凸輪機(jī)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)

1、凸輪機(jī)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì) 一、一、 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類 1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 （1）實(shí)例 內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu) 自動(dòng)機(jī)床進(jìn)刀機(jī)構(gòu) 自動(dòng)機(jī)床凸輪機(jī)構(gòu) （2）特點(diǎn) 適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)凸輪廓線可實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)構(gòu)簡單，緊湊； 但易磨損，傳力不大。 2凸輪機(jī)構(gòu)的分類 （1）按凸輪的形狀分 1）盤形凸輪（移動(dòng)凸輪） 2）圓柱凸輪 （2）按推桿形狀及運(yùn)動(dòng)形式分 1）尖頂推桿、滾子推桿和平底推桿 2）對心直動(dòng)推桿、偏置直動(dòng)推桿和擺動(dòng)推桿 （3）按保持高副接觸方法分 1）力封閉的凸輪機(jī)構(gòu) 2）幾何封閉的凸輪機(jī)構(gòu) 二、二、 推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 基圓 基圓的半徑r0 推桿 推

2、桿的運(yùn)動(dòng)角0 遠(yuǎn)休 遠(yuǎn)休止角01 回程 回程運(yùn)動(dòng)角0 近休 近休止角02 行程h 推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律 s s(t)s() v v(t)v() a a(t)a() 1名詞術(shù)語及符號(hào) 2推桿常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 （1）多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律 推程時(shí)：s = h /0 在始末兩瞬時(shí)有剛性沖擊。 推桿等加速推程段： s = 2h 2/02 推桿等減速推程段： s = h2h(0 )2/02 在始、末兩瞬時(shí)有柔性沖擊。 s10h 3/0315h 4/046h 5/05 既無剛性沖擊，也無柔性沖擊。 1）等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律 2）等加等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律 3）3-4-5多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律 對于多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其多項(xiàng)式中待定系數(shù)的數(shù)目應(yīng) 與邊界

3、條件的數(shù)目相等，其數(shù)目多少應(yīng)根據(jù)工作要求來確定。但 當(dāng)邊界條件增多時(shí)，會(huì)使設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜，加工精度也難以達(dá)到， 故通常不宜采用太高次數(shù)的多項(xiàng)式。 說明 （2）三角函數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 推程時(shí)：sh(/0)sin(2 /0) /(2) 推程時(shí)：sh1cos(/0)/2 在始、末兩瞬時(shí)有柔性沖擊。 既無剛性沖擊，又無柔性沖擊。 1）余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律 2）正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律 3）組合型運(yùn)動(dòng)規(guī)律 3推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇 1）機(jī)器的工作過程只要求凸輪轉(zhuǎn)過角度0時(shí)，推桿完成一 個(gè)行程h或角行程,而對其運(yùn)動(dòng)規(guī)律并未作嚴(yán)格要求。 在此情況下，可考慮采用圓弧、直線或其他簡單曲線為凸輪 廓線。 例 主令開關(guān)中的凸輪機(jī)構(gòu)

4、2）機(jī)器的過程對推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有完全確定的要求。 此時(shí)只能根據(jù)工作所需要的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來設(shè)計(jì) 3）對于速度較高的凸輪機(jī)構(gòu)，還應(yīng)考慮該種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的速 度最大值vmax、加速度最大值amax和躍度的最大值jmax等。 組合原則 要保證在銜接點(diǎn)上運(yùn)動(dòng)參數(shù)保持連續(xù)；在運(yùn)動(dòng)的 始末處滿足邊界條件。 無論是采用作圖法還是解析法設(shè)計(jì)凸輪廓線，所依據(jù)的基本 原理都是反轉(zhuǎn)法原理。 例 偏置尖頂推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu) 三、三、 凸輪廓線曲線的設(shè)計(jì)凸輪廓線曲線的設(shè)計(jì) 1凸輪廓線設(shè)計(jì)的基本原理 當(dāng)給某個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)加一個(gè)公共角速度-，使其繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 凸輪靜止不動(dòng)，而推桿則一方面隨其導(dǎo)軌作反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一方面 又沿導(dǎo)軌作預(yù)期的往復(fù)

5、運(yùn)動(dòng)。 推桿在這種復(fù)合運(yùn)動(dòng)中，其尖頂?shù)?運(yùn)動(dòng)軌跡即為凸輪就輪廓曲線。 當(dāng)根據(jù)凸輪機(jī)構(gòu)的工作要求和結(jié)構(gòu)條件選定了其機(jī)構(gòu)的型式、 基本尺寸，推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和凸輪的轉(zhuǎn)向之后，就可以進(jìn)行凸輪 輪廓曲線的設(shè)計(jì)了。 凸輪廓線設(shè)計(jì)的方法：作圖法和解析法 （1）凸輪的輪廓曲線與推桿的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系 在設(shè)計(jì)凸輪廓線時(shí)，可假設(shè)凸輪靜止不動(dòng)，時(shí)其推桿相對凸 輪作反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又在其導(dǎo)軌內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)， 作出推桿在這種 復(fù)合運(yùn)動(dòng)中的一系列位置，則其尖頂?shù)能壽E就是所要求的凸輪廓 線。這就是凸輪廓線設(shè)計(jì)的反轉(zhuǎn)法原理。 2用作圖法設(shè)計(jì)凸輪廓線 （1）直動(dòng)推桿盤形推桿凸輪廓線的設(shè)計(jì) 結(jié)論 尖頂推桿盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì)是滾子推桿和平

6、底 推桿盤形凸輪設(shè)計(jì)的基本問題及方法。 （2）凸輪廓線設(shè)計(jì)方法的基本原理 1）偏置直動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì) 2）偏置直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì) 3） 對心直動(dòng)平底推桿盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì) （2）擺動(dòng)推桿盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì) 結(jié)論 擺動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì)方法與直動(dòng)尖頂推 桿盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì)方法基本類似，所不同的是推桿的預(yù)期運(yùn) 動(dòng)規(guī)律及作圖設(shè)計(jì)中都要用到推桿的角位移表示，即 將直動(dòng)推 桿的各位移方程中的位移s改為 , 行程h改為角行程，就可用來 求擺動(dòng)推桿的角位移了。 1）擺動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì) 2）擺動(dòng)滾子推桿盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì) 3）擺動(dòng)平底推桿盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì) （3）

7、直動(dòng)推桿圓柱凸輪廓線的設(shè)計(jì) 3用解析法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線 用解析法設(shè)計(jì)凸輪廓線，就是根據(jù)工作所要求的推桿運(yùn)動(dòng)規(guī) 律和已知的機(jī)構(gòu)參數(shù)，求凸輪廓線的方程式， 并精確地計(jì)算出凸 輪廓線上各點(diǎn)的坐標(biāo)值。 結(jié)論 對于滾子推桿和平底推桿的盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì)，只 要將起滾子中心和推桿的平底與導(dǎo)路中心線的交點(diǎn)視為尖頂推桿 的尖頂，就可以暗尖頂推桿盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)起理 論廓線或確定這些點(diǎn)的位置。然后以這些點(diǎn)為圓心或中心點(diǎn)作出 一系列滾子圓或推桿的平底線，再作此圓族或直線族的包絡(luò)線， 即得所設(shè)計(jì)凸輪的工作廓線。 （1）偏置直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu) （2）對心平底推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu) （3）擺動(dòng)滾子推桿盤形

8、凸輪機(jī)構(gòu) 四、凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定四、凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定 1凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角 （2）凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角 fg/cos(+1)(1+2b/l)sin(+1)tan2 若 大至使f增 至無窮大時(shí)，機(jī)構(gòu)將發(fā)生自鎖。 凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角是指推桿所受正壓力的方向與推桿上點(diǎn) b 的速度方向之間所夾的銳角， 它是影響凸輪機(jī)構(gòu)受 力情況的一個(gè)重要參數(shù)。 常以表示。 在其他情況不變的情況下， 愈大，f愈大， 此時(shí)機(jī)構(gòu)的壓力角稱為臨界壓力 角c， 即 carctan1/(12b/l)tan21 （1）凸輪機(jī)構(gòu)中的作用力 為保證凸輪機(jī)構(gòu)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)使其最大壓力角max小于臨 界壓力角c，增大l，減小b，可以使c

9、值提高。 通常 規(guī)定：凸輪機(jī)構(gòu)的最大壓力角max應(yīng)小于某一許用壓力角， 生產(chǎn)實(shí)際中，為了提高機(jī)構(gòu)的效率，改善其受力情況， 即 max (c) 許用壓力角的一般取值為 推程時(shí)： 直動(dòng)推桿30 擺動(dòng)推桿3545 回程時(shí)：7080 2凸輪基圓半徑的確定 tan(ds/d)e/r02e2)1/2s 在偏距一定，推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律已知的條件下， 可減小壓力角， 加大基圓半徑r0， 從而改善機(jī)構(gòu)的傳力特性。 但機(jī)構(gòu)的尺寸會(huì)增大。 （2）凸輪基圓半徑的確定 凸輪基圓半徑的確定的原則是：應(yīng)在滿足max的條件下， 合理的確定凸輪的基圓半徑，使凸輪機(jī)構(gòu)的尺寸不至過大。 先按滿足推程壓力角的條件來確定基圓半徑r0 ，

10、即 r0(ds/d-e)/tan-s2+e21/2 用上式計(jì)算得r0隨凸輪廓線上各點(diǎn)的ds/d、s值的不同而不同， 故需確定r0的極大值，即為凸輪基圓半徑的最小半徑。 （1）凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角與基圓半徑的關(guān)系 還要考慮滿足凸輪的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度的要求： 當(dāng)凸輪和軸做成一體時(shí)，凸輪廓線的最小半徑應(yīng)大于軸的半 徑。 當(dāng)凸輪和軸單獨(dú)制作時(shí)，凸輪上要作出輪轂，此時(shí)凸輪工作 廓線的最小半徑應(yīng)略大于輪轂的外徑?？扇⊥馆喒ぷ骼€的最小 直徑等于或大于軸徑的（1.62）倍。 3滾子推桿滾子半徑的選擇 采用滾子推桿時(shí)，滾子半徑的選擇，要考慮滾子的結(jié)構(gòu)、強(qiáng) 度及凸輪輪廓曲線的形狀等多方面的因素。 （1）凸輪輪廓曲線與滾子

11、半徑的關(guān)系 則arr。 此時(shí)，無論滾子半徑大小如何，凸輪的工作廓線總是可以平 滑地作出來。 則arr。 若rr時(shí)， 則a0，工作廓線出現(xiàn)變尖現(xiàn)象。 若 rr時(shí)， 則a0， 工作廓線出現(xiàn)交叉， 推桿運(yùn)動(dòng)規(guī) 律出現(xiàn)失真現(xiàn)象。 1）當(dāng)凸輪廓線內(nèi)凹時(shí)， 2）當(dāng)凸輪廓線外凸時(shí)， （2）滾子半徑的選擇 首先，應(yīng)使?jié)L子半徑rr小于理論廓線的最小曲率半徑min。 而min則可用解析法或作圖法確定。 其次，要求凸輪工作廓線的最小曲率半徑amin一般不應(yīng)小于 15mm。 若不滿足此要求時(shí)， 就應(yīng)增大r0，或減小rr，或修改 s()，或使其工作廓線出現(xiàn)尖點(diǎn)的地方代以合適曲線。 此外，滾子半徑受其強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)限制而不能太小，應(yīng)取rr (0.10.5)r0 4平底推桿底尺寸的確定 l2lmax(57)mm （a） 1）用作圖法確定 2）用計(jì)算公式確定： l2|ds/d|max(57)mm （b） 當(dāng)平底推桿凸輪機(jī)構(gòu)出現(xiàn)失真現(xiàn)象時(shí)，可適當(dāng)增大凸輪的基 圓半徑r0來消除失真現(xiàn)象。 （1）平底長度的確定 （2）平底推桿