第四章-凸輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)課件

第四章凸輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)基本要求:

了解凸輪機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用；了解從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇原則；了解在確定凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸時(shí)應(yīng)考慮的主要問題（包括壓力角對尺寸的影響，壓力角對凸輪受力的情況、效率和自鎖的影響及“失真”等問題）；能根據(jù)選定的凸輪類型和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲線。重點(diǎn):

從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特點(diǎn)及其選擇原則；盤形凸輪機(jī)構(gòu)凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)；凸輪基圓半徑與壓力角及自鎖的關(guān)系。難點(diǎn):

凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)中所應(yīng)用的“反轉(zhuǎn)法”原理；壓力角的概念等。1§4.1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類型§4.2從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律§4.3圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線§4.4盤形凸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)§4.5棘輪機(jī)構(gòu)§4.6槽輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)主要內(nèi)容24.1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類型1.組成：凸輪——具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件。

從動(dòng)件——被凸輪直接推動(dòng)的構(gòu)件。

機(jī)架凸輪：外型按一定運(yùn)動(dòng)規(guī)則建立起來的構(gòu)件，對從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)起著決定性作用。凸輪機(jī)構(gòu)課本例子：圖4-2，4-3一．凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用:3優(yōu)點(diǎn)：1、可使從動(dòng)件得到各種預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，構(gòu)件少。3、可實(shí)現(xiàn)停歇運(yùn)動(dòng)。缺點(diǎn)：1、高副接觸，易磨損，多用于傳力不太大的場合。2、復(fù)雜的凸輪輪廓加工比較困難。3、從動(dòng)件行程不宜過大，否則會(huì)使凸輪變得笨重。2.特點(diǎn)：升停降停T41）進(jìn)行位置的操縱控制2）實(shí)現(xiàn)特定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律3）實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力的雙重要求4）實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡3.凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用：5二.凸輪機(jī)構(gòu)的分類：1.按凸輪的形狀分類盤形凸輪移動(dòng)凸輪圓柱凸輪凸輪最基本的型式盤形凸輪中心趨于無窮遠(yuǎn)移動(dòng)凸輪卷成圓柱形62.按從動(dòng)件的形式分類尖頂從動(dòng)件滾子從動(dòng)件平底從動(dòng)件（能實(shí)現(xiàn)任意運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但點(diǎn)接觸磨損快，只宜用于輕載低速凸輪機(jī)構(gòu)）（滾動(dòng)摩擦，耐磨損，可承受較大載荷。是最常用的從動(dòng)件型式）（不能與凹陷凸輪輪廓接觸。但作用力始終與平底垂直，效率較高，且接觸面易形成油膜，利于潤滑。常用于高速凸輪機(jī)構(gòu)）球面從動(dòng)件（見課本）73.按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式分類移動(dòng)從動(dòng)件擺動(dòng)從動(dòng)件84.按從動(dòng)件與凸輪接觸形式分類力封閉（彈簧、重力）形封閉（槽形、等寬矩形、等徑、共軛）凸輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)，從動(dòng)件要始終與主動(dòng)件凸輪保持接觸，這種作用稱為鎖合。所以在凸輪機(jī)構(gòu)中，要采用某種方式使從動(dòng)件在工作行程和回程中，始終與凸輪鎖合在一起。鎖合方式分為力鎖合和形鎖合。a.力鎖合(課本圖4-1和4-3)所示的凸輪機(jī)構(gòu)為力鎖合方式的凸輪機(jī)構(gòu)，該種方式是依靠零件自身的重力、彈簧力或其他外力，使從動(dòng)件與凸輪保持始終接觸的。b.形鎖合(課本圖4-2)所示的凸輪機(jī)構(gòu)為形鎖合方式的凸輪機(jī)構(gòu)，該種方式是依靠凸輪上的溝槽等特殊結(jié)構(gòu)，使從動(dòng)件與凸輪保持永久接觸的。9§4.2從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律

一.基本概念：1、基圓——2、推程，推程運(yùn)動(dòng)角Φ；以凸輪輪廓的最小向徑為半徑所作的圓稱為基圓。用r0表示。3、遠(yuǎn)休止，遠(yuǎn)休止角Φs；4、回程，回程運(yùn)動(dòng)角Φ’

；5、近休止，近休止角Φs’；6、升程——從動(dòng)件在推程或回程中移動(dòng)的距離。用h表示。

7、理論輪廓－與尖頂、平底從動(dòng)件相接觸的凸輪輪廓?；驖L子中心的軌跡。8、實(shí)際輪廓－與尖頂、平底、滾子相接觸的凸輪輪廓。10二.從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律：從動(dòng)件位移線圖——從動(dòng)件位移s與凸輪轉(zhuǎn)角φ（t）之間的關(guān)系曲線，即s＝f(φ)曲線。1.等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律：推程：運(yùn)動(dòng)開始、終止及換向點(diǎn)存在剛性沖擊。不宜單獨(dú)使用，運(yùn)動(dòng)開始和終止段必須加以修正。112.等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律：推程等加速段：推程的前半段作等加速運(yùn)動(dòng)，后半段作等減速運(yùn)動(dòng)。推程等減速段：運(yùn)動(dòng)開始、終止及換向點(diǎn)存在柔性沖擊。適用于中速輕載。

12§4.3圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)一般精度凸輪時(shí)常被采用圖解法。而設(shè)計(jì)高精度凸輪，則必須用解析法，但計(jì)算復(fù)雜。本節(jié)主要討論圖解法。

設(shè)計(jì)方法：1.圖解法2.解析法基本原理：反轉(zhuǎn)法原理基本要求：能根據(jù)選定的凸輪類型和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲線。13設(shè)想給凸輪機(jī)構(gòu)加上一個(gè)繞凸輪軸心并與凸輪角速度等值反向的角速度。根據(jù)相對運(yùn)動(dòng)原理，機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件間的相對運(yùn)動(dòng)并不改變，但凸輪已視為靜止，而從動(dòng)件則被看成隨同導(dǎo)路以-ω1角速度繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)沿導(dǎo)路按預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律作往復(fù)移動(dòng)。從動(dòng)件尖頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡即為凸輪的輪廓。這就是圖解法繪制凸輪輪廓曲線的原理，稱為“反轉(zhuǎn)法”。一、反轉(zhuǎn)法原理：O-ω13’1’2’331122ω114二、反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線的方法和步驟1.尖頂對心移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)

2.對心移動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)3.尖頂偏置移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)151.尖頂對心移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)對心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑rb，角速度ω1和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。60°rb120°-ω1ω11’2’3’4’5’6’7’8’9’10’11’12’13’14’90°90°A18765432141312111091.選與位移線圖一致的比例作凸輪的基圓；2.將基圓分成與位移線圖中相對應(yīng)的等份；3.分別自基圓圓周向外量取從動(dòng)件位移線圖中相應(yīng)的位移量；4.光滑連接各點(diǎn)即得所求的凸輪輪廓。

步驟：設(shè)計(jì)步驟小結(jié)：①選比例尺μl作基圓rb;②反向等分各運(yùn)動(dòng)角;③確定從動(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。1’3’5’7’8’60°120°90°90°135789111315s

Φ9’11’13’12’14’10’↓推程運(yùn)動(dòng)角↓遠(yuǎn)休止角↓回程運(yùn)動(dòng)角↓近休止角162.對心移動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)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rb，角速度ω1和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。rbA120°-ω11’2’3’4’5’6’7’8’9’10’11’12’13’14’60°90°90°1876543214131211109理論輪廓實(shí)際輪廓ω1設(shè)計(jì)步驟：①選比例尺μl作基圓rb。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。⑤作各位置滾子圓的內(nèi)(外)包絡(luò)線。1’3’5’7’8’60°120°90°90°135789111315s

Φ9’11’13’12’14’10’↓推程運(yùn)動(dòng)角↓遠(yuǎn)休止角↓回程運(yùn)動(dòng)角↓近休止角173.尖頂偏置移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)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rb，角速度ω1和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和偏心距e，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。OeA-ω1ω16’1’2’3’4’5’7’8’15’14’13’12’11’10’9’1514131211109k9k10k11k12k13k14k1512345678k1k2k3k5k4k6k7k8120°1’3’5’7’8’60°120°90°90°135789111315s

Φ9’11’13’12’14’10’↓推程運(yùn)動(dòng)角↓遠(yuǎn)休止角↓回程運(yùn)動(dòng)角↓近休止角18作圖步驟：1.選定比例尺μL，以rb為半徑作基圓，以e為半徑作偏距圓并與從動(dòng)件導(dǎo)路相切于k點(diǎn)。A即為從動(dòng)件的起始位置；2.將位移線圖s－φ的推程、回程運(yùn)動(dòng)角分別進(jìn)行若干等分；3.在基圓上，自O(shè)A開始，沿-ω方向依次量取角度Φ、Φs、Φ’、Φs’，并將推程、回程運(yùn)動(dòng)角分為相應(yīng)等分，得點(diǎn)1、2、3…14、15；4.過點(diǎn)1、2、3…作偏距圓的一系列切線，這些切線即為從動(dòng)件導(dǎo)路在反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的位置；5.沿4中切線自基圓開始量取從動(dòng)件相應(yīng)位移量，即得線段11′、22′、33′…，得反轉(zhuǎn)后尖頂?shù)囊幌盗形恢?′、2′、3′…

；6.將點(diǎn)1′、2′、3′…依次連接成光滑曲線，即得所求凸輪廓線。若偏距e＝0，則成為對心尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)步驟小結(jié)：①選比例尺μl作基圓rb;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。19rb對心直動(dòng)平底從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑rb，角速度ω1和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。設(shè)計(jì)步驟：①選比例尺μl作基圓rb。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作平底直線族的內(nèi)包絡(luò)線。8’7’6’5’4’3’2’1’9’10’11’12’13’14’-ω1ω1A1234567815141312111094.對心直動(dòng)平底從動(dòng)件盤形凸輪1’3’5’7’8’60°120°90°90°135789111315s

Φ9’11’13’12’14’10’↓推程運(yùn)動(dòng)角↓遠(yuǎn)休止角↓回程運(yùn)動(dòng)角↓近休止角205.擺動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)已知凸輪的基圓半徑r0，角速度ω，擺桿長度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。120°B’1φ1rbB1B2B3B4B5B6B7B860°90°ω1-ω1dABlB’2φ2B’3φ3B’4φ4B’5φ5B’6φ6B’7φ7A1A2A3A4A5A6A7A81’3’5’7’8’60°120°90°90°135789111315

Φ9’11’13’12’14’10’↓推程運(yùn)動(dòng)角↓遠(yuǎn)休止角↓回程運(yùn)動(dòng)角↓近休止角21作業(yè)對心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑rb，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。1.對心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件oS90o120o123567h150o4δ82.偏置直動(dòng)尖頂從動(dòng)件（已知偏距e）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rb，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)該凸輪輪廓曲線。oS180o120o60o12345678910h22§4.4盤形凸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)OBω1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，受力情況良好。而這與壓力角有很大關(guān)系。Fy↓

，

Fx

↑若α大到一定程度時(shí)，必然會(huì)有：→從動(dòng)件不能運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖。αnn對于高副機(jī)構(gòu)，壓力角即接觸輪廓法線與從動(dòng)件速度方向所夾的銳角。不考慮摩擦?xí)r，作用力沿法線方向。FnFyFxFy

----有用分力,沿導(dǎo)路方向,Fx

----有害分力，垂直于導(dǎo)路壓力角α越大，→Fx>Fy,Ff=f·

Fx

>Fy

Ff為了保證凸輪機(jī)構(gòu)正常工作，要求：α

<[α]1.凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角

定義：從動(dòng)件所受驅(qū)動(dòng)力方向與該力作用點(diǎn)絕對速度方向間所夾的銳角稱為壓力角。23為了保證凸輪機(jī)構(gòu)正常工作并具有一定的效率，對移動(dòng)從動(dòng)件推程：α≤[α]=30°

對擺動(dòng)從動(dòng)件推程：α≤[α]=45°

對回程，從動(dòng)件通常是靠外力或自重作用返回，

[α]=70～80°，一般不需驗(yàn)算α。2.凸輪基圓半徑的選擇

基圓半徑愈小，壓力角愈大；反之，壓力角則愈小。因此，在選取基圓半徑時(shí)應(yīng)注意：滾子從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，在保證和從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)不失真的前提下，可將基圓半徑取小些，滿足對機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊的要求。在結(jié)構(gòu)空間允許條件下，可適當(dāng)將基圓半徑取大些，以利于改善機(jī)構(gòu)的傳力性能，減少磨損和減少凸輪廓線的制造誤差。24目前，凸輪基圓半徑的選取常用如下兩種方法：1.經(jīng)驗(yàn)法確定rb，根據(jù)凸輪的結(jié)構(gòu)確定rb

rb

r孔

rT

r轂2～51)結(jié)構(gòu)要求rb=r轂+rT+(2～5)mm其中,輪轂半徑:2)驗(yàn)算amaxH等速余弦dL等加正弦等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,amax在起點(diǎn)處;其余運(yùn)動(dòng)規(guī)律,amax在中點(diǎn)附近.Sdr轂=1.75r孔+(5～7)mm式中,r轂—凸輪輪轂的半徑，mm;

rT—滾子半徑,mm，若從動(dòng)件不帶滾子，則rT=02.諾模圖工程上常常借助于諾模圖(Nomogram)來確定凸輪的最小基圓半徑。借助于諾模圖既可以近似確定凸輪的最大壓力角，也可以根據(jù)所選擇的基圓半徑來校核最大壓力角。25例一對心移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，045o，h19mm，推程時(shí)從動(dòng)件以正弦加速度規(guī)律運(yùn)動(dòng)，推程壓力角30o，確定凸輪基圓半徑rb。作圖得hrb0.26，rb190.2673.08mmhrb

等速運(yùn)動(dòng)0.010.10.20.30.40.50.60.81.02.03.06.0hrb等加速等減速運(yùn)動(dòng)0.010.10.20.30.40.61.02.05.0

凸輪轉(zhuǎn)角5101525303540205060708090100200300350最大壓力角max510152520354555657585403050607080hrb余弦加速度運(yùn)動(dòng)0.010.10.20.40.61.02.05.0510152520354555657585403050607080最大壓力角max5101525303540205060708090100200300350凸輪轉(zhuǎn)角hrb正弦加速度運(yùn)動(dòng)0.010.10.20.40.61.02.05.0課本例4-1求盤形凸輪基圓半徑的諾模圖26ρ<rT

ρa(bǔ)＝ρ－rT<0對于外凸輪廓，要保證正常工作，應(yīng)使：ρmin>rT

輪廓失真3.滾子半徑的確定ρa(bǔ)＝ρ＋rT

ρ＝rT

ρa(bǔ)＝ρ－rT＝0輪廓正常輪廓變尖ρ內(nèi)凹ρa(bǔ)rTrTρrTρρ>rT

ρa(bǔ)＝ρ－rT

輪廓正常外凸rTρa(bǔ)ρρa(bǔ)－工作輪廓的曲率半徑，ρ－理論輪廓的曲率半徑，rT－滾子半徑

從降低接觸應(yīng)力來講，rT愈大愈好。但rT過大可能導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)失真。若ρmin過小，則rT很小，不能滿足安裝和強(qiáng)度要求時(shí)，只能增大r0，重新設(shè)計(jì)凸輪輪廓。27凸輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)，往往承受動(dòng)載荷的作用，同時(shí)凸輪表面承受強(qiáng)烈磨損。因此，要求凸輪和滾子的工作表面硬度高，具有良好的耐磨性，心部有良好的韌性。當(dāng)?shù)退?、輕載時(shí)，可以選用鑄鐵作為凸輪的材料。中速、中載時(shí)可以選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金鋼作為凸輪的材料,并經(jīng)表面淬火或滲碳淬火，使硬度達(dá)到。高速、重載凸輪可以用優(yōu)質(zhì)合金鋼材料，并經(jīng)表面淬火或滲氮處理。滾子材料用合金鋼材料，經(jīng)滲碳淬火，達(dá)到較大表面硬度。

4.凸輪機(jī)構(gòu)的材料

28§4.5棘輪機(jī)構(gòu)（簡諧運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)）一、棘輪機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理驅(qū)動(dòng)棘爪主動(dòng)擺桿止動(dòng)棘爪棘輪運(yùn)動(dòng)1.棘輪機(jī)構(gòu)的組成：棘輪、棘爪、機(jī)架。棘輪不動(dòng)主動(dòng)擺桿1順時(shí)針擺動(dòng)時(shí)，與它相連的驅(qū)動(dòng)棘輪2借助彈簧或自重的作用插入棘輪的齒槽內(nèi)，使之沿同一方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度；而當(dāng)主動(dòng)擺桿1逆時(shí)針，驅(qū)動(dòng)棘輪2便在棘輪齒背上滑過，這時(shí)，簧片6迫使止動(dòng)棘爪4插入棘輪的齒槽內(nèi)，阻止棘輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，棘輪靜止不動(dòng)。當(dāng)主動(dòng)件1連續(xù)的往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，棘輪做單向間歇運(yùn)動(dòng)。2.棘輪機(jī)構(gòu)的工作原理：棘輪機(jī)架29（1）帶輪齒的棘輪機(jī)構(gòu)——按動(dòng)作分單動(dòng)式棘輪機(jī)構(gòu)雙動(dòng)式棘輪機(jī)構(gòu)3、棘輪機(jī)構(gòu)的類型30（1）帶輪齒的棘輪機(jī)構(gòu)——按嚙合形式分