機(jī)械設(shè)計凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計

機(jī)械設(shè)計凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一凸輪機(jī)構(gòu)由凸輪、從動件、機(jī)架三個基本構(gòu)件組成的高副機(jī)構(gòu)。機(jī)架從動件滾子凸輪一、凸輪機(jī)構(gòu)的組成及其特點(diǎn)§3－1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一組成：三個構(gòu)件、盤(柱)狀曲線輪廓、從動件呈桿狀。作用：將連續(xù)回轉(zhuǎn)=>

從動件直線移動或擺動。凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，通常作連續(xù)等速轉(zhuǎn)動，從動件則在凸輪輪廓的控制下按預(yù)定的運(yùn)動規(guī)律作往復(fù)移動或擺動。第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)件少，運(yùn)動鏈短，結(jié)構(gòu)簡單緊湊；易使從動件（follower）得到各種預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律。凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)缺點(diǎn)：從動件與凸輪為點(diǎn)、線接觸，故易于磨損。凸輪輪廓加工比較困難，費(fèi)用較高。第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一二、凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用132送料機(jī)構(gòu)多用在傳遞動力不大的各種自動機(jī)械、儀表及自動控制裝置中。第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)燃機(jī)氣門機(jī)構(gòu)第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一盤形凸輪機(jī)構(gòu)在印刷機(jī)中的應(yīng)用等徑凸輪機(jī)構(gòu)在機(jī)械加工中的應(yīng)用應(yīng)用實(shí)例：第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一利用分度凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位圓柱凸輪機(jī)構(gòu)在機(jī)械加工中的應(yīng)用第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一三、凸輪機(jī)構(gòu)的分類1、按凸輪的形狀分類1）盤形凸輪：凸輪為一繞固定軸線轉(zhuǎn)動且有變化向徑的盤形構(gòu)件。盤形凸輪機(jī)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛，但限于凸輪徑向尺寸不能變化太大，故從動件的行程較短。第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2）移動凸輪：凸輪是具有曲線輪廓、作往復(fù)直線移動的構(gòu)件，它可看成是轉(zhuǎn)動軸線位于無窮遠(yuǎn)處的盤形凸輪。第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一3）圓柱凸輪：凸輪是圓柱面上開有凹槽的圓柱體，可看成是繞卷在圓柱體上的移動凸輪，利用它可使從動件得到較大的行程。盤形凸輪和移動凸輪與從動件的運(yùn)動均在同一平面內(nèi)，所以又稱為平面凸輪機(jī)構(gòu)；而圓柱凸輪與從動件的運(yùn)動均不在同一平面內(nèi)，所以又稱為空間凸輪機(jī)構(gòu)。第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2、按從動件運(yùn)動副元素形狀分類1）尖頂從動件：從動件的端部呈尖點(diǎn)，特點(diǎn)是能與任何形狀的凸輪輪廓上各點(diǎn)相接觸，因而理論上可實(shí)現(xiàn)任意預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律。特點(diǎn)：是研究其他型式從動件凸輪機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。構(gòu)造簡單，尖頂易磨損，只能用于輕載低速的場合，多用于儀表機(jī)構(gòu)。對心直動尖頂從動件偏置直動尖頂從動件第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2）滾子從動件：從動件的端部裝有滾子。特點(diǎn)：從動件與凸輪之間可形成滾動摩擦，所以磨損顯著減少，能承受較大載荷，應(yīng)用較廣。但端部重量較大，又不易潤滑，故仍不宜用于高速。第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一3）平底從動件：從動件端部為一平底。特點(diǎn)：若不計摩擦，凸輪對從動件的作用力始終垂直于平底，傳力性能良好，且凸輪與平底接觸面間易形成潤滑油膜，摩擦磨損小、效率高，故可用于高速，缺點(diǎn)是不能用于凸輪輪廓有內(nèi)凹的情況。

第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一3、根據(jù)從動件的運(yùn)動形式分類1）直動從動件：按其從動件導(dǎo)路是否通過凸輪回轉(zhuǎn)中心分為對心直動從動件和偏置直動從動件凸輪機(jī)構(gòu)。對心直動尖頂從動件偏置直動尖頂從動件第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2）擺動從動件：從動件的運(yùn)動為繞固定軸的擺動。擺動滾子從動件擺動尖頂從動件第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一平面復(fù)雜運(yùn)動從動件3）平面復(fù)雜運(yùn)動從動件第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一4、按凸輪高副的鎖合方式分類所謂的鎖合是指保持從動件與凸輪之間的高副接觸。1）力鎖合凸輪機(jī)構(gòu)：依靠重力、彈簧力或其他外力來保證鎖合，如內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)。第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2）形鎖合凸輪機(jī)構(gòu)：依靠凸輪和從動件幾何形狀來保證鎖合。如凹槽、等寬、等徑、共軛凸輪。等寬凸輪機(jī)構(gòu)等徑凸輪機(jī)構(gòu)共軛凸輪機(jī)構(gòu)第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一凸輪機(jī)構(gòu)分類1.按凸輪的形狀分類2.按從動件運(yùn)動副元素形狀分類3.按從動件的運(yùn)動形式分類盤形凸輪移動凸輪

尖頂從動件滾子從動件平底從動件直動從動件擺動從動件圓柱凸輪平面復(fù)雜運(yùn)動從動件對心直動從動件偏置直動從動件平面凸輪機(jī)構(gòu)空間凸輪機(jī)構(gòu)4.按凸輪高副的鎖合方式分類力鎖合形鎖合第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一§3－2從動件的常用運(yùn)動規(guī)律凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本任務(wù):1)根據(jù)工作要求選定凸輪機(jī)構(gòu)的形式；而根據(jù)工作要求選定推桿運(yùn)動規(guī)律，是設(shè)計凸輪輪廓曲線的前提。2)推桿運(yùn)動規(guī)律；3)合理確定結(jié)構(gòu)尺寸；4)設(shè)計輪廓曲線。第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一一、凸輪機(jī)構(gòu)的基本術(shù)語以尖頂從動件為對象予以介紹δtr0ω對心式尖頂從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)基圓基圓基圓—以凸輪理論輪廓最小向徑r0為半徑所作的圓?；鶊A半徑—r0推程—從動件從距離凸輪回轉(zhuǎn)中心最近位置到距離凸輪回轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)位置的過程，稱為推程。推程運(yùn)動角δt—從動件推程過程，對應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角稱為推程運(yùn)動角。第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一從動件行程—推桿在推程或回程中移動的距離h，亦稱升距。δSδh

δS′hδtr0ω對心式尖頂從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)休止角δs—推桿在最高位置靜止不動，凸輪相應(yīng)的轉(zhuǎn)角?；爻?/p>

—從動件從距離凸輪回轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)位置到起始位置，從動件移向凸輪軸線的行程，稱為回程。對應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角δh稱為回程運(yùn)動角。近休止角δs

’

—推桿在最低位置靜止不動，凸輪相應(yīng)的轉(zhuǎn)角。第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一★需要說明的是，其中兩個停止階段可能有，也可能沒有。因此，凸輪機(jī)構(gòu)在一個運(yùn)動循環(huán)中，最多只具有這四個運(yùn)動階段。運(yùn)動規(guī)律：從動件在推程或回程時，其位移S2、速度V2、和加速度a2

隨時間t

的變化規(guī)律。S2=S2(t)，V2=V2(t)，a2=a2(t)二、從動件運(yùn)動規(guī)律從動件的運(yùn)動規(guī)律是通過凸輪輪廓與從動件的高副元素的接觸來實(shí)現(xiàn)的，凸輪的輪廓曲線不同，從動件的運(yùn)動規(guī)律不同。從動件的運(yùn)動規(guī)律完全取決于凸輪廓線的形狀。第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一從動件運(yùn)動線圖：從動件位移S2、速度v2、加速度a2與凸輪轉(zhuǎn)角δ1（或時間t）之間的對應(yīng)關(guān)系曲線。

hδ1δ1δ1δSδhδS′δtδSδh

δS′δtr0hω第25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1.等速運(yùn)動（一次多項式）運(yùn)動規(guī)律-∞∞v0v2δ1a2δ1hs2δ1δt特點(diǎn)：存在剛性沖擊位置：發(fā)生在運(yùn)動的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)在推程起始點(diǎn)：δ1=0，s2=0代入得：C0＝0，C1＝h/δt推程運(yùn)動方程：

s2

＝hδ1/δt

v2

＝hω1/δt在推程終止點(diǎn)：δ1=δt，s2=h同理得回程運(yùn)動方程：

s2＝h(1-δ1/δh)v2＝-hω1

/δha2＝0a2

＝0應(yīng)用：用于低速輕載和從動件質(zhì)量較小的場合。第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.等加速等減速運(yùn)動規(guī)律（拋物線運(yùn)動規(guī)律）等加速等減速運(yùn)動規(guī)律是指從動件在前半推程或回程（h/2）中作等加速運(yùn)動，后半推程或回程（h/2）中作等減速運(yùn)動。通常加速度和減速度的絕對值相等。加速段推程運(yùn)動方程為：s2

＝2hδ12

/δt2v2

＝4hω1δ1/δt2a2

＝4hω12/δt2減速段推程運(yùn)動方程為：s2

＝h-2h(δt–δ1)2/δt2v2

＝-4hω1(δt-δ1)/δt2a2

＝-4hω12/δt2a0ABCv2δ1hδ1δts2-a0a2δ1第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一回程等加速段的運(yùn)動方程為：s2

＝h-2hδ12/δh2v2

＝-4hω1δ1/δh2a2

＝-4hω12/δh2回程等減速段運(yùn)動方程為：s2

＝2h(δh-δ1)2/δh2v2

＝-4hω1(δh-δ1)/δh2a2

＝4hω12/δh2特點(diǎn)：存在柔性沖擊位置：發(fā)生在運(yùn)動的起始點(diǎn)、中間點(diǎn)和終止點(diǎn)應(yīng)用：用于中、低速輕載的場合。a0ABCv2δ1hδ1δts2-a0a2δ1第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1）建立坐標(biāo)系，并將橫坐標(biāo)6等分，分別記作1、2、3、4、5、6，以o為端點(diǎn)作一射線并按平方關(guān)系描點(diǎn)記為1、4、9、4、1、0。

491ooov2a2方法一作圖步驟：12345611’2’3’4’5’6’410s22）連接O點(diǎn)與推程h最高點(diǎn)c，并過點(diǎn)1、4、9、4、1分別作其平行線，再過這些點(diǎn)作s2軸的垂線，和過點(diǎn)1、2、3、4、5、6作1軸的垂線相交于1’、2’….c3）光滑的連接o、1’、2’、3’、4’、5’、6’，所形成的曲線即為從動件的位移線圖。11第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一h/2h/2125463方法二作圖步驟：1）建立坐標(biāo)系，在縱、橫坐標(biāo)軸上將h/2和t/2

對應(yīng)分成相同的若干等份（圖中為3等份），得分點(diǎn)1、2、3和1’、2’、3’。

2）將o點(diǎn)與1’、2’、3’相連，得連線o1’、o2’、o3’，和過點(diǎn)1、2、3點(diǎn)作1軸的垂線相交于1’’、2’’、3’’。δtδ1s2oδ1a22hω/δt4hω2/δt2δ1v2oo3）光滑的連接o、1’’、2’’、3’’，所形成的曲線即為從動件等加速段的位移曲線。等減速段的曲線可用同樣方法按相反的次序畫出。1’2’3’1’’2’’3’’第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一３.余弦加速度(簡諧)運(yùn)動規(guī)律推程：

s2＝h[1-cos(πδ1/δt)]/2v2

＝πhω1sin(πδ1/δt)δ1/2δta2

＝π2hω12cos(πδ1/δt)/2δt2

回程：

s2＝h[1＋cos(πδ1/δh)]/2

v2＝-πhω1sin(πδ1/δh)δ1/2δha2＝-π2hω12cos(πδ1/δh)/2δh2在起始和終止處理論上a2為有限值，產(chǎn)生柔性沖擊。應(yīng)用：存在柔性沖擊，應(yīng)用于中速的場合。v2oa2o第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一123456O1324561s21’2’3’4’5’6’v2oa2o1、建立坐標(biāo)系，并將橫坐標(biāo)6等分，以從動件推程h作為直徑作半圓，并將其6等分。分別記作1、2、3、4、5、6。2、分別作這些等分點(diǎn)關(guān)于1軸和s2軸的垂線，分別兩兩對應(yīng)相交于1’、2’3’、4’、5’、6’。3、光滑的連接1’、2’、3’、4’、5’、6’，所形成的曲線即為從動件的位移線圖。作圖步驟：h11第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

s2δ1δ1a2δ1v2hδt４.正弦加速度（擺線）運(yùn)動規(guī)律推程：s2＝h[δ1/δt-sin(2πδ1/δt)/2π]

v2＝hω1[1-cos(2πδ1/δt)]/δta2＝2πhω12

sin(2πδ1/δt)/δt2

回程：

s2＝h[1-δ1/δh+sin(2πδ1/δh)/2π]

v2＝hω1[cos(2πδ1/δh)-1]/δha2＝-2πhω12

sin(2πδ1/δh)/δh2無沖擊應(yīng)用：無沖擊，應(yīng)用于高速重載的場合。第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一三、從動件運(yùn)動規(guī)律的選擇在選擇從動件的運(yùn)動規(guī)律時，除要考慮剛性沖擊與柔性沖擊外，還應(yīng)該考慮各種運(yùn)動規(guī)律的速度幅值vmax

、加速度幅值amax及其影響加以分析和比較。從動件動量mvmax從動件慣性力mamax對于重載凸輪機(jī)構(gòu)，應(yīng)選擇vmax值較小的運(yùn)動規(guī)律；對于高速凸輪機(jī)構(gòu)，宜選擇amax值較小的運(yùn)動規(guī)律。vmaxamax第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一低速輕負(fù)荷中速輕負(fù)荷中低速中負(fù)荷中高速輕負(fù)荷高速中負(fù)荷低速重負(fù)荷中高速重負(fù)荷高速輕負(fù)荷若干種從動件運(yùn)動規(guī)律特性比較運(yùn)動規(guī)律δ)/(tmaxwhvδ)/(2t2maxwha沖

擊應(yīng)用場合等速等加速等減速余弦加速度正弦加速度3-4-5多項式改進(jìn)型等速改進(jìn)型正弦加速度改進(jìn)型梯形加速度剛性柔性柔性∞4.004.936.285.778.385.534.891.002.001.572.001.881.331.762.00第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一凸輪上的觀察結(jié)果機(jī)架上的觀察結(jié)果§3－3盤狀凸輪輪廓的設(shè)計一、凸輪廓線設(shè)計方法的基本原理第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一反轉(zhuǎn)原理：依據(jù)此原理可以用幾何作圖的方法設(shè)計凸輪的輪廓曲線。

給整個凸輪機(jī)構(gòu)施以-ω時，不影響各構(gòu)件之間的相對運(yùn)動，此時，凸輪將靜止，而從動件尖頂復(fù)合運(yùn)動的軌跡即凸輪的輪廓曲線。O

-ω3’1’2’331122ω反轉(zhuǎn)前反轉(zhuǎn)后機(jī)架凸輪從動件不動不動轉(zhuǎn)動-轉(zhuǎn)動S移動S移動-轉(zhuǎn)動第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一r0ωr0ωA1A2A3A4S2r0ωA2A3A1A4S3S4r0ωA2A3A1A4r0ωA1A2A3A4r0ωA1A2A3A4-ωr0ωA1A2A3A4-ω-ω-ωA1A2A3A4第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一r0ω12345678910-ω1′2′10′3′4′5′6′7′8′9′475813269101′2′3′δtδS4′7′8′9′6′5′10′δ1S20δSδS′δtδhh已知從動件運(yùn)動規(guī)律、凸輪轉(zhuǎn)向、基圓半徑，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。設(shè)計步驟：a.選定比例尺，繪制從動件的位移線圖和凸輪的基圓，標(biāo)出－ω方向，并按此方向分割出t

、s

、h和’s；c.過位移線圖中等分點(diǎn)作y軸平行線交位移線圖于i’點(diǎn)，過基圓上等分點(diǎn)作射線；反轉(zhuǎn)中導(dǎo)路線d.在射線上度量出相應(yīng)推桿的位移，得尖頂軌跡點(diǎn)i’；f.光滑連接i’得凸輪廓線。b.在基圓與位移線圖共同將t

和h

進(jìn)行n等分，并標(biāo)注等分點(diǎn)；二、對心直動尖頂從動件盤形凸輪輪廓的設(shè)計第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一三、對心直動滾子從動件盤形凸輪輪廓的設(shè)計ωωω1、分析第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一r0-ωωδt794581326101′2′3′4′7′8′9′5′10′6′r0-ωωδt794581326101′2′3′4′7′8′9′5′10′6′實(shí)際廓線理論廓線2、設(shè)計注意：1）理論輪廓與實(shí)際輪廓互為等距曲線；

2）凸輪的基圓半徑為理論廓線的最小向徑；

3）先求理論廓線，后作包絡(luò)線，得實(shí)際廓線。包絡(luò)線第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1、分析ωω尖頂軌跡線四、對心直動平底從動件盤形凸輪輪廓的設(shè)計第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1′2′3′4′7′8′9′5′10′6′2、設(shè)計理論廓線79458132610r0-ωωδta.將基圓沿-ω方向?qū)ⅵ膖和δh與位移線圖進(jìn)行對應(yīng)等分；c.光滑連接i得凸輪理論廓線；′′b.過等分點(diǎn)作射線；在射線上度量出相應(yīng)推桿的位移，得尖頂軌跡點(diǎn)i；設(shè)計步驟：d.作平底線，得其包絡(luò)線——實(shí)際廓線。第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一§3－4設(shè)計凸輪機(jī)構(gòu)應(yīng)注意的問題一、凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角與自鎖OBω1定義：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，會有：→機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖。αnn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’tanαF一定時，α↑Ff>F’Ff此時無論凸輪加給從動件的作用力多大，從動件都不能運(yùn)動。第44頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一αmax

≤

[α]★從減小推力和避免自鎖的觀點(diǎn)來看，壓力角愈小愈好?！锿馆喞€上不同點(diǎn)處的壓力角是不同的。為保證凸輪機(jī)構(gòu)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計時應(yīng)使最大壓力角不超過許用壓力角[]，即根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，推薦的許用壓力角取值為:推程：

直動從動件取[a]=30°~38°；