機械設(shè)計基礎(chǔ)第4章

機械設(shè)計基礎(chǔ)(jīchǔ)武漢工業(yè)學(xué)院機械(jīxiè)學(xué)院機械(jīxiè)基礎(chǔ)教研室葉建平2/4/2023精品資料第三章凸輪(tūlún)機構(gòu)本章要求：掌握凸輪機構(gòu)(jīgòu)的應(yīng)用和類型，從動件的常用運動規(guī)律及凸輪機構(gòu)(jīgòu)的壓力角。了解凸輪機構(gòu)(jīgòu)的輪廓的設(shè)計。本章重點：凸輪機構(gòu)(jīgòu)從動件的常用運動規(guī)律。本章難點：凸輪機構(gòu)(jīgòu)的壓力角。2/4/2023精品資料§3—1凸輪機構(gòu)(jīgòu)的應(yīng)用和類型§3—2從動件常用的運動(yùndòng)規(guī)律§3—4圖解法設(shè)計凸輪輪廓曲線§3—3凸輪機構(gòu)壓力角

教學(xué)內(nèi)容：2/4/2023精品資料§3-1凸輪機構(gòu)的應(yīng)用(yìngyòng)和分類一、凸輪(tūlún)機構(gòu)的應(yīng)用二、凸輪機構(gòu)的分類2/4/2023精品資料1、凸輪機構(gòu)組成：凸輪是一個(yīɡè)具有曲線輪廓的構(gòu)件。含有凸輪的機構(gòu)稱為凸輪機構(gòu)。它由凸輪、從動件和機架組成。一、凸輪(tūlún)機構(gòu)的應(yīng)用2/4/2023精品資料2、凸輪機構(gòu)(jīgòu)的應(yīng)用凸輪機構(gòu)是機械(jīxiè)中的一種常用機構(gòu)，在自動化和半自動化機械(jīxiè)中應(yīng)用十分廣泛。主要用于：受力不大的控制機構(gòu)或調(diào)節(jié)機構(gòu)。2/4/2023精品資料2/4/2023精品資料2/4/2023精品資料搗碎(dǎosuì)機2/4/2023精品資料內(nèi)燃機配氣凸輪(tūlún)機構(gòu)2/4/2023精品資料剪切機2/4/2023精品資料凸輪(tūlún)機構(gòu)的優(yōu)點：只需確定適當?shù)耐馆嗇喞€，即可實現(xiàn)從動件復(fù)雜(fùzá)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構(gòu)。2/4/2023精品資料二、凸輪(tūlún)機構(gòu)的分類1、按凸輪(tūlún)的形狀分（1）盤形凸輪（2）移動凸輪（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?；剞D(zhuǎn)中心趨于無窮遠，凸輪沿機架作直線運動。將移動凸輪卷成圓柱。2/4/2023精品資料2、按從動件的型式(xínɡshì)分1、尖頂(jiāndǐng)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。2/4/2023精品資料一、基本概念二、從動件常用運動(yùndòng)規(guī)律三、組合運動(yùndòng)規(guī)律簡介§3―2從動件常用(chánɡyònɡ)運動規(guī)律2/4/2023精品資料尖底直動從動件盤形凸輪(tūlún)機構(gòu)1、基圓：凸輪(tūlún)理論輪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。wOrminwrminOe2/4/2023精品資料3、推程：4、升程：從動件尖頂(jiāndǐng)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到達最遠位置B的過程。從動件在推程中所走過的距離(jùlí)h。5、推程運動角：6、遠休止角：δt

=∠AOB（升程角）與推程相應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角δt。δS=

∠BOC從動件在最遠位置停止不動所對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角δs。wAB'rminOBCDδtδsh2/4/2023精品資料9、近休止(xiūzhǐ)角：8、回程(huíchéng)運動角：δh=∠CODδs'=∠AOD7、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δh。從動件在最近位置停止不動所對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角δs'。δhδs'wAB'rminOBCDδtδsh2/4/2023精品資料以縱坐標代表從動件位移(wèiyí)s2，橫坐標代表凸輪轉(zhuǎn)角δ1或t，所畫出的位移(wèiyí)與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系曲線。10、從動件位移(wèiyí)線圖：上升—停—降—停tδ1s2ABCDh2pδhδs'δtδsAδhδs'wAB'rminOBCDδtδsh從動件位移線圖決定于凸輪輪廓曲線的形狀。2/4/2023精品資料1、推程：2、升程：3、推程運動(yùndòng)角：4、遠休止(xiūzhǐ)角：7、近休止角：6、回程運動角：5、回程：AB偏置尖頂直動從動件盤形凸輪δtδsδhδs'wAB'OBCDhCDhδtδsδhδs'2/4/2023精品資料二、從動件常用(chánɡyònɡ)運動規(guī)律1、勻速運動(yúnsùyùndòng)規(guī)律（推程段）s2hδ1δ1tOv2tv0Oδ1a2∞-∞Oδ1t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。2/4/2023精品資料2、等加速(jiāsù)等減速運動規(guī)律ajvO12j,tj,tj,tsh3456194104A0aBC柔性沖擊：加速度發(fā)生(fāshēng)有限值的突變（適用于中速場合）2/4/2023精品資料3、簡諧運動(jiǎnxiéyùndònɡ)avjj,tj,tj,tsh1O2345612345qs運動(yùndòng)特征：若δs、δs‘為零，無沖擊。若δs、δs‘不為零，有沖擊。2/4/2023精品資料v2s2a2δ1δ1δ1hoooδt正弦(zhèngxián)改進等速+∞-∞v2s2a2δ1δ1δ1hoooδt三、組合運動規(guī)律(guīlǜ)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)，以改善運動特性。2/4/2023精品資料§3—3凸輪(tūlún)機構(gòu)壓力角一、壓力角與作用力的關(guān)系二、壓力角與凸輪(tūlún)機構(gòu)尺寸的關(guān)系2/4/2023精品資料一、壓力(yālì)角與作用力的關(guān)系壓力(yālì)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。CBS2eOvrminw1213αnnFP2/4/2023精品資料CBS2eOvrminω1213αnnF'F"FP力F分解為沿從動件運動方向的有用(yǒuyònɡ)分力F'和使從動件緊壓導(dǎo)路的有害分力F"。F"＝F'

tgα1、F'一定(yīdìng)時，壓力角α越大，有害分力F"越大，機構(gòu)的效率越低。上式表明：2、自鎖：當α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。

2/4/2023精品資料壓力角的大小反映了機構(gòu)傳力性能的好壞，是機構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)。為使凸輪機構(gòu)工作可靠，受力情況良好，必須對壓力角加以限制。在設(shè)計凸輪機構(gòu)時，應(yīng)使最大壓力角αmax不超過許用值［α］。根據(jù)工程實踐的經(jīng)驗，許用壓力角［α］的數(shù)值(shùzí)推薦如下：推程時，對移動從動件，［α］=30°－38°；對擺動從動件，［α］=45°－50°。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?。郐粒?70°－80°。2/4/2023精品資料由于(yóuyú)凸輪機構(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)計凸輪機構(gòu)時，基圓半徑rb選得越小，所設(shè)計的機構(gòu)越緊湊。但基圓半徑的減小會使壓力角增大，對機構(gòu)運動不利。2/4/2023精品資料凸輪(tūlún)機構(gòu)壓力角的幾何關(guān)系2/4/2023精品資料由圖中△DPB考慮到 ，凸輪機構(gòu)的壓力角計算公式為（3-1）2/4/2023精品資料式中：α——任意(rènyì)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/dφ——位移曲線的斜率，推程時為正，回程時為負。以上(yǐshàng)公式同樣適用于凸輪沿順時針方向轉(zhuǎn)動且從動件偏置于凸輪軸心的左側(cè)的壓力角計算。其他場合的計算公式為（3-1）以上公式反映了rb及ds/dφ對機構(gòu)壓力角的影響。2/4/2023精品資料二、壓力(yālì)角與凸輪機構(gòu)尺寸的關(guān)系CBS2eOvrminω1213αnnF'F"FP直動從動件盤形凸輪(tūlún)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，機構(gòu)越緊湊。

式中：α－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/dφ-位移曲線的斜率，推程時為正，回程2/4/2023精品資料e為從動件導(dǎo)路偏離凸輪回轉(zhuǎn)中心的距離，稱為偏距。當導(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??；反之，當導(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為負值。但同時會產(chǎn)生(chǎnshēng)使回程壓力角增大的現(xiàn)象，所以e不能過大。CBS2eOvrminω1213αnnF'F"FP2/4/2023精品資料一、直動從動件盤形凸輪(tūlún)輪廓繪制二、擺動從動件盤形凸輪(tūlún)輪廓繪制§3—4圖解法設(shè)計凸輪(tūlún)輪廓曲線2/4/2023精品資料凸輪設(shè)計的基本原理采用的是“反轉(zhuǎn)法”，即凸輪輪廓設(shè)計中，是認為凸輪靜止不動，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(ɡěidìnɡ)的運動規(guī)律運動。一、直動從動件盤形凸輪輪廓(lúnkuò)繪制2/4/2023精品資料2、再按空間尺寸(chǐcun)要求決定凸輪的基圓半徑。1、根據(jù)工作要求先確定(quèdìng)從動件運動規(guī)律。步驟：3、繪制出凸輪輪廓。2/4/2023精品資料60°r0120°-ωω1’已知凸輪的基圓半徑r0，角速度ω和從動件的運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪輪廓(lúnkuò)曲線。設(shè)計步驟(bùzhòu)小結(jié)：①選比例尺μl作基圓r0。②反向等分各運動角。原則是：陡密緩疏。③確定反轉(zhuǎn)后，從動件尖頂在各等份點的位置。④將各尖頂點連接成一條光滑曲線。1.對心直動尖頂從動件盤形凸輪1’3’5’7’8’2’3’4’5’6’7’8’9’10’11’12’13’14’90°90°A1876543214131211109二、直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制60°120°90°90°135789111315sδ9’11’13’12’14’10’2/4/2023精品資料2)對心直動滾子(ɡǔnzǐ)推桿盤形凸輪sδ911131513578r0A120°-ω1’設(shè)計步驟小結(jié)：①選比例尺μl作基圓r0。②反向等分各運動角。原則是：陡密緩疏。③確定反轉(zhuǎn)后，從動件尖頂在各等份點的位置。④將各尖頂點連接成一條光滑曲線。1’3’5’7’8’9’11’13’12’14’2’3’4’5’6’7’8’9’10’11’12’13’14’60°90°90°1876543214131211109理論(lǐlùn)輪廓實際輪廓⑤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ω和從動件的運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。60°120°90°90°ω2/4/2023精品資料3)對心直動平底推桿盤形凸輪(tūlún)sδ911131513578r0已知凸輪的基圓半徑r0，角速度ω和從動件的運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪輪廓(lúnkuò)曲線。設(shè)計步驟：①選比例尺μl作基圓r0。②反向等分各運動角。原則是：陡密緩疏。③確定反轉(zhuǎn)后，從動件平底直線在各等份點的位置。④作平底直線族的內(nèi)包絡(luò)線。8’7’6’5’4’3’2’1’9’10’11’12’13’14’-ωωA1’3’5’7’8’9’11’13’12’14’12345678151413121110960°120°90°90°2/4/2023精品資料911131513578OeA已知凸輪(tūlún)的基圓半徑r0，角速度ω和從動件的運動規(guī)律和偏心距e，設(shè)計該凸輪(tūlún)輪廓曲線。4)偏置直動尖頂(jiāndǐng)從動件盤形凸輪1’3’5’7’8’9’11’13’12’14’-ωω6’1’2’3’4’5’7’8’15’14’13’12’11’10’9’設(shè)計步驟小結(jié)：①選比例尺μl作基圓r0;②反向等分各運動角;③確定反轉(zhuǎn)后，從動件尖頂在各等份點的位置;④將各尖頂點連接成一條光滑曲線。1514131211109k9k10k11k12k13k14k1512345678k1k2k3k5k4k6k7k860°120°90°90°s2δ2/4/2023精品資料設(shè)計(shèjì)凸輪機構(gòu)時應(yīng)注意滾子半徑的問題：1.當min>rT時，'>0，實際輪廓為平滑(pínghuá)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半徑'＝min—rT。2/4/2023精品資料2.min=rT時，'=0，實際(shíjì)輪廓為一個尖點；3.min<rT時，'<0，實際輪廓發(fā)生相交，無法實現(xiàn)該運動(yùndòng)規(guī)律。2/4/2023精品資料為了使凸輪輪廓既不變尖，又不相交，滾子半徑(bànjìng)必須小于理論輪廓外凸部分的最小曲率半徑(bànjìng)min。2/4/2023精品資料BδB0OS0S§3－5解析(jiěxī)法設(shè)計凸輪的輪廓結(jié)果：求出輪廓(lúnkuò)曲線的解析表達式---已知條件：e、rmin、rT、S=S(δ)、ω及其方向。理論輪廓的極坐標參數(shù)方程：ρ=(