機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：第3章凸輪

第3章凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)§3－1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用(yìngyòng)和類型§3－2

從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律§3－3

凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角§3－4圖解法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓§3－5解析法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料§3－1凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類型結(jié)構(gòu)：三個(gè)構(gòu)件、盤(pán)(柱)狀曲線(qūxiàn)輪廓、從動(dòng)件呈桿狀。作用：將連續(xù)回轉(zhuǎn)=>

從動(dòng)件直線移動(dòng)或擺動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：可精確實(shí)現(xiàn)任意運(yùn)動(dòng)規(guī)律，簡(jiǎn)單緊湊。缺點(diǎn)：高副，線接觸，易磨損，傳力不大。應(yīng)用：內(nèi)燃機(jī)、牙膏生產(chǎn)等自動(dòng)線、補(bǔ)鞋機(jī)、配鑰匙機(jī)等。分類：1)按凸輪形狀分：盤(pán)形、移動(dòng)、

圓柱凸輪(端面

)。2)按推桿形狀分：尖頂、滾子、平底從動(dòng)件。特點(diǎn)：尖頂－－構(gòu)造簡(jiǎn)單、易磨損、用于儀表機(jī)構(gòu)；滾子――磨損小，應(yīng)用廣；平底――受力好、潤(rùn)滑好，用于高速傳動(dòng)。實(shí)例自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料12刀架o3).按推桿運(yùn)動(dòng)分：直動(dòng)(對(duì)心、偏置(piānzhì))、擺動(dòng)4).按保持接觸方式(fāngshì)分：力封閉（重力、彈簧等）內(nèi)燃機(jī)氣門機(jī)構(gòu)機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)幾何形狀封閉(凹槽、等寬、等徑、主回凸輪)自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料r1r2r1+r2=constW凹槽凸輪主回凸輪(tūlún)等寬凸輪(tūlún)等徑凸輪優(yōu)點(diǎn)：只需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)妮喞€，從動(dòng)件便可獲得任意的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、設(shè)計(jì)方便。缺點(diǎn)：線接觸，容易磨損。自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料繞線機(jī)構(gòu)(jīgòu)312A線應(yīng)用(yìngyòng)實(shí)例：自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料3皮帶輪5卷帶輪錄音機(jī)卷帶機(jī)構(gòu)1放音鍵2摩擦輪413245放音鍵卷帶輪皮帶輪摩擦輪錄音機(jī)卷帶機(jī)構(gòu)自用(zìyòng)盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料132送料機(jī)構(gòu)(jīgòu)自用(zìyòng)盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料otδs§3－2推桿的運(yùn)動(dòng)(yùndòng)規(guī)律凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本任務(wù):1)根據(jù)(gēnjù)工作要求選定凸輪機(jī)構(gòu)的形式;名詞術(shù)語(yǔ)：一、推桿的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律基圓、推程運(yùn)動(dòng)角、基圓半徑、推程、遠(yuǎn)休止角、回程運(yùn)動(dòng)角、回程、近休止角、行程。一個(gè)循環(huán)rminhB’ωA而根據(jù)工作要求選定推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線的前提。2)推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律;3)合理確定結(jié)構(gòu)尺寸;4)設(shè)計(jì)輪廓曲線。δ01δ01δ0δ0δ’0δ’0δ02δ02DBC自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料運(yùn)動(dòng)規(guī)律(guīlǜ)：推桿在推程或回程時(shí)，其位移S、速度V、和加速度a隨時(shí)間t的變化規(guī)律(guīlǜ)。形式(xíngshì)：多項(xiàng)式、三角函數(shù)。S=S(t)V=V(t)a=a(t)位移曲線otδsr0hB’ωAδ01δ01δ0δ0δ’0δ’0δ02δ02DBC自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料邊界條件：凸輪轉(zhuǎn)過(guò)推程運(yùn)動(dòng)(yùndòng)角δ0－從動(dòng)件上升h一、多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)(yùndòng)規(guī)律一般表達(dá)式：s=C0+C1δ+C2δ2+…+Cnδn(1)求一階導(dǎo)數(shù)得速度方程：

v=ds/dt求二階導(dǎo)數(shù)得加速度方程：a=dv/dt=2C2ω2+6C3ω2δ…+n(n-1)Cnω2δn-2其中：δ－凸輪轉(zhuǎn)角，dδ/dt=ω－凸輪角速度,

Ci－待定系數(shù)。=C1ω+2C2ωδ+…+nCnωδn-1凸輪轉(zhuǎn)過(guò)回程運(yùn)動(dòng)角δ’0－從動(dòng)件下降h自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料1.等速運(yùn)動(dòng)(děnɡsùyùndònɡ)運(yùn)動(dòng)規(guī)律在推程起始(qǐshǐ)點(diǎn)：δ=0，s=0代入得：C0＝0，C1＝h/δ0推程運(yùn)動(dòng)方程：

s＝hδ/δ0

v＝hω/δ0sδδ0vδaδh在推程終止點(diǎn)：δ=δ0，s=h+∞－∞剛性沖擊s=C0+C1δ+C2δ2+…+Cnδnv=C1ω+2C2ωδ+…+nCnωδn-1a=2C2ω2+6C3ω2δ…+n(n-1)Cnω2δn-2同理得回程運(yùn)動(dòng)方程：

s＝h(1-δ/δ’0)v＝-hω/δ’0a＝0a＝0自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料2.等加等減速（二次多項(xiàng)式）運(yùn)動(dòng)(yùndòng)規(guī)律位移曲線為一拋物線。加、減速(jiǎnsù)各占一半。推程加速上升段邊界條件：起始點(diǎn)：δ=0，s=0，

v＝0中間點(diǎn)：δ=δ0/2，s=h/2求得：C0＝0，C1＝0，C2＝2h/δ02加速段推程運(yùn)動(dòng)方程為：s＝2hδ2/δ02

v＝4hωδ/δ02a＝4hω2/δ02自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料推程減速(jiǎnsù)上升段邊界條件：終止(zhōngzhǐ)點(diǎn)：δ=δ0，s=h，v＝0中間點(diǎn)：δ=δ0/2，s=h/2求得：C0＝－h(huán)，C1＝4h/δ0，C2＝-2h/δ02

減速段推程運(yùn)動(dòng)方程為：s＝h-2h(δ-δ0)2/δ02

1δsδvv＝-4hω(δ-δ0)/δ02

a＝-4hω2/δ022354632hω/δ0柔性沖擊4hω2/δ02δa重寫(xiě)加速段推程運(yùn)動(dòng)方程為：s＝2hδ2/δ02

v＝4hωδ/δ02a＝4hω2/δ02h/2δ0h/2自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料3.五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)(yùndòng)規(guī)律位移(wèiyí)方程：s=10h(δ/δ0)3－15h(δ/δ0)4+6h(δ/δ0)5δsvahδ0無(wú)沖擊，適用于高速凸輪。自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料δsδa二、三角函數(shù)運(yùn)動(dòng)(yùndòng)規(guī)律1.余弦(yúxián)加速度(簡(jiǎn)諧)運(yùn)動(dòng)規(guī)律推程：

s＝h[1-cos(πδ/δ0)]/2

v＝πhωsin(πδ/δ0)δ/2δ0a＝π2hω2cos(πδ/δ0)/2δ02

回程：

s＝h[1＋cos(πδ/δ0’)]/2

v＝-πhωsin(πδ/δ0’)δ/2δ0’a＝-π2hω2cos(πδ/δ0’)/2δ’02123456δv123456Vmax=1.57hω/2δ0在起始和終止處理論上a為有限值，產(chǎn)生柔性沖擊。hδ0自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料2.正弦加速度（擺線）運(yùn)動(dòng)(yùndòng)規(guī)律推程：s＝h[δ/δ0-sin(2πδ/δ0)/2π]

v＝hω[1-cos(2πδ/δ0)]/δ0a＝2πhω2

sin(2πδ/δ0)/δ02

回程：

s＝h[1-δ/δ0’+sin(2πδ/δ0’)/2π]

v＝hω[cos(2πδ/δ0’)-1]/δ0’a＝-2πhω2

sin(2πδ/δ0’)/δ’02無(wú)沖擊(chōngjī)sδδaδvhδ0自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料vsaδδδhoooδ0+∞-∞vsaδδδhoooδ0正弦(zhèngxián)改進(jìn)等速三、改進(jìn)型運(yùn)動(dòng)(yùndòng)規(guī)律將幾種運(yùn)動(dòng)規(guī)律組合，以改善運(yùn)動(dòng)特性。自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料OBω設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，除了要求從動(dòng)件能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律外，還希望凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，受力情況(qíngkuàng)良好。而這與壓力角有很大關(guān)系。定義(dìngyì)：正壓力與推桿上力作用點(diǎn)B速度方向間的夾角α→F”↑，若α大到一定程度時(shí)，會(huì)有：→機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖?！?－3

凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角αnn一、壓力角與作用力的關(guān)系不考慮摩擦?xí)r，作用力沿法線方向。FF’F”F’----有用分力,沿導(dǎo)路方向F”----有害分力，垂直于導(dǎo)路F”=F’tgαF’

一定時(shí)，α↑Ff>F’Ff為了保證凸輪機(jī)構(gòu)正常工作，要求：α

<[α]自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料OBω二、壓力(yālì)角與凸輪機(jī)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系P點(diǎn)為速度(sùdù)瞬心，于是有：v=lOPωrmin↑

[α]=30?

----直動(dòng)從動(dòng)件；[α]=35°～45°----擺動(dòng)從動(dòng)件；[α]=70°～80°----回程。nnP→lOP=v

/ωeαds/dδ=ds/dδs0sD=lOC+lCPlCP=lOC=elCP=ds/dδ

-etgα

=S+r2min

-e2ds/dδ

-e→α↓C

(S+S0

)tgα

S0=r2min-e2若發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果α〉[α]，可增大rmin

vvrmin自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料αds/dδOBω

得：tgα

=S+r2min

-e2ds/dδ

+enn同理，當(dāng)導(dǎo)路位于中心(zhōngxīn)左側(cè)時(shí)，有：lOP=lCP-lOC

→lCP=ds/dδ

+e

于是：tgα

=S+r2min

-e2ds/dδ

±ee“+”用于導(dǎo)路和瞬心位于中心(zhōngxīn)兩側(cè)；“-”用于導(dǎo)路和瞬心位于中心(zhōngxīn)同側(cè)；顯然，導(dǎo)路和瞬心位于中心同側(cè)時(shí)，壓力角將減小。注意：用偏置法可減小推程壓力角，但同時(shí)增大了回程壓力角，故偏距e不能太大。PCs0sDlCP=(S+S0

)tgαS0=r02-e2rmin自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料nn提問(wèn)：對(duì)于平底推桿凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)：α＝？0vOωr0自用(zìyòng)盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料1.凸輪廓線設(shè)計(jì)(shèjì)方法的基本原理§3－4圖解法設(shè)計(jì)(shèjì)凸輪輪廓2.用作圖法設(shè)計(jì)凸輪廓線1)對(duì)心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤(pán)形凸輪3)滾子直動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪4)對(duì)心直動(dòng)平底從動(dòng)件盤(pán)形凸輪2)偏置直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤(pán)形凸輪5)擺動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料一、凸輪廓線設(shè)計(jì)(shèjì)方法的基本原理反轉(zhuǎn)(fǎnzhuǎn)原理：依據(jù)此原理可以用幾何作圖的方法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線，例如：給整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)施以-ω時(shí)，不影響各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，凸輪將靜止，而從動(dòng)件尖頂復(fù)合運(yùn)動(dòng)的軌跡即凸輪的輪廓曲線。尖頂凸輪繪制動(dòng)畫(huà)滾子凸輪繪制動(dòng)畫(huà)O-ωω3’1’2’331122自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料rmin120°-ωω1’對(duì)心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑rmin，角速度ω和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓(lúnkuò)曲線。設(shè)計(jì)步驟(bùzhòu)小結(jié)：①選比例尺μl作基圓rmin。②反向等分各運(yùn)動(dòng)角。原則是：陡密緩疏。③確定反轉(zhuǎn)后，從動(dòng)件尖頂在各等份點(diǎn)的位置。④將各尖頂點(diǎn)連接成一條光滑曲線。1.對(duì)心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤(pán)形凸輪60°120°90°90°1’3’5’7’8’1357891113159’11’13’12’14’sδ2’3’4’5’6’7’8’9’10’11’12’13’14’60°90°90°A1876543214131211109二、直動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪輪廓的繪制自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料eA偏置直動(dòng)尖頂從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑rmin，角速度ω和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和偏心距e，設(shè)計(jì)(shèjì)該凸輪輪廓曲線。2.偏置(piānzhì)直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤(pán)形凸輪60°120°90°90°1’3’5’7’8’1357891113159’11’13’12’14’sδ-ωωO1’2’3’4’5’6’7’8’15’14’13’12’11’10’9’設(shè)計(jì)步驟小結(jié)：①選比例尺μl作基圓rmin;②反向等分各運(yùn)動(dòng)角;③確定反轉(zhuǎn)后，從動(dòng)件尖頂在各等份點(diǎn)的位置;④將各尖頂點(diǎn)連接成一條光滑曲線。1514131211109k9k10k11k12k13k14k1512345678k1k2k3k5k4k6k7k8動(dòng)畫(huà)自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料rminA120°-ωω1’設(shè)計(jì)步驟小結(jié)：①選比例尺μl作基圓rmin。②反向等分各運(yùn)動(dòng)角。原則是：陡密緩疏。③確定反轉(zhuǎn)后，從動(dòng)件尖頂在各等份點(diǎn)的位置。④將各尖頂點(diǎn)連接成一條光滑曲線。60°120°90°90°1’3’5’7’8’1357891113159’11’13’12’14’sδ2’3’4’5’6’7’8’9’10’11’12’13’14’60°90°90°1876543214131211109理論(lǐlùn)輪廓實(shí)際(shíjì)輪廓⑤作各位置滾子圓的內(nèi)(外)包絡(luò)線。3.滾子直動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪滾子直動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑rmin，角速度ω和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料滾子(ɡǔnzǐ)半徑的確定ρa(bǔ)－工作輪廓的曲率半徑，ρ－理論(lǐlùn)輪廓的曲率半徑，rT－滾子半徑ρa(bǔ)＝ρ＋rT

ρ>rT

ρa(bǔ)＝ρ－rT

ρ＝rT

ρa(bǔ)＝ρ－rT＝0ρ<rT

ρa(bǔ)＝ρ－rT<0輪廓正常輪廓正常輪廓變尖ρ內(nèi)凹外凸對(duì)于外凸輪廓，要保證正常工作，應(yīng)使：ρmin>rT

輪廓失真ρa(bǔ)rTrTρa(bǔ)rTρrTρρ自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料rmin對(duì)心直動(dòng)平底從動(dòng)件凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)中，已知凸輪(tūlún)的基圓半徑rmin，角速度ω和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪(tūlún)輪廓曲線。設(shè)計(jì)步驟：①選比例尺μl作基圓rmin。②反向等分各運(yùn)動(dòng)角。原則是：陡密緩疏。③確定反轉(zhuǎn)后，從動(dòng)件平底直線在各等份點(diǎn)的位置。④作平底直線(zhíxiàn)族的內(nèi)包絡(luò)線。4.對(duì)心直動(dòng)平底從動(dòng)件盤(pán)形凸輪8’7’6’5’4’3’2’1’9’10’11’12’13’14’-ωωA60°120°90°90°1’3’5’7’8’1357891113159’11’13’12’14’sδ123456781514131211109自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料對(duì)平底推桿凸輪機(jī)構(gòu)(jīgòu)，也有失真現(xiàn)象。Ormin可通過(guò)(tōngguò)增大rmin解決此問(wèn)題。rmin自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料擺動(dòng)(bǎidòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑rmin，角速度ω，擺桿長(zhǎng)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(jì)該凸輪輪廓曲線。三、擺動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪(tūlún)機(jī)構(gòu)60°120°90°90°1’2’3’4’56785’6’7’8’sδB1B2B3B4B5B6B7B8120°60°90°ω-ωdABlB’1φ1rminB’2φ2B’7φ7B’6φ6B’5φ5B’4φ4B’3φ3A1A2A3A4A5A6A7A81234自用盤(pán)編號(hào)JJ321002精品資料BδB0OS0S§3－5解析(jiěxī)法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓從圖解法的缺點(diǎn)引出解析(jiěxī)法的