機械設(shè)計基礎(chǔ) 凸輪機構(gòu)設(shè)計

1、機械設(shè)計基礎(chǔ) 凸輪機構(gòu)設(shè)計第1頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四第三章 凸輪機構(gòu)設(shè)計31 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和分類32 從動件的常用運動規(guī)律33 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計34 設(shè)計凸輪機構(gòu)應(yīng)注意的問題第2頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四1凸輪機構(gòu)（1）實例內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu)自動機床進刀機構(gòu)自動機床凸輪機構(gòu)（2）定義 適當?shù)脑O(shè)計凸輪廓線可實現(xiàn)各種預(yù)期的運動規(guī)律，結(jié)構(gòu)簡單，緊湊；但易磨損，傳力不大。 凸輪是一種具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它通過與從動件的高副接觸。凸輪的等速回轉(zhuǎn)使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的一定規(guī)律的運動。由凸輪、從動件和機架三部分組成。（3）特點第3

2、頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四二、 凸輪機構(gòu)的分類按照凸輪的形狀不同可把凸輪分為以下幾種：盤形凸輪移動凸輪圓柱凸輪曲面凸輪按照凸輪的鎖合方式可把凸輪分為以下幾種：力鎖合形鎖合按照從動件的形式分為以下幾種：尖端從動件滾子從動件平底從動件31 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和分類第4頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四2凸輪機構(gòu)的分類（1）按凸輪的形狀分1）盤形凸輪（移動凸輪）2）圓柱凸輪（2）按推桿形狀及運動形式分1）尖頂推桿、滾子推桿和平底推桿2）對心直動推桿、偏置直動推桿和擺動推桿（3）按保持高副接觸方法分1）力封閉的凸輪機構(gòu)2）幾何封閉的凸輪機構(gòu)第5頁，共39

3、頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四三、凸輪和滾子的材料凸輪的主要失效形式為磨損和疲勞點蝕。對凸輪和滾子的材料要求：工作表面硬度高耐磨有足夠的表面接觸強度凸輪芯部有較強的韌性常用的凸輪材料： 40Cr、 20Cr、 40CrMnTi常用的滾子材料： 20Cr或者滾動軸承31 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和分類第6頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四第三章 凸輪機構(gòu)設(shè)計31 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和分類32 從動件的常用運動規(guī)律33 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計34 設(shè)計凸輪機構(gòu)應(yīng)注意的問題第7頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四 凸輪機構(gòu)設(shè)計的基本任務(wù)是根據(jù)工作要求選定凸輪機

4、構(gòu)的形式、推桿運動規(guī)律、合理確定結(jié)構(gòu)尺寸、設(shè)計輪廓曲線。而根據(jù)工作要求選定從動件（推桿）運動規(guī)律，是設(shè)計凸輪輪廓曲線的前提。名詞術(shù)語：運動規(guī)律：推桿在推程或回程時，其位移S、速度V、和加速度a 隨時間t 的變化規(guī)律。分類：多項式、三角函數(shù)。S=S(t)V=V(t)a=a(t)基圓、推程運動角、基圓半徑r0、推程、遠休止角、回程運動角、回程、近休止角、行程。r0hBots010102020000ADCB32 從動件的常用運動規(guī)律第8頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四 基本術(shù)語基圓：從凸輪輪廓的最小向徑r0為半徑的圓。推程：從動件被凸輪推動，以一定運動規(guī)律由距離回轉(zhuǎn)中心最近位

5、置A到達最遠位置B所走過的距離AB。與推程對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角t為推程運動角。遠休止角：當凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn)s角，從動件在最遠位置停止不動?；爻蹋寒斖馆喞^續(xù)回轉(zhuǎn)h角，從動件在彈簧或重力作用下，以一定運動規(guī)律回到起始位置所走過的距離。 h稱為回程運動角。近休止角：當凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn)s角，從動件在最近位置停止不動。32 從動件的常用運動規(guī)律第9頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四 圖為對心尖頂從動件盤形凸輪機構(gòu)，凸輪回轉(zhuǎn)時，從動件重復(fù)升停降停的運動循環(huán)。 從動件的位移s與凸輪轉(zhuǎn)角a的關(guān)系可以用從動件的位移線圖來表示，如右圖所示。32 從動件的常用運動規(guī)律第10頁，共39頁，2022年，5月20

6、日，3點22分，星期四一、從動件等速運動規(guī)律-v0vahs特點：存在剛性沖擊位置：發(fā)生在運動的起始點和終止點從動件的速度從動件的位移從動件的加速度開始或停止時32 從動件的常用運動規(guī)律第11頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四a0ABCvhs-a0adadt-特點：存在柔性沖擊位置：發(fā)生在運動的起始點、中間點和終止點二、從動件等加速等減速運動規(guī)律從動件的位移從動件的加速度 a2=a0=常數(shù)從動件的速度32 從動件的常用運動規(guī)律第12頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四從動件等加速等減速運動規(guī)律32 從動件的常用運動規(guī)律第13頁，共39頁，2022年，5月

7、20日，3點22分，星期四三、余弦加速度運動規(guī)律（簡諧運動） 32 從動件的常用運動規(guī)律第14頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四a3457O1268v8621O7543sh3457O12682741653h/8特點：既無柔性更無剛性沖擊擺線四、正弦加速度運動規(guī)律（擺線運動）32 從動件的常用運動規(guī)律 由運動圖可見，其速度和加速度曲線都是連續(xù)的，因此沒有柔性沖擊，故常用于高速凸輪機構(gòu)。第15頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四 在選擇從動件的運動規(guī)律時，除要考慮剛性沖擊與柔性沖擊外，還應(yīng)該考慮各種運動規(guī)律的速度幅值 vmax 、加速度幅值 amax及其影

8、響加以分析和比較。從動件動量mvmax,沖擊過大從動件慣性力mamax,動壓力大對于重載凸輪機構(gòu)，應(yīng)選擇 vmax值較小的運動規(guī)律；對于高速凸輪機構(gòu)，宜選擇 amax值較小的運動規(guī)律。vmaxamax五、從動件運動規(guī)律的選擇32 從動件的常用運動規(guī)律第16頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四若干種從動件運動規(guī)律特性比較低速輕負荷中速輕負荷中低速中負荷中高速輕負荷高速中負荷低速重負荷中高速重負荷高速輕負荷運動規(guī)律)/(0maxwhv)/(202maxwha沖 擊應(yīng)用場合等速等加速等減速余弦加速度正弦加速度3-4-5多項式改進型等速改進型正弦加速度改進型梯形加速度剛 性柔 性柔

9、 性4.004.936.285.778.385.534.891.002.001.572.001.881.331.762.0032 從動件的常用運動規(guī)律組合型運動規(guī)律第17頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四第三章 凸輪機構(gòu)設(shè)計31 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和分類32 從動件的常用運動規(guī)律33 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計34 設(shè)計凸輪機構(gòu)應(yīng)注意的問題第18頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四一、反轉(zhuǎn)法（相對運動法）加角速度-w(與凸輪角速度大小相等、方向相反)從動件與導(dǎo)路繞角速度-w以凸輪轉(zhuǎn)動凸輪靜止不動從動件尖頂?shù)倪\動軌跡就是凸輪輪廓曲線從動件相對導(dǎo)路移動 對于滾子從動件

10、，則滾子中心可看作是從動件的尖頂，其運動軌跡就是凸輪的理論輪廓曲線，凸輪的實際輪廓曲線是與理論輪廓曲線相距滾子半徑rT的一條等距曲線。33 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計第19頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四rb A1A2A3A4S2rb A2A3A1A4S3S4rb A2A3A1A4rb A1A2A3A4- rb A1A2A3A4- - rb A1A2A3A4- rb A1A2A3A433 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計相對運動關(guān)系第20頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四設(shè)計步驟已知條件：從動件運動規(guī)律、凸輪轉(zhuǎn)向基圓半徑設(shè)計步驟：rb - 475813269101230

11、S47896510a.標出方向，并按此方向分割出 、 ;0Sc.過位移線圖中等分點作y軸平行線交位移線圖于i 點，過基圓上等分點作射線；d.在射線上度量出相應(yīng)推桿的位移，得尖頂軌跡點i ；f.光滑連接i 得凸輪廓線。b.在基圓與位移線圖共同將和進行n等分，并標注等分點；oo1234567891012103456789S0S0 S 0h33 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計設(shè)計基本原理第21頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四 滾子從動件1) 分析33 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計第22頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四rb- 07945813261012347895106rb

12、- 07945813261012347895106實際廓線理論廓線2) 設(shè)計注意：1. 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，得實際廓線。包絡(luò)線33 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計基圓第23頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四2. 平底從動件1) 分析 尖頂軌跡線33 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計第24頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四123478951062) 設(shè)計理論廓線79458132610rb- 033 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計a.將基圓沿-方向?qū)?和 與位移線圖進行對應(yīng)等分；c. 光滑連接i 得凸輪理論廓線；b.過等分點作射線；在射線上度量出相應(yīng)推

13、桿的位移，得尖頂軌跡點i ；設(shè)計步驟： d. 作平底線的其包絡(luò)線實際廓線。第25頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四 rb- 1123 3 2結(jié)論：a. 偏置式凸輪機構(gòu)中從動件導(dǎo)路線始終切于偏置圓；b. 導(dǎo)路線與基圓交點為推桿尖頂最低點起始點。e二、偏置式凸輪廓線的設(shè)計1. 尖頂從動件1) 相對運動分析偏距圓33 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計基圓第26頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四 22) 設(shè)計已知條件：凸輪轉(zhuǎn)向、基圓半徑偏置圓半徑。 rbe- 1o23導(dǎo)路線 30 0a. 連接回轉(zhuǎn)中心與推桿其始點，將基圓沿-方向?qū)?和 與位移線圖進行對應(yīng)等分；c. 光滑連

14、接i 得凸輪廓線。b.過等分點作偏置圓切線；并在其上度量出相應(yīng)推桿的位移，得尖頂軌跡點i ；設(shè)計步驟： 注意：也可在偏置圓上進行運動角等分，通過其等分點作偏置圓切線以獲得導(dǎo)路線。12333 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計第27頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四作圖法設(shè)計凸輪輪廓曲線偏置直動尖頂從動件盤形凸輪輪廓的設(shè)計33 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計第28頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四滾子從動件盤形凸輪輪廓的設(shè)計33 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計第29頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四擺動推桿盤形凸輪廓線的設(shè)計1）擺動尖頂推桿盤形凸輪廓線的設(shè)計2）擺動滾子

15、推桿盤形凸輪廓線的設(shè)計3）擺動平底推桿盤形凸輪廓線的設(shè)計 結(jié)論 擺動尖頂推桿盤形凸輪廓線的設(shè)計方法與直動尖頂推桿盤形凸輪廓線的設(shè)計方法基本類似，所不同的是推桿的預(yù)期運動規(guī)律及作圖設(shè)計中都要用到推桿的角位移 表示，即將直動推桿的各位移方程中的位移s改為角位移 , 行程h改為角行程，就可用來求擺動推桿的角位移了。第30頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四解析法設(shè)計凸輪輪廓曲線偏置直動滾子從動件盤形凸輪輪廓的設(shè)計建立凸輪轉(zhuǎn)軸中心的坐標系xOy根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，凸輪以w轉(zhuǎn)過j角；B點坐標為上式即為凸輪理論廓線方程實際廓線與理論廓線在法線上相距滾子半徑rT，則推出式中取“”號時為內(nèi)等距

16、曲線，取“”號時為外等距曲線33 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計第31頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四擺動滾子從動件盤形凸輪輪廓的設(shè)計 取擺桿的軸心A0與凸輪軸心O之連線為坐標系的y軸，Bo點是擺動桿的推程起始位置，擺動桿與y軸的夾角為初始角。根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，得出B點坐標。其中33 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計第32頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四凸輪輪廓的加工凸輪輪廓的加工方法通常有兩種1.銑、銼削加工 對用于低速、輕載場合的凸輪，可以應(yīng)用反轉(zhuǎn)法原理在未淬火凸輪輪坯上通過作圖法繪制輪廓曲線，采用銑床或用手工銼削辦法加工而成。必要時可進行淬火處理，但用這種方法則凸輪的

17、變形難以得到修正。2.數(shù)控加工 采用數(shù)控線切割機床對淬火凸輪進行加工，這是目前最常用的一種凸輪加工方法。加工時應(yīng)用解析法，求出凸輪輪廓曲線的x,y坐標，并將xOy坐標系的原點換算成切割時的起點，而滾子半徑相當于鉬絲半徑再加上放電間隙。33 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計第33頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四第三章 凸輪機構(gòu)設(shè)計31 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和分類32 從動件的常用運動規(guī)律33 盤狀凸輪輪廓的設(shè)計34 設(shè)計凸輪機構(gòu)應(yīng)注意的問題第34頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四一、 凸輪機構(gòu)的壓力角 由圖知，壓力角a愈大，有效分力y愈小，有害分力 愈大。當 角大到某一

18、數(shù)值時，必將會出現(xiàn)FyFx的情況。這時，不論施加多大的Fn力，都不能使從動件運動，這種現(xiàn)象稱為自鎖。因此，為了保證凸輪機構(gòu)的正常工作，必須對凸輪機構(gòu)的壓力角進行限制。推薦壓力角數(shù)值移動從動件 =30擺動從動件 =45回程中，一般不會有自鎖現(xiàn)象，壓力角取值為 =708034 設(shè)計凸輪機構(gòu)應(yīng)注意的問題凸輪機構(gòu)中的壓力角圖解 凸輪機構(gòu)的壓力角是指推桿所受正壓力的方向與推桿上點 B的速度方向之間所夾的銳角， 它是影響凸輪機構(gòu)受力情況的一個重要參數(shù)。常以表示。第35頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期四基圓半徑的確定（P54） 從傳動效率來看，壓力角越小越好，但壓力角減小將導(dǎo)致凸輪尺寸增加，因此在設(shè)計凸輪時要權(quán)衡兩者的關(guān)系，使設(shè)計達到合理。A點:即(式A)在ABD中導(dǎo)路在凸輪軸的左邊時，式中分子部分取“”，凸輪順時針轉(zhuǎn)動時，符號取法與上述相反34 設(shè)計凸輪機構(gòu)應(yīng)注意的問題第36頁，共39頁，2022年，5月20日，3點22分，星期