第5章凸輪機(jī)構(gòu)

第5章凸輪機(jī)構(gòu)

當(dāng)要求某些機(jī)械的從動件按照預(yù)定的運(yùn)動規(guī)律變化，采用凸輪機(jī)構(gòu)可精確地實現(xiàn)所要求的運(yùn)動，如內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)。如果采用平面連桿機(jī)構(gòu)，一般只能近似地實現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動規(guī)律，難以滿足要求，而且設(shè)計較為困難和復(fù)雜。5.1.1凸輪機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用1、應(yīng)用：2、組成：凸輪——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，擺動機(jī)架3、特點：當(dāng)從動件的位移、速度、加速度必須嚴(yán)格按照預(yù)定規(guī)律變化時，常用凸輪機(jī)構(gòu)。優(yōu)點：1)能夠?qū)崿F(xiàn)精確的運(yùn)動規(guī)律；2)設(shè)計較簡單。缺點：1)承載能力低，主要用于控制機(jī)構(gòu)；2)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(yùn)動和動力，是一種常見的高副機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，只要設(shè)計出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞€，就可以使從動件實現(xiàn)任何預(yù)定的復(fù)雜運(yùn)動規(guī)律。

5.1概述內(nèi)燃機(jī)

配氣機(jī)構(gòu)凸輪式內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)

自動車床上的走刀機(jī)構(gòu)1)按凸輪的形狀和運(yùn)動分類(1)盤形回轉(zhuǎn)凸輪(2)平板移動凸輪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

5、凸輪傳動機(jī)構(gòu)的類型：(3)、圓柱回轉(zhuǎn)凸輪2)、按從動件的形狀分類(1)、尖頂從動件(2)、滾子從動件(2)、平底從動件

3)按從動件的運(yùn)動形式擺動從動件移動從動件4)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；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(yùn)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）和擺動從動件兩種。5.1.2凸輪和滾子的材料凸輪：45鋼、40Cr表面淬火(硬度40～50HRC)，15鋼、20Cr、20CrMnTi滲碳淬火(硬度56～62HRC)。滾子：20Cr，經(jīng)滲碳淬火，表面硬度達(dá)56～62HRC；也可用滾動軸承作為滾子。1、失效形式：2、工作要求：要求凸輪和滾子的工作表面硬度高、耐磨，并且具有足夠的表面接觸強(qiáng)度，對于經(jīng)常受到?jīng)_擊的凸輪機(jī)構(gòu)要求凸輪芯部有較大的韌性。3、常用材料：磨損和疲勞點蝕。5.1.3凸輪的結(jié)構(gòu)與安裝1、凸輪的結(jié)構(gòu)：2、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，但傳遞轉(zhuǎn)矩不能太大。圖2-7組合式凸輪、圖2-8盤狀凸輪在軸上的固定。凸輪軸、整體式、鑲塊式、組合式。5.2凸輪機(jī)構(gòu)的特性分析

1、繪制三種常見的從動件運(yùn)動規(guī)律曲線圖2、比較三種從動件運(yùn)動規(guī)律的沖擊類型工作任務(wù):★基圓：以凸輪最小半徑r0所作的圓，r0稱為凸輪的基圓半徑?！锿瞥?、推程運(yùn)動角：★推桿的運(yùn)動規(guī)律：是指推桿在運(yùn)動過程中，其位移、速度和加速度隨時間變化（凸輪轉(zhuǎn)角δ變化）的規(guī)律?！镞h(yuǎn)休、遠(yuǎn)休止角：★回程、回程運(yùn)動角：★近休、近休止角：★行程：h★位移：s=r-r05.2.1凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析5.2凸輪機(jī)構(gòu)的特性分析

1、等速運(yùn)動規(guī)律推程：

0≤δ≤δ0

0≤S≤h初始條件：

δ=0；S=0

終止條件:

δ=δ0

S=h

推程運(yùn)動方程式：

回程：

0≤δ≤δh

0≤S≤h

初始條件：

δ=0S=h

終止條件：δ=δh

S=0

回程運(yùn)動方程式：

★運(yùn)動方程式一般表達(dá)式：5.2.2從動件常用的運(yùn)動規(guī)律

運(yùn)動特性：當(dāng)采用勻速運(yùn)動規(guī)律時，推桿在運(yùn)動的起始點和末點因速度有突變，在理論上加速度值為瞬時無窮大，使推桿產(chǎn)生非常大的慣性力，致使凸輪受到很大的沖擊，稱為剛性沖擊。推程運(yùn)動線圖：適用場合：低速、輕載。推程運(yùn)動方程式：2、等加速等減速運(yùn)動規(guī)律推程：

0≤δ≤δ0

0≤S≤h等加速段：

0≤δ≤δ0／20≤S≤h／2

運(yùn)動方程式：

等減速段：

δ0／2≤δ≤δ0

h／2≤S≤h

運(yùn)動方程式

回程：0≤δ≤δ0＇

0≤S≤h

等加速段：

0≤δ≤δ0＇／2h≤S≤h／2

運(yùn)動方程式：

等減速段：

δ0＇／2≤δ≤δ0

h／2≤S≤0

運(yùn)動方程式

★運(yùn)動方程式一般表達(dá)式：運(yùn)動特性：當(dāng)采用等加速等減速運(yùn)動規(guī)律時，在起點、中點和末點時，加速度有突變，因而推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(jī)構(gòu)中由此而引起的沖擊稱為柔性沖擊。

適用場合：中速、輕載。3、簡諧運(yùn)動規(guī)律（余弦加速度運(yùn)動規(guī)律）：簡諧運(yùn)動：當(dāng)一點在圓周上等速運(yùn)動時，其在直徑上的投影的運(yùn)動即為簡諧運(yùn)動。推桿推程運(yùn)動方程式：推桿回程運(yùn)動方程式：運(yùn)動特性：這種運(yùn)動規(guī)律的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。適用場合：中速、中載。三、從動件運(yùn)動規(guī)律的選擇1.選擇推桿運(yùn)動規(guī)律的基本要求

◆滿足機(jī)器的工作要求；

◆使凸輪機(jī)構(gòu)具有良好的動力特性；

◆使所設(shè)計的凸輪便于加工。(1)只對推桿工作行程有要求，而對運(yùn)動規(guī)律無特殊要求推桿運(yùn)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(jī)構(gòu)：采用圓弧、直線等易于加工的曲線作為凸輪輪廓曲線。高速凸輪機(jī)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νmax太大的運(yùn)動規(guī)律高速度從動件不宜選用amax太大的運(yùn)動規(guī)律2.根據(jù)工作條件確定推桿運(yùn)動規(guī)律幾種常見情況(2)機(jī)器工作過程對從動件的的運(yùn)動規(guī)律有特殊要求凸輪轉(zhuǎn)速不高，按工作要求選擇運(yùn)動規(guī)律；凸輪轉(zhuǎn)速較高時，選定主運(yùn)動規(guī)律后，進(jìn)行組合改進(jìn)。正弦加速度運(yùn)動規(guī)律

——擺線運(yùn)動規(guī)律◆組合運(yùn)動規(guī)律五次多項式運(yùn)動規(guī)律小結(jié)：等速運(yùn)動規(guī)律：有剛性沖擊低速輕載等加速等減速運(yùn)動：柔性沖擊中速輕載余弦加速度運(yùn)動規(guī)律：柔性沖擊中低速重載正弦加速度運(yùn)動規(guī)律：無沖擊中高速輕載五次多項式運(yùn)動規(guī)律：無沖擊高速中載運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動特性適用場合5.3

凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計1、簡述反轉(zhuǎn)法的基本原理3、掌握繪制凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角工作任務(wù):2、根據(jù)位移曲線圖，采用圖解法設(shè)計盤形凸輪輪廓曲線設(shè)計方法：圖解法，解析法假想給整個機(jī)構(gòu)加一公共角速度-w,凸輪：相對靜止不動推桿：一方面隨導(dǎo)軌以-w繞凸輪軸心轉(zhuǎn)動另一方面又沿導(dǎo)軌作預(yù)期的往復(fù)移動推桿尖頂在這種復(fù)合運(yùn)動中的運(yùn)動軌跡即為凸輪輪廓曲線。(一)、圖解法的原理5.3.1圖解法設(shè)計盤形凸輪輪廓曲線5.3

凸輪機(jī)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轉(zhuǎn)運(yùn)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，即是所求的凸輪輪廓曲線。(二)、圖解法的方法和步驟1、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r0,凸輪沿逆時針方向等速回轉(zhuǎn)。而推桿的運(yùn)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(jī)構(gòu)的凸輪廓線。2、滾子對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制已知條件:凸輪的基圓半徑為r0,滾子半徑rr,凸輪沿逆時針方向等速回轉(zhuǎn)。推桿的運(yùn)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(jī)構(gòu)的凸輪廓線。3、對心直動平底從動件盤形凸輪輪廓的繪制已知條件:凸輪的基圓半徑為r0,凸輪沿逆時針方向等速回轉(zhuǎn)。推桿的運(yùn)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(jī)構(gòu)的凸輪廓線。4、偏置直動尖頂從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)已知條件:已知凸輪的基圓半徑為r0,凸輪沿逆時針方向等速回轉(zhuǎn)。而推桿的運(yùn)動規(guī)律已知，已知偏距e。試設(shè)計。從動畫中看，從動件在反轉(zhuǎn)運(yùn)動中依次占據(jù)的位置將不在是以凸輪回轉(zhuǎn)中心作出的徑向線,而是始終與O保持一偏距e的直線,因此若以凸輪回轉(zhuǎn)中心O為圓心，以偏距e為半徑作圓（稱為偏距圓）,則從動件在反轉(zhuǎn)運(yùn)動中依次占據(jù)的位置必然都是偏距圓的切線,(圖中

…)從動件的位移(

…)也應(yīng)沿切線量取。然后將

…等點用光滑的曲線連接起來，既得偏置直動尖頂從動件盤形凸輪輪廓。

5、擺動從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)已知條件:已知凸輪的基圓半徑為r0,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(yùn)動規(guī)律，試設(shè)計。（從動件的位移是角位移）理論廓線的曲率半徑：r實際廓線的曲率半徑：ra1、滾子半徑的確定內(nèi)凹輪廓：凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動規(guī)律受力良好，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊滾子半徑：r05.3.2凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計中的幾個問題外凸輪廓：ra=r-rT結(jié)論：外凸的凸輪輪廓曲線,應(yīng)使r0<ρmin，通常取

同時ρa(bǔ)>=1-5mm,另外滾子半徑還受強(qiáng)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rr=0.4r0。理論輪廓曲線最小曲率半徑的求法：2、凸輪壓力角與許用值(1)、凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角定義

凸輪機(jī)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，用α表示。(2)、壓力角與作用力以及機(jī)構(gòu)尺寸的關(guān)系

將凸輪對從動件的作用力F分解為F1和F2。F1為有效分力，F(xiàn)2為有害分力，當(dāng)壓力角α越大，有害分力F“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，摩擦功耗增大，效率降低。如果壓力角大到一定值時，有害分力所引起的摩擦阻力將大于有效分力F‘，這時無論凸輪對從動件的作用力F有多大，都不能使從動件運(yùn)動，機(jī)構(gòu)將發(fā)生自鎖。α越大，r0越小，凸輪機(jī)構(gòu)緊湊。α越小，r0越大，凸輪機(jī)構(gòu)傳力性能越好，但機(jī)構(gòu)不緊湊

(3)、許用壓力角為了提高機(jī)構(gòu)的效率、改善其受力情況，通常規(guī)定一許用壓力角[α]，使

。

推程：直動推桿取[α]＝300；擺動推桿[α]＝300～450；

回程：通常不會引起自鎖問題，但為了使推桿不至產(chǎn)生過大的加速度從而引起不良后果，通常取

[α]=

700～800。

(4)、壓力角校核

αmax一般出現(xiàn)在

1）從動件的起點位