機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)精品課件

凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)第一節(jié)凸輪機(jī)構(gòu)的類型第二節(jié)凸輪機(jī)構(gòu)的基本名詞術(shù)語(yǔ)第三節(jié)從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律第四節(jié)凸輪機(jī)構(gòu)的輪廓設(shè)計(jì)第五節(jié)凸輪機(jī)構(gòu)基本參數(shù)的確定2第一節(jié)凸輪機(jī)構(gòu)的類型一、凸輪機(jī)構(gòu)的組成內(nèi)燃機(jī)的配氣凸輪機(jī)構(gòu)3自動(dòng)機(jī)床的進(jìn)刀凸輪機(jī)構(gòu)凸輪從動(dòng)件機(jī)架高副機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)的組成4二、凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用1-凸輪2-擺動(dòng)從動(dòng)件3-線軸繞線機(jī)構(gòu)51-圓柱凸輪2-直動(dòng)從動(dòng)件3-毛坯自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)6內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)7三、凸輪機(jī)構(gòu)的類型1.按凸輪的形狀分盤形凸輪移動(dòng)凸輪圓柱凸輪82.按從動(dòng)件的結(jié)構(gòu)形式分（1）尖底從動(dòng)件

這種從動(dòng)件可實(shí)現(xiàn)任意的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但尖底處極易磨損，只適用于低速場(chǎng)合。9（2）滾子從動(dòng)件

凸輪與從動(dòng)件之間為滾動(dòng)摩擦，因此磨損較小，可用于傳遞較大的動(dòng)力，應(yīng)用廣泛。10（3）平底從動(dòng)件

受力平穩(wěn)，傳動(dòng)效率高，常用于高速場(chǎng)合。但與之相配合的凸輪輪廓須全部外凸。113.按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式分（1）直動(dòng)從動(dòng)件對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件偏置直動(dòng)從動(dòng)件12（2）擺動(dòng)從動(dòng)件134.按凸輪與從動(dòng)件的接觸方式分（1）力封閉凸輪機(jī)構(gòu)彈簧力封閉——利用從動(dòng)件自身重力、回復(fù)彈簧力或其它外力，使從動(dòng)件與凸輪廓線始終保持接觸。14（2）幾何封閉凸輪機(jī)構(gòu)槽型凸輪機(jī)構(gòu)——利用構(gòu)成高副元素本身的幾何形狀，使從動(dòng)件與凸輪始終接觸。

通過(guò)其溝槽兩側(cè)的廓線始終保持與從動(dòng)件接觸。15等寬凸輪機(jī)構(gòu)

凸輪廓線上任意兩條平行切線間的距離都等于從動(dòng)件矩形框架內(nèi)側(cè)兩個(gè)平底之間的距離。16等徑凸輪機(jī)構(gòu)

過(guò)凸輪軸心所作任一徑向線上與凸輪相接觸的兩滾子中心間的距離處處相等。

從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇受到一定的限制。17共軛凸輪機(jī)構(gòu)

一個(gè)凸輪推動(dòng)從動(dòng)件完成正行程運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)凸輪推動(dòng)從動(dòng)件完成反行程的運(yùn)動(dòng)。這種凸輪機(jī)構(gòu)又稱為主回凸輪機(jī)構(gòu)。18反凸輪機(jī)構(gòu)擺桿為主動(dòng)件，凸輪為從動(dòng)件19四、凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊；應(yīng)用靈活；設(shè)計(jì)方便。高副接觸，易于磨損，多用于傳力不大的場(chǎng)合;凸輪加工比較困難;從動(dòng)件行程不宜過(guò)大，否則會(huì)使凸輪尺寸過(guò)大。20凸輪機(jī)構(gòu)的命名從動(dòng)件的結(jié)構(gòu)形式+從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式+凸輪的形狀對(duì)心尖底直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)偏置滾子直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)尖底擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)偏置尖底直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)21第二節(jié)凸輪機(jī)構(gòu)的基本名詞術(shù)語(yǔ)1.基圓和偏距圓基圓半徑——r0

偏距——e2.推程和推程運(yùn)動(dòng)角（Φ）3.遠(yuǎn)休止和遠(yuǎn)休止角（Φs

）4.回程和回程運(yùn)動(dòng)角（Φ'）5.近休止和近休止角（Φ's

）6.凸輪轉(zhuǎn)角——φ7.從動(dòng)件位移——s8.從動(dòng)件行程——h22從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律——從動(dòng)件的位移、速度和加速度與時(shí)間或凸輪轉(zhuǎn)角間的關(guān)系。9.從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)線圖s=f(φ)位移方程速度方程加速度方程23s1δ1MM1M’s1δ1s12425一、從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律1.多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一般表達(dá)式為工程中常用：n＝1、2、5第三節(jié)從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律26（1）一次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律（n＝1）（推程）位移方程的一般表達(dá)式等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律加速度方程：位移方程：速度方程：hsOvO-∞aO+∞ΦΦΦ27應(yīng)用：低速、輕載特點(diǎn)：有剛性沖擊剛性沖擊：由理論上趨于無(wú)窮大的加速度產(chǎn)生的慣性力引起的沖擊?；爻踢\(yùn)動(dòng)方程：0=aφ￠-=ωhv)1(φ-=hs￠hsOvO-∞aO+∞ΦΦΦ（1）一次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律（n＝1）（推程）28（2）二次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律（n＝2）（推程）等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律29應(yīng)用：中速、輕載特點(diǎn)：有柔性沖擊柔性沖擊：由有限的加速度產(chǎn)生的慣性力引起的沖擊?；爻涛灰魄€圖繪制:（2）二次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律（n＝2）（推程）30（3）五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律（n＝5）（推程）位移方程：速度方程：加速度方程：3-4-5多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律31avsavs3-4-5運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)用：高速、中載特點(diǎn)：無(wú)沖擊322.三角函數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律（1）簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律（推程）余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律位移方程：速度方程：加速度方程：33應(yīng)用：中速、中載特點(diǎn)：有柔性沖擊（1）簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律（推程）34h/2123456781235678sOh位移曲線圖繪制:

4Φ35（2）擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律（推程）位移方程：正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律36應(yīng)用：高速、輕載特點(diǎn)：無(wú)沖擊（2）擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律（推程）37s123456r=h/2πθ=2πδ/φhφ位移曲線圖繪制:38vsahoooφ組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律（1）改進(jìn)等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律主運(yùn)動(dòng)：等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律組合運(yùn)動(dòng)：等速運(yùn)動(dòng)的行程兩端與正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律組合起來(lái)。+∞-∞39（2）改進(jìn)梯形運(yùn)動(dòng)規(guī)律主運(yùn)動(dòng)：等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律組合運(yùn)動(dòng)：在加速度突變處以正弦加速度曲線過(guò)渡。40二、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇1.機(jī)器的工作過(guò)程只要求凸輪轉(zhuǎn)過(guò)一角度時(shí)，推桿完成一行程h或φ，對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律并無(wú)嚴(yán)格要求。則應(yīng)選擇直線或圓弧等易加工曲線作為凸輪的輪廓曲線。如夾緊凸輪。工件ω工件ωφ41ωωhφ2.機(jī)器的工作過(guò)程對(duì)推桿運(yùn)動(dòng)有要求，則應(yīng)嚴(yán)格按工作要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)設(shè)計(jì)凸輪廓線。如刀架進(jìn)給凸輪。42表5－1從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特性比較等加速等減速2.04.0

柔性中速輕載五次多項(xiàng)式1.885.77

無(wú)高速中載余弦加速度1.574.93

柔性中速中載正弦加速度2.06.28

無(wú)高速輕載改進(jìn)正弦加速度1.765.53

無(wú)高速重載100分鐘運(yùn)動(dòng)規(guī)律

Vmax

amax

沖擊適用場(chǎng)合

(hω/φ)×

(hω/φ2)×等速1.0∞

剛性低速輕載3.對(duì)高速凸輪，還應(yīng)當(dāng)考慮Vmax和amax。②amax↑→慣性力F=-ma↑對(duì)強(qiáng)度和耐磨性要求↑。對(duì)高速凸輪，希望amax

愈小愈好?！鷦?dòng)量mv↑,對(duì)重載凸輪，則Vmax越小越好。①Vmax↑43第四節(jié)凸輪機(jī)構(gòu)的輪廓設(shè)計(jì)一、凸輪輪廓設(shè)計(jì)方法的基本原理——反轉(zhuǎn)法反轉(zhuǎn)法——給整個(gè)機(jī)構(gòu)加一個(gè)公共角速度-ω,各構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系并不改變。-ω原機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)-=0凸輪從動(dòng)件機(jī)架00

-=-44r0ωos-ω11’011’22’22’33’

3’345二、用圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線1.直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)（1）對(duì)心尖底直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線已知：凸輪的基圓半徑r0，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和從動(dòng)件的行程h，凸輪以角速度ω逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)：凸輪輪廓曲線。4612345678A60°90°90°120°-ωωs1’2’3’4’5’6’7’8’60°120°90°90°1’3’5’7’8’91113159’11’13’12’14’18765432μs＝（）mm/mm取適當(dāng)?shù)谋壤擀蘬＝μsμφ＝（）°/mm12’13’14’11’10’9’r0o141312111091547按給定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律繪制從動(dòng)件的位移線圖。確定從動(dòng)件尖底的初始位置。確定導(dǎo)路在反轉(zhuǎn)過(guò)程中的一系列位置。確定尖底在反轉(zhuǎn)過(guò)程中的一系列位置。繪制凸輪廓線。設(shè)計(jì)步驟：48（2）滾子直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線已知：滾子半徑rT，凸輪的基圓半徑r0，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和從動(dòng)件的行程h，凸輪以角速度ω逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)：凸輪輪廓曲線。49r060°90°90°120°-ωω1’2’3’4’5’6’7’8’9’10’11’12’13’14’A1876543214131211109理論廓線實(shí)際廓線注：從動(dòng)件端部的滾子與凸輪實(shí)際廓線的接觸點(diǎn)會(huì)隨凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而不斷變化。基圓是指凸輪理論廓線上由最小半徑所作的圓。取長(zhǎng)度比例尺lo501234567815141312111098’7’6’5’4’3’2’1’9’10’11’12’13’14’（3）平底直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線取長(zhǎng)度比例尺l51（4）偏置直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線已知：凸輪的基圓半徑r0，偏距e，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和從動(dòng)件的行程h，凸輪以角速度ω逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)：凸輪輪廓曲線。52eA-ωωOsδ60°120°90°90°1’3’5’7’8’1357891113159’11’13’12’14’1514131211109k9k10k11k12k13k14k151’2’3’4’5’6’7’8’15’14’13’12’11’10’9’取長(zhǎng)度比例尺l12345678k1k2k3k5k4k6k7k853按給定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律繪制從動(dòng)件的位移線圖。確定從動(dòng)件尖底的初始位置。確定導(dǎo)路在反轉(zhuǎn)過(guò)程中的一系列位置。確定尖底在反轉(zhuǎn)過(guò)程中的一系列位置。繪制凸輪廓線。設(shè)計(jì)步驟：542.擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)已知：凸輪以等角速度ω逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，凸輪軸與擺桿回轉(zhuǎn)中心的距離為a，凸輪基圓半徑ro，擺桿長(zhǎng)度l和擺桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。設(shè)計(jì)：凸輪輪廓曲線。

55A1A2A3A4A5A6A7A8B1B2B3B4B5B6B7B8120°60°90°B’1ψ1B’2ψ2B’3ψ3B’4ψ4B’5ψ5B’6φ6B’7ψ7ω-ωr0ABlaψ60°120°90°90°1’2’3’4’123456785’7’6’8’φμφ＝（）°/mmμψ＝（）°/mmo56作從動(dòng)件的角位移線圖。確定擺桿的初始位置。確定擺桿軸心在反轉(zhuǎn)過(guò)程中的一系列位置。確定擺桿尖底的一系列位置。繪制凸輪廓線。設(shè)計(jì)步驟：573.擺動(dòng)從動(dòng)件圓柱凸輪機(jī)構(gòu)rm—平均圓柱面半徑；

l—從動(dòng)桿長(zhǎng)度；ymax—從動(dòng)件最大擺角。

585959

三.擺動(dòng)從動(dòng)件圓柱凸輪機(jī)構(gòu)602πRV=ωRωvR－V直動(dòng)推桿圓柱凸輪機(jī)構(gòu)思路：將圓柱外表面展開(kāi)，得一長(zhǎng)度為2πR的平面移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)，其移動(dòng)速度為V=ωR，以－V反向移動(dòng)平面凸輪，相對(duì)運(yùn)動(dòng)不變，滾子反向移動(dòng)后其中心點(diǎn)的軌跡即為理論輪廓，其內(nèi)外包絡(luò)線為實(shí)際輪廓。Bv61123456787’6’5’4’3’2’1’V=ωRββ'－V2πRsβ"直動(dòng)推桿圓柱凸輪機(jī)構(gòu)已知：圓柱凸輪的半徑R

，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該圓柱凸輪機(jī)構(gòu)。ωvRδs123456786’5’4’3’2’1’7’62ARω?cái)[動(dòng)推桿圓柱凸輪機(jī)構(gòu)已知：圓柱凸輪的半徑R，滾子半徑rr從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪機(jī)構(gòu)。2”3”4”5”6”7”8”9”0”0”-V2πR2rrφ1”AV=ωRA5A6A7A8A9A2A3A4A1A0φ50分鐘δφ012345678902πRA0中線4’,5’,6’3’2’1’0’8’7’9’63擺動(dòng)從動(dòng)件圓柱凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)說(shuō)明：1.用這種方法設(shè)計(jì)是一種近似設(shè)計(jì)。2.減小設(shè)計(jì)誤差的方法：（1）使?jié)L子中心的各個(gè)位置盡可能接近以rm為半徑的圓柱面，即?。?/p>

（3）減小。（2）使從動(dòng)件中間位置AB與凸輪軸線交錯(cuò)垂直；64⒈理論輪廓曲線方程

設(shè)計(jì)一偏置滾子直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)。已知偏距e、基圓半經(jīng)r0、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律s＝s

(j)、凸輪以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)。建立坐標(biāo)系如圖所示。三、用解析法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線滾子直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)

6565

式中利用反轉(zhuǎn)法原理，可得到凸輪理論廓線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)B。

若從動(dòng)件偏置于x軸負(fù)側(cè)、且凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)j角，從動(dòng)件滾子中心由Bo上升到B’點(diǎn)。則點(diǎn)B的坐標(biāo)如下：66

當(dāng)凸輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、且從動(dòng)件偏置于x軸正側(cè)時(shí)，凸輪理論廓線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)B的坐標(biāo)為：式中67—直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪理論廓線直角坐標(biāo)參數(shù)方程。引入凸輪轉(zhuǎn)向系數(shù)η和從動(dòng)件偏置方位系數(shù)δ，且規(guī)定：凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)η＝1，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)η＝－1；從動(dòng)件偏置于x軸正側(cè)時(shí)δ＝1，偏置于x軸負(fù)側(cè)時(shí)δ＝－1。則凸輪上B點(diǎn)直角坐標(biāo)方程的一般表達(dá)式為：68

以

rT為半徑、理論廓線上的點(diǎn)（x，y）為圓心的滾子圓族的包絡(luò)線方程為：——滾子從動(dòng)件盤形凸輪實(shí)際輪廓曲線的參數(shù)方程。2.實(shí)際輪廓曲線方程以j

為參數(shù)的曲線族隱式包絡(luò)線方程為：69

滾子從動(dòng)件盤形凸輪實(shí)際輪廓曲線上點(diǎn)的直角坐標(biāo)參數(shù)方程：注：上邊一組符號(hào)（＋，－）表示一條外包絡(luò)線；

下邊一組符號(hào)（－，＋）表示一條內(nèi)包絡(luò)線。

7070

3.刀具中心軌跡方程

注：“+

、-”:rc>rT“-、+”:rc<rT71第五節(jié)凸輪機(jī)構(gòu)的輪廓設(shè)計(jì)基本參數(shù)的確定一、凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角和自鎖F——凸輪對(duì)從動(dòng)件的作用力v——從動(dòng)件的速度α——壓力角（銳角）F可分解有效分力：F′＝Fcosα有害分力：F″＝Fsinα壓力角過(guò)大將使機(jī)構(gòu)出現(xiàn)自鎖。72許用壓力角[α]

：工程上要求：αmax≤[α]直動(dòng)從動(dòng)件，推程：[α]＝30°～38°擺動(dòng)從動(dòng)件，推程：[α]＝40°～50°回程：[α’]＝70°～80°思考：平底直動(dòng)從動(dòng)件α＝？nnvOωr073二、按許用壓力角確定凸輪的基圓半徑如圖所示，點(diǎn)P為相對(duì)速度瞬心wvOP/=α<90°，由圖可得：1.壓力角與基圓半徑的關(guān)系74負(fù)配置：當(dāng)瞬心和導(dǎo)路位于回轉(zhuǎn)中心的同側(cè)時(shí)，取“－”。正配置：當(dāng)瞬心和導(dǎo)路位于回轉(zhuǎn)中心的異側(cè)時(shí)，取“＋”。結(jié)論：從動(dòng)件適當(dāng)偏置時(shí)，可減小推程壓力角（偏置方位與凸輪轉(zhuǎn)向有關(guān)）；若機(jī)構(gòu)位置、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律和偏距一定，適當(dāng)增加基圓半徑