第三章 凸輪及間歇運動機構(gòu)

第3章凸輪及間歇運動機構(gòu)3.1凸輪機構(gòu)3.2棘輪機構(gòu)3.3槽輪機構(gòu)3.4不完全齒輪機構(gòu)和凸輪式間歇運動機構(gòu)3.1凸輪機構(gòu)

3.1.1凸輪機構(gòu)的應(yīng)用

在各種機械中，為了實現(xiàn)各種復(fù)雜的運動要求，廣泛地應(yīng)用著凸輪機構(gòu)。凸輪機構(gòu)由凸輪、從動件和機架三部分組成，結(jié)構(gòu)簡單，只要設(shè)計出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞€，就可以使從動件實現(xiàn)任何預(yù)期的運動規(guī)律。但另一方面，由于凸輪機構(gòu)是高副機構(gòu)，易于磨損，因此只適用于傳遞動力不大的場合。

內(nèi)燃機配汽機構(gòu)平底凸輪動畫凸輪的分類(1)按凸輪的形狀分盤形凸輪：移動凸輪：圓柱凸輪：可看成是移動凸輪卷在圓柱體上推桿凸輪推桿凸輪移動凸輪動畫移動凸輪機構(gòu)動畫圓柱凸輪動畫(3D)圓柱凸輪動畫(3D)(2)按從動件的型式分尖頂推桿滾子推桿平底推桿能與任意凸輪輪廓保持接觸，可實現(xiàn)復(fù)雜的運動規(guī)律易磨損，只宜用于輕載、低速接觸面易形成油膜，利于潤滑，常用于高速運動配合的凸輪輪廓必須全部外凸耐磨、承載大，較常用(3)按從動件的運動形式分直動擺動(4)一般凸輪機構(gòu)的命名原則布置形式＋運動形式＋推桿形狀＋凸輪形狀對心直動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu)偏置直動滾子推桿盤形凸輪機構(gòu)擺動平底推桿盤形凸輪機構(gòu)對心直動平底推桿盤形凸輪機構(gòu)動畫

擺動平底推桿盤形凸輪動畫

對心直動尖頂推桿盤形凸輪動畫

擺動圓底推桿盤形凸輪動畫

擺動滾子推桿盤形凸輪動畫

對心直動滾子推桿盤形凸輪機構(gòu)動畫偏心凸輪動畫等徑凸輪動畫槽凸輪動畫

回程，回程運動角

h

休止，休止角

s

行程（升程），h

位移線圖：從動件的位移s、速度v、加速度a等隨時間t或凸輪轉(zhuǎn)角d變化的關(guān)系圖。

t推程

s遠休止

h回程

s’近休止hA’BCDAr1

t

s

h

s’

3.1.2從動件常用的運動規(guī)律從動件的運動規(guī)律是指從動件的位移、速度、加速度等隨時間t或凸輪轉(zhuǎn)角d變化的規(guī)律。t

s0基圓，基圓半徑r1推程，推程運動角

t從動件常用的運動規(guī)律動畫1、等速運動規(guī)律推程（0≤

≤

t）回程（0≤

≤

t’）運動線圖沖擊特性：始點、末點剛性沖擊適用場合：低速輕載hs

0v

0a

0-

位移速度加速度+

+

t

t’-

2、等加速等減速運動規(guī)律推程:

先加速運動線圖沖擊特性：起、中、末點柔性沖擊適用場合：低速輕載s

0

tv

0a

0h/2h/2

t/2

t/2h

后減速3、余弦加速度運動規(guī)律推程（0≤

≤

t）運動線圖沖擊特性：始、末點有柔性沖擊適用場合：中低速、中輕載δsδa123456δv12345hδt4、正弦加速度運動規(guī)律advd012345678hA2ph

t推程（0≤

≤

t）運動線圖沖擊特性：無沖擊適用場合：高速輕載

t

tsd1、從動件的壓力角FxnnFnmmaFfFn的兩個分力：Ff為導(dǎo)路對從動件的磨擦力Fn一定時，a↑，

Fx↑，

Ff↑當(dāng)Ff＞Fy時，機構(gòu)發(fā)生自鎖！推程[a]為：移動從動件a≤30°

擺動從動件a≤45°回程[a]為：a≤70o～

80°建議Fy

3.1.3凸輪機構(gòu)的壓力角3.1.4凸輪的基圓半徑

1．基圓半徑越小，凸輪的外廓尺寸越小。

2．基圓半徑越小，凸輪理論廓線的最小曲率半徑越小，滾子凸輪的實際輪廓容易變尖和交叉。

3．基圓半徑越小，壓力角越大，凸輪機構(gòu)容易自鎖。

4．基圓半徑過小，不便于凸輪與軸進行聯(lián)接。

從圖可見按結(jié)構(gòu)條件確定基圓半徑

r1≥1.8rb+4～10mm

rb—軸的半徑。3.2按給定運動規(guī)律設(shè)計盤形凸輪輪廓

凸輪輪廓線設(shè)計基本原理：反轉(zhuǎn)法。AAAAAAAAAAAAAAA

-

r0r0作圖步驟：根據(jù)從動件的運動規(guī)律：作出位移線圖S2-δt，并等分角度；定基圓；作出推桿在反轉(zhuǎn)運動中依次占據(jù)的位置；據(jù)運動規(guī)律，求出從動件在預(yù)期運動中依次占據(jù)的位置；將兩種運動復(fù)合，就求出了從動件尖端在復(fù)合運動中依次占據(jù)的位置點；將各位置點聯(lián)接成光滑的曲線；在理論輪廓上再作出凸輪的實際輪廓。作圖法設(shè)計凸輪輪廓線1

對心直動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu)2

對心直動滾子推桿盤形凸輪機構(gòu)3

對心直動平底推桿盤形凸輪機構(gòu)4

偏置直動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu)1、對心直動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu)已知：r1，推桿運動規(guī)律，凸輪逆時針方向轉(zhuǎn)動。設(shè)計：凸輪輪廓線s

0h定比例尺初始位置及推桿位移曲線確定推桿反轉(zhuǎn)運動占據(jù)的各位置確定推桿預(yù)期運動占據(jù)的各位置推桿高副元素族推桿高副元素的包絡(luò)線求解步驟：2、對心直動滾子推桿盤形凸輪機構(gòu)已知：r1，推桿運動規(guī)律，滾子半徑rk,凸輪逆時針方向轉(zhuǎn)動設(shè)計：凸輪輪廓線s

0h理論輪廓實際輪廓求解步驟：定比例尺初始位置及推桿位移曲線注：兩條輪廓線，理論／實際輪廓線實際輪廓線基圓rmin理論輪廓線基圓r1確定推桿反轉(zhuǎn)運動占據(jù)的各位置確定推桿預(yù)期運動占據(jù)的各位置推桿高副元素族推桿高副元素的包絡(luò)線r

=-rk＝0rk

r

=-rk<0rk

=rk

<rk外凸凸輪輪廓線r

=-rk

>rk，r

>0，實際廓線平滑

=rk，r

=0，實際廓線變尖

<rk，r

<0，實際廓線出現(xiàn)交叉，加工切割掉一部分，運動失真。r

rk

>rkr

=-rk>0滾子半徑的選擇：實際輪廓線曲率半徑：r

理論輪廓線曲率半徑：滾子半徑：rk內(nèi)凹凸輪廓線r

=+rk理論輪廓線最小結(jié)論：無論滾子半徑多大，總能由理論輪廓線得到實際廓線。rk理論實際r

r

=+rk3、對心直動平底推桿盤形凸輪機構(gòu)已知：r1，推桿運動規(guī)律，凸輪逆時針方向轉(zhuǎn)動設(shè)計：凸輪輪廓線求解步驟：

定比例尺初始位置及推桿位移曲線確定推桿反轉(zhuǎn)運動占據(jù)的各位置確定推桿預(yù)期運動占據(jù)的各位置推桿高副元素族推桿高副元素的包絡(luò)線s

0h實際輪廓

壓力角校核動畫3.1.6凸輪的結(jié)構(gòu)和材料1．凸輪在軸上的固定方式

當(dāng)凸輪輪廓尺寸接近軸的直徑時，凸輪與軸可制作成一體，如左圖所示；當(dāng)其尺寸相差比較大時，凸輪與軸分開制造，凸輪與軸通過鍵聯(lián)接，如右圖所示；或通過圓錐銷聯(lián)接，如下圖所示。2.滾子及其聯(lián)接下圖所示為常見的幾種滾子結(jié)構(gòu)。3.凸輪和滾子的材料

凸輪機構(gòu)工作時，往往承受沖擊載荷，凸輪與從動件接觸部分磨損較嚴(yán)重，因此必須合理地選擇凸輪與滾子的材料，并進行適當(dāng)?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。

常用的材料有45、20Cr、18CrMnTi或T8、T10等，并經(jīng)過表面淬火處理。3.3棘輪機構(gòu)

3.3.1棘輪機構(gòu)的工作原理

棘輪機構(gòu)是一種常用的間歇機構(gòu),主要由棘輪、棘爪和機架組成。

棘輪機構(gòu)是一種常用的間歇機構(gòu),其工作原理見下頁圖。棘輪3與軸用鍵連接,彈簧5用來使制動棘爪4和棘輪3保持接觸，驅(qū)動棘爪2與連桿機構(gòu)的搖桿1組成回轉(zhuǎn)副N。搖桿空套在軸上,可自由擺動。當(dāng)搖桿逆時針擺動時,驅(qū)動棘爪便插入棘輪的齒槽中,推動棘輪轉(zhuǎn)過一定角度,而制動棘爪則在棘輪的齒上滑過；當(dāng)搖桿順時針擺動時，驅(qū)動棘爪在棘輪的齒上滑過,而制動棘爪將阻止棘輪作順時針轉(zhuǎn)動,故棘輪靜止不動。因此,搖桿作連續(xù)的往復(fù)擺動時,棘輪作單向間歇轉(zhuǎn)動。棘輪機構(gòu)的工作原理

棘輪機構(gòu)工作原理動畫

如果要求搖桿往復(fù)擺動時都能使棘輪向同一方向轉(zhuǎn)動,則可采用下圖所示的雙動式棘輪機構(gòu)。驅(qū)動棘爪可制成鉤頭或直頭。雙動式棘輪機構(gòu)動畫雙向棘輪機構(gòu)：

左圖所示為矩形齒雙向棘輪機構(gòu),當(dāng)棘爪1處于實線位置時,棘輪2作逆時針間歇轉(zhuǎn)動；當(dāng)棘爪處于圖示虛線位置時,棘輪作順時針間歇轉(zhuǎn)動。右圖所示為回轉(zhuǎn)棘爪式雙向棘輪機構(gòu)。若將棘爪提升并繞本身軸線轉(zhuǎn)動90°棘輪將靜止不動?；剞D(zhuǎn)棘爪式雙向棘輪機構(gòu)動畫可變向棘輪機構(gòu)動畫3.3.2棘輪轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)1.調(diào)節(jié)搖桿擺動角度的大小，控制棘輪的轉(zhuǎn)角改變曲柄長度調(diào)節(jié)棘輪轉(zhuǎn)角

2．用遮板調(diào)節(jié)棘輪轉(zhuǎn)角

轉(zhuǎn)角可調(diào)的棘輪機構(gòu)

用遮板調(diào)節(jié)棘輪轉(zhuǎn)角動畫3.3.3、棘輪機構(gòu)的特點與應(yīng)用

棘輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單,加工容易,改變轉(zhuǎn)角大小方便,可實現(xiàn)送進、制動及超越等功能,故廣泛應(yīng)用于各種自動機械和儀表中。其缺點是在運動開始和終止時,棘輪和棘爪間都產(chǎn)生沖擊,因此不宜用在具有很大質(zhì)量的軸上。

棘輪機構(gòu)還常用作防止機構(gòu)逆轉(zhuǎn)的停止器。這類停止器廣泛用于卷揚機、提升機以及運輸機中。

棘輪機構(gòu)防止逆轉(zhuǎn)動畫(3D)3.4槽輪機構(gòu)3.4.1.槽輪機構(gòu)的工作原理

槽輪機構(gòu)如圖所示,由帶圓(柱)銷A的主動撥盤1、具有徑向槽的從動槽輪2和機架組成。撥盤作勻速轉(zhuǎn)動時,驅(qū)動槽輪作時轉(zhuǎn)、時停的單向間歇運動。2133.4.2槽輪機構(gòu)的類型、特點及應(yīng)用

槽輪機構(gòu)有兩種基本形式：一是外嚙合槽輪機構(gòu),如圖所示,其撥盤1與槽輪2轉(zhuǎn)向相反；12槽輪機構(gòu)動畫

雙圓銷外嚙合槽輪機構(gòu)動畫

二是內(nèi)嚙合槽輪機構(gòu),如圖所示,其撥盤1與槽輪2轉(zhuǎn)向相同。一般常用外嚙合槽輪機構(gòu)。撥盤12內(nèi)嚙合槽輪機構(gòu)動畫空間槽輪機構(gòu)動畫

槽輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠,機械效率高,在進入和脫離接觸時運動比較平穩(wěn),能準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)動的角度。但槽輪的轉(zhuǎn)角不可調(diào)節(jié),故只能用于定轉(zhuǎn)角的間歇運動機構(gòu)中,如自動機床、電影機械、包裝機械等。電影放映機卷片機構(gòu)動畫

又如圖所示的六角車床刀架的轉(zhuǎn)位槽輪機構(gòu),刀架3上可裝六把刀具并與具有相應(yīng)的徑向槽的槽輪2固連,撥盤上裝有一個圓銷A。撥盤每轉(zhuǎn)一周,圓銷A進入槽輪一次,驅(qū)使槽輪(即刀架)轉(zhuǎn)60°,從而將下一工序的刀具轉(zhuǎn)換到工作位置。轉(zhuǎn)塔刀架動畫(3D)3.4.3槽輪槽數(shù)z和撥盤圓柱銷數(shù)k的選擇

在一個運動循環(huán)內(nèi)，槽輪2的運動時間與撥盤1的運動時間之比稱為運動系數(shù)，用表示。當(dāng)撥盤1作等速轉(zhuǎn)動時，也可用轉(zhuǎn)角之比來表示。由于運動系數(shù)τ應(yīng)當(dāng)小于1，故由上式得

有關(guān)棘輪機構(gòu)和槽輪機構(gòu)的設(shè)計，可參閱機械設(shè)計手冊等。3.5不完全齒輪機構(gòu)和凸輪式間歇運動機構(gòu)3.5.1不完全齒輪機構(gòu)1．不完全齒輪機構(gòu)的工作原理和類型

不完全齒輪機構(gòu)是由普通漸開線齒輪機構(gòu)演化而成的間歇運動機構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)型式分為外嚙合與內(nèi)嚙合兩種，如下圖所示。

不完全齒輪內(nèi)嚙合機構(gòu)動畫

不完全外嚙合齒輪機構(gòu)動畫2.不完全齒輪機構(gòu)的特點及用途

不完全齒輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，從動輪的運動時間和靜止時間的比例不受機構(gòu)結(jié)構(gòu)的限制。一般僅用于低速、輕載場合，