機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第3章凸輪.ppt

第3章 凸輪機(jī)構(gòu),31 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類型,32 從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律,33 凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角,34 圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓,35 解析法設(shè)計(jì)凸輪輪廓,內(nèi)燃機(jī)氣門機(jī)構(gòu),一、應(yīng)用實(shí)例： 1、內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu),凸輪1以等角速度回轉(zhuǎn)時(shí)，它的輪廓驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件3（閥桿）按預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律啟閉閥門。,31 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類型,設(shè)計(jì)：潘存云,繞線機(jī)構(gòu),2、繞線機(jī)中用于排線的凸輪機(jī)構(gòu)。,繞線軸3快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，繞軸線上的齒輪帶動(dòng)凸輪1緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，通過凸輪輪廓與尖頂A間的作用，驅(qū)使從動(dòng)件2往復(fù)搖動(dòng)，使線均勻繞在繞線軸上。,設(shè)計(jì)：潘存云,3、錄音機(jī)卷帶裝置中的凸輪機(jī)構(gòu)。,凸輪1隨放音鍵上下移動(dòng),放音時(shí)，凸輪1位圖示最低位置，彈簧6作用，使安裝于帶輪軸上的摩擦輪4緊靠卷帶輪5，而將磁帶卷緊。停止放音時(shí)，凸輪1隨按鍵上移，其輪廓壓迫從動(dòng)件2順時(shí)針擺動(dòng)，使摩擦輪與卷帶輪分離，停止卷帶。,6,設(shè)計(jì)：潘存云,送料機(jī)構(gòu),4、自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)。,帶凹槽凸輪1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過槽中滾子驅(qū)使從動(dòng)件2往復(fù)移動(dòng)。凸輪每回轉(zhuǎn)一周，從動(dòng)件即從儲(chǔ)料器中推出一個(gè)毛坯，送到加工位。,1、組成：三個(gè)構(gòu)件：凸輪、從動(dòng)件（桿件）、機(jī)架。,2、作用：將連續(xù)回轉(zhuǎn) = 從動(dòng)件直線移動(dòng)或擺動(dòng)。,3、優(yōu)點(diǎn)：可精確實(shí)現(xiàn)任意運(yùn)動(dòng)規(guī)律，簡單緊湊。,4、缺點(diǎn)：高副，線接觸，易磨損，傳力不大。,1、按凸輪形狀分 1）盤形凸輪：凸輪繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)并有變化半徑盤形零件。（例1、2） 2）移動(dòng)凸輪：盤形凸輪回轉(zhuǎn)中心趨無窮遠(yuǎn)時(shí)，凸輪相對(duì)機(jī)架作直線運(yùn)動(dòng)。 （例3） 3） 圓柱凸輪 ：移動(dòng)凸輪卷成圓柱體。（例4）,由所舉例子可知：凸輪機(jī)構(gòu)的,二、分類：據(jù)凸輪和從動(dòng)件不同形狀和型式凸輪機(jī)構(gòu)分為：,2、按推桿形狀分 1）尖頂從動(dòng)件：尖頂與凸輪輪廓保持接觸，實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件任意運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、易磨損，用于作用力很小低速凸輪機(jī)構(gòu)。儀表機(jī)構(gòu)。 2）滾子從動(dòng)件：從動(dòng)件一端有可自由轉(zhuǎn)動(dòng)滾子，滾子與凸輪間為滾動(dòng)摩擦。 特點(diǎn)：磨損小，可承受較大載荷；應(yīng)用廣。 3）平底從動(dòng)件。從動(dòng)件一端為一平面，直接與凸輪輪廓接觸。 若不考慮摩擦，凸輪對(duì)從動(dòng)件作用力始終垂直于端平面，傳動(dòng)效率高，且接觸面間易形成油膜，利于潤滑。缺點(diǎn)：不能用于凸輪輪廓有凹曲線的凸輪機(jī)構(gòu)中。 特點(diǎn)：受力好、潤滑好，用于高速傳動(dòng),3、按推桿運(yùn)動(dòng)分：直動(dòng)(對(duì)心、偏置)、 擺動(dòng),4、按保持接觸方式分：力封閉（重力、彈簧等）；,內(nèi)燃機(jī)氣門機(jī)構(gòu),機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu),幾何形狀封閉(凹槽、等寬、等徑、主回凸輪),r1+r2 =const,等寬凸輪,優(yōu)點(diǎn)：只需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)妮喞€，從動(dòng)件便可獲得任意的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計(jì)方便。,缺點(diǎn)：線接觸，易磨損。,作者：潘存云教授,主回凸輪,設(shè)計(jì)：潘存云,32 從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律,凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本任務(wù):1)根據(jù)工作要求選定凸輪機(jī)構(gòu)的形式; 2)推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律; 3)合理確定結(jié)構(gòu)尺寸; 4)設(shè)計(jì)輪廓曲線。,一、推桿的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律,1、基圓：以凸輪輪廓曲線最小向徑rmin為半徑所作的圓稱為基圓。 rmin稱為基圓半徑。,2、推程：A-輪廓曲線起始點(diǎn)。二者A點(diǎn)接觸時(shí)，從動(dòng)件處最低位置。凸輪以1逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)t，凸輪輪廓AB段向徑增加，推動(dòng)從動(dòng)件以一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)到離回轉(zhuǎn)中,而根據(jù)工作要求，選定推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線的前提。,心最遠(yuǎn)位置B，該過程稱-。,6、回程：繼續(xù)轉(zhuǎn)h時(shí)，輪廓CD段向徑減小，從動(dòng)件在重力或彈簧力作用下，以一定運(yùn)動(dòng)規(guī)律回到起始位置，該過程稱為回程。,7、回程運(yùn)動(dòng)角：對(duì)應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角h稱為回程運(yùn)動(dòng)角。,8、近休止角：凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)s時(shí)，凸輪輪廓DA段向徑不變，從動(dòng)件在最近位置停留不動(dòng)，相應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角s為近休止角。 凸輪再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件重復(fù)上述運(yùn)動(dòng)循環(huán)。 9、從動(dòng)件位移曲線：以縱坐標(biāo)代表從動(dòng)件位移s2，橫坐標(biāo)代表凸輪轉(zhuǎn)角，畫出從動(dòng)件位移s2與凸輪轉(zhuǎn)角間的關(guān)系線圖。,5、遠(yuǎn)休止角：凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)s時(shí)，輪廓BC段向徑不變，此時(shí)從動(dòng)件處最遠(yuǎn)位置不動(dòng)，相應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角s為遠(yuǎn)休止角。,4、推程運(yùn)動(dòng)角：對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角t 稱為推程運(yùn)動(dòng)角 。,3、升程：此時(shí)從動(dòng)件走過的距離h為其升程。,1）推程運(yùn)動(dòng)方程： s2 h1/t,v2 h1 /t,剛性沖擊,2）回程運(yùn)動(dòng)方程： s2h(1-1/h ),v2-h1 /h,a20,a2 0,1.等速運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,分析可知：從動(dòng)件位移線圖取決于凸輪輪廓曲線的形狀。 幾種常用從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律,（1）從動(dòng)件推程做等速運(yùn)動(dòng)時(shí)：位移線圖為一斜直線；速度線圖為一水平直線。 運(yùn)動(dòng)開始時(shí)，從動(dòng)件由0突變 該處加速度 。 運(yùn)動(dòng)終止時(shí)，速度 變?yōu)?， 由此產(chǎn)生的巨大慣性力導(dǎo)致強(qiáng)烈沖擊。造成危害。等速運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律不易單獨(dú)使用。,v0,a2 +,v0,a2 -。,2. 簡諧運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,1）推程運(yùn)動(dòng)方程： s2h/2【1-cos（1/t )】,v2 h /（2t ）sin（ 1/t ）,a2h 22 /（2t 2）cos（1/t,2）回程運(yùn)動(dòng)方程： s2h/2【1+cos（/t （1-t -s)】,v2- h /（2t ）sin【 /t （1-t -s)】,a2-h22 /（2t 2）cos【/t （1-t -s)】,簡諧運(yùn)動(dòng)：點(diǎn)在圓周上勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，它在該圓直徑上的投影構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)稱為-。 位移線圖作法：1）從動(dòng)件行程h為直徑畫半圓；2）分半圓若干等份得1”、2”、3”、4”點(diǎn)；3）分凸輪運(yùn)動(dòng)角相應(yīng)等份，4）作垂線11、22、33、44、；5）圓周上等分點(diǎn)投影到相應(yīng)垂直線上得1、2、3、4、點(diǎn)；光滑曲線連接，得到從動(dòng)件位移線圖，方程：,從動(dòng)件在行程始點(diǎn)和終點(diǎn)有柔性沖擊；加速度曲線保持連續(xù)，能避免沖擊。,3.正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律 擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律（a-t線圖一正弦曲線，其位以為擺線在縱軸上的投影）。運(yùn)動(dòng)規(guī)律無速度、加速度突變，無沖擊可用于高速凸輪。缺點(diǎn)：amax大，慣性大，要求較高加工精度。,無沖擊,作業(yè)和思考題：P52 1、3,33 凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角,壓力角定義：作用在從動(dòng)件上驅(qū)動(dòng)力與該力作用點(diǎn)絕對(duì) 速度所加銳角。 高副構(gòu)件的壓力角：接觸輪廓法線與從動(dòng)件速度方向的所夾的銳角。高副接觸構(gòu)件中的力是沿法線方向作用。 設(shè)計(jì)凸輪要求：1）從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)規(guī)律；2）機(jī)構(gòu)受力良好；3）機(jī)構(gòu)尺寸小。 與壓力角有關(guān)。討論壓力角對(duì)機(jī)構(gòu)受力及尺寸影響。,要求：掌握壓力角與凸輪機(jī)構(gòu)尺寸的關(guān)系 重點(diǎn)：壓力角的計(jì)算,設(shè)計(jì)：潘存云, F”,效率,到一定程度，有,機(jī)構(gòu)自鎖。,一、壓力角與作用力的關(guān)系,不考慮摩擦，高副構(gòu)件凸輪給與從動(dòng)件的力沿法線方向。,F-有用分力, 沿導(dǎo)路方向。,F”-有害分力，垂直于導(dǎo)路。,F”=F tg ；F 一定,Ff F,為了保證凸輪機(jī)構(gòu)正常工作，要求：, max 許用,尖頂直動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角,許用= 30 -直動(dòng)從動(dòng)件；,許用= 3545-擺動(dòng)從動(dòng)件；,凸輪輪廓曲線上各點(diǎn)的壓力角一般是變化的。,通常：,設(shè)計(jì)：潘存云,二、壓力角與凸輪機(jī)構(gòu)尺寸的關(guān)系,其他條件不變，欲使機(jī)構(gòu)緊湊，應(yīng)采用小基圓半徑，基圓半徑減小引起壓力角 增大。 P點(diǎn)為相對(duì)速度瞬心， 于是有：,v=lOP1,rmin, lOP =v/1,= ds2 /d1,= lOC + lCP,又因lCP =,因lOC = e，,所以lCP = ds2/d1- e,(S2+S0 )tg,而,可增大rmin,（）,當(dāng) max 許用,同理，當(dāng)導(dǎo)路位于中心左側(cè)時(shí)，有：,偏置尖頂-,設(shè)計(jì)：潘存云,lOP =lCP- lOC, lCP = ds2/d1 + e,“+” 用于導(dǎo)路和瞬心位于中心兩側(cè)； “-” 用于導(dǎo)路和瞬心位于中心同側(cè)；,顯然，導(dǎo)路和瞬心位于中心同側(cè)時(shí)，壓力角將減小。反之-,注意：用偏置法可減小推程壓力角，但同時(shí)增大了回程壓力角， 故偏距 e 不能太大。,lCP = (S2+S0 )tg,設(shè)計(jì)：潘存云,提問：對(duì)于平底推桿凸輪機(jī)構(gòu)： ？,0,工作要求（擺動(dòng)、直動(dòng)等）選擇從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定凸輪基圓半徑繪制凸輪輪廓。,34 圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓,繪制凸輪輪廓時(shí)需要凸輪與圖紙相對(duì)靜止。采用“反轉(zhuǎn)法”。,幾種盤形凸輪輪廓繪制,凸輪廓線設(shè)計(jì)方法的基本原理-反轉(zhuǎn)原理（動(dòng)畫）,給整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)施以-1時(shí)，不影響各構(gòu)件間相對(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)（隨機(jī)架和導(dǎo)路以角速度-1的繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)；在導(dǎo)路中往復(fù)移動(dòng)）軌跡即凸輪的輪廓曲線。（下圖所示）,要求：掌握用圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓 重點(diǎn)：圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓,設(shè)計(jì)：潘存云,據(jù)此原理可用幾何作圖的方法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線。 例如：,尖頂凸輪繪制,滾子凸輪繪制,一、直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓的繪制,1.偏置尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪,偏置直動(dòng)尖頂從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)中，已知從動(dòng)件位移線圖、凸輪基圓半徑rmin、順時(shí)針回轉(zhuǎn)的角速度1、偏距e。繪制該凸輪輪廓曲線。,對(duì)心,設(shè)計(jì)步驟：,選比例尺l ，以rmin作基圓，基圓與導(dǎo)路交點(diǎn)A;以e為半徑作偏距圓與從動(dòng)件導(dǎo)路切于k點(diǎn)。為從動(dòng)件起始位置。,設(shè)計(jì)：潘存云,將位移線圖s11的推程運(yùn)動(dòng)角()和回程運(yùn)動(dòng)角( )反向等分;,確定反轉(zhuǎn)后，從動(dòng)件尖頂在各等份點(diǎn)的位置;,k,過1、2、3、4、作偏距圓系列切線。,沿上各切線自基圓量取從動(dòng)件 相應(yīng)位移量，即取線段11 、22 、，得尖頂系列位置。,將1 、2 、3 、連接成一條光滑曲線凸輪輪廓曲線。(e=0,對(duì)心尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪,導(dǎo)路為過中心o徑向射線),設(shè)計(jì)：潘存云,理論輪廓,實(shí)際輪廓,作各位置滾子圓的內(nèi)(外)包絡(luò)線。,2.滾子直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪,滾子直動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，已知凸輪基圓半徑rmin，角速度1和從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律。設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。,設(shè)計(jì)：潘存云,設(shè)min理論輪廓外凸部分最小曲率半徑， rT滾子半徑; 實(shí)際輪廓半徑 = min- rT,rT, minrT0 實(shí)際輪廓曲線發(fā)生自交,運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能實(shí)現(xiàn),滾子半徑的大小對(duì)凸輪實(shí)際輪廓影響很大, minrT,rT, minrT0,輪廓正常,輪廓變尖, rT, minrT 0平滑曲線,輪廓正常,外凸,對(duì)于外凸輪廓，要保證正常工作，應(yīng)使： min rT 如果理論輪廓外凸部分最小曲率半徑min 過小，按上述條件選擇的滾子半徑太小不能滿足安裝和強(qiáng)度要求，應(yīng)加大凸輪基圓尺寸，重新設(shè)計(jì)凸輪輪廓。,設(shè)計(jì)：潘存云,對(duì)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rmin，角速度1和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。,選比例尺l作基圓rmin。取平底與與導(dǎo)路交點(diǎn)A為從動(dòng)件尖點(diǎn)。 反向等分各運(yùn)動(dòng)角。(按尖頂從動(dòng)件凸輪輪廓繪制法) 確定反轉(zhuǎn)后，求出尖頂翻轉(zhuǎn)后的系列位置1 、2 、3 、,過這些點(diǎn)畫系列平底。 作平底直線族的內(nèi)包絡(luò)線實(shí)際輪廓曲線。,3.對(duì)心直動(dòng)平底從動(dòng)件盤形凸輪,設(shè)計(jì)步驟：,設(shè)計(jì)：潘存云,對(duì)平底推桿凸輪機(jī)構(gòu)，也有失真現(xiàn)象。,可通過增大rmin解決此問題。,設(shè)計(jì)：潘存云,已知凸輪基圓半徑rmin，角速度1，擺桿長度lAB及擺桿回轉(zhuǎn)中心與凸輪回轉(zhuǎn)中心距離lOA ，擺桿角位移線圖，繪出凸輪輪廓。,二、擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓的繪制,“反轉(zhuǎn)法”,O,1）據(jù)lOA 定出O點(diǎn)與A點(diǎn)位置，以O(shè)為圓心作基圓；以A為圓心lAB為半徑作圓弧交基圓B點(diǎn)。(尖頂起始位置）,設(shè)計(jì)步驟：,2）分角位移線圖的推程運(yùn)動(dòng)角和回程運(yùn)動(dòng)角若干等分 3）以O(shè)為圓心OA為半徑畫圓，沿-等分各弧并與左圖對(duì)應(yīng)，得A1、A2、A3、，得A1B1 4）由左圖從動(dòng)件擺角畫出從動(dòng)件相對(duì)機(jī)架的位置A1B1、 A2B2 5) 以A1、A2、A3、為圓心lAB為半徑作弧,截A1B1、 A2B2分別于點(diǎn)B1、 B2、。將B1、 B2、點(diǎn)連成光滑曲線，得尖頂擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪的輪廓。 滾子或平底從動(dòng)件：上述為理論輪廓，選系列點(diǎn)作滾子或平底包絡(luò)線實(shí)際輪廓 校核推程壓力角（必須）。例：1）尖頂擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪。2）滾子從動(dòng)件凸輪：校核理論輪廓的壓力角。3）平底從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)：壓力角很小且為不變量，不校核。,35 解析法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓,圖解法簡便，誤差大，精度高的高速凸輪等必須用解析法精確設(shè)計(jì)。 通常，用以凸輪回轉(zhuǎn)中心為極點(diǎn)的極坐標(biāo)表示凸輪輪廓曲線。,要求：了解用解析法設(shè)計(jì)凸輪輪廓的基本步驟 重點(diǎn)：解析法設(shè)計(jì)凸輪輪廓,原理：反轉(zhuǎn)法。,結(jié)果：求出輪廓曲線的解析表達(dá)式-,參數(shù)方程。,設(shè)計(jì)：潘存云,已知：e、rmin、rT、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律S2=S2(1)、1及其方向。,理論輪廓的極坐標(biāo)參數(shù)方程：,=1+0,tg0 = e/ S0,tg = e/(S2 + S0),即B點(diǎn)的極坐標(biāo), (+0),(1+),=,一、滾子直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪,設(shè)計(jì)：潘存云,其中： tg=,實(shí)際輪廓方程是理論輪廓的等距曲線。由高等數(shù)學(xué)知：等距線對(duì)應(yīng)點(diǎn)具有公共的法線。,T =+,實(shí)際輪廓上對(duì)應(yīng)點(diǎn)T的位置：位于理論輪廓 B 點(diǎn)法線 n-n 與滾子圓的交線上,T點(diǎn)的極坐標(biāo)參數(shù)方程為：,由圖有： =+,前面的結(jié)論,直角坐標(biāo)參數(shù)方程為：,x = T cos T,y =