《機械設(shè)計基礎(chǔ)》項目4凸輪機構(gòu)

1、機械設(shè)計基礎(chǔ)項目四 凸輪機構(gòu) 任務(wù)：典型凸輪機構(gòu)分析與設(shè)計。重點：1）推桿常用運動規(guī)律特點及選擇原則；2）盤形凸輪機構(gòu)凸輪輪廓曲線的設(shè)計；3）凸輪基圓半徑與壓力角及自鎖的關(guān)系；難點：盤形凸輪機構(gòu)凸輪輪廓曲線的設(shè)計 左圖所示為一內(nèi)燃機的配氣凸輪機構(gòu)，凸輪1作等速回轉(zhuǎn)，其輪廓將迫使推桿2作往復擺動，從而使氣門3開啟和關(guān)閉（關(guān)閉時借助于彈簧4的作用來實現(xiàn)的），以控制可燃物質(zhì)進入氣缸或廢氣的排出。 如圖所示為自動機床中控制刀具進給運動的凸輪機構(gòu)。刀具一個進給運動循環(huán)包括：1）刀具以較快的速度接近工件；2）道具等速前進來切削工件；3）完成切削動作后，刀具快速退回；4）刀具復位后停留一段時間等待更換工件等

2、動作。 然后重復上述運動循環(huán)。這樣一個復雜的運動規(guī)律是由一個作等速回轉(zhuǎn)運動的圓柱凸輪通過擺動從動件來控制實現(xiàn)的。其運動規(guī)律完全取決于凸輪凹槽曲線形狀。 凸輪機構(gòu)的分類根據(jù)凸輪及從動件的形狀和運動形式的不同，凸輪機構(gòu)的分類方法有以下四種：1按凸輪的形狀分類（1）盤形凸輪：如圖所示，這種凸輪是一個具有變化向徑盤形構(gòu)件，當它繞固定軸轉(zhuǎn)動時，可推動從動件在垂直與凸輪軸的平面內(nèi)運動。（2）移動凸輪：如圖所示，當盤狀凸輪的徑向尺寸為無窮大時，則凸輪相當于作直線移動，稱作移動凸輪。當移動凸輪做直線往復運動時，將推動推桿在同一平面內(nèi)作上下的往復運動。有時，也可以將凸輪固定，而使推桿相對于凸輪移動（如仿型車削）

3、；（3）圓柱凸輪：如圖所示，這種凸輪是在圓柱端面上作出曲線輪廓或在圓柱面上開出曲線凹槽。當其轉(zhuǎn)動時，可使從動件在與圓柱凸輪軸線平行的平面內(nèi)運動。這種凸輪可以看成是將凸輪卷繞在圓柱上形成的。 2按從動件的形狀分類 根據(jù)從動件與凸輪接觸處結(jié)構(gòu)形式的不同，從動件可分為三類：（1）尖頂從動件； （2）滾子推桿從動件； （3）平底推桿從動件。（1）尖頂從動件：這種從動件結(jié)構(gòu)簡單，但尖頂易于磨損（接觸應(yīng)力很高），故只適用于傳力不大的低速凸輪機構(gòu)中。（2）滾子推桿從動件： 由于滾子與凸輪間為滾動摩擦，不易磨損，可以實現(xiàn)較大動力的傳遞，應(yīng)用最為廣泛。（3）平底推桿從動件：這種從動件與凸輪間的作用力方向不變，受

4、力平穩(wěn)。在高速情況下，凸輪與平底間易形成油膜而減小摩擦與磨損。其缺點是：不能與具有內(nèi)凹輪廓的凸輪配對使用；也不能與移動凸輪和圓柱凸輪配對使用。3按推桿的運動形式分類（1）直動推桿：作往復直線移動的推桿稱為直動推桿。若直動推桿的尖頂或滾子中心的軌跡通過凸輪的軸心，則稱為對心直動推桿，否則稱為偏置直動推桿；推桿尖頂或滾子中心軌跡與凸輪軸心間的距離e，稱作偏距。（如44的a、b、c、d、e）（2）擺動推桿：作往復擺動的推桿成為擺動推桿。（如44的f、g、h）4按凸輪與推桿保持高副接觸的方法（鎖合）分類 我們知道，凸輪機構(gòu)是通過凸輪的轉(zhuǎn)動而帶動推桿（從動件）運動的。我們要采用一定的方式、手段使從動件和

5、凸輪保持始終接觸，從動件才能隨凸輪轉(zhuǎn)動完成預定的運動規(guī)律。常用的方法有兩類：1）力鎖合：在這類凸輪機構(gòu)中，主要利用重力、彈簧力或其它外力使推桿與凸輪始終保持接觸，如前述氣門凸輪機構(gòu)。2）幾何鎖合： 也叫形鎖合，在這類凸輪機構(gòu)中，是依靠凸輪和從動件推桿的特殊幾何形狀來保持兩者的接觸，如圖4-5所示。 將不同類型的凸輪和推桿組合起來，可以得到各種不同的凸輪機構(gòu)。 凸輪機構(gòu)的工作原理和從動件的運動規(guī)律 等速運動規(guī)律 等加速等減速運動規(guī)律余弦加速度運動規(guī)律凸輪廓線設(shè)計方法的基本原理設(shè)計對心直動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu) 若已知凸輪的基圓半徑 ，凸輪以等角速度 逆時針方向回轉(zhuǎn)。推桿的運動規(guī)律如表4-1所示。

6、序號凸輪運動角（ ） 推桿的運動規(guī)律1等速上升 2推桿在最高位置不動3等速下降4推桿在最低位置不動利用作圖法設(shè)計凸輪廓線的作圖步驟如下：（1）選取適當?shù)谋壤?，取 為半徑作圓； （2）先作相應(yīng)于推程的一段凸輪廓線。為此，根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，將凸輪機構(gòu)按 進行反轉(zhuǎn)，此時凸輪靜止不動，而推桿繞凸輪順時針轉(zhuǎn)動。按順時針方向先量出推程運動角 ，再按一定的分度值（凸輪精度要求高時，分度值取小些，反之可以取小些）將此運動角分成若干等份，并依據(jù)推桿的運動規(guī)律算出各分點時推桿的位移值S。 可以用量角器進行分度，角度可取任意值。作圖步驟要寫清楚。 本題中取分度值為（教材上為 ），據(jù)運動規(guī)律可求各分點時推桿的位移S

7、如表所示。0153045607590105120s02.557.51012.51517.520（3）確定推桿在反轉(zhuǎn)運動中所占據(jù)的每個位置。為此，根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，從A點開始，將運動角按順時針方向按 一個分點進行等份，則各等份徑向線01，02，08即為推桿在反轉(zhuǎn)運動中所依次占據(jù)的位置。（4）確定出推桿在復合運動中其尖頂所占據(jù)的一系列位置。根據(jù)表中所示數(shù)值s，沿徑向等分線由基圓向外量取 ，得到 點，即為推桿在復合運動中其尖頂所占據(jù)的一系列位置。（5）用光滑曲線連接 ，即得推桿升程時凸輪的一段廓線。（6）凸輪再轉(zhuǎn)過時 ，由于推桿停在最高位置不動，故該段廓線為一圓弧。以O(shè)為圓心，以為半徑 畫一段圓弧 。

8、 （7）當凸輪再轉(zhuǎn)過時 ，推桿等速下降，其廓線可仿照上述步驟進行。（8）最后，凸輪轉(zhuǎn)過其余的 時，推桿靜止不動，該段又是一段圓弧。 按以上作圖法繪制的光滑封閉曲線即為凸輪廓線，如圖所示。 設(shè)計對心直動滾子推桿盤形凸輪機構(gòu) 對于這種類型的凸輪機構(gòu)，由于凸輪轉(zhuǎn)動時滾子（滾子半徑 ）與凸輪的相切點不一定在推桿的位置線上，但滾子中心位置始終處在該線，推桿的運動規(guī)律與滾子中心一致，所以其廓線的設(shè)計需要分兩步進行。 （1）將滾子中心看作尖頂推桿的尖頂，按前述方法設(shè)計出廓線 ，這一廓線稱為理論廓線。（2）以理論廓線上的各點為圓心、以滾子半徑 為半徑作一系列的圓，這些圓的內(nèi)包絡(luò)線 即為所求凸輪的實際廓線，如圖

9、412所示。關(guān)于 、 和 凸輪的基圓半徑 直接決定著凸輪機構(gòu)的尺寸。在前面我們介紹凸輪廓線設(shè)計時，都是假定凸輪的基圓半徑已經(jīng)給出。而實際上，凸輪的基圓半徑的選擇要考慮許多因素，首先要考慮到凸輪機構(gòu)中的作用力，保證機構(gòu)有較好的受力情況。為此，需要就凸輪的基圓半徑和其它有關(guān)尺寸對凸輪機構(gòu)受力情況的影響加以討論。 一凸輪機構(gòu)中的作用力及凸輪機構(gòu)壓力角 圖所示為一直動尖頂推桿盤狀凸輪機構(gòu)的推桿在推程任意位置時的受力情況分析。 其中Q為推桿所承受的外載荷，P為凸輪作用于推桿上的驅(qū)動力，而R1、R2為導軌對推桿作用的總反力； 和 為摩擦角。凸輪的壓力角為凸輪廓線上傳力點B的法線與推桿（從動件）上點B的速度

10、方向所夾的銳角。對于滾子從動件，滾子中心可視作B點。 若取推桿為分離體，則根據(jù)平面力系的平衡條件可以得到：從中消去R1和R2，整理后可得由上式可知，壓力角 是影響凸輪機構(gòu)受力情況的一個重要參數(shù)。在其它條件相同的情況下， 越大、則分母越小、P力將越大。當 增大到某一數(shù)值時，分母將減小為零，作用力P將增至無窮大，此時該凸輪機構(gòu)將發(fā)生自鎖現(xiàn)象。而這時的壓力角我們稱為臨界壓力角 其值為： 由此可見，為使凸輪機構(gòu)工作可靠，受力情況良好，必須對壓力角進行限制。最基本的要求是： 由上式可以看出，提高 的有效途徑是增大導路長度 ，減小懸臂長度b 。根據(jù)理論分析和實踐經(jīng)驗，為提高機構(gòu)效率，改善受力情況，通常規(guī)定

11、 小于許用壓力角 ，而 遠小于 ，即： 根據(jù)實踐經(jīng)驗，常用的許用壓力角數(shù)值為：1）工作行程時，對于直動推桿，取 ；對于擺動推桿取 ；2）回程時，取 二凸輪基圓半徑的確定對于一定類型的凸輪機構(gòu)，在推桿運動規(guī)律選定之后，該凸輪的機構(gòu)壓力角與凸輪基圓半徑的大小直接相關(guān)。如圖為一偏置尖頂直動推桿盤形凸輪機構(gòu)。由“三心定理”可知，如經(jīng)過凸輪與推桿接觸點B作凸輪廓線在該點的法線nn，則其與過凸輪軸心O與推桿導軌相垂直的OP線交點P即為推桿與凸輪的相對速度瞬心。 根據(jù)瞬心的定義有： 所以： 由圖中可得： 式中的“ ”號按以下原則確定：當偏距e和瞬心P在凸輪軸心同側(cè)時取“”號，反之取“+”號。 由上式可知，在

12、偏距e一定時，推桿的運動規(guī)律已知（即 ）的條件下，加大基圓半徑 ，可以減小壓力角 ，從而改善機構(gòu)的傳力特性，但這時機構(gòu)的總體尺寸將會增大。為了既滿足 的條件，又使機構(gòu)的總體尺寸不會過大，就要合理確定凸輪基圓的半徑值 對于直動推桿盤形凸輪機構(gòu)，如果限定推程的壓力角 ，則由上式可以導出基圓半徑的計算公式： 從而由上式可知，當從動件的運動規(guī)律確定后，凸輪基圓半徑 越小，則機構(gòu)的壓力角越大。合理地選擇偏距e的方向，可使壓力角減小，改善傳力性能。 所以，我們在設(shè)計凸輪機構(gòu)時，應(yīng)該根據(jù)具體的條件抓住主要矛盾合理解決：如果對機構(gòu)的尺寸沒有嚴格要求，可將基圓取大些，以便減小壓力角；反之，則應(yīng)盡量減小基圓半徑尺

13、寸。但應(yīng)注意使壓力角滿足 。 在實際設(shè)計中，凸輪基圓半徑 的確定不僅受到 的限制，而且還要考慮到凸輪的結(jié)構(gòu)與強度要求。因此，常利用下面的經(jīng)驗公式選?。?其中 為凸輪軸的半徑待凸輪廓線設(shè)計完畢后，還要檢驗 。 三滾子半徑（ ）的確定、平底尺寸的確定1滾子半徑的選擇 對于滾子從動件中滾子半徑的選擇，要考慮其結(jié)構(gòu)、強度及凸輪廓線的形狀等諸多因素。這里我們主要說明廓線與滾子半徑的關(guān)系。如圖所示為一內(nèi)凹的凸輪輪廓曲線， 為實際輪廓， 為理論輪廓 實際輪廓的曲率半徑 等于理論輪廓的曲率半徑 與滾子半徑 之和，即：這樣，不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。 對于圖b中的外凸輪， ，則實際

14、輪廓的曲率半徑為零實際輪廓上將出現(xiàn)尖點。當 時，則 為負值，這時實際的輪廓出現(xiàn)交叉，從動輪將不能按照預期的運動規(guī)律運動，這種現(xiàn)象稱為“失真”。因此，對于外凸的凸輪，應(yīng)使?jié)L子的半徑 小于理論輪廓的最小曲率半徑 。另一方面，要考慮強度、結(jié)構(gòu)等因素，滾子的半徑也不能太小，通常?。?，其中 為基圓半徑。2平底尺寸的選擇 平底從動件其平底尺寸的確定必須保證凸輪輪廓與平底始終相切，否則從動件也會出現(xiàn)“失真”，甚至卡住。 通常平底長度L應(yīng)?。?其中 為凸輪與平底相切點到從動件運動中心距離的最大值。3材料的選擇 滾子材料的選擇主要考慮機構(gòu)所受的沖擊載荷和磨損等問題。一般情況下，凸輪選用45號鋼或40Cr制造，

15、淬硬到HRC5258；要求較高時，也可以用15號鋼或20Cr制造，采用滲碳淬火。滾子采用與凸輪同樣的材料。 3.5 凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 凸輪機構(gòu)要求能實現(xiàn)預定的運動，承受連續(xù)工作載荷的作用，尺寸緊湊，易于加工裝配，并且成本低、壽命長、 凸輪機構(gòu)的失效形式通常為凸輪工作表面的擦傷、點蝕與光亮磨損。擦傷主要由于表面粗糙度和潤滑不充分造成表面材料損失。點蝕與時間和應(yīng)力有關(guān)，是由于表面疲勞引起裂紋擴展，造成表層材料小片剝落。光亮磨損介于損傷和點蝕之間，與潤滑油的化學性質(zhì)有關(guān)。 一般可選用接觸強度高的材料、降低表面粗糙度以及合適的潤滑方式來防止失效。1、凸輪和從動件的常用材料及技術(shù)要求1）凸輪和從動件的

16、常用材料 凸輪的材料要求工作表面有較高的硬度，芯部有較好的韌性。一般尺寸不大的凸輪用45鋼或40Cr鋼，并進行調(diào)質(zhì)或表面淬火，硬度為5258HRC。要求更高時，可采用15鋼或20Cr鋼滲碳淬火，表面硬度為5662HRC，滲碳深度為0.81.5mm 。更加重要的凸輪可采用35CrMo鋼等進行滲碳，硬度為6067HRC，以增強表面的耐磨性。 尺寸大或輕載的凸輪可采用優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵，載荷較大時可采用耐磨鑄鐵。 在家用電器、辦公設(shè)備、儀表等產(chǎn)品中常用塑料作凸輪材料。一般使用共聚甲醛、聚砜、聚碳酸脂等，主要利用其成型簡單、耐水、耐磨等優(yōu)點。 從動件接觸端面常用的材料有45鋼，也可用T8、T10,淬火硬度為5

17、559HRC；要求較高時可以使用20Cr進行滲碳淬火等處理。 2）凸輪及從動件的精度與表面粗糙度 對于向徑在300500mm以下的凸輪可以分為三個精度等級，其公差和表面粗糙度見表。凸輪精度極限偏差表面粗糙度Ra/mm向徑/mm基準孔凸輪槽的槽寬盤型凸輪凸輪槽高精度（0.050.10）H7H7(H8)0.40.8一般精度（0.100.20）H7(H8)H80.81.6低精度（0.200.50）H8H9(H10)0.81.6對于高速凸輪機構(gòu)的從動件，表面粗糙度應(yīng)低于0.10.2m。2、結(jié)構(gòu)設(shè)計1）凸輪的結(jié)構(gòu)及其在軸上的固定 盤型凸輪的結(jié)構(gòu)通常分為整體式和組合式。整體式結(jié)構(gòu)如圖419所示，它具有加工

18、方便，精度高和剛性好的優(yōu)點。凸輪輪廓尺寸的推薦值為：對于大型低速凸輪機構(gòu)的凸輪、或經(jīng)常調(diào)整輪廓形狀的凸輪，常用組合凸輪結(jié)構(gòu)，如圖420所示。 圖a所示為凸輪與輪轂分開的結(jié)構(gòu)，利用圓弧槽可調(diào)整輪盤與輪轂的相對角度；圖b為可以通過調(diào)整凸輪盤之間的相對位置來改變從動件在最遠位置停留的時間。 凸輪與軸的固定可采用緊定螺釘、鍵及銷釘?shù)确绞剑鐖D421所示。精度要求不高的情況下可采用鍵固定，見圖a所示。銷固定見圖b所示，通常是在裝配時調(diào)整好凸輪位置后，配鉆定位銷，或用緊定螺釘定位后，再用錐銷固定。2）從動件結(jié)構(gòu)（1）從動件導路，如圖422所示a圖為單面導路，懸臂部分不宜過大，應(yīng)滿足 圖b為雙面導路，有利于改善從動件的工作性能。（2）滾子結(jié)構(gòu)，圖423所示為滾子的幾種裝配結(jié)構(gòu)，滾子與銷為滑動配合，一般選用 。 尺寸不大時，也可直接用