择,凸轮逆时针回转，从动件右偏置 凸轮顺时针回转，从动件左偏置,2020/8/23,课件,36,三、凸轮轮廓形状与滚子半径的关系 外凸凸轮廓线,2020/8/23,课件,37,实际廓线出现尖点,2020/8/23,课件,38,实际廓线出现交叉，从动件不能准确地实现预期的运动规律运动失真,2020/8/23,课件,39,内凹凸轮廓线,无论滚子半径多大，总能由理论轮廓求出实际轮廓。,2020/8/23,课件,4

15、0,运动失真 原因： 避免方法： 滚子半径的选择 考虑结构、强度与运动规律等因素,2020/8/23,课件,41,结论:,内凹凸轮廓线： 滚子半径无限制 外凸凸轮廓线： 理论轮廓的最小曲率半径大于滚子半径, 即minrr 实际设计时，应保证amin = min -rr a =35 mm,机械设计基础凸轮机构,2020/8/23,课件,42,四、凸轮和滚子的材料,凸轮的主要失效形式为磨损和疲劳点蚀。,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,2020/8/23,课件,43,五、 凸轮轮廓的加工,凸轮轮廓的加工方法通常有两种