工程流體力學(xué)：第3章 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

第3章

凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律盤狀凸輪輪廓的設(shè)計(jì)凸輪設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

§3-1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類平面凸輪機(jī)構(gòu)空間凸輪機(jī)構(gòu)§3-1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類盤狀凸輪移動(dòng)凸輪圓柱凸輪生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)構(gòu)§3-1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類尖頂從動(dòng)件滾子從動(dòng)件平底從動(dòng)件移動(dòng)擺動(dòng)對(duì)心偏心（偏置）1)尖頂從動(dòng)件2)滾子從動(dòng)件3)平底從動(dòng)件按從動(dòng)件與凸輪的接觸形式分§3-1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類

根據(jù)保持從動(dòng)件與凸輪接觸的方式不同，凸輪機(jī)構(gòu)可分為利用外力(如重力、彈簧力)保持接觸的力約束凸輪（如內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪，沖頭機(jī)構(gòu)的凸輪），以及利用幾何形狀的限制來保持接觸的幾何約束凸輪（除先前見到的自動(dòng)送料機(jī)凸輪外，平面凸輪機(jī)構(gòu)中的等寬凸輪、等徑凸輪*等也是幾何約束凸輪)。二、凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)與應(yīng)用

優(yōu)點(diǎn)：只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可使從?dòng)件得到需要的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、設(shè)計(jì)方便。

缺點(diǎn)：凸輪輪廓與從動(dòng)件之間是點(diǎn)、線接觸，接觸應(yīng)力很大，容易磨損。

應(yīng)用范圍：廣泛應(yīng)用于傳力不大的控制機(jī)構(gòu)中?！?-2從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律一、基本概念偏距圓：

以凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心Ｏ為圓心，以O(shè)q為半徑的圓稱為偏距圓，從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)的過程中，其速度方向?qū)⑹冀K保持和偏距圓相切?；鶊A：以凸輪廓線的最小向徑r0為半徑所繪制的圓。推程：當(dāng)凸輪以等角速度沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過角度δt

時(shí)，從動(dòng)件以一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律由離回轉(zhuǎn)中心最近的位置到達(dá)最遠(yuǎn)位置，這個(gè)過程稱為推程。而與推程對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角δt稱為推程運(yùn)動(dòng)角。遠(yuǎn)休止角：當(dāng)凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn)角度δs

時(shí)，從動(dòng)件在最遠(yuǎn)位置保持不動(dòng)，δs稱為遠(yuǎn)休止角?；爻蹋和馆喞^續(xù)回轉(zhuǎn)角度δh時(shí)，從動(dòng)件在重力、彈簧力或其它力的作用下，以一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律回到起始位置，這個(gè)過程稱為回程，δh稱為回程運(yùn)動(dòng)角。近休止角：當(dāng)凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn)角度δs’

時(shí)，從動(dòng)件在最近位置停留不動(dòng)，δs’稱為近休止角。升程h：從動(dòng)件上升的最大位移。

從動(dòng)件的位移線圖從動(dòng)件位移與凸輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系曲線?？v坐標(biāo)代表從動(dòng)件移動(dòng)的位移，橫坐標(biāo)代表凸輪的轉(zhuǎn)角(因凸輪通常是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此橫坐標(biāo)實(shí)際上也代表時(shí)間)。從動(dòng)件位移線圖

從動(dòng)件的位移線圖取決于凸輪輪廓曲線的形狀。即：從動(dòng)件的不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求凸輪具有不同的輪廓曲線。二、常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律

1、等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律

開始、停止時(shí)加速度無窮大，慣性力也無窮大，我們把加速度無窮大引起的沖擊稱剛性沖擊。適用于低速輕載和從動(dòng)件質(zhì)量較小的凸輪機(jī)構(gòu)。2、等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律

從動(dòng)件在前半推程（回程）作等加速運(yùn)動(dòng)，在后半推程（回程）作等減速運(yùn)動(dòng)，通常加速度和減速度絕對(duì)值相等。

加速度在o,m,e產(chǎn)生有限值的變化，發(fā)生柔性沖擊，適宜于中、低速，輕載場(chǎng)合。等加速等減速位移線圖繪制3、余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律

因這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的加速度為余弦函數(shù)，故稱為余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。行程始末會(huì)引起柔性沖擊，只適于中速場(chǎng)合。此外，還有其它的加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為了獲得更好的運(yùn)動(dòng)特性，可以把各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律組合起來應(yīng)用，組合時(shí)應(yīng)保證加速度線圖始終保持連續(xù)。余弦加速度位移線圖繪制O顯然：反轉(zhuǎn)后尖頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡即是凸輪的理論廓線。凸輪-----靜止機(jī)架-----以“-

”繞o點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)從動(dòng)件隨機(jī)架以“-

”反轉(zhuǎn)相對(duì)機(jī)架按s=f(

)運(yùn)動(dòng)凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)的基本原理——反轉(zhuǎn)法反轉(zhuǎn)法---對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)加繞凸輪軸心O點(diǎn)的“-ω”公共角速度反轉(zhuǎn)§3-3盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)一、對(duì)心移動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)③確定反轉(zhuǎn)后從動(dòng)件尖頂在各等分點(diǎn)占據(jù)的位置。r0Os

13578

60o120o90o90o60o120o

1

2

90oA90o91113151

3

5

7

8

9

11

13

12

14

10

已知：凸輪的基圓半徑r0，凸輪角速度

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選比例尺

l，作位移曲線和基圓r0。②等分位移曲線、反向等分各運(yùn)動(dòng)角，確定反轉(zhuǎn)后對(duì)應(yīng)于各等分點(diǎn)的從動(dòng)件的位置。3

4

5

6

7

8

1876543210

11

9

12

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14

1413121110915設(shè)計(jì)步驟④將各尖頂點(diǎn)連接成一條光滑曲線。rbOA已知：凸輪的基圓半徑rb，滾子半徑rr、凸輪角速度

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選比例尺

l，作位移曲線和基圓r0。②等分位移曲線、反向等分各運(yùn)動(dòng)角，確定反轉(zhuǎn)后對(duì)應(yīng)于各等分點(diǎn)的從動(dòng)件的位置。理論輪廓曲線實(shí)際輪廓曲線s

13578

60o120o90o90o91113151

3

5

7

8

9

11

13

12

14

10

60o120o

1

2

90o90o3

4

5

6

7

8

1876543210

11

9

12

13

14

1413121110915③確定反轉(zhuǎn)后從動(dòng)件滾子中心在各等分點(diǎn)占據(jù)的位置。④將各點(diǎn)連接成一條光滑曲線。⑤作一系列滾子圓及滾子圓的內(nèi)(外)包絡(luò)線。設(shè)計(jì)步驟二.

對(duì)心移動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì)r0OA

三.

對(duì)心移動(dòng)平底從動(dòng)件盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì)已知：凸輪的基圓半徑rb，角速度

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選比例尺

l，作位移曲線和基圓r0。1)設(shè)計(jì)步驟②等分位移曲線及反向等分各運(yùn)動(dòng)角，確定反轉(zhuǎn)后對(duì)應(yīng)于各等分點(diǎn)的從動(dòng)件的位置。s

13578

60o120o90o90o91113151

3

5

7

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9

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10

60o120o

1

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90o90o3

4

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6

7

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1876543210

11

9

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14

1413121110915③確定反轉(zhuǎn)后平底與導(dǎo)路中心線的交點(diǎn)A在各等分點(diǎn)占據(jù)的位置。④作平底直線族及平底直線族的內(nèi)包絡(luò)線。四、偏置移動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)四、偏置移動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)已知條件：

從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，偏距e，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向，基圓半徑。五、偏置移動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)首先得到尖頂從動(dòng)件凸輪的輪廓，對(duì)滾子從動(dòng)件凸輪來講，該輪廓線稱為理論輪廓；再繪制實(shí)際輪廓。六、擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪闊線設(shè)計(jì)r0O12345678

60o120o90o90o

已知凸輪的基圓半徑r0，角速度

，擺桿長(zhǎng)度l以及擺桿回轉(zhuǎn)中心A與凸輪回轉(zhuǎn)中心的距離L和擺桿角位移曲線，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。1

2

3

4

5

6

7

120o60o90o

L

A1A2A3A4A5A6A7A8

ABl

①選比例尺

，作位移曲線，作基圓r0和轉(zhuǎn)軸圓OA。

設(shè)計(jì)步驟r0O12345678

60o120o90o90o

已知凸輪的基圓半徑r0，角速度

，擺桿長(zhǎng)度l以及擺桿回轉(zhuǎn)中心A與凸輪回轉(zhuǎn)中心的距離L和擺桿角位移曲線，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。1

2

3

4

5

6

7

120oB

1

160o90o

LB

2

2B

3

3B

4

4B

5

5B

6

6B

7

7A1A2A3A4A5A6A7A8

ABl

③確定反轉(zhuǎn)后從動(dòng)件尖頂在各等分點(diǎn)占據(jù)的位置。

設(shè)計(jì)步驟

④將各尖頂點(diǎn)連接成一條光滑曲線。B5B6B7B8B1B2B3B4作業(yè)P523－6題：b）注意：用鉛筆作圖§3-4凸輪設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

一、凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角和自鎖

不考慮摩擦的情況下，工作時(shí)凸輪給從動(dòng)件的作用力Ｒ沿接觸點(diǎn)處的公法線方向，根據(jù)力的分解原理，有：

R'=Rcosα、R"＝Rsinαα是壓力角。

當(dāng)α增大到一定程度，由R"引起的導(dǎo)路對(duì)從動(dòng)件的摩擦阻力就會(huì)大于有效分力R'

，這時(shí)，無論凸輪加給從動(dòng)件的作用力有多大，從動(dòng)件都不會(huì)運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為自鎖。為保證凸輪機(jī)構(gòu)正常工作并具有一定的效率，必須對(duì)壓力角加以限制。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使最大壓力角不超過許用值：

直動(dòng)從動(dòng)件凸輪：[α]＝30°～38°

擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪：[α]＝40°～50°

常見的依靠外力維持接觸的凸輪機(jī)構(gòu)，其從動(dòng)件在彈簧力或重力作用下返回，回程不會(huì)出現(xiàn)自鎖，對(duì)于這類凸輪機(jī)構(gòu)，通常只需校核推程壓力角。二、壓力角與基圓半徑的關(guān)系其中：VB2=V2，VB1=ω1(r0+s2)V2=ω1(r0+s2)tg

∴α↓→r0↑→結(jié)構(gòu)不緊湊；r0↓→α↑→η↓，甚至自鎖基圓半徑經(jīng)驗(yàn)公式：r0=（1.6～2）r式中：r——凸輪軸孔半徑r0ω1αVB2VB1tts2三、滾子半徑的選擇

rT↑接觸應(yīng)力↓，但rT過大，凸輪的實(shí)際輪廓曲線會(huì)產(chǎn)生失真。當(dāng)，發(fā)生失真故：對(duì)外凸的凸輪輪廓曲線，應(yīng)使?jié)L子半徑rT小于理論輪廓曲線的最小曲率半徑。

常取rT≤0.8ρmin。小結(jié)

1、了解凸輪的分類。掌握常見的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律及所具有的沖擊特性。

2、掌握反轉(zhuǎn)法的原理。3、對(duì)于滾子從動(dòng)件盤形凸輪，基圓半徑r0是指理論輪廓的最小向徑。滾子半徑rr

必須小于凸輪理論輪廓外凸部分的最小曲率半徑。

4、弄清基圓半徑和壓力角

之間的關(guān)系。一

單項(xiàng)選擇題

（選一正確答案，并將其符號(hào)填入題中空白處）3-1凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角大小與________有關(guān)。A.從動(dòng)件的受力B.凸輪的基圓半徑C.凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)3-2對(duì)于外凸凸輪,為了保證有正常的實(shí)際輪廓曲線,其滾子半徑應(yīng)_______理論輪廓的最小曲率半徑。A.小于B.大于C.等于3-3在從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律不變的情況下,若縮小基圓半徑,則凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角________。A.保持不變B.減小C.增大3-4設(shè)計(jì)一滾子從動(dòng)件盤形凸輪,當(dāng)發(fā)現(xiàn)實(shí)際輪廓曲線出現(xiàn)尖點(diǎn)時(shí),應(yīng)該_________。A.加大滾子半徑B.加大基圓半徑C.減小基圓半徑3-5從受力好的觀點(diǎn)看,盤形凸輪應(yīng)采用_________從動(dòng)件。A.平底B.尖底C.滾子BACBA二

填空題3-6凸輪的理論輪廓的最小曲率半徑應(yīng)當(dāng)___________從動(dòng)件的滾子半徑。3-7滾子從動(dòng)件的滾子中心軌跡,在