第九章機(jī)械設(shè)計(jì)

1、第九章 凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì) (avi) 一、凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用一、凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 9-1 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用及分類凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用及分類 機(jī)架機(jī)架 從動(dòng)件從動(dòng)件 滾子滾子 凸輪凸輪 盤形凸輪機(jī)構(gòu)盤形凸輪機(jī)構(gòu) 在印刷機(jī)中的應(yīng)用在印刷機(jī)中的應(yīng)用 等經(jīng)凸輪機(jī)構(gòu)等經(jīng)凸輪機(jī)構(gòu) 在機(jī)械加工中的應(yīng)用在機(jī)械加工中的應(yīng)用 利用分度凸輪利用分度凸輪 機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位 圓柱凸輪機(jī)構(gòu)在機(jī)圓柱凸輪機(jī)構(gòu)在機(jī) 械加工中的應(yīng)用械加工中的應(yīng)用 二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類 凸輪機(jī)構(gòu)分類凸輪機(jī)構(gòu)分類 1. 按兩活動(dòng)構(gòu)件之間按兩活動(dòng)構(gòu)件之間 相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性分類相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性分類 2. 按從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)副按從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)副 元素形狀分類元素

2、形狀分類 3. 按凸輪高副的鎖按凸輪高副的鎖 合方式分類合方式分類 平面凸輪機(jī)構(gòu)平面凸輪機(jī)構(gòu) 空間凸輪機(jī)構(gòu)空間凸輪機(jī)構(gòu) 盤形凸輪盤形凸輪 移動(dòng)凸輪移動(dòng)凸輪 尖頂從動(dòng)件尖頂從動(dòng)件 滾子從動(dòng)件滾子從動(dòng)件 平底從動(dòng)件平底從動(dòng)件 力鎖合力鎖合 形鎖合形鎖合 1. 按兩活動(dòng)構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性分類按兩活動(dòng)構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性分類 （1 1）平面凸輪機(jī)構(gòu)）平面凸輪機(jī)構(gòu) 1 1）盤形凸輪）盤形凸輪 (avi) 2）移動(dòng)凸輪）移動(dòng)凸輪 (avi) （2）空間凸輪機(jī)構(gòu)）空間凸輪機(jī)構(gòu) (avi) (avi) 2. 按從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)副元素形狀分類按從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)副元素形狀分類 （1） 直動(dòng)尖頂從動(dòng)件直動(dòng)尖頂從動(dòng)件 對(duì)心

3、直動(dòng)尖頂從動(dòng)件對(duì)心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件偏置直動(dòng)尖頂從動(dòng)件偏置直動(dòng)尖頂從動(dòng)件 (avi)(avi) （2）直動(dòng)滾子從動(dòng)件）直動(dòng)滾子從動(dòng)件 （3）直動(dòng)平底從動(dòng)件）直動(dòng)平底從動(dòng)件 (avi) (avi) 根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式的不同，以上三種從動(dòng)件還可分為直動(dòng)從根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式的不同，以上三種從動(dòng)件還可分為直動(dòng)從 動(dòng)件，擺動(dòng)從動(dòng)件，平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件。動(dòng)件，擺動(dòng)從動(dòng)件，平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件。 擺動(dòng)滾子從動(dòng)件擺動(dòng)滾子從動(dòng)件擺動(dòng)尖頂從動(dòng)件擺動(dòng)尖頂從動(dòng)件 (avi)(avi) 擺動(dòng)平底從動(dòng)件擺動(dòng)平底從動(dòng)件 平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件 (avi) 3. 按凸輪高副的鎖合方式分類按凸輪高副的鎖合方式分類 1) 力鎖合力鎖

4、合 2) 形鎖合形鎖合 凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)：凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 只要設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞纯墒箯膭?dòng)件實(shí)現(xiàn)預(yù)期只要設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，即可使從?dòng)件實(shí)現(xiàn)預(yù)期 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、工作可靠。的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、工作可靠。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 凸輪為高副接觸（點(diǎn)或線），壓強(qiáng)較大，容易磨損，凸輪為高副接觸（點(diǎn)或線），壓強(qiáng)較大，容易磨損， 凸輪輪廓加工比較困難，費(fèi)用較高。凸輪輪廓加工比較困難，費(fèi)用較高。 9-2 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其選擇從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其選擇 一、凸輪機(jī)構(gòu)的基本名詞術(shù)語一、凸輪機(jī)構(gòu)的基本名詞術(shù)語 以尖頂從動(dòng)件為對(duì)象予以介紹以尖頂從動(dòng)件為對(duì)象予以介紹 凸輪基圓基、圓半

5、徑凸輪基圓基、圓半徑rb 從動(dòng)件行程從動(dòng)件行程(h，亦稱升距，亦稱升距) S 0 S 0 rb 推程及推程運(yùn)動(dòng)角推程及推程運(yùn)動(dòng)角0 S遠(yuǎn)休止及遠(yuǎn)休止角遠(yuǎn)休止及遠(yuǎn)休止角 0 回程及回程運(yùn)動(dòng)角回程及回程運(yùn)動(dòng)角 近休止及近休止角近休止及近休止角S h 對(duì)心式尖頂從動(dòng)件對(duì)心式尖頂從動(dòng)件 盤形凸輪機(jī)構(gòu)盤形凸輪機(jī)構(gòu) 基圓基圓 基圓基圓 (avi) 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)線圖：從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)線圖：從動(dòng)件位移從動(dòng)件位移S、速度、速度v、加速度、加速度a與凸輪與凸輪 轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角（或時(shí)間（或時(shí)間t）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。 S 0 S 0 rb h S0 S 0 二、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律二、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律 1. 等速運(yùn)

6、動(dòng)規(guī)律等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律 - v0 v a h s 特點(diǎn)：特點(diǎn)：存在存在剛性沖擊剛性沖擊 位置：位置：發(fā)生在運(yùn)動(dòng)的發(fā)生在運(yùn)動(dòng)的起起 始點(diǎn)和終止點(diǎn)始點(diǎn)和終止點(diǎn) a0 A BC v h s -a0 a 2. 等加等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律等加等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律 da dt - 特點(diǎn)：特點(diǎn)：存存 在柔性沖在柔性沖 擊擊 位置：位置：發(fā)發(fā) 生在運(yùn)動(dòng)生在運(yùn)動(dòng) 的的起始點(diǎn)起始點(diǎn) 、中間點(diǎn)、中間點(diǎn) 和終止點(diǎn)和終止點(diǎn) 3. 正弦加速度（擺線）運(yùn)動(dòng)規(guī)律正弦加速度（擺線）運(yùn)動(dòng)規(guī)律 a 3457 O 1 268 v 8621 O7 543 s h 3457O1268 2 7 4 1 6 5 3 h/ 8 特點(diǎn)：特點(diǎn)：既無柔性更無剛性既無

7、柔性更無剛性 沖擊沖擊 擺線擺線 三、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇三、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇 在選擇從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，除要考慮剛性沖擊與柔性在選擇從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，除要考慮剛性沖擊與柔性 沖擊外，還應(yīng)該考慮各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的速度幅值沖擊外，還應(yīng)該考慮各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的速度幅值 vmax 、加速、加速 度幅值度幅值 amax及其影響加以分析和比較。及其影響加以分析和比較。 從動(dòng)件動(dòng)量從動(dòng)件動(dòng)量mamax 從動(dòng)件慣性力從動(dòng)件慣性力mamax 對(duì)于重載凸輪機(jī)構(gòu)，應(yīng)選擇對(duì)于重載凸輪機(jī)構(gòu)，應(yīng)選擇 vmax值較小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；值較小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律； 對(duì)于高速凸輪機(jī)構(gòu)，宜選擇對(duì)于高速凸輪機(jī)構(gòu)，宜選擇 amax值較小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

8、值較小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 vmax amax 低速輕負(fù)荷低速輕負(fù)荷 中速輕負(fù)荷中速輕負(fù)荷 中低速中負(fù)荷中低速中負(fù)荷 中高速輕負(fù)荷中高速輕負(fù)荷 高速中負(fù)荷高速中負(fù)荷 低速重負(fù)荷低速重負(fù)荷 中高速重負(fù)荷中高速重負(fù)荷 高速輕負(fù)荷高速輕負(fù)荷 若干種從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性比較若干種從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性比較 運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)規(guī)律 )/( 0 max w wh v )/( 2 0 2 max w wh a 沖沖 擊擊應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用場(chǎng)合 等速等速 等加速等減速等加速等減速 余弦加速度余弦加速度 正弦加速度正弦加速度 3-4-5多項(xiàng)式多項(xiàng)式 改進(jìn)型等速改進(jìn)型等速 改進(jìn)型正弦加速度改進(jìn)型正弦加速度 改進(jìn)型梯形加速度改進(jìn)型梯形加速度

9、 剛剛 性性 柔柔 性性 柔柔 性性 4.00 4.93 6.28 5.77 8.38 5.53 4.89 1.00 2.00 1.57 2.00 1.88 1.33 1.76 2.00 9-3 按預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律用作圖法設(shè)計(jì)盤形凸輪廓線按預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律用作圖法設(shè)計(jì)盤形凸輪廓線 一、對(duì)心式凸輪機(jī)構(gòu)凸輪廓線的設(shè)計(jì)一、對(duì)心式凸輪機(jī)構(gòu)凸輪廓線的設(shè)計(jì) 1. 尖頂從動(dòng)件尖頂從動(dòng)件 1) 凸輪機(jī)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)分析凸輪機(jī)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)分析 凸輪上的觀察個(gè)結(jié)果凸輪上的觀察個(gè)結(jié)果機(jī)架上的觀察結(jié)果機(jī)架上的觀察結(jié)果 2) 反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)原理反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)原理 (avi)(avi) rb rb A1 A2 A3 A4 S2 rb A2A3

10、 A1 A4 S3 S4 rb A2 A3 A1 A4 rb A1 A2A3 A4 rb A1 A2A3 A4 - rb A1 A2A3 A4 - - - - A1 A2A3 A4 3)設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟 rb 1 2 3 4 5 6 7 8 910 - - 1 2 10 3 4 5 6 7 8 9 4 7 5 8 1 3 2 6 9 10 1 2 3 0 S 4 7 8 9 6 5 10 S 0 S0 S 0 h 已知條件：從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律、已知條件：從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律、 凸輪轉(zhuǎn)向基圓半徑凸輪轉(zhuǎn)向基圓半徑 設(shè)計(jì)步驟：設(shè)計(jì)步驟： a. 標(biāo)出標(biāo)出方向，并按此方向分割出方向，并按此方向分割出 、 、 0

11、S 0S 和；和； c. 過位移線圖中等分點(diǎn)作過位移線圖中等分點(diǎn)作y軸平行線交位軸平行線交位 移線圖于移線圖于i 點(diǎn)，過基圓上等分點(diǎn)作點(diǎn)，過基圓上等分點(diǎn)作射線射線； 反轉(zhuǎn)中導(dǎo)路線反轉(zhuǎn)中導(dǎo)路線 d. 在射線上度量出相應(yīng)推桿的位移在射線上度量出相應(yīng)推桿的位移 ，得尖頂軌跡點(diǎn)，得尖頂軌跡點(diǎn)i ； f. 光滑連接光滑連接i 得凸輪廓線。得凸輪廓線。 b. 在基圓與位移線圖共同將和進(jìn)行在基圓與位移線圖共同將和進(jìn)行n 等分，并標(biāo)注等分點(diǎn)；等分，并標(biāo)注等分點(diǎn)； oo 2. 滾子從動(dòng)件滾子從動(dòng)件 1) 分析分析 rb - - 0 7 9 4 5 8 1 3 2 6 10 1 2 3 4 7 8 9 5 10

12、6 rb - - 0 7 9 4 5 8 1 3 2 6 10 1 2 3 4 7 8 9 5 10 6 實(shí)際廓線實(shí)際廓線 理論廓線理論廓線 2) 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 注意：注意：1. 基圓半徑為理論廓線最小向徑；基圓半徑為理論廓線最小向徑； 2. 先求理論廓線，后作包絡(luò)線，得實(shí)際廓線。先求理論廓線，后作包絡(luò)線，得實(shí)際廓線。 包絡(luò)線包絡(luò)線 2. 平底從動(dòng)件平底從動(dòng)件 1) 分析分析 尖頂軌跡線尖頂軌跡線 1 2 3 4 7 8 9 5 10 6 2) 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 理論廓線理論廓線 7 9 4 5 8 1 3 2 6 10 rb - - 0 0 0 a.將基圓沿將基圓沿- -方向?qū)⒎较驅(qū)?和和 與位移與位移

13、 線圖進(jìn)行對(duì)應(yīng)等分；線圖進(jìn)行對(duì)應(yīng)等分； c. 光滑連接光滑連接i 得凸輪理論廓線；得凸輪理論廓線； b.過等分點(diǎn)作過等分點(diǎn)作射線射線；在射線上；在射線上 度量出相應(yīng)推桿的位移，得尖度量出相應(yīng)推桿的位移，得尖 頂軌跡點(diǎn)頂軌跡點(diǎn)i ； 設(shè)計(jì)步驟：設(shè)計(jì)步驟： d. 作平底線的其包絡(luò)線作平底線的其包絡(luò)線 實(shí)際廓線。實(shí)際廓線。 1 1 2 3 3 2 rb - - 結(jié)論：結(jié)論： a. 偏置式凸輪機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件偏置式凸輪機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件 導(dǎo)路線始終切于偏置圓；導(dǎo)路線始終切于偏置圓； b. 導(dǎo)路線與基圓交點(diǎn)為推桿導(dǎo)路線與基圓交點(diǎn)為推桿 尖頂最低點(diǎn)尖頂最低點(diǎn)其始點(diǎn)。其始點(diǎn)。 e 二、偏置式凸輪廓線的設(shè)計(jì)二、偏置式凸

14、輪廓線的設(shè)計(jì) 1. 尖頂從動(dòng)件尖頂從動(dòng)件 1) 相對(duì)運(yùn)動(dòng)分析相對(duì)運(yùn)動(dòng)分析 偏偏 置置 圓圓 2 2) 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 已知條件：凸輪轉(zhuǎn)向、基圓半徑偏置圓半徑。已知條件：凸輪轉(zhuǎn)向、基圓半徑偏置圓半徑。 rb e - - 1 o 2 3 導(dǎo)路線導(dǎo)路線 3 0 0 a. 連接回轉(zhuǎn)中心與推桿其始點(diǎn)，連接回轉(zhuǎn)中心與推桿其始點(diǎn)， 將基圓沿將基圓沿- -方向?qū)⒎较驅(qū)?和和 與位移線與位移線 圖進(jìn)行對(duì)應(yīng)等分；圖進(jìn)行對(duì)應(yīng)等分； c. 光滑連接光滑連接i 得凸輪廓線。得凸輪廓線。 b. 過等分點(diǎn)作過等分點(diǎn)作偏置圓切線偏置圓切線； 并在其上度量出相應(yīng)推桿的位并在其上度量出相應(yīng)推桿的位 移，得尖頂軌跡點(diǎn)移，得尖頂軌跡點(diǎn)i

15、； 設(shè)計(jì)步驟：設(shè)計(jì)步驟： 注意：也可在偏置圓上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)角注意：也可在偏置圓上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)角 等分，通過其等分點(diǎn)作偏置圓切線等分，通過其等分點(diǎn)作偏置圓切線 以獲得導(dǎo)路線。以獲得導(dǎo)路線。 1 2 3 9-4 盤形凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定盤形凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定 一、凸輪機(jī)構(gòu)中的作用力和凸輪機(jī)構(gòu)的一、凸輪機(jī)構(gòu)中的作用力和凸輪機(jī)構(gòu)的 壓力角壓力角 - -FFF 1R1R22 0sin()( )cosa aj jj j+ + +- -= = l b G t t B n n 1 j j F a a 2 j j FR2 FR1 2 j j 依據(jù)力平衡條件，分別由依據(jù)力平衡條件，分別由F = 0、 x F = 0

16、、 yM = 0，有，有B - -G + Fcos(a a + ) ( ) = 0 1 j jFF R1R2 + + FR2 cos 2 (l + b) FR1 cos 2 b = 0 j jj j 于是有考慮摩擦?xí)r驅(qū)動(dòng)力的表達(dá)式：于是有考慮摩擦?xí)r驅(qū)動(dòng)力的表達(dá)式： 211 tansin 2 1cosj jj jj j)(a a) l b ()(a a G F + + +- -+ + = = 臨界壓力角臨界壓力角a c 2b a a = arctan1/ (1 + )*tanj j2 2 - -j j1 1 l c 在工程實(shí)際中，為保證較高的機(jī)械效率，改善受力狀在工程實(shí)際中，為保證較高的機(jī)械效率，改善受力狀 況，通常規(guī)定凸輪機(jī)構(gòu)的最大壓力角況，通常規(guī)定凸輪機(jī)構(gòu)的最大壓力角 應(yīng)小于或等于應(yīng)小于或等于 某一許用壓力角某一許用壓力角 。 max a a a a a max a a 即：即： 而凸輪機(jī)構(gòu)的許用壓力角則應(yīng)有：而凸輪機(jī)構(gòu)的許用壓力角則應(yīng)有： r r 結(jié)論：實(shí)際廓線始終存在結(jié)論：實(shí)際廓線始終存在 2. 凸輪輪廓的外凸部分凸輪輪廓的外凸部