機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)第三章凸輪機(jī)構(gòu)課件

1、26 九月 2022機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)第三章凸輪機(jī)構(gòu)24 九月 2022機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)第三章凸輪機(jī)構(gòu)使用教材：楊可楨，程光蘊主編。機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)，高等教育出版社，2005.10參考教材：1.黃平主編，機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)， 華南理工大學(xué)出版社，2003.42.朱家誠主編，機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)， 合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2003.23.吳克堅等主編。機(jī)械設(shè)計，高等教育出版社，2003 .3 4.孫桓，陳作模主編。機(jī)械原理（第 6 版）。高等教育出版社， 2001 使用教材：楊可楨，程光蘊主編。機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)，高等教第三章 凸輪機(jī)構(gòu)（4學(xué)時）本章要求：掌握凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類型，從動件的常用運動規(guī)律及凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角。了解凸輪機(jī)構(gòu)

2、的輪廓的設(shè)計。本章重點：凸輪機(jī)構(gòu)從動件的常用運動規(guī)律。本章難點：凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角。第三章 凸輪機(jī)構(gòu)（4學(xué)時）本章要求：31 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類型 32 從動件常用的運動規(guī)律 34 圖解法設(shè)計凸輪輪廓曲線 33 凸輪機(jī)構(gòu)壓力角 教學(xué)內(nèi)容：31 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類型 32 從動件3-1 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類一、凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類3-1 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類一、凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用二、凸1、凸輪機(jī)構(gòu)組成：凸輪是一個具有曲線輪廓的構(gòu)件。含有凸輪的機(jī)構(gòu)稱為凸輪機(jī)構(gòu)。它由凸輪、從動件和機(jī)架組成。一、凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用1、凸輪機(jī)構(gòu)組成：凸輪是一個具有曲線輪廓的構(gòu)件。含有凸輪的機(jī)2、凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 凸輪機(jī)

3、構(gòu)是機(jī)械中的一種常用機(jī)構(gòu)，在自動化和半自動化機(jī)械中應(yīng)用十分廣泛。主要用于：受力不大的控制機(jī)構(gòu)或調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。工程實例：2、凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 凸輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械中的一種常用機(jī)構(gòu)，在實例：實例：機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)第三章凸輪機(jī)構(gòu)課件機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)第三章凸輪機(jī)構(gòu)課件搗碎機(jī)搗碎機(jī)內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)剪切機(jī)剪切機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點： 只需確定適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞€，即可實現(xiàn)從動件復(fù)雜的運動規(guī)律；結(jié)構(gòu)簡單，運動可靠。 缺點： 從動件與凸輪輪廓為點接觸或線接觸，接觸應(yīng)力大，易磨損用途：常用于傳力不大的控制機(jī)構(gòu)。凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點： 只需確定適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞€二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類1、按凸輪的形狀分（1）盤形凸輪（2）移動凸輪（

4、3）圓柱凸輪繞固定軸線轉(zhuǎn)動并具有半徑變化的盤形零件。 回轉(zhuǎn)中心趨于無窮遠(yuǎn)，凸輪沿機(jī)架作直線運動。 將移動凸輪卷成圓柱。二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類1、按凸輪的形狀分（1）盤形凸輪（2）移動2、按從動件的型式分 1、尖頂從動件 2、滾子從動件 3、平底從動件能與復(fù)雜凸輪輪廓保持接觸，能實現(xiàn)任意預(yù)期的運動規(guī)律，但點接觸，磨損快。尖頂處安裝一滾子，接觸處為滾動摩擦，耐磨損。接觸處為一平面，但不能與凹陷的凸輪輪廓接觸。2、按從動件的型式分 1、尖頂從動件 一、基本概念二、從動件常用運動規(guī)律三、組合運動規(guī)律簡介32從動件常用運動規(guī)律一、基本概念32從動件常用運動規(guī)律尖底直動從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)1、基圓： 凸輪理論輪

5、廓上最小向徑為半徑所畫的圓。一、基本概念2、偏距e： 從動件導(dǎo)路偏離凸輪回轉(zhuǎn)中心的距離。wOrminwrminOe尖底直動從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)1、基圓： 凸輪理論輪廓上最小向徑3、推程： 4、升程： 從動件尖頂被凸輪輪廓推動，以一定的運動規(guī)律由離回轉(zhuǎn)中心最近位置A到達(dá)最遠(yuǎn)位置B的過程。從動件在推程中所走過的距離h。5、推程運動角：6、遠(yuǎn)休止角： t = AOB（升程角）與推程相應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角t。S = BOC從動件在最遠(yuǎn)位置停止不動所對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角s。wAB rminOBCDtsh3、推程： 4、升程： 從動件尖頂被凸輪輪廓推動，以一定的從9、近休止角：8、回程運動角：h =CODs =AOD7、

6、回程：從動件在彈簧力或重力作用下，以一定的運動規(guī)律回到起始位置的過程。與回程相應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角h。從動件在最近位置停止不動所對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角s。hswABrminOBCDtsh9、近休止角：8、回程運動角：h =CODs =A 以縱坐標(biāo)代表從動件位移s2 ，橫坐標(biāo)代表凸輪轉(zhuǎn)角1或t，所畫出的位移與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系曲線。10、從動件位移線圖：上升停降停t1s2ABCDh2phstsAhswABrminOBCDtsh 從動件位移線圖決定于凸輪輪廓曲線的形狀。 以縱坐標(biāo)代表從動件位移s2 ，橫坐標(biāo)代表凸輪1、推程： 2、升程： 3、 推程運動角：4、 遠(yuǎn)休止角：7、近休止角：6、 回程運動角：5、 回程：A

7、B偏置尖頂直動從動件盤形凸輪 t s h swABOBCDhCDht s h s1、推程： 2、升程： 3、 推程運動角：4、 遠(yuǎn)休止角：7二、從動件常用運動規(guī)律1、勻速運動規(guī)律（推程段）s2h11tOv2tv0O1a2-O1t剛性沖擊：由于加速度發(fā)生無窮大突度而引起的沖擊稱為剛性沖擊。二、從動件常用運動規(guī)律1、勻速運動規(guī)律（推程段）s2h12、等加速等減速運動規(guī)律ajvO12j,tj,tj,tsh3456194104A0aBC柔性沖擊 ：加速度發(fā)生有限值的突變 （適用于中速場合） 2、等加速等減速運動規(guī)律ajvO12j,tj,tj,tsh33、簡諧運動avjj,tj,tj,tsh1O2345

8、612345qs運動特征：若s 、s 為零，無沖擊。若s 、s 不為零，有沖擊。 三、組合運動規(guī)律簡介 為了獲得更好的運動特征，可以把上述幾種運動規(guī)律組合起來應(yīng)用，組合時，兩條曲線在拼接處必須保持連續(xù)。3、簡諧運動avjj,tj,tj,tsh1O23456123hhot1s2rminh 1AssssDBCBtt運動規(guī)律：推桿在推程或回程時，其位移S2、速度V2、加速度a2 隨時間t 的變化規(guī)律。形式：多項式、三角函數(shù)。S2=S2(t)V2=V2(t)a2=a2(t)位移曲線hhot1s2rminh 1Assss邊界條件： 凸輪轉(zhuǎn)過推程運動角t從動件上升h一、多項式運動規(guī)律一般表達(dá)式：s2=C0

9、+ C11+ C221+Cnn1 (1)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： a2 =dv2/dt =2 C221+ 6C3211+n(n-1)Cn21n-21其中：1凸輪轉(zhuǎn)角，d1/dt=1凸輪角速度, Ci待定系數(shù)。= C11+ 2C211+nCn1n-11凸輪轉(zhuǎn)過回程運動角h從動件下降h邊界條件：一、多項式運動規(guī)律一般表達(dá)式：s2=C0+ C1在推程起始點：1=0， s2=0代入得：C00， C1h/t推程運動方程： s2 h1/t v2 h1 /ts21tv21a21h在推程終止點：1=t ，s2=h+剛性沖擊s2 = C0+ C11+ C221+Cn

10、n1v2 = C1+ 2C21+nCn1n-11a2 = 2 C221+ 6C3211+n(n-1)Cn21n-21同理得回程運動方程： s2h(1-1/h )v2-h1 /ha20a2 01.等速運動（一次多項式）運動規(guī)律在推程起始點：1=0， s2=0代入得：C00， C12. 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。推程加速上升段邊界條件：起始點：1=0， s2=0， v20中間點：1=t /2，s2=h/2 求得：C00， C10，C22h/2t加速段推程運動方程為：s2 2h21 /2tv2 4h11 /2ta2 4h21 /2t2. 等加等減速（二次多

11、項式）運動規(guī)律位移曲線為一拋物線。加1a2h/2th/2推程減速上升段邊界條件：終止點：1=t ，s2=h，v20中間點：1=t/2，s2=h/2 求得：C0h， C14h/t ， C2-2h/2t減速段推程運動方程為：s2 h-2h(t 1)2/2t11s2v2 -4h1(t-1)/2ta2 -4h21 /2t235462h/t柔性沖擊4h2/2t3重寫加速段推程運動方程為：s2 2h2 1 /2tv2 4h11 /2ta2 4h21 /2t1v21a2h/2th/2推程減速上升段邊界條件：終止點：1同理可得回程等加速段的運動方程為：s2 h-2h21/2hv2 -4h11/2ha2 -4h

12、21/2h回程等減速段運動方程為：s2 2h(h-1)2/2hv2 -4h1(h-1)/2ha2 4h21/2h同理可得回程等加速段的運動方程為：s2 h-2h21/3.五次多項式運動規(guī)律位移方程： s2=10h(1/t)315h (1/t)4+6h (1/t)51s2v2a2ht無沖擊，適用于高速凸輪。3.五次多項式運動規(guī)律位移方程：1s2v2a2ht無沖擊ht1 s21a2二、三角函數(shù)運動規(guī)律1.余弦加速度(簡諧)運動規(guī)律推程： s2h1-cos(1/t)/2 v2 h1sin(1/t)1/2ta2 2h21 cos(1/t)/22t 回程： s2h1cos(1/h)/2 v2-h1sin

13、(1/h)1/2ha2-2h21 cos(1/h)/22h1234561v2Vmax=1.57h/20在起始和終止處理論上a2為有限值，產(chǎn)生柔性沖擊。123456ht1 s21a2二、三角函數(shù)運動規(guī)律1.余弦加速度( s211a21v2ht2.正弦加速度（擺線）運動規(guī)律推程：s2h1/t-sin(21/t)/2 v2h11-cos(21/t)/ta22h21 sin(21/t)/2t 回程： s2h1-1/h +sin(21/h)/2 v2h1cos(21/h)-1/ha2-2h21 sin(21/h)/h2無沖擊 s211a21v2ht2.正弦加速度（擺線）運動規(guī)v2s 2a 2111hoo

14、ot正弦改進(jìn)等速三、改進(jìn)型運動規(guī)律將幾種運動規(guī)律組合，以改善運動特性。+-v 2s 2a 2111hoootv2s 2a 2111hooot正弦改進(jìn)等速三、改進(jìn)33 凸輪機(jī)構(gòu)壓力角一、壓力角與作用力的關(guān)系二、壓力角與凸輪機(jī)構(gòu)尺寸的關(guān)系33 凸輪機(jī)構(gòu)壓力角一、壓力角與作用力的關(guān)系一、壓力角與作用力的關(guān)系壓力角: 從動件上的驅(qū)動力與該力作用點絕對速度之間所夾的銳角。凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角： 接觸點法線與從動件上作用點速度方向所夾的銳角。 CBS2eOvrminw1213nnF P一、壓力角與作用力的關(guān)系壓力角: 從動件上的驅(qū)動 CBS2eOvrmin1213nnFFF P 力 F 分解為沿從動件運動方向

15、的有用分力 F 和使從動件緊壓導(dǎo)路的有害分力 F 。F F tg 1、 F一定時， 壓力角越大 ，有害分力 F越大，機(jī)構(gòu)的效率越低。 上式表明：2、 自鎖：當(dāng)增大到一定程度，使有害分力F在導(dǎo)路中所引起的摩擦阻力大于F 時， 無論凸輪加給從動件的作用力有多大 ，從動件都不能運動，這種現(xiàn)象稱為自鎖。 CBS2eOvrmin1213nnFFF P 壓力角的大小反映了機(jī)構(gòu)傳力性能的好壞，是機(jī)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)。為使凸輪機(jī)構(gòu)工作可靠，受力情況良好，必須對壓力角加以限制。 在設(shè)計凸輪機(jī)構(gòu)時，應(yīng)使最大壓力角max不超過許用值。根據(jù)工程實踐的經(jīng)驗，許用壓力角的數(shù)值推薦如下： 推程時，對移動從動件，=3038；對

16、擺動從動件，=4550。回程時，由于通常受力較小且一般無自鎖問題，故許用壓力角可取的大一些，通常取=7080。當(dāng)采用滾子從動件、潤滑良好及支撐剛度較大或受力不大而要求結(jié)構(gòu)緊湊時，可取上述數(shù)據(jù)較大值，否則取較小值。 壓力角的大小反映了機(jī)構(gòu)傳力性能的好壞，是機(jī)構(gòu) 由于凸輪機(jī)構(gòu)在工作過程中，從動件與凸輪輪廓的接觸點是變化的，各接觸點處的公法線方向不同，使得凸輪對從動件的作用力的方向也不同。因此，凸輪輪廓上各點處的壓力角是不同的。設(shè)計凸輪機(jī)構(gòu)時，基圓半徑rb選得越小，所設(shè)計的機(jī)構(gòu)越緊湊。但基圓半徑的減小會使壓力角增大，對機(jī)構(gòu)運動不利。 圖4-1所示的偏置移動滾子從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪作逆時針方向轉(zhuǎn)動

17、，從動件偏置于凸輪軸心的右側(cè)。過滾子中心點B作凸輪理論輪廓的法線，與過O的從動件導(dǎo)路垂線交于P，根據(jù)平面運動速度分析理論，該點就是凸輪與導(dǎo)桿在此刻的速度瞬心或（同速點），即凸輪在P點速度的大小和方向等于移動從動件在此刻速度的大小和方向。 由于凸輪機(jī)構(gòu)在工作過程中，從動件與凸輪輪廓的接圖4-1 凸輪機(jī)構(gòu)壓力角的幾何關(guān)系 圖4-1 凸輪機(jī)構(gòu)壓力角的幾何關(guān)系 由圖中DPB 考慮到，凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角計算公式為 （3-1） 由圖中DPB 考慮到，凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角計算公式為 （3式中： 任意位置時的壓力角； rb理論輪廓線的基圓半徑；s 從動件位移；e 偏距； ds/d 位移曲線的斜率， 推程時為正， 回

18、程時為負(fù)。 當(dāng)導(dǎo)路與瞬心在凸輪軸心的同側(cè)時，取負(fù)號，可使壓力角減??；當(dāng)導(dǎo)路和瞬心在凸輪軸心異側(cè)時，取加號，壓力角增大。（3-1） 以上公式反映了rb及ds/d對機(jī)構(gòu)壓力角的影響。 式中： 任意位置時的壓力角； 當(dāng)導(dǎo)路二、壓力角與凸輪機(jī)構(gòu)尺寸的關(guān)系 CBS2eOvrmin1213nnFFF P 直動從動件盤形凸輪壓力角為：公式說明： 在其它條件不變的情況下，基圓半徑越小，壓力角越大，機(jī)構(gòu)越緊湊。 式中：任意位置時的壓力角； rmin理論輪廓線的基圓半徑；S從動件位移；e 偏距；ds/d -位移曲線的斜率，推程時為正， 回程為負(fù)。二、壓力角與凸輪機(jī)構(gòu)尺寸的關(guān)系 CBS2eOvrmin12e為從動件

19、導(dǎo)路偏離凸輪回轉(zhuǎn)中心的距離，稱為偏距。當(dāng)導(dǎo)路和瞬心p在凸輪軸心o的同側(cè)時，式中“-”號，可使壓力角減小；反之，當(dāng)導(dǎo)路和瞬心p在凸輪軸心o的異側(cè)時，取“+”號，壓力角增大。為了減小推程壓力角，應(yīng)將從動件導(dǎo)路向推程相對速度瞬心的同側(cè)偏置，即e為負(fù)值。但同時會產(chǎn)生使回程壓力角增大的現(xiàn)象，所以e不能過大。 CBS2eOvrmin1213nnFFF Pe為從動件導(dǎo)路偏離凸輪回轉(zhuǎn)中心的距離，稱為偏距。當(dāng)導(dǎo)路和瞬心一、直動從動件盤形凸輪輪廓繪制二、擺動從動件盤形凸輪輪廓繪制34 圖解法設(shè)計凸輪輪廓曲線一、直動從動件盤形凸輪輪廓繪制34 圖解法設(shè)計凸輪 凸輪設(shè)計的基本原理采用的是“反轉(zhuǎn)法”，即凸輪輪廓設(shè)計中，

20、是認(rèn)為凸輪靜止不動，從動件相對于凸輪軸心做反方向（反轉(zhuǎn)）運動，并令從動件相對其導(dǎo)路按給定的運動規(guī)律運動。一、直動從動件盤形凸輪輪廓繪制 凸輪設(shè)計的基本原理采用的是“反轉(zhuǎn)法”，即凸輪輪廓設(shè)2、再按空間尺寸要求決定凸輪的基圓半徑。1、根據(jù)工作要求先確定從動件運動規(guī)律。步驟：3、繪制出凸輪輪廓。2、再按空間尺寸要求決定凸輪的基圓半徑。1、根據(jù)工作要求先確60r0120-1已知凸輪的基圓半徑r0，角速度和從動件的運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。設(shè)計步驟小結(jié)：選比例尺l作基圓r0。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。將各尖頂點連接成一條光滑曲線。1.對心直動尖頂從動

21、件盤形凸輪135782345 67 8910111213149090A1876543214131211109二、直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制 601209090135789111315s 9111312141060r0120-1已知凸輪的基圓半徑r0，角速度2)對心直動滾子推桿盤形凸輪s 911131513578r0A120-1設(shè)計步驟小結(jié)：選比例尺l作基圓r0。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。將各尖頂點連接成一條光滑曲線。135789111312142345 67 8910111213146090901876543214131211109理論輪廓實

22、際輪廓作各位置滾子圓的內(nèi)(外)包絡(luò)線。已知凸輪的基圓半徑r0，角速度和從動件的運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。 6012090902)對心直動滾子推桿盤形凸輪s 911131513573)對心直動平底推桿盤形凸輪s 911131513578r0已知凸輪的基圓半徑r0，角速度和從動件的運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。設(shè)計步驟：選比例尺l作基圓r0。反向等分各運動角。原則是：陡密緩疏。確定反轉(zhuǎn)后，從動件平底直線在各等份點的位置。作平底直線族的內(nèi)包絡(luò)線。8765432191011121314-A13578911131214123456781514131211109 6012090903)對心直動平底推桿

23、盤形凸輪s 9111315135911131513578OeA已知凸輪的基圓半徑r0，角速度和從動件的運動規(guī)律和偏心距e，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。4)偏置直動尖頂從動件盤形凸輪13578911131214-612345781514131211109設(shè)計步驟小結(jié)：選比例尺l作基圓r0; 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; 將各尖頂點連接成一條光滑曲線。1514131211109k9k10k11k12k13k14k1512345678k1k2k3k5k4k6k7k8 601209090s2 911131513578OeA已知凸輪的基圓半徑r0，角速度5)擺動尖頂推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)120B11r0 601209090 已知凸輪的基圓半徑r0，角速度，擺桿長度l以及擺桿回轉(zhuǎn)中心與凸輪回轉(zhuǎn)中心的距離d，擺桿角位移方程，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。123456785678B1B2B3B4B5B6B7B860 90 -dABl1234B22B33B44B55B66B77A1A2A3A4A5A6A7A85)擺動尖頂推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)120B11r0 601設(shè)計凸輪機(jī)構(gòu)時應(yīng)注意滾子半徑的問題：（P47）1. 當(dāng)minrT時，0，實際輪廓為平滑曲線； 設(shè)理論輪廓外凸部分的最小曲率半徑用min表示，滾子半徑用rT表示，則相應(yīng)位置實際輪廓的曲率