課程設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)

1、概述 常用從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 盤形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)與加工方法 凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定,項(xiàng)目三 凸輪機(jī)構(gòu),（一）教學(xué)要求 1、了解凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)、類型及應(yīng)用。 2、掌握凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律 3、掌握凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)。 4、熟悉凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定。 （二）教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn) 凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律及凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)。,（一）凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用,凸輪機(jī)構(gòu)由凸輪1、從動(dòng)件2、機(jī)架3三個(gè)基本構(gòu)件組成，是一種高副機(jī)構(gòu)。其中凸輪是一個(gè)具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，通常作連續(xù)等速轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件則在凸輪輪廓的控制下按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作往復(fù)移動(dòng)或擺動(dòng)。,一、概述,1. 組成,2. 特點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn):只要正確地

2、設(shè)計(jì)和制造出凸輪的輪廓曲線，就能實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件所預(yù)期的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)；凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、運(yùn)動(dòng)可靠。,缺點(diǎn):凸輪與從動(dòng)件之間為點(diǎn)或線接觸，故難以保持良好的潤滑，容易磨損。,凸輪機(jī)構(gòu)通常適用于傳遞動(dòng)力不大的機(jī)械中。尤其廣泛應(yīng)用于自動(dòng)機(jī)械、儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。,3. 應(yīng)用：,內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu),靠模車削機(jī)構(gòu),2,3,4,自動(dòng)機(jī)床上的走刀機(jī)構(gòu),1,2,（二）凸輪機(jī)構(gòu)的分類,（1）盤形凸輪 盤形凸輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，但限于凸輪徑向尺寸不能變化太大，故從動(dòng)件的行程較短。 （2）移動(dòng)凸輪 其凸輪是具有曲線輪廓、作往復(fù)直線移動(dòng)的構(gòu)件，可看成是轉(zhuǎn)動(dòng)軸線位于無窮遠(yuǎn)處的盤形凸輪。 （3）圓柱凸輪 其凸輪是

3、圓柱面上開有凹槽的圓柱體，可看成是繞卷在圓柱體上的移動(dòng)凸輪，利用它可使從動(dòng)件得到較大的行程。,1.按凸輪的形狀分,（1）尖頂從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但從動(dòng)件尖頂易磨損，故只能用于輕載低速場(chǎng)合。 （2）滾子從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu) 其磨損顯著減少，能承受較大載荷，應(yīng)用較廣。但端部重量較大，又不易潤滑，故仍不宜用于高速，只能用于中低速。 （3）平底從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu) 若不計(jì)摩擦，凸輪對(duì)從動(dòng)件的作用力始終垂直于平底，傳力性能良好，且凸輪與平底接觸面間易形成潤滑油膜，摩擦磨損小、效率高，故可用于高速，缺點(diǎn)是不能用于凸輪輪廓有內(nèi)凹的情況。,2.按從動(dòng)件末端形狀分,（1）力鎖合凸輪機(jī)構(gòu) 依靠重力、彈簧力或其

4、他外力來保證鎖合，如內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)。,（1）移動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu) 按其從動(dòng)件導(dǎo)路是否通過凸輪回轉(zhuǎn)中心分為對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件和偏置移動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)。,3.按鎖合方式分,4.按從動(dòng)件相對(duì)機(jī)架的運(yùn)動(dòng)方式分,（2）擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu),（2）形鎖合凸輪機(jī)構(gòu) 依靠凸輪和從動(dòng)件幾何形狀來鎖合。,移動(dòng)從動(dòng)件,擺動(dòng)從動(dòng)件,一對(duì)心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪上有一最小向徑，以最小向徑r。為半徑所作的圓稱凸輪基圓，r。稱基圓半徑，凸輪以等角速度1逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程如下：,二、常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律,（一）平面凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸及運(yùn)動(dòng)參數(shù),凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程,升停降停,從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：是指其位移s、速度

5、v和加速度a等隨凸輪轉(zhuǎn)角 而變化的規(guī)律。常用的從動(dòng)件運(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、余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律、正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。,凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪的輪廓形狀決定了從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，反之，從動(dòng)件的不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求凸輪具有不同形狀的輪廓。因此，設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)工作要求確定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，再據(jù)此來設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線。,（二）常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律,從動(dòng)件在推程始末兩處，速度有突變，瞬時(shí)加速度理論上為無窮大，因而產(chǎn)生理論上無窮大的慣性力，對(duì)機(jī)構(gòu)造成強(qiáng)烈的沖擊，這種沖擊稱為“剛性沖擊”。因此，等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律只能用于低速輕載的場(chǎng)合。,從動(dòng)件在推程或回程過程中的運(yùn)動(dòng)速度為常數(shù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

6、。,1.等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律：,在推程的始末點(diǎn)和前、后半程的交接處，產(chǎn)生“柔性沖擊”或“軟沖”。因此這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律只適用于中速、中載的場(chǎng)合。,從動(dòng)件在一個(gè)行程中，前半行程作等加速運(yùn)動(dòng)，后半行程作等減速運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。,2.等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,在推程始末點(diǎn)處仍存在“軟沖”，因此只適用于中、低速。 但若從動(dòng)件作無停歇的升降升型連續(xù)運(yùn)動(dòng)，則加速度曲線為光滑連續(xù)的余弦曲線，消除了“軟沖”，故可用于高速。,從動(dòng)件加速度按余弦規(guī)律變化的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。,3.余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律,4、正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律,運(yùn)動(dòng)特征：沒有沖擊，故可用于高速。,從動(dòng)件加速度按正弦規(guī)律變化的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。,凸輪機(jī)構(gòu)的主要失效形式是磨損和疲勞點(diǎn)蝕，因此

7、要求凸輪和滾子的工作表面硬度高，具有良好的耐磨性，心部有良好的韌性。,（三）凸輪和滾子的材料,低速、輕載時(shí)，可以選用鑄鐵。中速、中載時(shí)可以選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金鋼，并經(jīng)表面淬火或滲碳淬火，達(dá)到一定硬度。高速、重載時(shí)可用優(yōu)質(zhì)合金鋼，并經(jīng)表面淬火或滲氮處理。,滾子材料用合金鋼材料，經(jīng)滲碳淬火，達(dá)到較大表面硬度。,1.凸輪的材料,2.滾子的材料,三、盤形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)與加工方法,設(shè)計(jì)一般精度凸輪時(shí)常被采用圖解法。而設(shè)計(jì)高精度凸輪，則必須用解析法，但計(jì)算復(fù)雜。本節(jié)主要討論圖解法。,設(shè)計(jì)方法：,1.圖解法 2.解析法,基本原理：,反轉(zhuǎn)法原理,給整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)加上一個(gè)與凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度數(shù)值相等、方向相反的“-

8、”角速度。各構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)并不改變，但凸輪視為靜止，從動(dòng)件隨導(dǎo)路以角速度繞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)沿導(dǎo)路按預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律作往復(fù)移動(dòng)。從動(dòng)件尖頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡即為凸輪的輪廓。,（一）反轉(zhuǎn)法原理,（二）作圖法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線,已知基圓半徑、凸輪轉(zhuǎn)向、從動(dòng)件位移曲線,1.對(duì)心尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線,4.光滑連接各點(diǎn)即為所求的凸輪輪廓。,作圖步驟如下,1.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(duì)應(yīng)的等份；,3.自基圓圓周向外量取位移線圖中相應(yīng)位移量 ；,實(shí)際輪廓曲線,理論輪廓曲線,2.滾子從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì),3.偏置尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲

9、線設(shè)計(jì),已知偏距e、基圓半徑、凸輪轉(zhuǎn)向、從動(dòng)件位移曲線,四、凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定,設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)，不僅要保證從動(dòng)件能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，還須使設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)傳力性能良好，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足強(qiáng)度和安裝等要求。為此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意處理好下述問題。,1.滾子半徑的選擇,2.凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角,3.凸輪基圓半徑的確定,（一）凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角,壓力角：不計(jì)摩擦?xí)r，凸輪對(duì)從動(dòng)件的作用力（法向力）與從動(dòng)件上受力點(diǎn)速度方向所夾的銳角。,將從動(dòng)件所受力F分解為兩個(gè)力 ：,F1是推動(dòng)從動(dòng)件移動(dòng)的有效分力，隨著的增大而減??；F2是引起導(dǎo)路中摩擦阻力的有害分力，隨著的增大而增大。當(dāng) 增大到一定值時(shí)，有引起的摩擦阻力超過有效分力，

10、此時(shí)凸輪無法推動(dòng)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖?？梢?，從傳力合理、提高傳動(dòng)效率來看，壓力角越小越好。在設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí), 應(yīng)使最大壓力角max。凸輪機(jī)構(gòu)的許用壓力角可取如下數(shù)值: 推程時(shí)，移動(dòng)從動(dòng)件 =3040, 擺動(dòng)從動(dòng)件 =4550； 回程時(shí)，通常取 =7080。,（二）凸輪基圓半徑的確定,基圓半徑愈小，壓力角愈大；反之，壓力角則愈小。因此，在選取基圓半徑時(shí)應(yīng)注意：,2.在結(jié)構(gòu)空間允許條件下，可適當(dāng)將基圓半徑取大些，以利于改善機(jī)構(gòu)的傳力性能，減少磨損和減少凸輪廓線的制造誤差。,1.滾子從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，在保證從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)不失真的前提下，可將基圓半徑取小些。,（三）滾子半徑的選擇,1.對(duì)于外凸的凸輪廓線

11、,實(shí)際輪廓為光滑曲線,實(shí)際廓線出現(xiàn)尖點(diǎn),實(shí)際輪廓相交而造成從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)失真,2.對(duì)于內(nèi)凹的凸輪廓線,實(shí)際輪廓為光滑曲線,1、凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和類型及應(yīng)用。 2、凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 3、凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)。 4、凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定。,總 結(jié),1.從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，基圓半徑越大，壓力角（ ）。 2、凸輪機(jī)構(gòu)在從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律不變的情況下，如果（ ）基圓半徑，最大壓力角減小。 3、為改善凸輪機(jī)構(gòu)的傳力性能，應(yīng)減小凸輪輪廓的壓力角，為此設(shè)計(jì)凸輪時(shí)應(yīng)（ ）基圓半徑。 4、滾子從動(dòng)件盤形凸輪的理論廓線最小曲率半徑（ ）滾子半徑時(shí)，會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)失真現(xiàn)象。,復(fù)習(xí)思考題,5、凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律與凸輪的（ ）有關(guān)。 （a）實(shí)際廓線 （b）理論廓線 （c） 表面硬度 6、當(dāng)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律已定時(shí)，凸輪的基圓半徑r0與壓力角的關(guān)系為：( ) （a）r0越大越大 （b）r0越大越小 （c）r0與無關(guān) 7、設(shè)計(jì)滾子從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，如實(shí)際輪廓上出現(xiàn)尖點(diǎn)，將可能出現(xiàn)什么后果？面對(duì)這一實(shí)際結(jié)果，設(shè)計(jì)上應(yīng)如何加