機械設(shè)計基礎(chǔ)-第3章凸輪機構(gòu)

1、中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 第第3章章 凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu) 31 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和類型凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和類型 32 從動件的常用運動規(guī)律從動件的常用運動規(guī)律 33 凸輪機構(gòu)的壓力角凸輪機構(gòu)的壓力角 34 圖解法設(shè)計凸輪圖解法設(shè)計凸輪的輪廓的輪廓 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 31 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和類型凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和類型 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：三個構(gòu)件、三個構(gòu)件、盤盤(柱柱)狀曲線輪廓、從動件呈桿狀。狀曲線輪廓、從動件呈桿狀。 作用：作用：將連續(xù)回轉(zhuǎn)將連續(xù)回轉(zhuǎn) 從動件從動件直線移動直線移動或或擺動擺動。 優(yōu)點：優(yōu)點：可精確實現(xiàn)任意運動規(guī)律，簡單緊湊?？删_實現(xiàn)任意運動規(guī)律，簡單緊湊。 缺點

2、：缺點：高副，線接觸，易磨損，傳力不大。高副，線接觸，易磨損，傳力不大。 應(yīng)用：應(yīng)用：內(nèi)燃機內(nèi)燃機 、補鞋機、配鑰匙機等。、補鞋機、配鑰匙機等。 分類：分類：1)按凸輪形狀分：按凸輪形狀分：盤形、盤形、 移動、移動、 圓柱凸輪圓柱凸輪 ( 端面端面 ) 。 2)按推桿形狀分：按推桿形狀分：尖頂尖頂、 滾子滾子、 平底平底從動件。從動件。 特點：特點： 尖頂尖頂構(gòu)造簡單、易磨損、用于儀表機構(gòu)；構(gòu)造簡單、易磨損、用于儀表機構(gòu)； 滾子滾子磨損小，應(yīng)用廣；磨損小，應(yīng)用廣； 平底平底受力好、潤滑好，用于高速傳動。受力好、潤滑好，用于高速傳動。 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 1 2 刀架刀架 o

3、3).按推桿運動分：按推桿運動分：直動直動(對心、偏置對心、偏置)、 擺動擺動 4).按保持接觸方式分：按保持接觸方式分： 力封閉力封閉（重力、彈簧等）（重力、彈簧等） 內(nèi)燃機氣門機構(gòu)內(nèi)燃機氣門機構(gòu) 機床進給機構(gòu)機床進給機構(gòu) 幾何形狀封閉幾何形狀封閉(凹槽、等寬、等徑、主回凸輪凹槽、等寬、等徑、主回凸輪) 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 r1 r2 r1+r2 =const W 凹凹 槽槽 凸凸 輪輪 等等 寬寬 凸凸 輪輪 等等 徑徑 凸凸 輪輪 優(yōu)點：優(yōu)點：只需要設(shè)計適當?shù)妮喞€，從動件便可獲得只需要設(shè)計適當?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。任

4、意的運動規(guī)律，且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便。 缺點：缺點：線接觸，容易磨損。線接觸，容易磨損。 作者：潘存云教授 主主 回回 凸凸 輪輪 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 設(shè)計：潘存云設(shè)計：潘存云 3 1 2 A 線線 繞線機構(gòu)繞線機構(gòu) 3 1 2 A 線線 應(yīng)用實例：應(yīng)用實例： 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 設(shè)計：潘存云 3 皮帶輪皮帶輪 5 卷帶輪卷帶輪 錄音機卷帶機構(gòu)錄音機卷帶機構(gòu) 1 放音鍵放音鍵 2 摩擦輪摩擦輪 4 1 3 2 4 5 放音鍵放音鍵 卷帶輪卷帶輪 皮帶輪皮帶輪 摩擦輪摩擦輪 錄音機卷帶機構(gòu)錄音機卷帶機構(gòu) 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 設(shè)計：潘存云

5、1 3 2 送料機構(gòu)送料機構(gòu) 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 設(shè)計：潘存云 h h o t 1 s2 32 推桿的運動規(guī)律推桿的運動規(guī)律 凸輪機構(gòu)設(shè)計的基本任務(wù)凸輪機構(gòu)設(shè)計的基本任務(wù): : 1) 1)根據(jù)工作要求選定凸輪機構(gòu)的形式根據(jù)工作要求選定凸輪機構(gòu)的形式; ; 名詞術(shù)語：名詞術(shù)語： 一、一、推桿的常用運動規(guī)律推桿的常用運動規(guī)律 基圓、基圓、 推程運動角、推程運動角、 基圓半徑、基圓半徑、推程、推程、 遠休止角、遠休止角、 回程運動角、回程運動角、回程、回程、 近休止角、近休止角、 行程。行程。一個循環(huán) rmin h 1 A 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。

6、 2)2)推桿運動規(guī)律推桿運動規(guī)律; ; 3)3)合理確定結(jié)構(gòu)尺寸合理確定結(jié)構(gòu)尺寸; ; 4)4)設(shè)計輪廓曲線。設(shè)計輪廓曲線。 s s s sD B C B t t 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 設(shè)計：潘存云 h h o t 1 s2 rmin h 1 A s s s sD B C B t t 運動規(guī)律：運動規(guī)律：推桿在推程或回程時，其位移推桿在推程或回程時，其位移S S2、速度、速度V2、 和加速度和加速度a2 隨時間隨時間t 的變化規(guī)律。的變化規(guī)律。 形式：形式：多項式、三角函數(shù)。多項式、三角函數(shù)。 S S2=S=S2(t)(t) V2= =V2(t)(t) a2= =a2(t)(

7、t) 位移曲線位移曲線 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 邊界條件：邊界條件： 凸輪轉(zhuǎn)過推程運動角凸輪轉(zhuǎn)過推程運動角t t從動件上升從動件上升h 一、多項式運動規(guī)律一、多項式運動規(guī)律 一般表達式：一般表達式：s2=C0+ C11+ C22 21+Cnn n1 (1)(1) 求一階導(dǎo)數(shù)得速度方程：求一階導(dǎo)數(shù)得速度方程： v2 = = ds2/dt 求二階導(dǎo)數(shù)得加速度方程：求二階導(dǎo)數(shù)得加速度方程： a2 = =dv2/dt =2=2 C22 21+ 6C32 211+n(n-1)Cn2 21n-2 n-21 其中：其中：1凸輪轉(zhuǎn)角凸輪轉(zhuǎn)角，dd1/dt=/dt=1凸輪角速度凸輪角速度, , C

8、 Ci i待定系數(shù)待定系數(shù)。 = = C11+ 2C211+nCn1n-1 n-11 凸輪轉(zhuǎn)過回程運動角凸輪轉(zhuǎn)過回程運動角h h從動件下降從動件下降h 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 在推程起始點：在推程起始點：1=0=0， s2=0 代入得：代入得：C00， C1h/h/t t 推程運動方程：推程運動方程： s2 h1/t v2 h1 /t s2 1t v2 1 a2 1 h 在推程終止點：在推程終止點：1=t t ， ，s2=h + 剛性沖擊剛性沖擊 s2 = C0+ C11+ C22 21+Cnn n1 v2 = = C1+ 2C21+nCn1n-1 n-11 a2 = = 2 C

9、221+ 6C3211+n(n-1)Cn21n-21 同理得回程運動方程：同理得回程運動方程： s2h(1-1/h ) v2-h1 /h a20 a2 0 1.1.等速運動（一次多項式）運動規(guī)律等速運動（一次多項式）運動規(guī)律 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 2. 等加等減速（二次多項式）運動規(guī)律等加等減速（二次多項式）運動規(guī)律 位移曲線為一拋物線。加、減速各占一半位移曲線為一拋物線。加、減速各占一半。 推程加速上升段邊界條件：推程加速上升段邊界條件： 起始點：起始點：1=0=0， s2=0， v20 中間點：中間點：1=t t /2 2， ，s2=h/2 求得：求得：C00， C10，C

10、22h/2t 加速段推程運動方程為：加速段推程運動方程為： s2 2h21 /2t v2 4h11 /2t a2 4h21 /2t 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 設(shè)計：潘存云 1 a2 h/2 t t h/2 推程減速上升段邊界條件：推程減速上升段邊界條件： 終止點：終止點：1=t t ， ，s2=h，v20 中間點：中間點：1=t t/2 2，s2=h/2 求得：求得：C0h， C14h/t ， C2-2h/2t 減速段推程運動方程為：減速段推程運動方程為： s2 h-2h(t 1)2/2t 1 1 s2 v2 -4h1(t-1)/2t a2 -4h21 /2t 2 3546 2h/

11、2h/t t 柔性沖擊柔性沖擊 4h4h2 2/2 2t t 3 重寫加速段推程運動方程為：重寫加速段推程運動方程為： s2 2h2 1 /2t v2 4h11 /2t a2 4h21 /2t 1 v2 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 同理可得回程等加速段的運動方程為：同理可得回程等加速段的運動方程為： s2 h-2h21/2h v2 -4h11/2h a2 -4h21/2h 回程等減速段運動方程為：回程等減速段運動方程為： s2 2h(h-1)2/2h v2 -4h1(h-1)/2h a2 4h21/2h 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 設(shè)計：潘存云 h t 1 s s2 1 a

12、2 二、三角函數(shù)運動規(guī)律二、三角函數(shù)運動規(guī)律 1.1.余弦加速度余弦加速度( (簡諧簡諧) )運動規(guī)律運動規(guī)律 推程：推程： s2h1- -cos(1/t)/2 v2 h1sin(1/t)/2t a2 2h21 cos(1/t)/22t 回程：回程： s2h1cos(1/h)/2 v2- -h1sin(1/h)/2h a2- -2h21 cos(1/h)/22h 123 456 1 v v2 V Vmax max=1.57h/2 =1.57h/20 0 在起始和終止處理論上在起始和終止處理論上a2為有限值，產(chǎn)生柔性沖擊。為有限值，產(chǎn)生柔性沖擊。 1 2 3 4 5 6 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者：

13、 潘存云教授 s2 1 1 a2 1 v2 h t t 2.2.正弦加速度（擺線）運動規(guī)律正弦加速度（擺線）運動規(guī)律 推程：推程： s2hh1/t t-sin(2-sin(21/t t)/2 )/2 v2hh11-cos(21-cos(21/t t)/)/t t a22h2h2 21 sin(2(21/t t)/)/2 2t t 回程：回程： s2h1-h1-1/h h +sin(2 +sin(21/h h)/2)/2 v2hh1cos(2cos(21/h h)-1/)-1/h h a2-2h-2h2 21 sin(2(21/h h)/)/h h2 2 無沖擊無沖擊 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者：

14、潘存云教授 設(shè)計：潘存云 v2 s 2 a 2 1 1 1 h o o o t t 正弦改進等速正弦改進等速 三、改進型運動規(guī)律三、改進型運動規(guī)律 將幾種運動規(guī)律組合，以改善將幾種運動規(guī)律組合，以改善 運動特性。運動特性。 + - v 2 s 2 a 2 1 1 1 h o o o t t 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 設(shè)計：潘存云 O B 1 設(shè)計凸輪機構(gòu)時，除了要求從動件能實現(xiàn)預(yù)期的運動規(guī)律外，還希望凸 輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，受力情況良好。而這與壓力角有很大關(guān)系。 定義：定義：正壓力與推桿上力作用點正壓力與推桿上力作用點B速度方向間的夾角速度方向間的夾角 F”， 若若大到一定程度時，會有

15、：大到一定程度時，會有： 機構(gòu)發(fā)生自鎖。機構(gòu)發(fā)生自鎖。 33 凸輪機構(gòu)的壓力角凸輪機構(gòu)的壓力角 n n 一、壓力角與作用力的關(guān)系一、壓力角與作用力的關(guān)系 不考慮摩擦?xí)r，作用力沿法線方向。不考慮摩擦?xí)r，作用力沿法線方向。 F F F” F 有用分力有用分力, 沿導(dǎo)路方向沿導(dǎo)路方向 F” 有害分力，垂直于導(dǎo)路有害分力，垂直于導(dǎo)路 F”=F tan F 一定時，一定時， Ff F F Ff 為了保證凸輪機構(gòu)正常工作，要求：為了保證凸輪機構(gòu)正常工作，要求： 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 = 30= 30 直動從動件；直動從動件； = = 354545擺動從動件；擺動從動件； = = 70808

16、0回程?；爻獭?中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 1.1.凸輪廓線設(shè)計方法的基本原理凸輪廓線設(shè)計方法的基本原理 34 圖解法圖解法設(shè)計凸輪輪廓設(shè)計凸輪輪廓 2.2.用作圖法設(shè)計凸輪廓線用作圖法設(shè)計凸輪廓線 1)1)對心直動尖頂從動件盤形凸輪對心直動尖頂從動件盤形凸輪 3)3)滾子直動從動件盤形凸輪滾子直動從動件盤形凸輪 4)4)對心直動平底從動件盤形凸輪對心直動平底從動件盤形凸輪 2)2)偏置直動尖頂從動件盤形凸輪偏置直動尖頂從動件盤形凸輪 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 設(shè)計：潘存云 一、凸輪廓線設(shè)計方法的基本原理一、凸輪廓線設(shè)計方法的基本原理 反轉(zhuǎn)原理反轉(zhuǎn)原理： 依據(jù)此原理可以用

17、幾何作圖的方法依據(jù)此原理可以用幾何作圖的方法 設(shè)計凸輪的輪廓曲線，例如：設(shè)計凸輪的輪廓曲線，例如： 給整個凸輪機構(gòu)施以給整個凸輪機構(gòu)施以- -1時，不影響各構(gòu)件之間時，不影響各構(gòu)件之間 的相對運動，此時，凸輪將靜止，而從動件尖頂復(fù)合的相對運動，此時，凸輪將靜止，而從動件尖頂復(fù)合 運動的軌跡即凸輪的輪廓曲線運動的軌跡即凸輪的輪廓曲線。 尖頂凸輪繪制動畫尖頂凸輪繪制動畫 滾子凸輪繪制動畫滾子凸輪繪制動畫 O O -1 33 11 22 3 3 3 3 1 1 1 1 2 2 2 2 1 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 設(shè)計：潘存云 60 rmin 120 -1 1 1 對心直動尖頂對心直動尖

18、頂從動件從動件凸輪機構(gòu)中，已知凸輪機構(gòu)中，已知 凸輪的基圓半徑凸輪的基圓半徑rmin，角速度，角速度1和從動和從動 件的運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。件的運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。 設(shè)計步驟小結(jié)：設(shè)計步驟小結(jié)： 選比例尺選比例尺l作基圓作基圓r rmin min。 。 反向等分各運動角。原則是：陡密緩疏。反向等分各運動角。原則是：陡密緩疏。 確定反轉(zhuǎn)后，從動件尖頂在各等份點的位置。確定反轉(zhuǎn)后，從動件尖頂在各等份點的位置。 將各尖頂點連接成一條光滑曲線。將各尖頂點連接成一條光滑曲線。 1.1.對心直動尖頂對心直動尖頂從動件從動件盤形凸輪盤形凸輪 1 3 5 7 8 2 3 4 5 6 7 8

19、 9 10 11 12 13 14 90 90 A 1 8 7 6 5 4 3 2 14 13 12 11 109 二、直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制二、直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制 60 1209090 1 3 5 7 8 911 13 15 s2 1 9 11 13 12 14 10 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 設(shè)計：潘存云 911 13 15 1 3 5 7 8 O O e A A 偏置直動尖頂偏置直動尖頂從動件從動件凸輪機構(gòu)中，凸輪機構(gòu)中， 已知凸輪的基圓半徑已知凸輪的基圓半徑rmin，角速度，角速度 1和從動件的運動規(guī)律和偏心距和從動件的運動規(guī)律和偏心距e， 設(shè)計該凸輪輪廓曲

20、線。設(shè)計該凸輪輪廓曲線。 2.2.偏置直動尖頂偏置直動尖頂從動件從動件盤形凸輪盤形凸輪 1 3 5 7 89 11 13 12 14 -1 1 6 1 2 3 4 5 7 8 15 14 13 12 11 10 9 設(shè)計步驟小結(jié)：設(shè)計步驟小結(jié)： 選比例尺選比例尺l作基圓作基圓r rmin min; ; 反向等分各運動角反向等分各運動角; ; 確定反轉(zhuǎn)后，從動件尖頂在各等份點的位置確定反轉(zhuǎn)后，從動件尖頂在各等份點的位置; ; 將各尖頂點連接成一條光滑曲線。將各尖頂點連接成一條光滑曲線。 15 14 13 12 11 10 9 k9 k10 k11 k12 k13 k14k15 1 2 3 4 5

21、 6 7 8 k1 k2 k3 k5 k4 k6 k7 k8 60 1209090 s2 1 6 1 2 3 4 5 7 8 15 14 13 12 11 10 9 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 設(shè)計：潘存云 s2 1 911 13 151 3 5 7 8 rmin A 120 -1 1 設(shè)計步驟小結(jié)：設(shè)計步驟小結(jié)： 選比例尺選比例尺l作基圓作基圓r rmin min。 。 反向等分各運動角。原則是：陡密緩疏。反向等分各運動角。原則是：陡密緩疏。 確定反轉(zhuǎn)后，從動件尖頂在各等份點的位置。確定反轉(zhuǎn)后，從動件尖頂在各等份點的位置。 將各尖頂點連接成一條光滑曲線。將各尖頂點連接成一條光滑曲線

22、。 1 3 5 7 89 11 13 12 14 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 60 90 90 1 8 7 6 5 4 3 2 14 13 12 11 10 9 理論輪廓理論輪廓 實際輪廓實際輪廓 作各位置滾子圓的內(nèi)作各位置滾子圓的內(nèi)( (外外) )包絡(luò)線。包絡(luò)線。 3.3.滾子直動從動件盤形凸輪滾子直動從動件盤形凸輪 滾子直動從動件凸輪機構(gòu)中，已知凸輪滾子直動從動件凸輪機構(gòu)中，已知凸輪 的基圓半徑的基圓半徑rmin，角速度，角速度1和從動件的和從動件的 運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。 60 1209090 1 中國地質(zhì)大學(xué)專用

23、作者： 潘存云教授 設(shè)計：潘存云 a工作輪廓的曲率半徑，工作輪廓的曲率半徑，理論輪廓的曲率半徑，理論輪廓的曲率半徑， rT滾子半徑滾子半徑 rT arT rT 輪廓失真輪廓失真 滾子半徑的確定滾子半徑的確定 arT rT arT0 輪廓正常輪廓正常 輪廓變尖輪廓變尖 內(nèi)凹內(nèi)凹 a rT rT rT rT arT 輪廓正常輪廓正常 外凸外凸 rTa 中國地質(zhì)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 設(shè)計：潘存云 s2 1 911 13 15 1 3 5 7 8 rmin 對心直動平底對心直動平底從動件從動件凸輪機構(gòu)中，已知凸輪機構(gòu)中，已知 凸輪的基圓半徑凸輪的基圓半徑rmin，角速度，角速度1和從動和從動 件的運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。件的運動規(guī)