任務(wù)3.2 凸輪機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)

《機(jī)械分析與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》

情境3常用機(jī)械機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)任務(wù)3.2凸輪機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)

任務(wù)3.2凸輪機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)氣缸體1活塞2進(jìn)氣閥3排氣閥4連桿5曲軸6凸輪7頂桿8齒輪10配氣機(jī)構(gòu)引導(dǎo)問題：內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的組成？1.任務(wù)條件

已知內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)，如圖3-2-2所示。從動件（頂桿）的運(yùn)動位移曲線如圖3-2-0所示、凸輪的基圓半徑為r0

。2.任務(wù)要求

根據(jù)“反轉(zhuǎn)法”原理，用圖解法設(shè)計(jì)平底從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪輪廓曲線?！鞠逻_(dá)任務(wù)】圖3-2-0從動件運(yùn)動的位移曲線圖3-2-2內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)

【能力目標(biāo)】1.了解凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用及分類。2.學(xué)會常用從動件運(yùn)動規(guī)律。3.學(xué)會圖解法設(shè)計(jì)盤形凸輪輪廓曲線。4.了解凸輪設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題。5

知識導(dǎo)航內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)一、凸輪機(jī)構(gòu)的組成

1.凸輪1——具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件。

2.從動件2——被凸輪直接推動的構(gòu)件。

3.機(jī)架——相對于支撐物體固定不動的構(gòu)件。下一頁3.2.1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用1.優(yōu)點(diǎn)（1）可使從動件得到各種預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律。（2）結(jié)構(gòu)緊湊。2.缺點(diǎn)（1）高副接觸，易于磨損，多用于傳遞力不太大的場合。（2）加工比較困難。（3）從動件行程不宜過大，否則會使凸輪變得笨重。二、凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)三、凸輪機(jī)構(gòu)的工程應(yīng)用實(shí)例1.內(nèi)燃機(jī)中的配氣機(jī)構(gòu)2.繞線機(jī)中的排線機(jī)構(gòu)

3.自動機(jī)床的進(jìn)刀機(jī)構(gòu)4.仿形加工機(jī)構(gòu)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，可以在未淬火的凸輪輪坯上通過圖解法繪制出輪廓曲線，采用銑床或手工銼削方法加工而成。對于大批量生產(chǎn)的還可采用仿形加工。（2）數(shù)控加工

即采用數(shù)控線切割機(jī)床對淬火凸輪進(jìn)行加工，此種加工方法是目前常用的一種加工凸輪方法。應(yīng)用專用編程軟件，用數(shù)控線切割機(jī)床切割而成，此方法加工出的凸輪精度高，適用于高速、重載的場合。

數(shù)控凸輪磨床四、凸輪的加工方法一、按凸輪的形狀分類盤形凸輪移動凸輪圓柱凸輪3.2.2凸輪機(jī)構(gòu)的分類二、按從動件端部結(jié)構(gòu)分類尖頂從動件滾子從動件平底從動件三、按從動件的運(yùn)動方式分類直動從動件擺動從動件對心直動從動件偏置直動從動件四、按凸輪與從動件保持接觸的方式（鎖合方式）分類力鎖合形鎖合凹槽凸輪機(jī)構(gòu)等寬凸輪機(jī)構(gòu)等徑凸輪機(jī)構(gòu)3.2.3凸輪的結(jié)構(gòu)一、凸輪的結(jié)構(gòu)型式2.凸輪在軸上的固定方式凸輪軸圓錐銷聯(lián)接

圓錐銷和螺母聯(lián)接

平鍵聯(lián)接3.凸輪的工作圖案例

常用的材料有：55、20Cr、18CrMnTi或T9、T10等并經(jīng)過表面淬火處理。

合理地選擇凸輪的材料，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，使?jié)L子和凸輪的工作表面具有較高的硬度和耐磨性，而芯部具有較好的韌性。3.2.4凸輪的結(jié)構(gòu)與材料223.2.5凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程和基本術(shù)語r0hB’otΦsΦsΦsΦ'sΦ'sΦΦΦ'Φ'ωADCB從動件的位移線圖

主動件凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動，從動件上下移動。

從動件移動規(guī)律：

升—?！怠Ｒ弧⑦\(yùn)動過程1.基圓以凸輪輪廓的最小向徑rb為半徑所作的圓。二、名詞術(shù)語及符號2.推程（升程）

當(dāng)凸輪以等角速度ω逆時(shí)針轉(zhuǎn)過δ0角時(shí)，從動件由最低位置A被到最高位置B的運(yùn)動過程.

相應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角δ0稱為推程角3.遠(yuǎn)停程當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過δ01角時(shí)，從動件處于最高位置靜止不動的過程。相應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角δ01稱為遠(yuǎn)休止角4.回程當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過δ0’角時(shí)，從動件由最高位置C回到最低位置D的運(yùn)動過程,

相應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角δ0’

’

稱為回程角。5.近停程當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過δ02’角時(shí)，從動件處于最低位置靜止不動的過程，相應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角δ02稱為近休止角6.升程從動件在推程或回程時(shí)移動的距離主動件凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動，從動件上下移動。

三、工作過程分析以尖頂移動從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)為例：

從動件移動規(guī)律：

升—?！怠膭蛹灰凭€圖r0hB’otδsδ01δ01δ02δ02δ0δ0δ’0δ’0ωADCB

以縱坐標(biāo)代表從動件位移s2

，橫坐標(biāo)代表凸輪轉(zhuǎn)角δ1或t，所畫出的位移與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系曲線。上升—?！怠?/p>

從動件位移線圖決定于凸輪輪廓曲線的形狀。一、從動件的運(yùn)動規(guī)律的概念從動件的位移（S）、速度（V）和加速度（a）隨時(shí)間（t）或凸輪轉(zhuǎn)角（δ）的變化規(guī)律。二、運(yùn)動規(guī)律的表示方法①從動件運(yùn)動方程：S=S(t）S=S(δ）

V=V(t)V=V(δ)a=a(t)a=a(δ)②從動件運(yùn)動線圖3.2.6從動件的常用運(yùn)動規(guī)律1.勻速運(yùn)動規(guī)律（直線運(yùn)動規(guī)律）從動件在推程（上升）或回程（下降）的速度V為一常數(shù)特點(diǎn)：適用于低速輕載的場合從動件在運(yùn)動的開始和終止的速度有突變，瞬時(shí)加速度趨于無大，產(chǎn)生大慣性，有剛性沖擊三、常用的從動件運(yùn)動規(guī)律2.勻加速勻減速運(yùn)動規(guī)律（拋物線運(yùn)動規(guī)律）

從動件在運(yùn)動過程的前半程勻加速運(yùn)動，后半程作勻減速運(yùn)動，兩部分加速度的絕對值相等的運(yùn)動規(guī)律特點(diǎn)：從動件在運(yùn)動的始中末三個(gè)瞬時(shí)，加速度有突變，引起柔性沖擊適用于中低速輕載的場合3.簡諧運(yùn)動規(guī)律（余弦加速度運(yùn)動規(guī)律）特點(diǎn)：

當(dāng)從動件只作升—降——升（休止角為零）運(yùn)動時(shí)，其加速度為一連續(xù)的光滑曲線，運(yùn)動中消除了柔性沖擊，這種情況適用于高速。速度和加速度都是連續(xù)曲線

在推程和回程的起點(diǎn)、終點(diǎn)加速度有突變，要產(chǎn)生柔性沖擊。適用于中、低速中載的場合四、從動件運(yùn)動規(guī)律的選擇盡量選用使凸輪輪廓曲線易于加工的運(yùn)動規(guī)律

只要求從動件完成一定的行程h或φ，應(yīng)采用易于加工的曲線作為凸輪輪廓曲線對凸輪機(jī)構(gòu)從動件的運(yùn)動規(guī)律有嚴(yán)格要求時(shí)必須按照機(jī)器所要求的運(yùn)動規(guī)律來選擇①盡可能選用加速度曲線連續(xù)的運(yùn)動規(guī)律，同時(shí)還應(yīng)考慮從動件不同的運(yùn)動形式②對質(zhì)量較大從動件應(yīng)選擇vmax較小的運(yùn)動規(guī)律③對高速運(yùn)動的凸輪機(jī)構(gòu)，應(yīng)選擇amax值較小的運(yùn)動規(guī)律1.工作要求2.動力特性3.凸輪輪廓的加工36一、凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角1.壓力角與作用力的關(guān)系

所謂凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角，是指在不計(jì)摩擦的情況下，凸輪對從動件作用力的方向與從動件上受力點(diǎn)速度方向之間所夾的銳角。nneOBωαr0FV3.2.7凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的其他問題工程上要求：αmax

≤[α]直動推桿：[α]＝30°擺動推桿：[α]＝35°～45°回程：[α]’＝70°～80°推程nneOBωαr0FF′F"F'=FcosαF"=Fsinα----有利于從動件運(yùn)動的分力----不利于從動件運(yùn)動的分力αF'F"提問：平底從動件α＝？00nnvOωr0【討論】平底從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角。

壓力角為零或一定值。結(jié)論：當(dāng)平底與從動件運(yùn)動方向垂直時(shí)，壓力角恒為0，當(dāng)平底與從動件運(yùn)動方向不是垂直時(shí)，壓力角就不為0了。所以得分情況討論！二、基圓半徑的確定盤形凸輪的最小基圓半徑主要受到三個(gè)條件的限制：

①凸輪的基圓半徑應(yīng)大于凸輪軸的半徑

②αmax≤［α］③ρ＞rT基圓半徑的確定辦法②諾模圖法①根據(jù)凸輪的結(jié)構(gòu)確定當(dāng)凸輪與軸分開制造時(shí)，當(dāng)凸輪與軸做成一個(gè)凸輪軸時(shí)，式中：r――制作凸輪處軸的半徑，mm；

rn――凸輪輪轂外圓半徑，mm，一般；

rT――滾子半徑，mm。若從動件不帶滾子。40【提問】在設(shè)計(jì)一對心凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)α≥[α]

的情況，在不改變運(yùn)動規(guī)律的前提下，可采取哪些措施來進(jìn)行改進(jìn)？（1）加大基圓半徑r0。（2）將對心改為偏置。（3）采用平底從動件；解析法設(shè)計(jì)方法圖解法（主要介紹）計(jì)算復(fù)雜精度高簡單直觀精度低3.2.8盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)

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-ωω

給整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)加上一個(gè)與凸輪轉(zhuǎn)動的角速度ω大小相等、方向相反的角速度－ω，此時(shí)凸輪不動，從動件一方面隨導(dǎo)路以－ω繞軸轉(zhuǎn)動，另一方面又在導(dǎo)路中按預(yù)定的運(yùn)動規(guī)律作往復(fù)移動。由于從動件的尖頂始終與凸輪輪廓相接觸，其尖頂?shù)倪\(yùn)動軌跡就是凸輪輪廓曲線。反轉(zhuǎn)法原理一、凸輪輪廓設(shè)計(jì)的圖解法原理-反轉(zhuǎn)法二、對心尖頂移動從動件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)基圓半徑Rb1.選與位移線圖一致的比例作凸輪的基圓；2.將基圓分成與位移線圖中相對應(yīng)的等份；3.分別自基圓圓周向外量取從動件位移線圖中相應(yīng)的位移量；4.光滑連接各點(diǎn)即為所求的凸輪輪廓。

已知，如圖eA-ωωO

偏置直動尖頂推桿凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑r0=300mm

，角速度ω和推桿的運(yùn)動規(guī)律和偏心距e=100mm，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。二、偏置直動尖頂從動件盤形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)sδ60°120°90°90°1’3’5’7’8’1357891113159’11’13’12’14’12345678k1k2k3k5k4k6k7k81514131211109k9k10k11k12k13k14k151’2’3