第4章 凸輪機構

1、1 第 4 章 凸 輪 機 構 (cam mechanism) 機械設計基礎機械設計基礎 2 基本要求基本要求 了解了解 凸輪機構的基本結構特點、類型及應用凸輪機構的基本結構特點、類型及應用 掌握掌握 從動件常用運動規(guī)律從動件常用運動規(guī)律的特點及適用場合的特點及適用場合 掌握掌握 凸輪機構凸輪機構基本尺寸設計基本尺寸設計的原則的原則 熟練掌握熟練掌握 應用應用反轉(zhuǎn)法反轉(zhuǎn)法原理設計平面原理設計平面凸輪凸輪 輪廓曲線輪廓曲線。 2 O 8 7 6 5 4 3 2 1 r0 3 4-1 概述 - 凸輪機構的應用和類型 一、應用 內(nèi)燃機配氣凸輪機構 動畫 5 自動送料機構 動畫 主動件 凸輪 連續(xù)等速

2、轉(zhuǎn)動； 從動件 連續(xù)或間歇的往復移動或擺動 4-1 概述 - 凸輪機構的應用和類型 凸輪：凸輪： 曲線輪廓或凹槽的曲線輪廓或凹槽的 構件。構件。 通過點或線接觸推通過點或線接觸推 動從動件，使其得動從動件，使其得 到到任意任意預期的運動預期的運動 規(guī)律。規(guī)律。 一、應 用 6 盤形凸輪盤形凸輪 最基本型式 移動凸輪 ：可看作一種盤形凸輪 圓柱凸輪 - 空間 二、凸輪機構的分類 1、按凸輪的形狀按凸輪的形狀 7 自動車床凸輪機構自動車床凸輪機構 圓柱凸輪輸送機圓柱凸輪輸送機 8 2、按 從動件的形狀 分 A、尖頂尖頂從動件：良好接觸性 易磨損 受力不大的低速凸輪機構 B、滾子滾子從動件：耐磨損，

3、承受較大載荷，最常用的型式 結構復雜，尺寸大，不宜潤滑 低速和中速傳力較大的場合 C、平底平底從動件 9 A、直動從動件： 往復直線運動 偏置直動從動件 對心直動從動件 3、按 從動件的運動形式 分 10 B、擺動從動件： 往復擺動 動畫 3、按 從動件的運動形式 分 11 4、從動件與凸輪保持接觸的方法從動件與凸輪保持接觸的方法 A、力封閉： 從動件的重力、彈簧力或其他外力 動畫 B、幾何形狀封閉： 凸輪或從動件的特殊幾何結構 動畫 力封閉幾何形狀封閉 12 凸輪機構的特點： 從動件運動規(guī)律任意但準確，結構簡單緊湊、設計方便。 凸輪輪廓與從動件之間為點接觸或線接觸，易于磨損， 用于傳力不大的

4、控制機構。 命名 對心尖頂直動從動件盤形凸輪機構 rb h S SS S D D0 B0 B s O （, t） 360 基圓基圓 基圓半徑 rb 推程運動角 行程 h 遠遠 休休 遠休止角s 回程運動角 近近 休休 近休止角 s B 位移曲線 三 基 本 術 語 14 擺擺 動動 從從 動動 件件 凸凸 輪輪 機機 構構 A max B1 B 從動件擺角從動件擺角 最大擺角最大擺角 最大擺角最大擺角 擺角 推程運動角推程運動角 C S S D 2 遠休止角遠休止角 回程運動角回程運動角 近休止角近休止角 o B max O1 O2 三 基 本 術 語 15 h 刀架進給凸輪機構刀架進給凸輪機

5、構 凸輪機構的運動學設計參數(shù)凸輪機構的運動學設計參數(shù) 凸輪凸輪 推程角推程角 遠停角遠停角 S 回程角回程角 近停角近停角 S 從動件的位移從動件的位移s、速度速度v、 加速度加速度a、躍度躍度j 凸輪機構的基本尺寸凸輪機構的基本尺寸 基圓基圓半徑半徑 rb 移動從動件凸輪機構的 移動從動件凸輪機構的偏距偏距 e 擺動從動件的擺動從動件的桿長桿長 l 中心距中心距 從動件從動件運動規(guī)律運動規(guī)律： s s(t) s( ) v v(t) v( ) a a(t) a( ) 運動規(guī)律運動規(guī)律 凸輪輪廓凸輪輪廓 一一對應一一對應 按運動規(guī)律按運動規(guī)律 凸輪輪廓凸輪輪廓 設計設計 Cam profile

6、Cam outline Law of motion 4-2 從動件的常用運動規(guī)律 17 一一 多項式運動規(guī)律多項式運動規(guī)律 1 1、勻速勻速 運動規(guī)律運動規(guī)律 （推程段）（推程段） 0 h s h v a 剛性沖擊剛性沖擊 適用于適用于 低速低速 輕載輕載 場合場合 推程的運動方程：推程的運動方程： h O S v O v O a 4-2 從動件的常用運動規(guī)律 始末兩瞬時：始末兩瞬時： 0 h s h v a 推程推程勻速勻速 運動規(guī)律運動規(guī)律 19 1 1 多項式運動規(guī)律多項式運動規(guī)律 2. 等加速等減速運動規(guī)律等加速等減速運動規(guī)律 （拋物線運動規(guī)律）（拋物線運動規(guī)律） 推程推程 等減速運動

7、等減速運動 2 2 2 h s 2 4 h v 2 2 4 h a 1 4 9 4 1 0 h 1 4 23560 s 0 v vmax 2/ 0 amax -amax a 2/ 0 j 2/ 柔性沖擊柔性沖擊 適用于低速場合適用于低速場合 4-2 從動件的常用運動規(guī)律 推程推程 等加速運動等加速運動 2 2 2 h s 2 4 h v 2 2 4 h a 推程推程 回程回程 ？ 回程回程 2 2 2 () s h sh 2 2 2 () s h s 推程推程 等減速段等減速段 等加速段等加速段 等加速段等加速段 等減速段等減速段 等加速等減速運動規(guī)律等加速等減速運動規(guī)律 1 1 多項式運動規(guī)

8、律多項式運動規(guī)律 3. 3 - 4 3 - 4 5 5 多項式運動多項式運動 (簡介) 543 6 15 10hs 特點： 無無 沖沖 擊擊 適用場合：高速、中載 4-2 從動件的常用運動規(guī)律 3-4-53-4-5多項式運動規(guī)律多項式運動規(guī)律 0 s 0 s h 23 二二 . 三角函數(shù)類運動規(guī)律三角函數(shù)類運動規(guī)律 1 余弦余弦 加速度加速度 運動規(guī)律運動規(guī)律 )cos(1 2 h s )sin( 2 h v )cos( 2 2 22 h a 1 2 3 4 5 6 0 s 1 2 3456 h 推程的開始和終止瞬時：推程的開始和終止瞬時： 從動件的加速度仍有突變從動件的加速度仍有突變 柔性沖

9、擊柔性沖擊 適用于適用于 中、低速中、低速 場合場合。 vmax a 1 2 3 456 amax -amax v 1 2 3456 cos 22 hh s ， 從動件的加速度按余弦規(guī)律變化從動件的加速度按余弦規(guī)律變化 余弦加速度（簡諧）運動規(guī)律余弦加速度（簡諧）運動規(guī)律 0 s 0 s h 加速度按正弦運動規(guī)律變化 ,t s v a ,t ,t h 654321 r s B AA0 運動特征： 沒有沖擊 2 2 正弦加速度正弦加速度 （擺線）（擺線） 運動規(guī)律運動規(guī)律 從動件運動規(guī)律的選擇原則 考慮因素： 對運動規(guī)律的要求 凸輪的轉(zhuǎn)速（動力特性和便于加工） 從動件運動規(guī)律的組合 1.滿足工作

10、對運動規(guī)律的特殊要求； 2.為避免剛性沖擊，位移曲線和速度曲線必須連續(xù)；而為避 免柔性沖擊，加速度曲線也必須連續(xù)。 3. 盡量減小速度和加速度的最大值。 從動件運動規(guī)律的選擇從動件運動規(guī)律的選擇 運動特性要求運動特性要求 動力學要求動力學要求 沖擊特性、最大速度、最大加速度、最大躍度沖擊特性、最大速度、最大加速度、最大躍度 常用運動規(guī)律性能比較常用運動規(guī)律性能比較 反轉(zhuǎn)法反轉(zhuǎn)法 4-3 圖解法設計平面凸輪輪廓 - 掌握 4-3 圖解法設計平面凸輪輪廓 - 掌握 圖解法的基本原理圖解法的基本原理 反轉(zhuǎn)法：相對運動原理 加上公共角速度，各構件間相對運動保持不變 ， 從動件從動件 一邊隨著機架以角速

11、度 - 繞 o 點轉(zhuǎn)動， 一邊在導路中往復移動 反轉(zhuǎn)后尖頂?shù)倪\動軌跡就是凸輪輪廓 2929 O 8 7 6 5 4 3 2 1 r0 rb O s 1 3 5 7 8 601209090 60 120 1 2 90 A 90 9 111315 1 3 5 7 89 11 13 12 14 10 1. 對心對心 尖頂尖頂 移動移動 從動件從動件 盤形盤形 凸輪凸輪 廓線的設計廓線的設計 已知凸輪的基圓半徑rb，凸輪角 速度和從動件的運動規(guī)律，設計該 凸輪輪廓曲線。 選比例尺l，作位移曲線 和基圓rb。 等分位移曲線及反向等分各運動角，確定反轉(zhuǎn)后對應 于各等分點的從動件的位置。 3 4 5 6 7

12、 8 1 8 7 6 5 4 3 2 10 11 9 12 13 14 14 13 12 1110 9 15 確定反轉(zhuǎn)后從動件尖頂在反轉(zhuǎn)后從動件尖頂在 各等分點占據(jù)的位置各等分點占據(jù)的位置。 設計步驟 將各尖頂點連接成一條光滑曲線。 一、盤 形 凸 輪 輪 廓 rb O A 2 2. 對心對心滾子滾子移動從動件盤形凸輪廓線的設計移動從動件盤形凸輪廓線的設計 已知凸輪的基圓半徑rb，滾子半徑rr、凸輪角速度和 從動件的運動規(guī)律，設計該凸輪輪廓曲線。 選比例尺l，作位移曲線和基圓rb。 等分位移曲線及反向等分各 運動角，確定反轉(zhuǎn)后對應于各等分點 的從動件的位置。 理論輪廓曲線理論輪廓曲線 實際輪廓

13、曲線實際輪廓曲線 s 1 3 5 7 8 601209090 9 111315 1 3 5 7 89 11 13 12 14 10 60 120 1 2 90 90 3 4 5 6 7 8 1 8 7 6 5 4 3 2 10 11 9 12 13 14 14 13 12 1110 9 15 確定反轉(zhuǎn)后從動件滾子中心 在各等分點占據(jù)的位置。 將各點連接成一條光滑曲線。 作滾子圓族滾子圓族及滾子圓族滾子圓族的內(nèi)(外)。 設計步驟 32 已知已知 凸輪的基圓半徑凸輪的基圓半徑rb， 角速度角速度 從動件的運動規(guī)律及偏心距從動件的運動規(guī)律及偏心距e， 設計該凸輪輪廓曲線。設計該凸輪輪廓曲線。 3 3

14、 偏置偏置移動從動件移動從動件 盤形凸輪盤形凸輪 廓線的設廓線的設 計計 凸輪理論廓線設計的基本原理凸輪理論廓線設計的基本原理 反轉(zhuǎn)法反轉(zhuǎn)法 0 s 0 s h s o 34 e A 選比例尺選比例尺 l，作位移曲線、基圓作位移曲線、基圓rb和和偏距圓偏距圓e。 等分位移曲線及反向等分各運動角，確等分位移曲線及反向等分各運動角，確 定反轉(zhuǎn)后對應于各等分點的從動件的位置。定反轉(zhuǎn)后對應于各等分點的從動件的位置。 O 6 1 2 3 4 5 7 8 14 13 12 11 10 9 確定反轉(zhuǎn)后從動件尖頂在各確定反轉(zhuǎn)后從動件尖頂在各 等分點占據(jù)的位置等分點占據(jù)的位置。 將各尖頂點連接成一條光滑曲線。將

15、各尖頂點連接成一條光滑曲線。 設計步驟設計步驟 k1 k2 k3 k5 k4 k6 k7 k8 1 2 3 4 5 6 7 8 k9 k10 k11 k12 k13 k14k15 9 10 11 12 13 14 15 s 1 3 5 7 8 601209090 9 111315 1 3 5 7 89 11 13 12 14 10 4 平底從動件 取平底從動件表面上的 點 B0 作為假想的尖端從動 件的尖端。 包絡線包絡線 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，凸輪 廓線必須是外凸的。 已知已知 凸輪的基圓半徑凸輪的基圓半徑 rb， 角速度角速度 ， 擺桿長度擺桿長度 l 擺桿

16、回轉(zhuǎn)中心與凸輪回轉(zhuǎn)擺桿回轉(zhuǎn)中心與凸輪回轉(zhuǎn) 中心的距離中心的距離 d ， 擺擺桿角位移曲線桿角位移曲線， 設計該凸輪輪廓曲線。設計該凸輪輪廓曲線。 0 s 0 s h o 反轉(zhuǎn)法反轉(zhuǎn)法 0 39 rb O 1 2 345 6 7 8 6012090 90 1 2 3 4 5 6 7 120 B 1 1 B1B2 B3 B4 B5 B6B7 B8 6090 d B 2 2 B 3 3 B 4 4 B 5 5 B 6 6 B 7 7 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A B l 選比例尺選比例尺 ，作位移曲線，作基圓作位移曲線，作基圓rb和轉(zhuǎn)軸圓和轉(zhuǎn)軸圓OA。 等分位移曲線及反向等分位

17、移曲線及反向 等分各運動角，確定反轉(zhuǎn)后等分各運動角，確定反轉(zhuǎn)后 對應于各等分點的轉(zhuǎn)軸對應于各等分點的轉(zhuǎn)軸A的的 位置。位置。 確定反轉(zhuǎn)后從動件尖頂在各等分點占確定反轉(zhuǎn)后從動件尖頂在各等分點占 據(jù)的位置。據(jù)的位置。 設計步驟設計步驟 將各尖頂點連接成一條光滑將各尖頂點連接成一條光滑曲線。曲線。 解 析 法 理論輪廓曲線方程理論輪廓曲線方程 已知偏距e、基圓半徑、 從動件的運動規(guī)律、 凸輪轉(zhuǎn)向、 從動件偏置方向 cossin)( sincos)( 0 0 essy essx 22 00 ers A C D E 41 t t B n n 4-4 凸輪機構基本尺寸的確定凸輪機構基本尺寸的確定 一、凸輪

18、機構一、凸輪機構壓力角壓力角的確定的確定 壓力角壓力角 42 盡可能 增大 導軌長度 lb 減少 懸臂尺寸 la 壓力角越小壓力角越小，推動從動件的有效 分力越大，機構受力情況越好， 效率越高。 2 cos()(1)sin() Q a b F F l f l 壓力角 43 = lim 機構自鎖自鎖 許用壓力角 lim 工作行程：移動從動件 30， 擺動從動件 45 回 程： 7080 2 cos()(1) sin()0 a b l f l 2 cos()(1)sin() Q a b F F l f l 二、基 圓 半 徑 的 確 定 r0 A OP lV ddsVlOP/ 22 0 / ers edds arctg C 45 三、滾滾 子子 半半 徑徑 的的 確確 定定 實際廓線曲率半徑 c 理論廓線曲率半徑 1 內(nèi)凹內(nèi)凹的理論輪廓曲線 不論滾子半徑多大，實際輪廓曲線總可以作出來。 rc r 46 2 外凸外凸的理論輪廓曲線