機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課件：第3章 凸輪機(jī)構(gòu)

1、3凸輪機(jī)構(gòu)3.1 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類型3.3 凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角3.2 從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律3.4 圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪輪廓3.5解析法設(shè)計(jì)凸輪輪輪廓凸輪機(jī)構(gòu)是一種由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架所組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。3.1 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類型凸輪機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在自動(dòng)化和半自動(dòng)化機(jī)械中應(yīng)用非常廣泛。 內(nèi)燃機(jī)的配氣用的是凸輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，移動(dòng)從動(dòng)件2作間歇的上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)氣門(mén)在規(guī)定的時(shí)間的開(kāi)啟與閉合。 一、凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用一、凸輪機(jī)構(gòu)的類型1按凸輪的形狀分(1)盤(pán)形凸輪 是一個(gè)繞固定軸線轉(zhuǎn)動(dòng)并且具有變化半徑的盤(pán)形零件。(2)移動(dòng)凸輪 當(dāng)盤(pán)形凸輪的回轉(zhuǎn)中心趨于無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，凸輪相對(duì)機(jī)架作直線運(yùn)動(dòng)。(3

2、)圓柱凸輪 將移動(dòng)凸輪卷成圓柱體即成為圓柱凸輪。 2、按照從動(dòng)件形狀分: (1)尖頂從動(dòng)件 尖頂能與復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，能實(shí)現(xiàn)任意預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但尖頂與凸輪是點(diǎn)接觸，磨損快，只宜用于受力不大的低速凸輪機(jī)構(gòu)。 (2)滾子從動(dòng)件 為了克服尖頂從動(dòng)件的缺點(diǎn)，在從動(dòng)件的尖頂處安裝一個(gè)滾子，即成為滾子從動(dòng)件。滾子和凸輪輪廓之間為滾動(dòng)摩擦，耐磨損，可承受較大載荷。 (3)平底從動(dòng)件 這種從動(dòng)件與凸輪輪廓表面接觸的端面為一平面。顯然不能與凹陷的凸輪輪廓相接觸。這種從動(dòng)件的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)不考慮摩擦?xí)r，凸輪與從動(dòng)件之間的作用力始終與從動(dòng)件的平底相垂直，壓力角始終為零，傳動(dòng)效率較高，且接觸面間易形成油膜，利于潤(rùn)

3、滑，故常高速凸輪機(jī)構(gòu)。 以上三種從動(dòng)件都可以相對(duì)機(jī)架作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)。 3.1.2 凸輪機(jī)構(gòu)的類型 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j)圖3.1.2凸輪機(jī)構(gòu)的類型2eV21r01AB3CV2(a) 平面圖(1) 偏置直動(dòng)尖底從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)(b) 三維圖11V223圖3.1.2F2偏置直動(dòng)尖底從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)二維動(dòng)畫(huà)(2) 擺動(dòng)滾子從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)(a) 平面圖223CD11ABr0圖3.1.2F6擺動(dòng)滾子從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)三維動(dòng)畫(huà)11Ar0223C(a) 平面圖D(3) 擺動(dòng)平底從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)11322(b) 三維圖11Ar023CD圖

4、3.1.2F7擺動(dòng)平底從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu) 利用重力、彈簧力或凸輪上的凹槽來(lái)使凸輪與從動(dòng)件始終保觸。 凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為：只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞憧墒箯膭?dòng)件得到所需的復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，設(shè)計(jì)方便，在自動(dòng)化和半自動(dòng)化機(jī)械中應(yīng)用非常廣泛。 它的缺點(diǎn)是凸輪輪廓與從動(dòng)件之間為點(diǎn)接觸或線接觸，易磨損，所以通常多用于傳力不大的控制機(jī)構(gòu)。r0001002ADCB1BOtS3.2 從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律 圖3.5對(duì)心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)r0001002ADCB1BOtS000102h3.2.1 凸輪機(jī)構(gòu)的名詞術(shù)語(yǔ)0稱為推程運(yùn)動(dòng)角。01稱為遠(yuǎn)休止角。0稱為回程運(yùn)動(dòng)角。02稱為近休止角。r000

5、1002ADCB1BOtS3.2.1 凸輪機(jī)構(gòu)的名詞術(shù)語(yǔ)圖3.5對(duì)心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)r0001002ADCB1BOtS000102h推程或回程時(shí)，從動(dòng)件的位移 S(或角位移)、速度V(或角速度2)、加速度a(或角加速度2)隨時(shí)間t的變化規(guī)律由設(shè)計(jì)任務(wù)規(guī)定。S = S() = S(t) (位移規(guī)律)V = V() = V(t) (速度規(guī)律)a = a() = a(t) (加速度規(guī)律)(1) 多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一般表達(dá)式為下面介紹多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律、三角函數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的函數(shù)形式以及傳動(dòng)特征。(2) 余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律為 (3) 正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律為 3.2.2 從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律 凸輪以等角速

6、度轉(zhuǎn)動(dòng)，推程角為0，行程為h，式 (3.1) 只保留一次項(xiàng)并求一、二階導(dǎo)數(shù)得 S = C0 + C1 V = dS / dt = C1 (3.2.4) a = dV / dt 邊界條件為推程始點(diǎn)處= 0、S = 0； 推程終點(diǎn)處 = 0、S = h。 代入式(3.4)得C0 = 0,C1 = h /0。同理可以推出回程的運(yùn)動(dòng)方程式。S、V及a圖如下圖所示。(1)一次多項(xiàng)式規(guī)律推程： S = h/0回程：S = h(1/0)速度 V = h/0速度 V = h/0加速度 a = 0加速度 a = 0h/08+OOOSaV0h0h/08+8圖3.2.2F1一次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)曲線(2)二次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律

7、 S = C0 + C1 + C22V = dS / dt = C1 + 2C2 (3.2.5)a = dV / dt = 2 C22 推程等加速度段的邊界條件為 推程始點(diǎn)處 = 0、S = 0、V = 0； 推程中點(diǎn)處 =0/2、S =h/2。 將其代入式 (3.5) 得C0、C1 、C2 C0 = 0、C1 = 0、C2 = 2h / 20推程等減速度段的邊界條件為 始點(diǎn)處 =0 / 2、S = h / 2； 終點(diǎn)處 =0、S = h、V = 0。 將其代入式 (3.5) 得C0、C1 、C2 C0 = h、C1 = 4h / 0、C2 = 2h / 20于是得二次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律為S =

8、2h220S = h(122/2 0)V = 4h /20V = 4 h / 20a = 4h 2 / 20，02，02S = h 12 (0 )2 / 20 0 / 2, 0 S = 2 h ( 0 )2 / 20 0 / 2, 0 ，02，02V = 4h(0 ) /20V = 4h(0 ) /20a = - 4h 2 /20a = - 4h 2 / 20a = 4h 2 / 20推程回程(2)二次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律 圖3.2.2F2 二次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)曲線h0 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 200aOSOOV(2

9、)二次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律 (3)余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律(簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律)hOSOOaV0/20圖3.2.2F4 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線(4)正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律(擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律)圖3.2.2F5 正弦加速度運(yùn)動(dòng) 曲線hOSOOaV0/20(4)正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律(擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律)組合運(yùn)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)線圖是由等速和正弦加速度兩種運(yùn)動(dòng)規(guī)律組合。既使從動(dòng)件大部分行程保持勻速運(yùn)動(dòng)，又能避免起始和終止階段產(chǎn)生沖擊。3.3凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角 壓力角是作用在從動(dòng)件上的驅(qū)動(dòng)力與該力作用點(diǎn)絕對(duì)速度之間所夾的銳角。 在不計(jì)摩擦?xí)r，高副中沿法線的作用力方向（輪廓法線）與從動(dòng)件速度方向所夾的銳角。 在設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，除了要求從動(dòng)件能實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)規(guī)

10、律之外，還要求受力好和小的尺寸，為此，需要討論壓力角對(duì)機(jī)構(gòu)的受力及尺寸的影響。一、壓力角與作用力的關(guān)系 從動(dòng)件是在彈簧或重力作用下返回的，回程不會(huì)出現(xiàn)自鎖，只需校核推程壓力角。二、壓力角與凸輪機(jī)構(gòu)尺寸的關(guān)系 由三心定理求瞬心并推導(dǎo)直動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角計(jì)算公式為S0 基圓r0越小，壓力角越大?；鶊A半徑過(guò)小，壓力角就會(huì)超過(guò)許用值。 因此，實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)在保證凸輪輪廓的最大壓力角不超過(guò)許用值的前提下，考慮縮小凸輪的尺寸。 下面討論公式中號(hào)的問(wèn)題rOOOnnnnnnveePPPttttttsDBCCvv 偏距e為從動(dòng)件導(dǎo)路偏離凸輪回轉(zhuǎn)軸心的距離。當(dāng)導(dǎo)路和瞬心P在軸心的同側(cè)時(shí)，式中取“一”號(hào)，可使壓力角減?。环粗?，當(dāng)導(dǎo)路和瞬心P在軸心的異側(cè)時(shí)，取“+”號(hào)，壓力角將增大。 為了減小推程壓力角，應(yīng)將導(dǎo)路向推程相對(duì)速度瞬心的同側(cè)偏置。 但須注意，用導(dǎo)路偏置法雖可使推程壓力角減小，但同時(shí)卻使回程壓力角增大，所以偏距e不宜過(guò)大。 偏距對(duì)壓力角的影響13.4圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓圖3.4F1 凸輪輪廓線設(shè)計(jì)的“反轉(zhuǎn)法”-13302211O圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓的原理是使用“反轉(zhuǎn)法”。一、直動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪輪廓的繪制圖3.