機械設(shè)計基礎(chǔ)第3章凸輪.ppt

第3章 凸輪機構(gòu),31 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和類型,32 從動件的常用運動規(guī)律,33 凸輪機構(gòu)的壓力角,34 圖解法設(shè)計凸輪輪廓,35 解析法設(shè)計凸輪輪廓,內(nèi)燃機氣門機構(gòu),一、應(yīng)用實例： 1、內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu),凸輪1以等角速度回轉(zhuǎn)時，它的輪廓驅(qū)動從動件3（閥桿）按預(yù)期的運動規(guī)律啟閉閥門。,31 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和類型,設(shè)計：潘存云,繞線機構(gòu),2、繞線機中用于排線的凸輪機構(gòu)。,繞線軸3快速轉(zhuǎn)動時，繞軸線上的齒輪帶動凸輪1緩慢轉(zhuǎn)動，通過凸輪輪廓與尖頂A間的作用，驅(qū)使從動件2往復(fù)搖動，使線均勻繞在繞線軸上。,設(shè)計：潘存云,3、錄音機卷帶裝置中的凸輪機構(gòu)。,凸輪1隨放音鍵上下移動,放音時，凸輪1位圖示最低位置，彈簧6作用，使安裝于帶輪軸上的摩擦輪4緊靠卷帶輪5，而將磁帶卷緊。停止放音時，凸輪1隨按鍵上移，其輪廓壓迫從動件2順時針擺動，使摩擦輪與卷帶輪分離，停止卷帶。,6,設(shè)計：潘存云,送料機構(gòu),4、自動送料機構(gòu)。,帶凹槽凸輪1轉(zhuǎn)動時，通過槽中滾子驅(qū)使從動件2往復(fù)移動。凸輪每回轉(zhuǎn)一周，從動件即從儲料器中推出一個毛坯，送到加工位。,1、組成：三個構(gòu)件：凸輪、從動件（桿件）、機架。,2、作用：將連續(xù)回轉(zhuǎn) = 從動件直線移動或擺動。,3、優(yōu)點：可精確實現(xiàn)任意運動規(guī)律，簡單緊湊。,4、缺點：高副，線接觸，易磨損，傳力不大。,1、按凸輪形狀分 1）盤形凸輪：凸輪繞固定軸轉(zhuǎn)動并有變化半徑盤形零件。（例1、2） 2）移動凸輪：盤形凸輪回轉(zhuǎn)中心趨無窮遠時，凸輪相對機架作直線運動。 （例3） 3） 圓柱凸輪 ：移動凸輪卷成圓柱體。（例4）,由所舉例子可知：凸輪機構(gòu)的,二、分類：據(jù)凸輪和從動件不同形狀和型式凸輪機構(gòu)分為：,2、按推桿形狀分 1）尖頂從動件：尖頂與凸輪輪廓保持接觸，實現(xiàn)從動件任意運動規(guī)律。 特點：結(jié)構(gòu)簡單、易磨損，用于作用力很小低速凸輪機構(gòu)。儀表機構(gòu)。 2）滾子從動件：從動件一端有可自由轉(zhuǎn)動滾子，滾子與凸輪間為滾動摩擦。 特點：磨損小，可承受較大載荷；應(yīng)用廣。 3）平底從動件。從動件一端為一平面，直接與凸輪輪廓接觸。 若不考慮摩擦，凸輪對從動件作用力始終垂直于端平面，傳動效率高，且接觸面間易形成油膜，利于潤滑。缺點：不能用于凸輪輪廓有凹曲線的凸輪機構(gòu)中。 特點：受力好、潤滑好，用于高速傳動,3、按推桿運動分：直動(對心、偏置)、 擺動,4、按保持接觸方式分：力封閉（重力、彈簧等）；,內(nèi)燃機氣門機構(gòu),機床進給機構(gòu),幾何形狀封閉(凹槽、等寬、等徑、主回凸輪),r1+r2 =const,等寬凸輪,優(yōu)點：只需要設(shè)計適當(dāng)?shù)妮喞€，從動件便可獲得任意的運動規(guī)律，且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便。,缺點：線接觸，易磨損。,作者：潘存云教授,主回凸輪,設(shè)計：潘存云,32 從動件的常用運動規(guī)律,凸輪機構(gòu)設(shè)計的基本任務(wù):1)根據(jù)工作要求選定凸輪機構(gòu)的形式; 2)推桿運動規(guī)律; 3)合理確定結(jié)構(gòu)尺寸; 4)設(shè)計輪廓曲線。,一、推桿的常用運動規(guī)律,1、基圓：以凸輪輪廓曲線最小向徑rmin為半徑所作的圓稱為基圓。 rmin稱為基圓半徑。,2、推程：A-輪廓曲線起始點。二者A點接觸時，從動件處最低位置。凸輪以1逆時針轉(zhuǎn)動t，凸輪輪廓AB段向徑增加，推動從動件以一定規(guī)律運動到離回轉(zhuǎn)中,而根據(jù)工作要求，選定推桿運動規(guī)律，是設(shè)計凸輪輪廓曲線的前提。,心最遠位置B，該過程稱-。,6、回程：繼續(xù)轉(zhuǎn)h時，輪廓CD段向徑減小，從動件在重力或彈簧力作用下，以一定運動規(guī)律回到起始位置，該過程稱為回程。,7、回程運動角：對應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角h稱為回程運動角。,8、近休止角：凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)s時，凸輪輪廓DA段向徑不變，從動件在最近位置停留不動，相應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角s為近休止角。 凸輪再繼續(xù)轉(zhuǎn)動，從動件重復(fù)上述運動循環(huán)。 9、從動件位移曲線：以縱坐標(biāo)代表從動件位移s2，橫坐標(biāo)代表凸輪轉(zhuǎn)角，畫出從動件位移s2與凸輪轉(zhuǎn)角間的關(guān)系線圖。,5、遠休止角：凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)s時，輪廓BC段向徑不變，此時從動件處最遠位置不動，相應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角s為遠休止角。,4、推程運動角：對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角t 稱為推程運動角 。,3、升程：此時從動件走過的距離h為其升程。,1）推程運動方程： s2 h1/t,v2 h1 /t,剛性沖擊,2）回程運動方程： s2h(1-1/h ),v2-h1 /h,a20,a2 0,1.等速運動運動規(guī)律,分析可知：從動件位移線圖取決于凸輪輪廓曲線的形狀。 幾種常用從動件運動規(guī)律,（1）從動件推程做等速運動時：位移線圖為一斜直線；速度線圖為一水平直線。 運動開始時，從動件由0突變 該處加速度 。 運動終止時，速度 變?yōu)?， 由此產(chǎn)生的巨大慣性力導(dǎo)致強烈沖擊。造成危害。等速運動運動規(guī)律不易單獨使用。,v0,a2 +,v0,a2 -。,2. 簡諧運動運動規(guī)律,1）推程運動方程： s2h/2【1-cos（1/t )】,v2 h /（2t ）sin（ 1/t ）,a2h 22 /（2t 2）cos（1/t,2）回程運動方程： s2h/2【1+cos（/t （1-t -s)】,v2- h /（2t ）sin【 /t （1-t -s)】,a2-h22 /（2t 2）cos【/t （1-t -s)】,簡諧運動：點在圓周上勻速運動時，它在該圓直徑上的投影構(gòu)成的運動稱為-。 位移線圖作法：1）從動件行程h為直徑畫半圓；2）分半圓若干等份得1”、2”、3”、4”點；3）分凸輪運動角相應(yīng)等份，4）作垂線11、22、33、44、；5）圓周上等分點投影到相應(yīng)垂直線上得1、2、3、4、點；光滑曲線連接，得到從動件位移線圖，方程：,從動件在行程始點和終點有柔性沖擊；加速度曲線保持連續(xù)，能避免沖擊。,3.正弦加速度運動規(guī)律 擺線運動規(guī)律（a-t線圖一正弦曲線，其位以為擺線在縱軸上的投影）。運動規(guī)律無速度、加速度突變，無沖擊可用于高速凸輪。缺點：amax大，慣性大，要求較高加工精度。,無沖擊,作業(yè)和思考題：P52 1、3,33 凸輪機構(gòu)的壓力角,壓力角定義：作用在從動件上驅(qū)動力與該力作用點絕對 速度所加銳角。 高副構(gòu)件的壓力角：接觸輪廓法線與從動件速度方向的所夾的銳角。高副接觸構(gòu)件中的力是沿法線方向作用。 設(shè)計凸輪要求：1）從動件實現(xiàn)預(yù)期運動規(guī)律；2）機構(gòu)受力良好；3）機構(gòu)尺寸小。 與壓力角有關(guān)。討論壓力角對機構(gòu)受力及尺寸影響。,要求：掌握壓力角與凸輪機構(gòu)尺寸的關(guān)系 重點：壓力角的計算,設(shè)計：潘存云, F”,效率,到一定程度，有,機構(gòu)自鎖。,一、壓力角與作用力的關(guān)系,不考慮摩擦，高副構(gòu)件凸輪給與從動件的力沿法線方向。,F-有用分力, 沿導(dǎo)路方向。,F”-有害分力，垂直于導(dǎo)路。,F”=F tg ；F 一定,Ff F,為了保證凸輪機構(gòu)正常工作，要求：, max 許用,尖頂直動從動件凸輪機構(gòu)的壓力角,許用= 30 -直動從動件；,許用= 3545-擺動從動件；,凸輪輪廓曲線上各點的壓力角一般是變化的。,通常：,設(shè)計：潘存云,二、壓力角與凸輪機構(gòu)尺寸的關(guān)系,其他條件不變，欲使機構(gòu)緊湊，應(yīng)采用小基圓半徑，基圓半徑減小引起壓力角 增大。 P點為相對速度瞬心， 于是有：,v=lOP1,rmin, lOP =v/1,= ds2 /d1,= lOC + lCP,又因lCP =,因lOC = e，,所以lCP = ds2/d1- e,(S2+S0 )tg,而,可增大rmin,（）,當(dāng) max 許用,同理，當(dāng)導(dǎo)路位于中心左側(cè)時，有：,偏置尖頂-,設(shè)計：潘存云,lOP =lCP- lOC, lCP = ds2/d1 + e,“+” 用于導(dǎo)路和瞬心位于中心兩側(cè)； “-” 用于導(dǎo)路和瞬心位于中心同側(cè)；,顯然，導(dǎo)路和瞬心位于中心同側(cè)時，壓力角將減小。反之-,注意：用偏置法可減小推程壓力角，但同時增大了回程壓力角， 故偏距 e 不能太大。,lCP = (S2+S0 )tg,設(shè)計：潘存云,提問：對于平底推桿凸輪機構(gòu)： ？,0,工作要求（擺動、直動等）選擇從動件的運動規(guī)律確定凸輪基圓半徑繪制凸輪輪廓。,34 圖解法設(shè)計凸輪輪廓,繪制凸輪輪廓時需要凸輪與圖紙相對靜止。采用“反轉(zhuǎn)法”。,幾種盤形凸輪輪廓繪制,凸輪廓線設(shè)計方法的基本原理-反轉(zhuǎn)原理（動畫）,給整個凸輪機構(gòu)施以-1時，不影響各構(gòu)件間相對運動，此時，凸輪將靜止，而從動件尖頂復(fù)合運動（隨機架和導(dǎo)路以角速度-1的繞O點轉(zhuǎn)動；在導(dǎo)路中往復(fù)移動）軌跡即凸輪的輪廓曲線。（下圖所示）,要求：掌握用圖解法設(shè)計凸輪輪廓 重點：圖解法設(shè)計凸輪輪廓,設(shè)計：潘存云,據(jù)此原理可用幾何作圖的方法設(shè)計凸輪輪廓曲線。 例如：,尖頂凸輪繪制,滾子凸輪繪制,一、直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制,1.偏置尖頂直動從動件盤形凸輪,偏置直動尖頂從動件凸輪機構(gòu)中，已知從動件位移線圖、凸輪基圓半徑rmin、順時針回轉(zhuǎn)的角速度1、偏距e。繪制該凸輪輪廓曲線。,對心,設(shè)計步驟：,選比例尺l ，以rmin作基圓，基圓與導(dǎo)路交點A;以e為半徑作偏距圓與從動件導(dǎo)路切于k點。為從動件起始位置。,設(shè)計：潘存云,將位移線圖s11的推程運動角()和回程運動角( )反向等分;,確定反轉(zhuǎn)后，從動件尖頂在各等份點的位置;,k,過1、2、3、4、作偏距圓系列切線。,沿上各切線自基圓量取從動件 相應(yīng)位移量，即取線段11 、22 、，得尖頂系列位置。,將1 、2 、3 、連接成一條光滑曲線凸輪輪廓曲線。(e=0,對心尖頂直動從動件盤形凸輪,導(dǎo)路為過中心o徑向射線),設(shè)計：潘存云,理論輪廓,實際輪廓,作各位置滾子圓的內(nèi)(外)包絡(luò)線。,2.滾子直動從動件盤形凸輪,滾子直動從動件凸輪機構(gòu)，已知凸輪基圓半徑rmin，角速度1和從動件運動規(guī)律。設(shè)計該凸輪輪廓曲線。,設(shè)計：潘存云,設(shè)min理論輪廓外凸部分最小曲率半徑， rT滾子半徑; 實際輪廓半徑 = min- rT,rT, minrT0 實際輪廓曲線發(fā)生自交,運動規(guī)律不能實現(xiàn),滾子半徑的大小對凸輪實際輪廓影響很大, minrT,rT, minrT0,輪廓正常,輪廓變尖, rT, minrT 0平滑曲線,輪廓正常,外凸,對于外凸輪廓，要保證正常工作，應(yīng)使： min rT 如果理論輪廓外凸部分最小曲率半徑min 過小，按上述條件選擇的滾子半徑太小不能滿足安裝和強度要求，應(yīng)加大凸輪基圓尺寸，重新設(shè)計凸輪輪廓。,設(shè)計：潘存云,對心直動平底從動件凸輪機構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑rmin，角速度1和從動件的運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。,選比例尺l作基圓rmin。取平底與與導(dǎo)路交點A為從動件尖點。 反向等分各運動角。(按尖頂從動件凸輪輪廓繪制法) 確定反轉(zhuǎn)后，求出尖頂翻轉(zhuǎn)后的系列位置1 、2 、3 、,過這些點畫系列平底。 作平底直線族的內(nèi)包絡(luò)線實際輪廓曲線。,3.對心直動平底從動件盤形凸輪,設(shè)計步驟：,設(shè)計：潘存云,對平底推桿凸輪機構(gòu)，也有失真現(xiàn)象。,可通過增大rmin解決此問題。,設(shè)計：潘存云,已知凸輪基圓半徑rmin，角速度1，擺桿長度lAB及擺桿回轉(zhuǎn)中心與凸輪回轉(zhuǎn)中心距離lOA ，擺桿角位移線圖，繪出凸輪輪廓。,二、擺動從動件盤形凸輪輪廓的繪制,“反轉(zhuǎn)法”,O,1）據(jù)lOA 定出O點與A點位置，以O(shè)為圓心作基圓；以A為圓心lAB為半徑作圓弧交基圓B點。(尖頂起始位置）,設(shè)計步驟：,2）分角位移線圖的推程運動角和回程運動角若干等分 3）以O(shè)為圓心OA為半徑畫圓，沿-等分各弧并與左圖對應(yīng)，得A1、A2、A3、，得A1B1 4）由左圖從動件擺角畫出從動件相對機架的位置A1B1、 A2B2 5) 以A1、A2、A3、為圓心lAB為半徑作弧,截A1B1、 A2B2分別于點B1、 B2、。將B1、 B2、點連成光滑曲線，得尖頂擺動從動件凸輪的輪廓。 滾子或平底從動件：上述為理論輪廓，選系列點作滾子或平底包絡(luò)線實際輪廓 校核推程壓力角（必須）。例：1）尖頂擺動從動件盤形凸輪。2）滾子從動件凸輪：校核理論輪廓的壓力角。3）平底從動件凸輪機構(gòu)：壓力角很小且為不變量，不校核。,35 解析法設(shè)計凸輪的輪廓,圖解法簡便，誤差大，精度高的高速凸輪等必須用解析法精確設(shè)計。 通常，用以凸輪回轉(zhuǎn)中心為極點的極坐標(biāo)表示凸輪輪廓曲線。,要求：了解用解析法設(shè)計凸輪輪廓的基本步驟 重點：解析法設(shè)計凸輪輪廓,原理：反轉(zhuǎn)法。,結(jié)果：求出輪廓曲線的解析表達式-,參數(shù)方程。,設(shè)計：潘存云,已知：e、rmin、rT、從動件運動規(guī)律S2=S2(1)、1及其方向。,理論輪廓的極坐標(biāo)參數(shù)方程：,=1+0,tg0 = e/ S0,tg = e/(S2 + S0),即B點的極坐標(biāo), (+0),(1+),=,一、滾子直動從動件盤形凸輪,設(shè)計：潘存云,其中： tg=,實際輪廓方程是理論輪廓的等距曲線。由高等數(shù)學(xué)知：等距線對應(yīng)點具有公共的法線。,T =+,實際輪廓上對應(yīng)點T的位置：位于理論輪廓 B 點法線 n-n 與滾子圓的交線上,T點的極坐標(biāo)參數(shù)方程為：,由圖有： =+,前面的結(jié)論,直角坐標(biāo)參數(shù)方程為：,x = T cos T,y =