第5章凸輪機構(gòu)

1、 當要求某些機械的從動件按照預(yù)定的當要求某些機械的從動件按照預(yù)定的運動規(guī)律變化，采用凸輪機構(gòu)可精確地實運動規(guī)律變化，采用凸輪機構(gòu)可精確地實現(xiàn)所要求的運動，如內(nèi)燃機配氣機構(gòu)。如現(xiàn)所要求的運動，如內(nèi)燃機配氣機構(gòu)。如果采用平面連桿機構(gòu)，一般只能近似地實果采用平面連桿機構(gòu)，一般只能近似地實現(xiàn)預(yù)定的運動規(guī)律，難以滿足要求，而且現(xiàn)預(yù)定的運動規(guī)律，難以滿足要求，而且設(shè)計較為困難和復(fù)雜。設(shè)計較為困難和復(fù)雜。5.1.1凸輪機構(gòu)的分類及應(yīng)用凸輪機構(gòu)的分類及應(yīng)用1、應(yīng)用：應(yīng)用：2、組成：、組成：凸輪凸輪一個具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，通過高副接觸一個具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，通過高副接觸從動件：平動，擺動從動件：平動

2、，擺動機架機架3、特點、特點：當從動件的位移、速度、加速度必須嚴格按照當從動件的位移、速度、加速度必須嚴格按照預(yù)定規(guī)律變化時，常用凸輪機構(gòu)。預(yù)定規(guī)律變化時，常用凸輪機構(gòu)。優(yōu)點：優(yōu)點：1)能夠?qū)崿F(xiàn)精確的運動規(guī)律；能夠?qū)崿F(xiàn)精確的運動規(guī)律；2)設(shè)計較簡單。設(shè)計較簡單。缺點：缺點：1)承載能力低，主要用于控制機構(gòu)；承載能力低，主要用于控制機構(gòu)；2)凸輪輪廓加工困難。凸輪輪廓加工困難。凸輪傳動是通過凸輪與從動件間的接觸來傳遞運動和動力，是一種凸輪傳動是通過凸輪與從動件間的接觸來傳遞運動和動力，是一種常見的高副機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，只要設(shè)計出適當?shù)耐馆嗇喞€，就常見的高副機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，只要設(shè)計出適當?shù)耐馆嗇?/p>

3、廓曲線，就可以使從動件實現(xiàn)任何預(yù)定的復(fù)雜運動規(guī)律?？梢允箯膭蛹崿F(xiàn)任何預(yù)定的復(fù)雜運動規(guī)律。 5.1 概述概述內(nèi)燃機配氣機構(gòu)凸輪式內(nèi)燃機配氣機構(gòu) 自動車床上的走刀機構(gòu)自動車床上的走刀機構(gòu)1)1)按按凸輪的形狀和運動分類凸輪的形狀和運動分類(1)(1)盤形回轉(zhuǎn)凸輪盤形回轉(zhuǎn)凸輪(2)(2)平板移動凸輪平板移動凸輪 4 4、作用：將凸輪的轉(zhuǎn)動或移動轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭蛹囊苿踊驍[動作用：將凸輪的轉(zhuǎn)動或移動轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭蛹囊苿踊驍[動 5、凸輪傳動機構(gòu)的類型、凸輪傳動機構(gòu)的類型：(3)(3)、圓柱回轉(zhuǎn)凸輪、圓柱回轉(zhuǎn)凸輪 2)2)、按、按從動件的形狀分類從動件的形狀分類(1)(1)、尖頂從動件、尖頂從動件(2)(2)、

4、滾子從動件、滾子從動件(2)(2)、平底從動件、平底從動件 3)按按從動件的運動形式從動件的運動形式擺動從動件擺動從動件移動從動件移動從動件4)4)按鎖合方式的不同按鎖合方式的不同力鎖合凸輪，如靠重力、彈簧力鎖合的凸輪等；力鎖合凸輪，如靠重力、彈簧力鎖合的凸輪等；形鎖合凸輪，如溝槽凸輪、等徑及等寬凸輪、共軛凸輪等。形鎖合凸輪，如溝槽凸輪、等徑及等寬凸輪、共軛凸輪等。 按從動件運動形式按從動件運動形式可分為直動從動件（又分為對心直動從動件和偏置直動從動件）可分為直動從動件（又分為對心直動從動件和偏置直動從動件）和擺動從動件兩種。和擺動從動件兩種。 5.1.2 凸輪和滾子的材料凸輪和滾子的材料凸輪

5、：凸輪：45鋼、鋼、40Cr表面淬火表面淬火(硬度硬度4050HRC)，15鋼、鋼、20Cr、20CrMnTi滲碳淬火滲碳淬火(硬度硬度5662HRC ) 。滾子：滾子：20Cr，經(jīng)滲碳淬火，表面硬度達，經(jīng)滲碳淬火，表面硬度達5662HRC；也可用滾動；也可用滾動軸承作為滾子。軸承作為滾子。 1、失效形式：失效形式：2、工作要求：、工作要求： 要求凸輪和滾子的工作表面硬度高、耐磨，并且具有足夠要求凸輪和滾子的工作表面硬度高、耐磨，并且具有足夠的表面接觸強度，對于經(jīng)常受到?jīng)_擊的凸輪機構(gòu)要求凸輪芯部的表面接觸強度，對于經(jīng)常受到?jīng)_擊的凸輪機構(gòu)要求凸輪芯部有較大的韌性。有較大的韌性。 3、常用材料、常

6、用材料：磨損和疲勞點蝕。磨損和疲勞點蝕。5.1.3 凸輪的結(jié)構(gòu)與安裝凸輪的結(jié)構(gòu)與安裝1、凸輪的結(jié)構(gòu)：凸輪的結(jié)構(gòu)：2、凸輪的安裝：、凸輪的安裝： 凸輪在軸上的固定，除采用鍵聯(lián)接外，也可采用緊定螺釘凸輪在軸上的固定，除采用鍵聯(lián)接外，也可采用緊定螺釘和圓錐銷固定，如圖和圓錐銷固定，如圖2-8a所示，初調(diào)用緊定螺釘定位，然后用圓所示，初調(diào)用緊定螺釘定位，然后用圓錐銷固定；圖錐銷固定；圖2-8b所示采用開槽錐形套固定，調(diào)整靈活，但傳遞所示采用開槽錐形套固定，調(diào)整靈活，但傳遞轉(zhuǎn)矩不能太大。圖轉(zhuǎn)矩不能太大。圖2-7組合式凸輪、圖組合式凸輪、圖2-8盤狀凸輪在軸上的固定盤狀凸輪在軸上的固定 。 凸輪軸凸輪軸

7、、 整體式、鑲塊式、組合式整體式、鑲塊式、組合式 。5.2 凸輪機構(gòu)的特性分析凸輪機構(gòu)的特性分析 1、繪制三種常見的從動件運動規(guī)律曲線圖、繪制三種常見的從動件運動規(guī)律曲線圖 2、比較三種從動件運動規(guī)律的沖擊類型、比較三種從動件運動規(guī)律的沖擊類型工作任務(wù)工作任務(wù):基圓：以凸輪最小半徑基圓：以凸輪最小半徑r r0 0所所作的圓，作的圓，r r0 0稱為凸輪的基圓半稱為凸輪的基圓半徑。徑。推程、推程運動角：推程、推程運動角：推桿的運動規(guī)律：是指推桿推桿的運動規(guī)律：是指推桿在運動過程中，其位移、速度在運動過程中，其位移、速度和加速度隨時間變化（凸輪轉(zhuǎn)和加速度隨時間變化（凸輪轉(zhuǎn)角角變化）的規(guī)律。變化）的

8、規(guī)律。遠休、遠休止角：遠休、遠休止角：回程、回程運動角：回程、回程運動角：近休、近休止角：近休、近休止角：行程：行程：h hhss0位移：位移：s=r-rs=r-r0 05.2.1 凸輪機構(gòu)的運動分析凸輪機構(gòu)的運動分析5.2 凸輪機構(gòu)的特性分析凸輪機構(gòu)的特性分析 1 1、等速運動規(guī)律、等速運動規(guī)律 推程：推程：0 00 0 0S0Sh h初始條件初始條件：=0=0；S S= =0 0終止條件終止條件: := =0 0 S S= =h h推程運動方程式：推程運動方程式： 回程：回程：0 0h h 0S0Sh h 初始條件初始條件：=0 =0 S S= =h h終止條件終止條件：= =h hS S

9、= =0 0回程運動方程式：回程運動方程式： 0/110dtdvaCdtdsvCCs運動方程式一般表達式：運動方程式一般表達式：5.2.2 從動件常用的運動規(guī)律從動件常用的運動規(guī)律 運動特性：當采用勻速運動規(guī)律運動特性：當采用勻速運動規(guī)律時，推桿在運動的時，推桿在運動的起始點和末點起始點和末點因因速度有突變，在理論上加速度值為速度有突變，在理論上加速度值為瞬時無窮大，使推桿產(chǎn)生非常大的瞬時無窮大，使推桿產(chǎn)生非常大的慣性力，致使凸輪受到很大的沖擊，慣性力，致使凸輪受到很大的沖擊，稱為稱為剛性沖擊剛性沖擊。推程運動線圖：推程運動線圖：適用場合：低速、輕載。適用場合：低速、輕載。 推程運動方程式推程

10、運動方程式：2 2、等加速等減速運動規(guī)律、等加速等減速運動規(guī)律 推程：推程：0 00 0 0S0Sh h等加速段：等加速段：0 00 02 2 0S0Sh h2 2運動方程式：運動方程式： 等減速段：等減速段：0 02 20 0 h h2 2SSh h運動方程式運動方程式 回程：回程：0 00 0 0S0Sh h 等加速段：等加速段：0 00 02 2 hShSh h2 2運動方程式：運動方程式： 等減速段：等減速段：0 02 20 0h h2 2SS0 0運動方程式運動方程式 運動方程式一般表達式：運動方程式一般表達式： 運動特性：當采用等加速等減運動特性：當采用等加速等減速運動規(guī)律時，在速

11、運動規(guī)律時，在起點、中點和起點、中點和末點時末點時，加速度有突變，因而推，加速度有突變，因而推桿的慣性力也將有突變，不過這桿的慣性力也將有突變，不過這一突變?yōu)橛邢拗?，所以，凸輪機一突變?yōu)橛邢拗担?，凸輪機構(gòu)中由此而引起的沖擊稱為構(gòu)中由此而引起的沖擊稱為柔性柔性沖擊。沖擊。 適用場合：中速、輕載。適用場合：中速、輕載。3 3、簡諧運動規(guī)律（余弦加速度運動規(guī)律）：、簡諧運動規(guī)律（余弦加速度運動規(guī)律）： 簡諧運動：當一點在圓周上等速運動時，其在直徑上的簡諧運動：當一點在圓周上等速運動時，其在直徑上的投影的運動即為簡諧運動。投影的運動即為簡諧運動。推桿推程運動方程式：推桿推程運動方程式：推桿回程運動

12、方程式：推桿回程運動方程式： 運動特性：這種運動規(guī)律的運動特性：這種運動規(guī)律的加速度在起點和末點時有有限加速度在起點和末點時有有限數(shù)值的突變，故也有柔性沖擊。數(shù)值的突變，故也有柔性沖擊。 適用場合：中速、中載。適用場合：中速、中載。三、從動件運動規(guī)律的選擇三、從動件運動規(guī)律的選擇1. 1. 選擇推桿運動規(guī)律的基本要求選擇推桿運動規(guī)律的基本要求 滿足機器的工作要求；滿足機器的工作要求； 使凸輪機構(gòu)具有良好的動力特性；使凸輪機構(gòu)具有良好的動力特性； 使所設(shè)計的凸輪便于加工。使所設(shè)計的凸輪便于加工。(1) (1) 只對推桿工作行程有要求，而對運動規(guī)律無特殊要求只對推桿工作行程有要求，而對運動規(guī)律無特

13、殊要求 推桿運動規(guī)律選取應(yīng)從便于加工和動力特性來考慮。推桿運動規(guī)律選取應(yīng)從便于加工和動力特性來考慮。 低速輕載凸輪機構(gòu)：采用圓弧、直線等易于加工的曲線作為凸低速輕載凸輪機構(gòu)：采用圓弧、直線等易于加工的曲線作為凸輪輪廓曲線。輪輪廓曲線。 高速凸輪機構(gòu)：首先考慮動力特性，以避免產(chǎn)生過大的沖擊。高速凸輪機構(gòu)：首先考慮動力特性，以避免產(chǎn)生過大的沖擊。 大質(zhì)量從動件不宜選用大質(zhì)量從動件不宜選用maxmax太大的運動規(guī)律太大的運動規(guī)律 高速度從動件不宜選用高速度從動件不宜選用a amaxmax太大的運動規(guī)律太大的運動規(guī)律2. 2. 根據(jù)工作條件確定推桿運動規(guī)律幾種常見情況根據(jù)工作條件確定推桿運動規(guī)律幾種常

14、見情況(2)(2)機器工作過程對從動件的的運動規(guī)律有特殊要求機器工作過程對從動件的的運動規(guī)律有特殊要求 凸輪轉(zhuǎn)速不高，按工作要求選擇運動規(guī)律；凸輪轉(zhuǎn)速較高時，選凸輪轉(zhuǎn)速不高，按工作要求選擇運動規(guī)律；凸輪轉(zhuǎn)速較高時，選定主運動規(guī)律后，進行組合改進。定主運動規(guī)律后，進行組合改進。正弦加速度運動規(guī)律正弦加速度運動規(guī)律 擺線運動規(guī)律擺線運動規(guī)律組合運動規(guī)律組合運動規(guī)律五次多項式運動規(guī)律五次多項式運動規(guī)律小結(jié)：小結(jié)：等速運動規(guī)律：等速運動規(guī)律： 有剛性沖擊有剛性沖擊 低速輕載低速輕載等加速等減速運動：等加速等減速運動： 柔性沖擊柔性沖擊 中速輕載中速輕載余弦加速度運動規(guī)律：余弦加速度運動規(guī)律： 柔性沖擊

15、柔性沖擊 中低速重載中低速重載正弦加速度運動規(guī)律：正弦加速度運動規(guī)律： 無沖擊無沖擊 中高速輕載中高速輕載五次多項式運動規(guī)律：五次多項式運動規(guī)律： 無沖擊無沖擊 高速中載高速中載運動規(guī)律運動規(guī)律 運動特性運動特性 適用場合適用場合5.3 凸輪機構(gòu)的設(shè)計凸輪機構(gòu)的設(shè)計1、簡述反轉(zhuǎn)法的基本原理、簡述反轉(zhuǎn)法的基本原理 3、掌握繪制凸輪機構(gòu)的壓力角、掌握繪制凸輪機構(gòu)的壓力角工作任務(wù)工作任務(wù):2、根據(jù)位移曲線圖，采用圖解法設(shè)計盤形凸、根據(jù)位移曲線圖，采用圖解法設(shè)計盤形凸 輪輪廓曲線輪輪廓曲線設(shè)計方法：圖解法，解析法設(shè)計方法：圖解法，解析法 假想給整個機構(gòu)加一公假想給整個機構(gòu)加一公共角速度共角速度- -w

16、 w, ,凸輪：相對靜止不動凸輪：相對靜止不動推桿：一方面隨導軌以推桿：一方面隨導軌以- -w w繞繞凸輪軸心轉(zhuǎn)動凸輪軸心轉(zhuǎn)動另一方面又沿導軌作預(yù)期的另一方面又沿導軌作預(yù)期的往復(fù)移動往復(fù)移動推桿尖頂在這種復(fù)合運動中推桿尖頂在這種復(fù)合運動中的運動軌跡即為凸輪輪廓曲的運動軌跡即為凸輪輪廓曲線。線。( (一一) )、圖解法的原理圖解法的原理5.3.1 圖解法設(shè)計盤形凸輪輪廓曲線圖解法設(shè)計盤形凸輪輪廓曲線5.3 凸輪機構(gòu)的設(shè)計凸輪機構(gòu)的設(shè)計設(shè)計凸輪廓線的圖解法是根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理作出從動件推桿尖頂在反設(shè)計凸輪廓線的圖解法是根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理作出從動件推桿尖頂在反轉(zhuǎn)運動中依次占據(jù)的各位置，然后作出其高副元素所形

17、成的曲線族；轉(zhuǎn)運動中依次占據(jù)的各位置，然后作出其高副元素所形成的曲線族；并作從動件高副元素所形成的曲線族的包絡(luò)線，即是所求的凸輪輪并作從動件高副元素所形成的曲線族的包絡(luò)線，即是所求的凸輪輪廓曲線。廓曲線。 ( (二二) )、圖解法的方法和步驟圖解法的方法和步驟1 1、尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制、尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制設(shè)計要求：已知凸輪的基圓半徑為設(shè)計要求：已知凸輪的基圓半徑為r r0,0,凸輪沿逆時針方向等速回轉(zhuǎn)。凸輪沿逆時針方向等速回轉(zhuǎn)。而推桿的運動規(guī)律如圖所示。試設(shè)計該對心直動尖頂從動件盤形凸而推桿的運動規(guī)律如圖所示。試設(shè)計該對心直動尖頂從動件盤形凸輪機構(gòu)的凸輪廓線

18、。輪機構(gòu)的凸輪廓線。22122102/2/CdtdvaCCdtdsvCCCs2 2、滾子對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制、滾子對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制已知條件已知條件: : 凸輪的基圓半徑為凸輪的基圓半徑為r r0,0,滾子半徑滾子半徑rr,rr,凸輪沿逆時針方向等凸輪沿逆時針方向等速回轉(zhuǎn)。推桿的運動規(guī)律如圖所示。試設(shè)計對心直動滾子從動件盤速回轉(zhuǎn)。推桿的運動規(guī)律如圖所示。試設(shè)計對心直動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)的凸輪廓線。形凸輪機構(gòu)的凸輪廓線。3 3、對心直動平底從動件盤形凸輪輪廓的繪制、對心直動平底從動件盤形凸輪輪廓的繪制已知條件已知條件: : 凸輪的基圓半徑為凸輪的基圓半徑為r r0,

19、0,凸輪沿逆時針方向等速回轉(zhuǎn)。推凸輪沿逆時針方向等速回轉(zhuǎn)。推桿的運動規(guī)律如圖所示。試設(shè)計對心直動平底從動件盤形凸輪機構(gòu)桿的運動規(guī)律如圖所示。試設(shè)計對心直動平底從動件盤形凸輪機構(gòu)的凸輪廓線。的凸輪廓線。4 4、偏置直動尖頂從動件盤形凸輪機構(gòu)、偏置直動尖頂從動件盤形凸輪機構(gòu) 已知條件已知條件: :已知凸輪的基圓半徑為已知凸輪的基圓半徑為r r0 0, ,凸輪沿逆時針方向等速回轉(zhuǎn)。凸輪沿逆時針方向等速回轉(zhuǎn)。而推桿的運動規(guī)律已知，已知偏距而推桿的運動規(guī)律已知，已知偏距e e。試設(shè)計。試設(shè)計。從動畫中看，從動件從動畫中看，從動件在反轉(zhuǎn)運動中依次占在反轉(zhuǎn)運動中依次占據(jù)的位置將不在是以據(jù)的位置將不在是以凸輪

20、回轉(zhuǎn)中心作出的凸輪回轉(zhuǎn)中心作出的徑向線徑向線, ,而是始終與而是始終與O O保持一偏距保持一偏距e e的直線的直線, ,因此若以凸輪回轉(zhuǎn)中因此若以凸輪回轉(zhuǎn)中心心O O為圓心，以偏距為圓心，以偏距e e為半徑作圓（稱為偏為半徑作圓（稱為偏距圓）距圓）, ,則從動件在則從動件在反轉(zhuǎn)運動中依次占據(jù)反轉(zhuǎn)運動中依次占據(jù)的位置必然都是偏距的位置必然都是偏距圓的切線圓的切線,(,(圖圖中中 )從從動件的位移動件的位移( ( )也應(yīng)沿切線量取。然也應(yīng)沿切線量取。然后將后將 等點等點用光滑的曲線連接起用光滑的曲線連接起來，既得偏置直動尖來，既得偏置直動尖頂從動件盤形凸輪輪頂從動件盤形凸輪輪廓。廓。 5 5、擺動

21、從動件盤形凸輪機構(gòu)、擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)已知條件已知條件: :已知凸輪的基圓半徑為已知凸輪的基圓半徑為r r0 0, ,凸輪轉(zhuǎn)動方向。凸輪轉(zhuǎn)動中心凸輪轉(zhuǎn)動方向。凸輪轉(zhuǎn)動中心與從動件擺動中心的距離，擺動從動件的長度，已知從動件的運動與從動件擺動中心的距離，擺動從動件的長度，已知從動件的運動規(guī)律，試設(shè)計。（規(guī)律，試設(shè)計。（從動件的位移是角位移從動件的位移是角位移 ）02022000cos2sin2cos12hahvhs理論廓線的曲率半徑：理論廓線的曲率半徑：r r實際廓線的曲率半徑：實際廓線的曲率半徑：r ra1 1、滾子半徑的確定、滾子半徑的確定內(nèi)凹輪廓：內(nèi)凹輪廓：NoImage凸輪機構(gòu)設(shè)計凸

22、輪機構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)預(yù)定運動規(guī)律實現(xiàn)預(yù)定運動規(guī)律受力良好，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊受力良好，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊滾子半徑：滾子半徑：r r0 05.3.2 5.3.2 凸輪機構(gòu)設(shè)計中的幾個問題凸輪機構(gòu)設(shè)計中的幾個問題外凸輪廓外凸輪廓： r ra=rrrT結(jié)論：外凸的凸輪輪廓曲線結(jié)論：外凸的凸輪輪廓曲線, , 應(yīng)使應(yīng)使r r0 0=1-5mm,=1-5mm,另外滾子半徑還受強度、結(jié)構(gòu)等的限制，因而也另外滾子半徑還受強度、結(jié)構(gòu)等的限制，因而也不能做得太小，通常取滾子半徑不能做得太小，通常取滾子半徑r rr r=0.4r=0.4r0 0。 NoImage0022000cos2sin2cos12hahvhs理論輪廓曲線

23、最小曲率半徑的求法：理論輪廓曲線最小曲率半徑的求法：2 2、凸輪壓力角與許用值、凸輪壓力角與許用值(1)(1)、凸輪機構(gòu)的壓力角定義、凸輪機構(gòu)的壓力角定義 凸輪機構(gòu)從動件作用力的方向線與從動凸輪機構(gòu)從動件作用力的方向線與從動件上力作用點的速度方向之間所夾的銳角，件上力作用點的速度方向之間所夾的銳角，用用表示。表示。(2)(2)、壓力角與作用力以及機構(gòu)尺寸的關(guān)系、壓力角與作用力以及機構(gòu)尺寸的關(guān)系 將凸輪對從動件的作用力將凸輪對從動件的作用力F F分解為分解為F F1 1和和F F2。F F1為有效分力，為有效分力，F(xiàn) F2為有害分力，當壓力角為有害分力，當壓力角越大，有害分力越大，有害分力F“F“越大，如果壓力角增越大，如果壓力角增大，有害分力所引起的摩擦阻力也將增大，大，有害分力所引起的摩擦阻力也將增大，摩摩 擦功耗增大，效率降低。擦功耗增大，效率降低。如果壓力角大到一定值時，有害分力所引起如果壓力角大到一定值時，有害分力所引起的摩擦阻力將大于有效分力的摩擦阻力將大于有效分力FF，這時無論，這時無論凸輪對從動件的作用力凸輪對從動件的作用力F F有多大，都