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文檔簡介
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
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