機(jī)械基礎(chǔ) 課件 模塊三任務(wù) 壓力機(jī)送料機(jī)構(gòu)中凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)1.了解凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用與特點(diǎn)、組成與分類；2.掌握從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；3.掌握反轉(zhuǎn)法原理。能力目標(biāo)1.能根據(jù)選定的凸輪類型和從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線。2.能正確選擇凸輪機(jī)構(gòu)的材料。素養(yǎng)目標(biāo)1.培養(yǎng)學(xué)生標(biāo)準(zhǔn)意識(shí)和規(guī)范意識(shí)；2.培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心、愛崗敬業(yè)、精益求精的工匠精神。模塊三凸輪機(jī)構(gòu)任務(wù)

壓力機(jī)送料機(jī)構(gòu)中凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)【學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)】1.從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；2.反轉(zhuǎn)法原理；3.尖頂對心直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)；4.滾子對心直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪廓線設(shè)計(jì)；5.凸輪壓力角的校核與基圓半徑的選擇；6.凸輪機(jī)構(gòu)的材料與結(jié)構(gòu)?！鞠嚓P(guān)知識(shí)】一、凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用與特點(diǎn)、組成與分類（一）凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用與特點(diǎn)

凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，在機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用廣泛，如圖所示。

凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)如下：

（1）凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。

（2）改變凸輪的輪廓曲線，可實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

（3）凸輪機(jī)構(gòu)可作高速運(yùn)動(dòng)，且動(dòng)作準(zhǔn)確、可靠。

（4）凸輪機(jī)構(gòu)屬于高副機(jī)構(gòu)，在接觸處潤滑不良，容易磨損。內(nèi)燃機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)圖自動(dòng)機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)（二）凸輪機(jī)構(gòu)的組成與分類

1.凸輪機(jī)構(gòu)的組成

如圖所示，凸輪機(jī)構(gòu)由凸輪1、從動(dòng)件2和機(jī)架3三個(gè)構(gòu)件組成。凸輪為主動(dòng)件，作等速轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件隨凸輪輪廓的變化作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。凸輪機(jī)構(gòu)的組成2.凸輪機(jī)構(gòu)的分類（1）按凸輪形狀分

按凸輪的形狀可分為盤形凸輪、圓柱凸輪和移動(dòng)凸輪。（a）盤形凸輪（b）圓柱凸輪（c）移動(dòng)凸輪靠模車削凸輪機(jī)構(gòu)（2）按從動(dòng)件末端形狀分

按從動(dòng)件末端形狀可分為尖頂從動(dòng)件、平底從動(dòng)件、滾子從動(dòng)件三種。（a）尖頂從動(dòng)件（b）平底從動(dòng)件（c）滾子從動(dòng)件（3）按從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)形式分

按從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)形式可分為直動(dòng)從動(dòng)件、擺動(dòng)從動(dòng)件。（a）直動(dòng)從動(dòng)件（b）擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程二、從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（一）凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程及有關(guān)名稱

如圖所示的凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程圖中，從動(dòng)件在最低位置時(shí)尖頂在A點(diǎn)。1.基圓

以凸輪最小向徑作的圓稱為基圓，其半徑稱為基圓半徑，用

表示。2.推程、推程運(yùn)動(dòng)角

凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件尖端被凸輪輪廓由最低點(diǎn)推至最高點(diǎn)的過程，稱為推程。在推程過程中，凸輪所轉(zhuǎn)過的角度，稱為推程運(yùn)動(dòng)角，用

表示。3.行程

從動(dòng)件由最低點(diǎn)上升到最高點(diǎn)的距離，用h表示。4.遠(yuǎn)休止、遠(yuǎn)休止角

凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件尖端在最高點(diǎn)位置不動(dòng)的過程，稱為遠(yuǎn)休止。在遠(yuǎn)休止過程時(shí)，凸輪所轉(zhuǎn)過的角度，稱為遠(yuǎn)休止角，用

表示。5.回程、回程運(yùn)動(dòng)角

凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件尖端由最高點(diǎn)回到最低點(diǎn)的過程，稱為回程。在回程過程中，凸輪所轉(zhuǎn)過的角度，稱為回程運(yùn)動(dòng)角，用

表示。6.近休止、近休止角

凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件尖端在最低點(diǎn)位置不動(dòng)的過程，稱為近休止。在近休止過程時(shí)，凸輪所轉(zhuǎn)過的角度，稱為近休止角，用

表示。凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程（二）位移線圖

從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)過程，可用位移線圖表示，如圖所示。凸輪輪廓與從動(dòng)件位移曲線（三）從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是指從動(dòng)件的位移S、速度v以及加速度a隨凸輪轉(zhuǎn)角δ的變化規(guī)律。常見的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律、等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律、簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。1.等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律

當(dāng)凸輪以等角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件在推程或回程中的速度保持不變的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，稱為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（2）運(yùn)動(dòng)線圖

運(yùn)動(dòng)線圖如圖所示。位移線圖為－斜直線，速度線圖為一水平線，加速度線圖與水平坐標(biāo)軸重合。（a）推程

（b）回程運(yùn)動(dòng)線圖（3）運(yùn)動(dòng)特性分析

剛性沖擊：從動(dòng)件的瞬時(shí)加速度趨于無窮大時(shí)，慣性力也趨于無窮大，致使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，這種沖擊稱為剛性沖擊。（4）適用范圍：由于產(chǎn)生剛性沖擊，故只適用低速、輕載的凸輪機(jī)構(gòu)。2.等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律

當(dāng)凸輪以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件在推程或回程中，前半程為等加速運(yùn)動(dòng)，后半程為等減速運(yùn)動(dòng)，且加速度的絕對值相等的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，稱為等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（2）運(yùn)動(dòng)線圖（a）推程

（b）回程運(yùn)動(dòng)線圖（3）運(yùn)動(dòng)特性分析

柔性沖擊：從動(dòng)件的瞬時(shí)加速度發(fā)生有限值變化，慣性力也發(fā)生有限值變化，機(jī)構(gòu)由此受到的沖擊稱為柔性沖擊。（4）適用范圍：由于存在柔性沖擊，故僅適用中、低速場合。三、盤形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)

凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)方法有解析法和圖解法。本節(jié)只介紹圖解法。（一）圖解法設(shè)計(jì)凸輪的原理

圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓采用反轉(zhuǎn)法。反轉(zhuǎn)法（二）圖解法設(shè)計(jì)對心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線例：

已知凸輪基圓半徑rb=30mm，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在0°～120°范圍內(nèi)從動(dòng)件勻速上升20mm，在120°～180°范圍內(nèi)從動(dòng)件停止不動(dòng)，在180°～270°范圍內(nèi)從動(dòng)件勻速下降至半徑為30mm處，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)至原處。試?yán)L制此凸輪輪廓曲線。答案：凸輪輪廓曲線運(yùn)動(dòng)線圖（三）圖解法設(shè)計(jì)對心直動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線

對于如圖所示的對心移動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，可以將從動(dòng)件上滾子中心點(diǎn)假想為尖頂從動(dòng)件的尖頂，先依據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，作出從動(dòng)件做復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)滾子中心(假想尖頂)的軌跡，即圖中的點(diǎn)畫線曲線，此曲線稱為凸輪的理論輪廓曲線。以理論輪廓曲線上各點(diǎn)為圓心，以滾子半徑rr為半徑，作一系列的滾子圓，然后作這些滾子圓的內(nèi)包絡(luò)線，此包絡(luò)線即為所求的滾子從動(dòng)件凸輪輪廓曲線，稱為凸輪的實(shí)際輪廓曲線。（a）（b）對心直動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)四、凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定

凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸有：基圓半徑r0、滾子半徑rr、偏距e、移動(dòng)從動(dòng)件導(dǎo)路長度、擺動(dòng)從動(dòng)件的擺桿長度l和中心距a。1.凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角

如圖所示，為尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)在推程的一個(gè)位置，不計(jì)摩擦?xí)r，凸輪與從動(dòng)件在某瞬時(shí)接觸點(diǎn)處的公法線方向與從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方向之間所夾的銳角α稱為凸輪機(jī)構(gòu)在該位置的壓力角。F1是沿著從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方向的有效分力，F(xiàn)2只是使從動(dòng)件與導(dǎo)路間的正壓力增大，從而使摩擦力增大，因而是有害分力。上式表明，在驅(qū)動(dòng)力F一定的條件下，壓力角α越大，有害分力越大，機(jī)構(gòu)的效率就越低。當(dāng)壓力角α增大到某一值時(shí)，有害分力F2所引起的摩擦阻力將大于有效分力F1，這時(shí)無論凸輪給從動(dòng)件的作用力F有多大，都不能推動(dòng)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)，即機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖（卡死）現(xiàn)象，而此時(shí)的壓力角稱為臨界壓力角。為了提高機(jī)構(gòu)效率、改善傳力性能，確定凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸時(shí)務(wù)必使其最大壓力角αmax小于或等于許用壓力角[α]。根據(jù)理論力學(xué)分析和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，壓力角的許用值如下:對于移動(dòng)從動(dòng)件，在推程時(shí)[a]=30°～38°；對于擺動(dòng)從動(dòng)件，在推程時(shí)[a]=40°～45°；對于靠彈簧力復(fù)位的移動(dòng)或擺動(dòng)從動(dòng)件，在回程時(shí)可取[a]=70°～80°。2.凸輪基圓半徑的確定設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，除了應(yīng)使機(jī)構(gòu)具有良好的傳動(dòng)性能外，還希望機(jī)構(gòu)緊湊。在其它條件都不變的情況下，若把基圓半徑增大，則凸輪的尺寸也將隨之增大，因此，要使機(jī)構(gòu)緊湊就應(yīng)當(dāng)選用較小的基圓半徑。但是，基圓半徑減小會(huì)引起壓力角增大。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，還需根據(jù)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的需要確定凸輪的基圓半徑r0。如果安裝凸輪的軸的半徑已確定，則凸輪安裝到軸上時(shí)，其實(shí)際輪廓的最小半徑必須大于輪轂半徑。如果凸輪與軸做成一體，則其實(shí)際輪廓的最小半徑必須大于軸的半徑，通常取r0=(1.6～2.0)rs，rs為軸的半徑。3.滾子半徑的確定設(shè)計(jì)滾子從動(dòng)件時(shí)若從強(qiáng)度和耐用性考慮，滾子的半徑應(yīng)取大些。滾子半徑取大時(shí)，對凸輪的實(shí)際輪廓曲線影響很大，有時(shí)甚至使從動(dòng)件不能完成預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（a）（b）（c）（d）（1）凸輪理論輪廓的內(nèi)凹部分(2)凸輪理論輪廓的外凸部分當(dāng)ρa(bǔ)＞ρ-rr時(shí)，則有ρa(bǔ)＞0，實(shí)際輪廓曲線為一平滑的曲線。這種情況屬于正常。

當(dāng)ρa(bǔ)=ρ-rr時(shí)，則有ρa(bǔ)=0

，凸輪實(shí)際輪廓曲線出現(xiàn)了尖點(diǎn)。這種尖點(diǎn)極易磨損，磨損后就會(huì)改變從動(dòng)件預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而影響凸輪機(jī)構(gòu)的工作壽命。當(dāng)ρa(bǔ)＜ρ-rr時(shí)，則有ρa(bǔ)＜0，凸輪實(shí)際輪廓曲線不僅出現(xiàn)尖點(diǎn)，而且相交，圖中陰影部分的輪廓在實(shí)際加工中被切去，使從動(dòng)件工作時(shí)不能到達(dá)預(yù)定的工作位置，無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這種現(xiàn)象稱為運(yùn)動(dòng)失真。

結(jié)論：滾子半徑rr不宜過大，否則產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)失真；但滾子半徑也不宜過小，否則凸輪與滾子接觸應(yīng)力過大且難以裝在軸上。

因此，一般推薦rr≤0.8ρmin，若從結(jié)構(gòu)上考慮，可使rr=(0.1～0.15)r0,為了避免出現(xiàn)尖點(diǎn)，一般要求ρa(bǔ)＞3～5mm。五、凸輪機(jī)構(gòu)的材料與結(jié)構(gòu)

當(dāng)載荷不大、低速時(shí)可選用HT250、HT300、