湖南大學機械原理課件

1、目的：目的： 掌握凸輪機構(gòu)設計的基礎知識，并能根據(jù)生產(chǎn)實際需要的運動規(guī)律設計掌握凸輪機構(gòu)設計的基礎知識，并能根據(jù)生產(chǎn)實際需要的運動規(guī)律設計凸輪機構(gòu)。凸輪機構(gòu)。要求：要求： 1 1、了解凸輪機構(gòu)、了解凸輪機構(gòu)(cams)(cams)的分類及應用的分類及應用 2 2、了解推桿、了解推桿(follower)(follower)常用的運動規(guī)律及推桿運動規(guī)律的選擇原則常用的運動規(guī)律及推桿運動規(guī)律的選擇原則 3 3、能根據(jù)選定的凸輪類型和推桿的運動規(guī)律、能根據(jù)選定的凸輪類型和推桿的運動規(guī)律 設計凸輪的輪廓曲線設計凸輪的輪廓曲線(cam (cam profile)profile)。 4 4、掌握在確定凸輪機

2、構(gòu)的基本尺寸時應考慮的主要問題。、掌握在確定凸輪機構(gòu)的基本尺寸時應考慮的主要問題。重點：重點： 1 1、推桿常用運動規(guī)律的特點及其選擇原則、推桿常用運動規(guī)律的特點及其選擇原則 2 2、盤形凸輪機構(gòu)凸輪輪廓曲線的設計、盤形凸輪機構(gòu)凸輪輪廓曲線的設計 3 3、凸輪基圓半徑與壓力角的關(guān)系、凸輪基圓半徑與壓力角的關(guān)系 難點：難點： 本章的難點是反轉(zhuǎn)法本章的難點是反轉(zhuǎn)法. .反轉(zhuǎn)法不僅是凸輪設計的基本方法反轉(zhuǎn)法不僅是凸輪設計的基本方法, ,而且是凸輪而且是凸輪機構(gòu)分析常用的方法機構(gòu)分析常用的方法。第九章第九章 凸輪機構(gòu)及其設計凸輪機構(gòu)及其設計（Cams and Its Design) 第九章第九章 凸輪

3、機構(gòu)及其設計凸輪機構(gòu)及其設計（Cams and Its Design) 9-1 凸輪機構(gòu)的應用和分類凸輪機構(gòu)的應用和分類1、凸輪機構(gòu)的應用、凸輪機構(gòu)的應用凸輪機構(gòu)是一種由凸輪機構(gòu)是一種由凸輪、從動件（推桿）和機架凸輪、從動件（推桿）和機架三個基本構(gòu)件三個基本構(gòu)件所組成的高副機構(gòu)。凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，所組成的高副機構(gòu)。凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，通常作連續(xù)的等速轉(zhuǎn)動；當凸輪運動時，通過其曲線輪廓與從通常作連續(xù)的等速轉(zhuǎn)動；當凸輪運動時，通過其曲線輪廓與從動件的高副接觸，使從動件獲得任意預期的運動規(guī)律。動件的高副接觸，使從動件獲得任意預期的運動規(guī)律。 凸輪機構(gòu)的優(yōu)點：凸輪機構(gòu)

4、的優(yōu)點： 只需確定適當?shù)耐馆嗇喞€，即可實現(xiàn)從動件復雜的運動規(guī)只需確定適當?shù)耐馆嗇喞€，即可實現(xiàn)從動件復雜的運動規(guī)律；律； 結(jié)構(gòu)簡單，運動可靠。結(jié)構(gòu)簡單，運動可靠。 缺點：從動件與凸輪接觸應力大缺點：從動件與凸輪接觸應力大,易磨損易磨損 用途：載荷較小的運動控制用途：載荷較小的運動控制 盤形凸輪盤形凸輪：最基本的形式，結(jié)構(gòu)簡單，應用最為廣泛最基本的形式，結(jié)構(gòu)簡單，應用最為廣泛移動凸輪移動凸輪：凸輪相對機架做直線運動凸輪相對機架做直線運動圓柱凸輪圓柱凸輪：空間凸輪機構(gòu)空間凸輪機構(gòu)2、凸輪機構(gòu)的分類、凸輪機構(gòu)的分類(Classification of cams)(Classification

5、of cams) 按凸輪的形狀分按凸輪的形狀分 盤形凸輪盤形凸輪移動凸輪移動凸輪圓柱凸輪圓柱凸輪尖端能以任意復雜的凸輪尖端能以任意復雜的凸輪輪廓保持接觸，從而使從輪廓保持接觸，從而使從動件實現(xiàn)任意的運動規(guī)律。動件實現(xiàn)任意的運動規(guī)律。但尖端處極易磨損，只適但尖端處極易磨損，只適用于低速場合。用于低速場合。按推桿（從動件）的端部形狀分按推桿（從動件）的端部形狀分 1、尖頂從動件、尖頂從動件凸輪與從動件之間為滾動摩凸輪與從動件之間為滾動摩擦，因此摩擦磨損較小，可擦，因此摩擦磨損較小，可用于傳遞較大的動力。用于傳遞較大的動力。從動件與凸輪之間易形成油從動件與凸輪之間易形成油膜，潤滑狀況好，受力平穩(wěn)，膜

6、，潤滑狀況好，受力平穩(wěn)，傳動效率高，常用于高速場傳動效率高，常用于高速場合。但與之相配合的凸輪輪合。但與之相配合的凸輪輪廓須全部外凸。廓須全部外凸。2、滾子從動件、滾子從動件3、平底從動件、平底從動件直動推桿：從動件作往復移動，其運動軌從動件作往復移動，其運動軌跡為一段直線；跡為一段直線；擺動推桿：從動件作往復擺動，其運動軌從動件作往復擺動，其運動軌跡為一段圓弧。跡為一段圓弧。按推桿的運動形式分按推桿的運動形式分 擺動推桿擺動推桿直動推桿直動推桿按推桿軸線與凸輪回轉(zhuǎn)軸心的相對位置分按推桿軸線與凸輪回轉(zhuǎn)軸心的相對位置分對心：對心：在直動推桿中，若推桿軸線通過凸輪的回轉(zhuǎn)軸線稱為對在直動推桿中，若推

7、桿軸線通過凸輪的回轉(zhuǎn)軸線稱為對心直動推桿。心直動推桿。偏置：偏置：在直動推桿中，若推桿軸線不通過凸輪的回轉(zhuǎn)軸線稱為在直動推桿中，若推桿軸線不通過凸輪的回轉(zhuǎn)軸線稱為偏置直動推桿。偏置直動推桿。 按凸輪與推桿維持高副接觸的方法分按凸輪與推桿維持高副接觸的方法分1、力封閉（力鎖合）、力封閉（力鎖合）彈簧力、從動件重力或其它外力彈簧力、從動件重力或其它外力2、型封閉（型鎖合）、型封閉（型鎖合）利用高副元素本身的幾何形狀利用高副元素本身的幾何形狀槽凸輪機構(gòu)槽凸輪機構(gòu)槽兩側(cè)面的距離等于滾子直徑。槽兩側(cè)面的距離等于滾子直徑。優(yōu)點優(yōu)點：鎖合方式結(jié)構(gòu)簡單：鎖合方式結(jié)構(gòu)簡單缺點缺點：加大了凸輪的尺寸和重量：加大了

8、凸輪的尺寸和重量等寬凸輪機構(gòu)等寬凸輪機構(gòu) 凸輪廓線上任意兩條凸輪廓線上任意兩條平行切線間的距離都等于平行切線間的距離都等于框架內(nèi)側(cè)的寬度?？蚣軆?nèi)側(cè)的寬度。缺點：從動件的運動規(guī)律的選擇受到一定的限制，從動件的運動規(guī)律的選擇受到一定的限制，當當180180范圍內(nèi)的凸輪廓線根據(jù)從動件運動規(guī)律確定范圍內(nèi)的凸輪廓線根據(jù)從動件運動規(guī)律確定后，其余后，其余180180內(nèi)的凸輪廓線必須符合等寬原則內(nèi)的凸輪廓線必須符合等寬原則等徑凸輪機構(gòu)等徑凸輪機構(gòu) 兩滾子中心間的兩滾子中心間的距離始終保持不變。距離始終保持不變。缺點：缺點：從動件運動規(guī)律的選擇受到一定的限制從動件運動規(guī)律的選擇受到一定的限制主回凸輪機構(gòu)(共軛

9、凸輪機構(gòu))優(yōu)點優(yōu)點：克服了等寬、等徑凸輪的缺點克服了等寬、等徑凸輪的缺點缺點缺點：結(jié)構(gòu)復雜，制造精度要求高結(jié)構(gòu)復雜，制造精度要求高 一個凸輪推動從動一個凸輪推動從動件完成正行程運動，另件完成正行程運動，另一個凸輪推動從動件完一個凸輪推動從動件完成反行程的運動成反行程的運動9-2 推桿的運動規(guī)律推桿的運動規(guī)律1、推桿常用運動規(guī)律、推桿常用運動規(guī)律（1）多項式運動規(guī)律）多項式運動規(guī)律1）等速運動規(guī)律又稱為一次多項式運動規(guī)律）等速運動規(guī)律又稱為一次多項式運動規(guī)律特點：特點：速度有突變，加速速度有突變，加速度理論上由零至無窮大，度理論上由零至無窮大，從而使推桿產(chǎn)生巨大的慣從而使推桿產(chǎn)生巨大的慣性 力

10、， 機 構(gòu) 受 到 強 烈 沖性 力 ， 機 構(gòu) 受 到 強 烈 沖擊擊剛性沖擊剛性沖擊適應場合：適應場合：低速輕載低速輕載000vdtdva2）等加速等減速運動規(guī)律又稱為二）等加速等減速運動規(guī)律又稱為二次多項式運動規(guī)律次多項式運動規(guī)律特點：特點：加速度曲線有突變，加速加速度曲線有突變，加速度的變化率度的變化率(即躍度即躍度j)在這些位置在這些位置為無窮大為無窮大柔性沖擊柔性沖擊適應場合：適應場合：中速輕載中速輕載由于加速度曲線無由于加速度曲線無突變，凸輪機構(gòu)既突變，凸輪機構(gòu)既無柔性沖擊也無剛無柔性沖擊也無剛性沖擊。性沖擊。3）五次多項式運動規(guī)律）五次多項式運動規(guī)律增加多項式的冪次，可獲得性增

11、加多項式的冪次，可獲得性能良好的運動規(guī)律能良好的運動規(guī)律 當質(zhì)點在圓周上作勻速運動當質(zhì)點在圓周上作勻速運動時，它在該圓直徑上的投影所構(gòu)時，它在該圓直徑上的投影所構(gòu)成的運動規(guī)律成的運動規(guī)律簡諧運動簡諧運動 cos12hs特點：特點：有柔性沖擊有柔性沖擊適用場合：適用場合：中速輕載中速輕載(當從動件當從動件作連續(xù)運動時，可用于高速作連續(xù)運動時，可用于高速)（2）三角函數(shù)運動規(guī)律）三角函數(shù)運動規(guī)律1）簡諧運動規(guī)律又稱為余弦加速度運）簡諧運動規(guī)律又稱為余弦加速度運動規(guī)律動規(guī)律2）正弦加速度運動規(guī)律又成為擺）正弦加速度運動規(guī)律又成為擺線加速度運動規(guī)律線加速度運動規(guī)律 半徑半徑R=h/2的滾圓沿縱座的滾圓

12、沿縱座標作純滾動，圓上最初位于座標作純滾動，圓上最初位于座標原點的點其位移隨時間變化標原點的點其位移隨時間變化的規(guī)律的規(guī)律擺線運動擺線運動特點：特點：無剛性、柔性沖擊無剛性、柔性沖擊適用場合：適用場合：適于高速適于高速組合運動規(guī)律簡介組合運動規(guī)律簡介 運動規(guī)律組合應遵循的原則：運動規(guī)律組合應遵循的原則：1、對于中、低速運動的凸輪機構(gòu)，要求從動件的位、對于中、低速運動的凸輪機構(gòu)，要求從動件的位移曲線在銜接處相切，以保證速度曲線的連續(xù)。移曲線在銜接處相切，以保證速度曲線的連續(xù)。2、對于中、高速運動的凸輪機構(gòu)，則還要求從動件、對于中、高速運動的凸輪機構(gòu)，則還要求從動件的速度曲線在銜接處相切，以保證加

13、速度曲線的連續(xù)。的速度曲線在銜接處相切，以保證加速度曲線的連續(xù)。3. 盡量減小速度和加速度的最大值。盡量減小速度和加速度的最大值。 改進型等速運動規(guī)律改進型等速運動規(guī)律 0 0aa=0 v 0sh a O ABCD EFO梯形加速度運動規(guī)律梯形加速度運動規(guī)律1、凸輪輪廓曲線設計的基本原理、凸輪輪廓曲線設計的基本原理（反轉(zhuǎn)法）（反轉(zhuǎn)法）2 S1123s1s2hOr0- 11s122s233h11s1 假設假設凸輪靜止凸輪靜止不不動，推桿相對于凸輪動，推桿相對于凸輪作反轉(zhuǎn)運動；同時又作反轉(zhuǎn)運動；同時又在其導軌內(nèi)作預期的在其導軌內(nèi)作預期的運動，作出推桿在復運動，作出推桿在復合運動中的一系列位合運動中

14、的一系列位置，其尖頂?shù)能壽E即置，其尖頂?shù)能壽E即為所求凸輪廓線。為所求凸輪廓線。 9-3 凸輪輪廓曲線設計凸輪輪廓曲線設計偏置尖頂從動件凸輪輪廓曲線設計偏置尖頂從動件凸輪輪廓曲線設計（反轉(zhuǎn)法）（反轉(zhuǎn)法）2 S1123s1s2h- 1111s1Or0 es22h3Fv s11已知：已知：S=S（），），r0，e， 偏距圓：以凸輪的軸心為圓心，以偏距偏距圓：以凸輪的軸心為圓心，以偏距為半徑所作圓。為半徑所作圓。切射線切射線從基圓開始向外量取各從基圓開始向外量取各相應位置的位移量。相應位置的位移量。偏置滾子從動件凸輪輪廓曲線設計偏置滾子從動件凸輪輪廓曲線設計（反轉(zhuǎn)法）（反轉(zhuǎn)法）2 S1123s1s2h

15、- 1111s1Or0 es22h3已知：已知：S=S（），），r0，e， ，rr理論廓線理論廓線實際廓線實際廓線實際廓線是理論實際廓線是理論廓線的廓線的法向法向等距等距曲線。曲線。在滾子推桿凸在滾子推桿凸輪機構(gòu)的設計輪機構(gòu)的設計中，中，r0指理論指理論廓線的基圓半廓線的基圓半徑。徑。包絡線包絡線 為了保證在所有位置從動件為了保證在所有位置從動件平底都能與凸輪輪廓曲線相切，平底都能與凸輪輪廓曲線相切，凸輪廓線必須是外凸的。凸輪廓線必須是外凸的。平底從動件凸輪輪廓曲線設計平底從動件凸輪輪廓曲線設計（反轉(zhuǎn)法）（反轉(zhuǎn)法） 凸輪廓線上不同點處的壓力角是不凸輪廓線上不同點處的壓力角是不同的。機構(gòu)發(fā)生自鎖

16、時的壓力角稱為同的。機構(gòu)發(fā)生自鎖時的壓力角稱為臨臨界壓力角界壓力角。為保證凸輪機構(gòu)正常運轉(zhuǎn)，。為保證凸輪機構(gòu)正常運轉(zhuǎn)，應使最大壓力角小于臨界壓力角。應使最大壓力角小于臨界壓力角。 推程時：推程時：對直動推桿：對直動推桿：對擺動推桿：對擺動推桿： 回程時：回程時： 30 4535 8070凸輪機構(gòu)在圖示位置的壓力角凸輪機構(gòu)在圖示位置的壓力角：推桿在：推桿在與凸輪的接觸點與凸輪的接觸點B處所受正壓力的方向與處所受正壓力的方向與推桿上點推桿上點B的速度方向之間所夾的銳角。的速度方向之間所夾的銳角。9-4 凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定 1、凸輪機構(gòu)中的作用力與凸輪、凸輪機構(gòu)中的作用力與

17、凸輪機構(gòu)的壓力角機構(gòu)的壓力角2、凸輪基圓半徑的確定、凸輪基圓半徑的確定s)ered/dssseOPtg2/12200（ 在偏距一定、推在偏距一定、推桿的運動規(guī)律已知的桿的運動規(guī)律已知的條件下，基圓半徑越條件下，基圓半徑越大，壓力角越小，但大，壓力角越小，但結(jié)構(gòu)尺寸較大結(jié)構(gòu)尺寸較大凸輪的基圓半徑應凸輪的基圓半徑應在在的前提下選的前提下選擇。擇。從動件偏置方位的選擇原則從動件偏置方位的選擇原則 應有利于減小從動件工作行程時的最大壓力角。為應有利于減小從動件工作行程時的最大壓力角。為此應使從動件在工作行程中，點此應使從動件在工作行程中，點C C和點和點P P位于凸輪回轉(zhuǎn)中位于凸輪回轉(zhuǎn)中心心O O的同

18、側(cè)，此時凸輪上的同側(cè)，此時凸輪上C C點的線速度指向與從動件工作點的線速度指向與從動件工作行程的線速度指向相同。行程的線速度指向相同。 22erseddstg0正偏距：凸輪逆時針回轉(zhuǎn)，從動件右偏置凸輪順時針回轉(zhuǎn)，從動件左偏置負偏距：凸輪逆時針回轉(zhuǎn)，從動件左偏置凸輪順時針回轉(zhuǎn)，從動件右偏置a a=+r=+rr r3、滾子推桿滾子半徑的選擇和平底推桿平底尺寸的確定、滾子推桿滾子半徑的選擇和平底推桿平底尺寸的確定（1）滾子推桿滾子半徑的確定）滾子推桿滾子半徑的確定內(nèi)凹的凸輪輪廓曲線不存在失真。內(nèi)凹的凸輪輪廓曲線不存在失真。rar外凸的凸輪輪廓曲線：外凸的凸輪輪廓曲線：工作廓線為一光滑曲線。工作廓線為一光滑曲線。rr變尖現(xiàn)象：變尖現(xiàn)象：工工作廓線作廓線將出現(xiàn)將出現(xiàn)尖點，極易磨尖點，極易磨損，會引起運損，會引起運動失真。動失真。 0rar失真現(xiàn)象：失真現(xiàn)象：工作工作廓線出現(xiàn)交叉廓線出現(xiàn)交叉, ,會引起運動失真。會引起運動失真。rr對于外凸的凸輪廓對于外凸的凸輪廓線，應使?jié)L子半徑線，應使?jié)L子半徑小于理論廓