任務3.2 凸輪機構的分析與設計

《機械分析與設計基礎》

情境3常用機械機構的分析與設計任務3.2凸輪機構的分析與設計

任務3.2凸輪機構的分析與設計氣缸體1活塞2進氣閥3排氣閥4連桿5曲軸6凸輪7頂桿8齒輪10配氣機構引導問題：內(nèi)燃機配氣機構的組成？1.任務條件

已知內(nèi)燃機配氣凸輪機構，如圖3-2-2所示。從動件（頂桿）的運動位移曲線如圖3-2-0所示、凸輪的基圓半徑為r0

。2.任務要求

根據(jù)“反轉法”原理，用圖解法設計平底從動件盤形凸輪機構的凸輪輪廓曲線?！鞠逻_任務】圖3-2-0從動件運動的位移曲線圖3-2-2內(nèi)燃機配氣機構

【能力目標】1.了解凸輪機構的應用及分類。2.學會常用從動件運動規(guī)律。3.學會圖解法設計盤形凸輪輪廓曲線。4.了解凸輪設計中的幾個問題。5

知識導航內(nèi)燃機配氣機構一、凸輪機構的組成

1.凸輪1——具有曲線輪廓或凹槽的構件。

2.從動件2——被凸輪直接推動的構件。

3.機架——相對于支撐物體固定不動的構件。下一頁3.2.1凸輪機構的應用1.優(yōu)點（1）可使從動件得到各種預期的運動規(guī)律。（2）結構緊湊。2.缺點（1）高副接觸，易于磨損，多用于傳遞力不太大的場合。（2）加工比較困難。（3）從動件行程不宜過大，否則會使凸輪變得笨重。二、凸輪機構的特點三、凸輪機構的工程應用實例1.內(nèi)燃機中的配氣機構2.繞線機中的排線機構

3.自動機床的進刀機構4.仿形加工機構凸輪輪廓的加工方法通常有兩種：（1）銑、銼削加工

對用于低速、輕載場合的凸輪，可以在未淬火的凸輪輪坯上通過圖解法繪制出輪廓曲線，采用銑床或手工銼削方法加工而成。對于大批量生產(chǎn)的還可采用仿形加工。（2）數(shù)控加工

即采用數(shù)控線切割機床對淬火凸輪進行加工，此種加工方法是目前常用的一種加工凸輪方法。應用專用編程軟件，用數(shù)控線切割機床切割而成，此方法加工出的凸輪精度高，適用于高速、重載的場合。

數(shù)控凸輪磨床四、凸輪的加工方法一、按凸輪的形狀分類盤形凸輪移動凸輪圓柱凸輪3.2.2凸輪機構的分類二、按從動件端部結構分類尖頂從動件滾子從動件平底從動件三、按從動件的運動方式分類直動從動件擺動從動件對心直動從動件偏置直動從動件四、按凸輪與從動件保持接觸的方式（鎖合方式）分類力鎖合形鎖合凹槽凸輪機構等寬凸輪機構等徑凸輪機構3.2.3凸輪的結構一、凸輪的結構型式2.凸輪在軸上的固定方式凸輪軸圓錐銷聯(lián)接

圓錐銷和螺母聯(lián)接

平鍵聯(lián)接3.凸輪的工作圖案例

常用的材料有：55、20Cr、18CrMnTi或T9、T10等并經(jīng)過表面淬火處理。

合理地選擇凸輪的材料，并進行適當?shù)臒崽幚?，使?jié)L子和凸輪的工作表面具有較高的硬度和耐磨性，而芯部具有較好的韌性。3.2.4凸輪的結構與材料223.2.5凸輪機構的運動過程和基本術語r0hB’otΦsΦsΦsΦ'sΦ'sΦΦΦ'Φ'ωADCB從動件的位移線圖

主動件凸輪連續(xù)轉動，從動件上下移動。

從動件移動規(guī)律：

升—?！怠Ｒ?、運動過程1.基圓以凸輪輪廓的最小向徑rb為半徑所作的圓。二、名詞術語及符號2.推程（升程）

當凸輪以等角速度ω逆時針轉過δ0角時，從動件由最低位置A被到最高位置B的運動過程.

相應的凸輪轉角δ0稱為推程角3.遠停程當凸輪繼續(xù)轉過δ01角時，從動件處于最高位置靜止不動的過程。相應的凸輪轉角δ01稱為遠休止角4.回程當凸輪繼續(xù)轉過δ0’角時，從動件由最高位置C回到最低位置D的運動過程,

相應凸輪轉角δ0’

’

稱為回程角。5.近停程當凸輪繼續(xù)轉過δ02’角時，從動件處于最低位置靜止不動的過程，相應的凸輪轉角δ02稱為近休止角6.升程從動件在推程或回程時移動的距離主動件凸輪連續(xù)轉動，從動件上下移動。

三、工作過程分析以尖頂移動從動件盤形凸輪機構為例：

從動件移動規(guī)律：

升—?！怠膭蛹灰凭€圖r0hB’otδsδ01δ01δ02δ02δ0δ0δ’0δ’0ωADCB

以縱坐標代表從動件位移s2

，橫坐標代表凸輪轉角δ1或t，所畫出的位移與轉角之間的關系曲線。上升—?！怠?/p>

從動件位移線圖決定于凸輪輪廓曲線的形狀。一、從動件的運動規(guī)律的概念從動件的位移（S）、速度（V）和加速度（a）隨時間（t）或凸輪轉角（δ）的變化規(guī)律。二、運動規(guī)律的表示方法①從動件運動方程：S=S(t）S=S(δ）

V=V(t)V=V(δ)a=a(t)a=a(δ)②從動件運動線圖3.2.6從動件的常用運動規(guī)律1.勻速運動規(guī)律（直線運動規(guī)律）從動件在推程（上升）或回程（下降）的速度V為一常數(shù)特點：適用于低速輕載的場合從動件在運動的開始和終止的速度有突變，瞬時加速度趨于無大，產(chǎn)生大慣性，有剛性沖擊三、常用的從動件運動規(guī)律2.勻加速勻減速運動規(guī)律（拋物線運動規(guī)律）

從動件在運動過程的前半程勻加速運動，后半程作勻減速運動，兩部分加速度的絕對值相等的運動規(guī)律特點：從動件在運動的始中末三個瞬時，加速度有突變，引起柔性沖擊適用于中低速輕載的場合3.簡諧運動規(guī)律（余弦加速度運動規(guī)律）特點：

當從動件只作升—降——升（休止角為零）運動時，其加速度為一連續(xù)的光滑曲線，運動中消除了柔性沖擊，這種情況適用于高速。速度和加速度都是連續(xù)曲線

在推程和回程的起點、終點加速度有突變，要產(chǎn)生柔性沖擊。適用于中、低速中載的場合四、從動件運動規(guī)律的選擇盡量選用使凸輪輪廓曲線易于加工的運動規(guī)律

只要求從動件完成一定的行程h或φ，應采用易于加工的曲線作為凸輪輪廓曲線對凸輪機構從動件的運動規(guī)律有嚴格要求時必須按照機器所要求的運動規(guī)律來選擇①盡可能選用加速度曲線連續(xù)的運動規(guī)律，同時還應考慮從動件不同的運動形式②對質量較大從動件應選擇vmax較小的運動規(guī)律③對高速運動的凸輪機構，應選擇amax值較小的運動規(guī)律1.工作要求2.動力特性3.凸輪輪廓的加工36一、凸輪機構的壓力角1.壓力角與作用力的關系

所謂凸輪機構的壓力角，是指在不計摩擦的情況下，凸輪對從動件作用力的方向與從動件上受力點速度方向之間所夾的銳角。nneOBωαr0FV3.2.7凸輪機構設計的其他問題工程上要求：αmax

≤[α]直動推桿：[α]＝30°擺動推桿：[α]＝35°～45°回程：[α]’＝70°～80°推程nneOBωαr0FF′F"F'=FcosαF"=Fsinα----有利于從動件運動的分力----不利于從動件運動的分力αF'F"提問：平底從動件α＝？00nnvOωr0【討論】平底從動件盤形凸輪機構的壓力角。

壓力角為零或一定值。結論：當平底與從動件運動方向垂直時，壓力角恒為0，當平底與從動件運動方向不是垂直時，壓力角就不為0了。所以得分情況討論！二、基圓半徑的確定盤形凸輪的最小基圓半徑主要受到三個條件的限制：

①凸輪的基圓半徑應大于凸輪軸的半徑

②αmax≤［α］③ρ＞rT基圓半徑的確定辦法②諾模圖法①根據(jù)凸輪的結構確定當凸輪與軸分開制造時，當凸輪與軸做成一個凸輪軸時，式中：r――制作凸輪處軸的半徑，mm；

rn――凸輪輪轂外圓半徑，mm，一般；

rT――滾子半徑，mm。若從動件不帶滾子。40【提問】在設計一對心凸輪機構設計時，當出現(xiàn)α≥[α]

的情況，在不改變運動規(guī)律的前提下，可采取哪些措施來進行改進？（1）加大基圓半徑r0。（2）將對心改為偏置。（3）采用平底從動件；解析法設計方法圖解法（主要介紹）計算復雜精度高簡單直觀精度低3.2.8盤形凸輪輪廓曲線的設計

依據(jù)此原理可以用幾何作圖的方法設計凸輪的輪廓曲線-ωω

給整個凸輪機構加上一個與凸輪轉動的角速度ω大小相等、方向相反的角速度－ω，此時凸輪不動，從動件一方面隨導路以－ω繞軸轉動，另一方面又在導路中按預定的運動規(guī)律作往復移動。由于從動件的尖頂始終與凸輪輪廓相接觸，其尖頂?shù)倪\動軌跡就是凸輪輪廓曲線。反轉法原理一、凸輪輪廓設計的圖解法原理-反轉法二、對心尖頂移動從動件盤形凸輪輪廓曲線的設計基圓半徑Rb1.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的等份；3.分別自基圓圓周向外量取從動件位移線圖中相應的位移量；4.光滑連接各點即為所求的凸輪輪廓。

已知，如圖eA-ωωO

偏置直動尖頂推桿凸輪機構中，已知凸輪的基圓半徑r0=300mm

，角速度ω和推桿的運動規(guī)律和偏心距e=100mm，設計該凸輪輪廓曲線。二、偏置直動尖頂從動件盤形凸輪輪廓的設計sδ60°120°90°90°1’3’5’7’8’1357891113159’11’13’12’14’12345678k1k2k3k5k4k6k7k81514131211109k9k10k11k12k13k14k151’2’3