柴鵬飛主編機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)講稿總稿

蘭州工業(yè)學(xué)院教案

開(kāi)課單位：機(jī)電工程學(xué)院授課時(shí)間：2013-2014第一學(xué)期

課程名稱機(jī)械力學(xué)及機(jī)械設(shè)計(jì)n課程編號(hào)

專業(yè)機(jī)電一體化、數(shù)控技術(shù)班級(jí)機(jī)電、數(shù)控12級(jí)

必修課公共基礎(chǔ)課口專業(yè)基礎(chǔ)課專業(yè)課口

課程類別

選修課限選課□；任選課口公選課口

總學(xué)時(shí)數(shù)74學(xué)分?jǐn)?shù)考核方式考試

學(xué)時(shí)分配課堂講授58學(xué)時(shí)；實(shí)驗(yàn)6+(4)學(xué)時(shí)

出版社及出版機(jī)械工業(yè)出

教材名稱機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)作者

柴鵬飛時(shí)間版社,2011

鄭增銘、

蘭州大學(xué)出

1.《機(jī)械力學(xué)與郭攀成

版社,2002；

機(jī)械設(shè)計(jì)》主編；

指定出版社及出版

作者?

參考書時(shí)間

2.《機(jī)械設(shè)計(jì)基李威穆

機(jī)械工業(yè)出

礎(chǔ)》璽清主

版社，2010

編

授課教師唐林虎職稱副教授單位機(jī)械工程系

教研室主任簽字：

教研室

年月日

意見(jiàn)

第L次課授課學(xué)時(shí)，教案完成時(shí)間：20137

第四章凸輪機(jī)構(gòu)

章、節(jié)§^-1凸輪機(jī)構(gòu)的類型和應(yīng)用

§擊-2從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

主凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用及分類方法；從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其選擇原則；

要

內(nèi)

容

目

的(1)了解凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用及分類方法；

與(2)對(duì)從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其選擇原則概念；

要

求

重點(diǎn)：從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

重難點(diǎn)：從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

八點(diǎn)、、

與

難

點(diǎn)

教學(xué)方法：從工程實(shí)例入手介紹凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)合、工作原理，然后講

教

學(xué)解從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等內(nèi)容。

方教學(xué)手段：課堂講授、提問(wèn)；多媒體

法

與

手

段

第4章凸輪機(jī)構(gòu)

4.1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類

4.1.1應(yīng)用舉例

凸輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械中?種常用的高副機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)機(jī)床、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、

食品機(jī)械、包裝機(jī)械和機(jī)電一體化產(chǎn)品中都得到了廣泛應(yīng)用。

凸輪機(jī)構(gòu)有如下基本特性：當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，借助于本身的曲線輪廓或凹槽迫使從動(dòng)桿作

一定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，即從動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于凸輪輪廓曲線或凹槽曲線的形狀。

凸輪機(jī)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)：只需設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?便可使從動(dòng)件得到任意的預(yù)期運(yùn)動(dòng),

且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、設(shè)計(jì)方便。

凸輪機(jī)構(gòu)的主要缺點(diǎn)：凸輪與從動(dòng)件間為點(diǎn)或線接觸，易磨損，只可用于傳力不大的場(chǎng)

合；凸輪輪廓精度要求較高，需用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工；從動(dòng)件的行程不能過(guò)大，否則會(huì)使凸

輪變得笨重。

4.1.2凸輪機(jī)構(gòu)的分類

凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型很多，通常按以下方法進(jìn)行分類：

1.按凸輪形狀

（1）盤形凸輪這種凸輪是?個(gè)繞固定軸線轉(zhuǎn)動(dòng)并具有變化半徑的盤形構(gòu)件，這是凸輪

的最基本形式。

（2）移動(dòng)凸輪當(dāng)盤形凸輪的回轉(zhuǎn)中心趨于無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，則凸輪相對(duì)機(jī)架作直線移動(dòng)，這

種凸輪稱為移動(dòng)凸輪。當(dāng)移動(dòng)凸輪作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可推動(dòng)從動(dòng)件在同一平面內(nèi)作上下的

往復(fù)運(yùn)動(dòng)。有時(shí)，也可將凸輪固定，而使從動(dòng)件相對(duì)于凸輪移動(dòng)（如仿形車削）。

（3）圓柱凸輪將移動(dòng)凸輪卷成圓柱體即為圓柱凸輪。該凸輪為一具有凹槽或曲形端面

的圓柱體。當(dāng)其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可使從動(dòng)件在與圓柱凸輪軸線平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

盤形凸輪和移動(dòng)凸輪與從動(dòng)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為平面運(yùn)動(dòng)，而圓柱凸輪與從動(dòng)件之間的

相對(duì)運(yùn)動(dòng)為空間運(yùn)動(dòng)，所以前兩者屬于平面凸輪機(jī)構(gòu)，后者屬于空間凸輪機(jī)構(gòu)。

2.按從動(dòng)件端部形狀

（1）尖頂從動(dòng)件尖頂能與任意復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸,從而使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)任意運(yùn)動(dòng)。

但因尖頂易于磨損，故只宜用于傳力不大的低速凸輪機(jī)構(gòu)。

（2）滾子從動(dòng)件這種從動(dòng)件耐磨損，可承受較大的載荷，故應(yīng)用最普遍。

（3）平底從動(dòng)件該從動(dòng)件的底面與凸輪之間易于形成楔形油膜，故常用于高速凸輪機(jī)

構(gòu)中，但與之相配合的凸輪輪廓須全部外凸。

3.按從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方式

（1）直動(dòng)從動(dòng)件即作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的從動(dòng)件。

（2）擺動(dòng)從動(dòng)件即作往復(fù)擺動(dòng)的從動(dòng)件。

4.按對(duì)心方式

根據(jù)從動(dòng)件的中心軸線是否通過(guò)凸輪的回轉(zhuǎn)中心，凸輪機(jī)構(gòu)可分為兩類：

（1）對(duì)心凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件中心軸線通過(guò)凸輪的回轉(zhuǎn)中心的凸輪機(jī)構(gòu)。

（2）偏置凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的中心軸線不通過(guò)凸輪的回轉(zhuǎn)中心的凸輪機(jī)構(gòu)。從動(dòng)件導(dǎo)路

中心和凸輪回轉(zhuǎn)中心之間偏置的距離e稱為偏距。

5.按凸輪與從動(dòng)件保持高副接觸的方法

（1）力鎖合利用從動(dòng)件的重力、彈簧力或其它外力使從動(dòng)件與凸輪保持接觸。（2）形

鎖合依靠凸輪和從動(dòng)件的特殊幾何形狀，始終維持接觸。

4.2從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律

4.2.1凸輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程

下面以尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)（圖4-11（a））為例，分析凸輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程。

如圖4-11（a）所示，在凸輪上，以凸輪的最小向徑％為半徑所繪制的圓稱為凸輪的基

圓。從動(dòng)件尖頂與凸輪輪廓上的A點(diǎn)相接觸，該點(diǎn)為從動(dòng)件上升的起始位置。凸輪以等角

速度0順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)角度戈時(shí)，從動(dòng)件尖頂被凸輪輪廓推動(dòng)，隨凸輪段廓線

上各點(diǎn)向徑逐漸增大，從動(dòng)件從起始位置4點(diǎn)以一定的規(guī)律上升，達(dá)到最遠(yuǎn)位置力。從動(dòng)

件的這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程稱為推程，與推程對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角&稱為推程角，從動(dòng)件上升的距離h

稱為從動(dòng)件的行程。

當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)角度及時(shí)，從動(dòng)件尖頂與8c段廓線相接觸。BC段廓線是以最大向徑

為半徑的圓弧，向徑大小不變，故在此過(guò)程中，從動(dòng)件在最遠(yuǎn)位置停留不動(dòng)，這一運(yùn)動(dòng)行程

稱為遠(yuǎn)停程，義稱為遠(yuǎn)停程角。

當(dāng)凸輪接著轉(zhuǎn)過(guò)角度汨時(shí)，從動(dòng)件尖頂在外力作用下沿CD段廓線的各點(diǎn)依次接觸，

由于8段廓線上各點(diǎn)的向徑是逐漸減小的，因此從動(dòng)件開(kāi)始下降，以一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律從最

遠(yuǎn)位置"逐漸返回到最低位置/點(diǎn)，從動(dòng)件的這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程稱為回程，與回程相對(duì)應(yīng)的凸

輪轉(zhuǎn)角衣稱為回程角。

（a）尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形H輪機(jī)構(gòu)（b）位移線圖

圖4-11凸輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程

當(dāng)凸輪再轉(zhuǎn)過(guò)角度￡時(shí)，從動(dòng)件尖頂與凸輪DA段廓線相接觸，山于D4段廓線上各點(diǎn)

的向徑大小不變，所以從動(dòng)件在起始位置A處停留不動(dòng)，從動(dòng)件的這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程稱為近停

程，與近停程相對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角&稱為近停程角。

4.2.2從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律

i.等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律（直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律）

當(dāng)凸輪以等角速度3轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),從動(dòng)件上升或下降過(guò)程

中速度保持不變，這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律稱為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。其推

程運(yùn)動(dòng)方程為

hI（4-1）

a=0"

由此可看出從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)特性：等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律中從動(dòng)

件位移線圖為一條過(guò)原點(diǎn)的斜直線；速度線圖為一水平直

線；加速度為零，但在從動(dòng)件推程開(kāi)始位置力和終止位置

8'處，速度發(fā)生突變，瞬時(shí)加速度在理論上趨于無(wú)窮大，,+8

因而會(huì)產(chǎn)生極大的慣性力，其慣性力將引起剛性沖擊。因oU______________________________

此，等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律一般只用于低速和從動(dòng)件質(zhì)量較小的凸

輪機(jī)構(gòu)中。

-OO

2.等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律（拋物線運(yùn)動(dòng)規(guī)律）

圖4-12等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律

當(dāng)凸輪以等角速度3轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件在推程或回

程的前半行程作等加速，后半行程作等減速的運(yùn)動(dòng)規(guī)

律，稱為等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在通常情況下，兩

部分加速度的絕對(duì)值相等。在這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律中等加速

段的運(yùn)動(dòng)方程為

(4-2)

根據(jù)運(yùn)動(dòng)線圖的對(duì)稱性，可得等減速段的運(yùn)動(dòng)方

程為

4ha）只片

V=

(4-3)圖4-13等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律

4ha)2

山此可看出在該運(yùn)動(dòng)規(guī)律中從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)特性:位移線圖山彎曲方向相反的兩段拋物線

組成，故該運(yùn)動(dòng)規(guī)律又稱為拋物線運(yùn)動(dòng)規(guī)律；速度線圖由兩條斜直線組成；加速度線圖為平

行于橫坐標(biāo)軸的兩段直線，其絕對(duì)值都等于火。在運(yùn)動(dòng)規(guī)律的起始點(diǎn)0點(diǎn)、等加速等減速

的轉(zhuǎn)折點(diǎn)m點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的終止點(diǎn)e點(diǎn)，從動(dòng)件的加速度有限值的突然變化，從而產(chǎn)生有

限的慣性力。機(jī)構(gòu)由此產(chǎn)生的沖擊，稱為柔性沖擊。因此，等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律適用于中

速、輕載的場(chǎng)合。

圖4-13所示的位移線圖為簡(jiǎn)易畫法：根據(jù)所選的比例尺，在s-d坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)軸和

縱坐標(biāo)軸上，將R2和。/2對(duì)應(yīng)分成相同的四等分（也可分為更多等分），得分點(diǎn)1、2、3、

4和1\2\3\41連接0-02\03,和0染。過(guò)點(diǎn)1、2、3、4作縱坐標(biāo)的平行線,使與01，、

02\03,和0染分別交于1"、2"、3"、4"；再將點(diǎn)1"、2"、3"、4"連成光滑曲線,即得等加速

段的位移曲線。等減速段的拋物線可以用同樣的方法依相反的次序繪出。

3.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律（余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律）

質(zhì)點(diǎn)在圓周上作等速運(yùn)動(dòng)忖，它在該圓直徑上的投影所構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)稱為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。按簡(jiǎn)

諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律可作出其位移線圖，如圖4-14所示。

作法如下：以從動(dòng)件的行程〃為直徑，原點(diǎn)為起始點(diǎn)，作出半圓，并將此半圓分成若干

等分（圖中為六等分），得點(diǎn)1"、2"、3"、4"、5"、6",然后把凸輪的推程角人也分成相應(yīng)

等分1、2、3、4、5、6,過(guò)各等分點(diǎn)作鉛垂線，然后將圓周等分點(diǎn)投影到相應(yīng)的垂線上得

2\3M…點(diǎn)，最后用光滑曲線連接這些點(diǎn)，即得到從動(dòng)件的位移線圖，其方程式為：

s=-cose)(4-4)

由圖可知，當(dāng)外/時(shí)，44，即6=（力（5。3,

即可導(dǎo)出從動(dòng)件推程作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程：

S=cos(?b)](4-5)

24

Tdico./萬(wàn)

V=—r-sin(—J)(4-6)

2a3、

(4-7)

由上式可作出速度和加速度線圖。由于加速度

曲線為余弦曲線，所以也可將此運(yùn)動(dòng)規(guī)律稱為余弦

加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。一般情況下，從動(dòng)件作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)

時(shí)，在行程的始點(diǎn)和終點(diǎn)也產(chǎn)生有限值的變化，故

有柔性沖擊，但減少了沖擊次數(shù)。因此，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)

規(guī)律適用于中速、中載場(chǎng)合?只有當(dāng)從動(dòng)件作無(wú)停

留區(qū)間的升-降-升連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，才能避免沖

擊，從而可用于高速運(yùn)動(dòng)。

圖4-14簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律

除了上述幾種常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律外，有時(shí)

還要求從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)特定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其動(dòng)力性能的好壞及適用場(chǎng)合。

4.2.3從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇

在選擇或設(shè)計(jì)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，應(yīng)從機(jī)器的工作要求、凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能、凸輪輪

廓加工工藝性等方面進(jìn)行考慮，具體應(yīng)注意以下問(wèn)題：

（1）當(dāng)機(jī)器的工作過(guò)程對(duì)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有特殊要求，而凸輪的轉(zhuǎn)速不太高時(shí)，應(yīng)

首先從滿足工作需要出發(fā)來(lái)選擇或設(shè)計(jì)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

（2）當(dāng)機(jī)器的工作過(guò)程只需要從動(dòng)件有一定位移，而對(duì)其無(wú)一定運(yùn)動(dòng)要求時(shí)，如夾緊、

送料等凸輪機(jī)構(gòu)，可只考慮加工方便，一般采用圓弧、直線等組成的凸輪輪廓。

(3)當(dāng)機(jī)器對(duì)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)性能有特殊要求，而凸輪的轉(zhuǎn)速又較高，并且只用種基本

運(yùn)動(dòng)規(guī)律又難于滿足這些要求時(shí)，可考慮采用滿足要求的組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

(4)在設(shè)計(jì)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，除了要考慮其沖擊特性之外，還要考慮從動(dòng)件的最大

速度Vmax和最大加速度Omax。

蘭州工業(yè)學(xué)院教案

本本單元主要講授凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用及分類方法；從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)

單律及其選擇原則；

元

知

識(shí)

點(diǎn)

歸

納

思

考習(xí)題

題一、二相關(guān)習(xí)題；

或

作

業(yè)

題

本

單

元

教

學(xué)

情

況

小

結(jié)

第L次課授課學(xué)時(shí)，教案完成時(shí)間：20137

章、節(jié)§4-3圖解法設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)

主圖解法設(shè)計(jì)盤形凸輪輪廓的方法

要

內(nèi)

容

目

的掌握用圖解法設(shè)計(jì)盤形凸輪輪廓的方法。

與

要

求

重點(diǎn)：盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)。

重難點(diǎn)：盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)。

點(diǎn)

與

難

點(diǎn)

教學(xué)手段：課堂講授、提問(wèn)；多媒體

教

學(xué)

方

法

與

手

段

§4-3圖解法設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)

一、反轉(zhuǎn)法原理

反轉(zhuǎn)原理：

給整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)施以時(shí)，不影響各構(gòu)件

之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，凸輪將靜止，而從動(dòng)

件尖頂復(fù)合運(yùn)動(dòng)的軌跡即凸輪的輪廓曲線。

依據(jù)此原理可以用幾何作圖的方法設(shè)計(jì)凸

輪的輪廓曲線。

二、直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪廓線設(shè)計(jì)

1、對(duì)心直動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪

對(duì)心直動(dòng)尖頂推桿凸輪機(jī)構(gòu)中，己知凸輪的基圓半徑rO,角速度。和推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,

設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。

設(shè)計(jì)步驟小結(jié)

①選比例尺M(jìn)1作基圓rOo

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。

2、對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪

對(duì)心直動(dòng)滾子推桿凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑rO,角速度。和推桿的運(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U/作基圓rO。

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)件滾子中心在各等份點(diǎn)的位置。

④將各中心點(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（中心軌跡的等距曲線）。

3、對(duì)心直動(dòng)平底推桿盤形凸輪

對(duì)心直動(dòng)平底推桿凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑rO,角速度。和推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,

設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。

d

設(shè)計(jì)步驟：

①選比例尺口/作基圓rO。

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。

4、偏置直動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪

偏置直動(dòng)尖頂推桿凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑rO,角速度。和推桿的運(yùn)動(dòng)

規(guī)律和偏心距e,設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。

三、擺動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)

擺動(dòng)尖頂推桿凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑rO,角速度。，擺動(dòng)推桿長(zhǎng)度,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。

蘭州工業(yè)學(xué)院教案

本本單元主要講授圖解法設(shè)計(jì)盤形凸輪輪廓的方法

單

元

知

識(shí)

點(diǎn)

歸

納

思

考習(xí)題

題一、二相關(guān)習(xí)題；

或

作

業(yè)

題

本

單

元

教

學(xué)

情

況

小

結(jié)

第紅次課授課學(xué)時(shí)，教案完成時(shí)間：20137

』什§4T凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題

早、刀§4T凸輪的結(jié)構(gòu)與材料

主（1）滾子半徑的選擇、壓力角、基圓半徑的確定；

要（2）凸輪的結(jié)構(gòu)、材料。

內(nèi)

容

目

的掌握滾子半徑的選擇、壓力角、基圓半徑的確定。

與

要

求

重點(diǎn)：滾子半徑的選擇、壓力角、基圓半徑的確定。

重難點(diǎn)：無(wú)

點(diǎn)

與

難

點(diǎn)

教學(xué)手段：課堂講授、提問(wèn)；多媒體

教

學(xué)

方

法

與

手

段

§4-4凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題

一、滾子半徑的確定

下面對(duì)滾子半徑大小與實(shí)際廓線曲率間的關(guān)系進(jìn)行分析。如圖4-20所示，設(shè)凸輪理論

輪廓外凸部分或內(nèi)凹部分的曲率半徑用Po表示，滾子半徑用行表示，相應(yīng)位置的實(shí)際輪廓

的曲率半徑用"表示。

二、凸輪機(jī)構(gòu)傳力性能的校核

1、壓力角與傳力性能的關(guān)系

從動(dòng)件的受力方向F與從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方向之間所夾的銳角，稱為凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角。

研究凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角有二個(gè)意義：

①壓力角的大小表示了機(jī)構(gòu)傳力的難易程度；

②壓力角的大小是機(jī)構(gòu)產(chǎn)生自鎖的重要原因。

2、壓力角的許用值

工作行程：

直動(dòng)從動(dòng)件，許用壓力角[a]=30°；

擺動(dòng)從動(dòng)件，許用壓力角[a]=45°

空行程：--般可取[a]=80°

3、壓力角的校核

凸輪輪廓曲線上各點(diǎn)的壓力角是不同的，凸輪輪廓越陡，壓力角就越大，因?yàn)檩喞€

上每一點(diǎn)的切線與法線的夾角越大。如凸輪輪廓曲線就是基圓，那樣壓力角就等于零。

可用圖4-24的方法對(duì)凸輪輪廓曲線的壓力角進(jìn)行檢驗(yàn)。

如壓力角超過(guò)許用值，可用圖4-25、4-26的方法減小壓力角。

直動(dòng)平底從動(dòng)件的凸輪機(jī)構(gòu)，其壓力角始終等于零（圖4-27）,故傳力性能最好。

圖4-26偏置從動(dòng)件

三、基圓半徑的確定

應(yīng)用實(shí)例：一對(duì)心直動(dòng)尖端從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu),60=45°,h=14mm,從動(dòng)件以簡(jiǎn)

諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律上升，要求°max=30°,試確定凸輪的基圓半徑r0。

§4-5凸輪的結(jié)構(gòu)與材料

基圓半徑也是凸輪設(shè)計(jì)中的?個(gè)重要參數(shù)。在設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，凸輪的基圓半徑rb取

的越小，所設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)越緊湊。但基圓半徑過(guò)小又會(huì)引起壓力角增大，如圖4-23所示,

當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)相同的轉(zhuǎn)角J且從動(dòng)件上升相同的位移〃時(shí)，基圓半徑較小者，凸輪輪廓較陡，

壓力角較大；而基圓較大的凸輪輪廓較平緩，壓力角較小。因此，在滿足a1ras[a]的條件下，

應(yīng)選取盡可能小的基圓半徑。

設(shè)計(jì)時(shí),，基圓半徑可按凸輪的結(jié)構(gòu)選取：當(dāng)凸輪與軸做成一體時(shí)（圖4-25）,尸心什廠T+

（2-5）mmo當(dāng)凸輪通過(guò)鍵等形式裝在軸上時(shí)（圖4?26）,啥（2-5）mm,其中，

尸為凸輪軸的半徑，0為滾子半徑，?為凸輪輪轂半徑。當(dāng)從動(dòng)件不帶滾子時(shí):rT=0,rh=

(1.5?1.7)ro

凸輪軸

4.4.2凸輪的結(jié)構(gòu)與材料

1.凸輪在軸上的固定方式

當(dāng)凸輪輪廓尺寸接近軸徑尺寸時(shí)，凸輪與軸可做成一體，即為凸輪軸，當(dāng)二者尺寸相差

比較大時(shí)，凸輪與軸的固定采用鍵（圖4-26）或銷（圖4-27）等聯(lián)接形式。當(dāng)凸輪與軸的

角度需經(jīng)常調(diào)整，可采用彈性錐套和圓螺母聯(lián)接（圖4-28）。

2.凸輪和滾子的材料

凸輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)，通常承受沖擊載荷，凸輪與從動(dòng)件接觸部分有嚴(yán)重磨損，因此必須合

理選擇凸輪和滾子的材料，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚節(jié)L子和凸輪的工作表面具有較高的硬度

和耐磨性，而心部要有較好的韌性以承受沖擊。凸輪和滾子常用的材料有45鋼、20Cr、

18CrMnTi或T9、T10等，并經(jīng)表面淬火處理。

用圓錐銷聯(lián)接用彈性開(kāi)口錐套和螺母聯(lián)接

蘭州工業(yè)學(xué)院教案

本本單元主要講授滾子半徑的選擇、壓力角、基圓半徑的確定；

單凸輪的結(jié)構(gòu)、材料。

元

知

識(shí)

點(diǎn)

歸

納

思

考習(xí)題

題

2

、三一

三一1

題；

關(guān)習(xí)

二相

或一、

作

業(yè)

題

本

單

元

教

學(xué)

情

況

小

結(jié)

7

013

間：2

成時(shí)

教案完

學(xué)時(shí)2

授課

乙次課

第

構(gòu)

用機(jī)

他常

章其

第五

節(jié)

章、

主

；

應(yīng)用

型和

、類

原理

工作

機(jī)構(gòu)

槽輪

構(gòu)、

輪機(jī)

L棘

要

。

應(yīng)用

型和

、類

作原理

的工

機(jī)構(gòu)

、螺旋

機(jī)構(gòu)

齒輪

完全

2不

內(nèi)

容

a）掌握棘輪機(jī)構(gòu)和槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理；

⑵熟悉棘輪機(jī)構(gòu)和槽輪機(jī)構(gòu)的類型；

⑶了解不完全齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理和特點(diǎn)。

重點(diǎn)：棘輪機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)的工作原理、特點(diǎn)、類型和應(yīng)用。

難點(diǎn)：無(wú)

教學(xué)手段：課堂講授、提問(wèn)；多媒體

棘輪機(jī)構(gòu)

棘輪機(jī)構(gòu)山棘輪、棘爪、搖桿及機(jī)架等組成，如圖5-3所示。主動(dòng)件棘爪較接在連桿

機(jī)構(gòu)的搖桿上，當(dāng)搖桿順時(shí)針擺動(dòng)時(shí)，棘爪推動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度；當(dāng)搖桿逆時(shí)針擺動(dòng)

時(shí)，止退棘爪阻止棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)，棘爪在棘齒背上滑過(guò)，此時(shí)棘輪停歇不動(dòng)。因此，在搖桿作

往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，棘輪作單向時(shí)動(dòng)時(shí)停的間歇運(yùn)動(dòng)。

有外嚙合和內(nèi)嚙合之分。

牛頭刨床工作臺(tái)橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)是個(gè)棘輪機(jī)構(gòu)，它是利用將棘爪提起并轉(zhuǎn)動(dòng)180°后放

下，使棘輪作反向間歇運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的往復(fù)移動(dòng)。

搖桿一3Z棘爪舵

圖5-5所示機(jī)構(gòu)設(shè)有對(duì)稱爪端的棘爪1,將其翻轉(zhuǎn)至雙點(diǎn)畫線位置，也可用來(lái)實(shí)現(xiàn)反

向的間歇運(yùn)動(dòng)。

圖5-6所示機(jī)構(gòu)在搖桿上安裝兩個(gè)棘爪，當(dāng)搖桿往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，都能使棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)，可提

高棘輪運(yùn)動(dòng)的次數(shù)和縮短停歇的時(shí)間，所以又稱作快動(dòng)（或雙動(dòng)）式棘輪機(jī)構(gòu)。

棘輪機(jī)構(gòu)中棘輪轉(zhuǎn)角的大小可以進(jìn)行有級(jí)調(diào)節(jié)。圖5-7所示機(jī)構(gòu)是利用覆蓋罩遮擋部

分棘齒，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)棘輪轉(zhuǎn)角的大小來(lái)控制棘輪的轉(zhuǎn)速。

圖5-8所示機(jī)構(gòu)是通過(guò)改變曲柄長(zhǎng)度來(lái)改變搖桿擺角的大小，搖桿的擺角變化后就改變

了棘輪的轉(zhuǎn)角。

棘輪機(jī)構(gòu)的特性

推進(jìn)和輸送：右圖所示的牛頭刨床工作臺(tái)的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)，就是利用棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)正反

間歇轉(zhuǎn)動(dòng)的特點(diǎn)，然后通過(guò)絲杠、螺母帶動(dòng)工作臺(tái)作橫向間歇送進(jìn)運(yùn)動(dòng)的。

制動(dòng)：右圖所示為起重設(shè)備安全裝置中的棘輪機(jī)構(gòu)。起吊重物時(shí)，如果機(jī)械發(fā)生故障，

重物將出現(xiàn)自動(dòng)下落的危險(xiǎn)，此時(shí)，棘輪2被止回棘爪3及時(shí)止動(dòng)，以保證安全。

超越：內(nèi)嚙合棘輪機(jī)構(gòu)是自行車后輪匕的“飛輪”機(jī)構(gòu)，當(dāng)腳蹬轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)大鏈輪和鏈

條帶動(dòng)內(nèi)齒圈具有棘齒的鏈輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)棘爪的作用，使輪轂（和后車輪為一體）

逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)使自行車前進(jìn)。當(dāng)自行車后輪的轉(zhuǎn)速超過(guò)小鏈輪的轉(zhuǎn)速（或自行車前進(jìn)

而腳蹬不動(dòng)）時(shí)，輪轂便會(huì)超越小鏈輪而轉(zhuǎn)動(dòng)，讓棘爪在棘輪齒背上滑過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)了從動(dòng)

件相對(duì)于主動(dòng)件的超越運(yùn)動(dòng)，這種特性稱為超越。

槽輪機(jī)構(gòu)

槽輪機(jī)構(gòu)由帶圓銷的撥盤、具有徑向槽的槽輪和機(jī)架組成，如圖5T0所示。

圖5T1為內(nèi)槽輪機(jī)構(gòu)，帶圓銷的撥盤在槽輪的內(nèi)部，工作原理同外槽輪機(jī)構(gòu)。內(nèi)槽輪

機(jī)構(gòu)的槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向與撥盤轉(zhuǎn)向相同。

圖5-12所示為雙圓銷外槽輪機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)工作時(shí)，撥盤轉(zhuǎn)一周，槽輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)兩次。

圖5T3所示為轉(zhuǎn)塔車床的刀架轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)，刀架上裝有六種刀具，槽輪上具有六條徑向

槽。當(dāng)撥盤回轉(zhuǎn)一周時(shí)，槽輪轉(zhuǎn)過(guò)60°,從而將下一工序所需刀具轉(zhuǎn)換到工作位置。

不完全齒輪機(jī)構(gòu)

圖5T5所示為內(nèi)嚙合不完全齒輪機(jī)構(gòu)，與外嚙合不完全

齒輪機(jī)構(gòu)相似，內(nèi)嚙合時(shí)兩輪轉(zhuǎn)向相同，而外嚙合時(shí)兩輪轉(zhuǎn)

向相反。

不完全齒輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是：工作可靠、傳遞的力大，而

且從動(dòng)輪停歇的次數(shù)、每次停歇的時(shí)間及每次轉(zhuǎn)過(guò)的角度，

其變化范圍都比槽輪機(jī)構(gòu)大得多，只要適當(dāng)設(shè)計(jì)均可實(shí)現(xiàn)；

但是不完全齒輪機(jī)構(gòu)加工工藝較復(fù)雜，從動(dòng)輪在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始和

終了時(shí)有較大的沖擊。

蘭州工業(yè)學(xué)院教案

本本單元主要講授棘輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)工作原理、類型和應(yīng)用；

單不完全齒輪機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)的工作原理、類型和應(yīng)用。

元

知

識(shí)

點(diǎn)

歸

納

思

考習(xí)題

題

二

或一、

作

業(yè)

題

本

單

元

教

學(xué)

情

況

小

結(jié)

7

013

間：2

成時(shí)

教案完

2

學(xué)時(shí)

授課

課

口次

第

動(dòng)

構(gòu)傳

輪機(jī)

章齒

第六

概述

§6—1

節(jié)

章、

特性

及嚙合

線齒廓

2漸開(kāi)

§6-

1:

；

應(yīng)用

型和

的類