第4章 凸輪機構及其設計

1、機機 械械 原原 理理 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2003年年12月月第四章 凸輪機構及其設計典型的凸輪機構的工作原理從動件從動件凸輪凸輪滾子滾子機架機架一、凸輪機構的應用一、凸輪機構的應用盤形凸輪機構盤形凸輪機構在印刷機中的應用在印刷機中的應用等經(jīng)凸輪機構等經(jīng)凸輪機構在機械加工中的應用在機械加工中的應用4-1 4-1 凸輪機構的應用及分類凸輪機構的應用及分類利用分度凸輪利用分度凸輪機構實現(xiàn)轉位機構實現(xiàn)轉位圓柱凸輪機構在機圓柱凸輪機構在機械加工中的應用械加工中的應用二、凸輪機構的分類凸輪機構分類凸輪機構分類1 1、按兩活動構件之間、按兩活動構件之間相對運動特性分類相對運動特性分類2 2、按從

2、動件運動副、按從動件運動副元素形狀分類元素形狀分類3 3、按凸輪高副的鎖、按凸輪高副的鎖合方式分類合方式分類平面凸輪機構平面凸輪機構空間凸輪機構空間凸輪機構盤形凸輪盤形凸輪移動凸輪移動凸輪 尖頂從動件滾子從動件平底從動件力鎖合力鎖合形鎖合形鎖合1、按兩活動構件之間的相對運動特性分類、按兩活動構件之間的相對運動特性分類（1 1）平面凸輪機構）平面凸輪機構 1 1）盤形凸輪）盤形凸輪 2 2）移動凸輪）移動凸輪 （ 2 2）空間凸輪機構）空間凸輪機構2 2、按從動件運動副元素形狀分類、按從動件運動副元素形狀分類（1 1） 直動尖頂從動件直動尖頂從動件對心直動尖頂從動件對心直動尖頂從動件偏置直動尖頂

3、從動件偏置直動尖頂從動件（2 2）直動滾子從動件）直動滾子從動件（3 3）直動平底從動件）直動平底從動件 根據(jù)運動形式的不同，以上三種從動件還可分為直動從根據(jù)運動形式的不同，以上三種從動件還可分為直動從動件，擺動從動件，平面復雜運動從動件。動件，擺動從動件，平面復雜運動從動件。擺動滾子從動件擺動滾子從動件擺動尖頂從動件擺動尖頂從動件擺動平底從動件擺動平底從動件平面復雜運動從動件平面復雜運動從動件3 3、按凸輪高副的鎖合方式分類、按凸輪高副的鎖合方式分類1)力鎖合力鎖合2) 2) 形鎖合形鎖合 凸輪機構的優(yōu)缺點：凸輪機構的優(yōu)缺點： 只要設計出適當?shù)耐馆嗇喞?，即可使從動件實現(xiàn)只要設計出適當?shù)耐馆嗇?/p>

4、廓，即可使從動件實現(xiàn)預期的運動規(guī)律；結構簡單、緊湊、工作可靠。預期的運動規(guī)律；結構簡單、緊湊、工作可靠。 凸輪為高副接觸（點或線），壓強較大，容易磨凸輪為高副接觸（點或線），壓強較大，容易磨損，凸輪輪廓加工比較困難，費用較高。損，凸輪輪廓加工比較困難，費用較高。優(yōu)點優(yōu)點：缺點：缺點：4-2 從動件運動規(guī)律及其選擇一、凸輪機構的運動循環(huán)及基本名詞術語凸輪基圓基、圓半徑凸輪基圓基、圓半徑偏距圓、偏距偏距圓、偏距從動件行程從動件行程從動件推程從動件推程從動件回程從動件回程推程運動角推程運動角回程運動角回程運動角從動件遠從動件遠( (近近) )休程休程遠（近）休止角遠（近）休止角從動件位移從動件位移二

5、、從動件運動規(guī)律等速運動規(guī)律等速運動規(guī)律h0s0s等加速等減速運動規(guī)律等加速等減速運動規(guī)律 0s0sh余弦加速度（簡諧）運動規(guī)律余弦加速度（簡諧）運動規(guī)律 0s0sh正弦加速度（擺線）運動規(guī)律正弦加速度（擺線）運動規(guī)律 0s0sh3-4-53-4-5多項式運動規(guī)律多項式運動規(guī)律 0s0sh三、從動件運動規(guī)律的選擇 在選擇從動件的運動規(guī)律時，除要考慮剛性沖擊與柔性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，還應該考慮各種運動規(guī)律的速度幅值沖擊外，還應該考慮各種運動規(guī)律的速度幅值 、加速、加速度幅值度幅值 及其影響加以分析和比較。及其影響加以分析和比較。maxvmaxamaxvmaxa

6、maxmv從動件動量從動件動量maxma從動件慣性力從動件慣性力對于重載凸輪機構，應選擇對于重載凸輪機構，應選擇 值較小的運動規(guī)律；值較小的運動規(guī)律；對于高速凸輪機構，宜選擇對于高速凸輪機構，宜選擇 值較小的運動規(guī)律。值較小的運動規(guī)律。maxvmaxa若干種從動件運動規(guī)律特性比較若干種從動件運動規(guī)律特性比較運動規(guī)律 )/(0maxhv)/(202maxha沖 擊應用場合等速1.00剛 性低速輕負荷等加速等減速2.004.00柔 性中速輕負荷余弦加速度1.574.93柔 性中低速中負荷正弦加速度2.006.28中高速輕負荷3-4-5多項式1.885.77高速中負荷改進型等速1.338.38低速重

7、負荷改進型正弦加速度1.765.53中高速重負荷改進型梯形加速度2.004.89高速輕負荷4-3 按預定運動規(guī)律設計盤形凸輪廓線一、凸輪設計的基本問題一、凸輪設計的基本問題1 1、已知運動規(guī)律，設計凸輪、已知運動規(guī)律，設計凸輪已知條件：已知條件：運動規(guī)律運動規(guī)律)(ss )(vv )(aa )()()(幾何尺寸：幾何尺寸：基圓半徑基圓半徑r r0 0，偏距圓半徑，偏距圓半徑e e2 2、已知從動件行程、已知從動件行程h h，設計凸輪，設計凸輪已知條件：已知條件：選定運動規(guī)律選定運動規(guī)律)(ss )(vv )(aa )()()(幾何尺寸：幾何尺寸：基圓半徑基圓半徑r r0 0，偏距圓半徑，偏距圓

8、半徑e e從動件行程從動件行程h h二、凸輪設計的步驟二、凸輪設計的步驟1 1、確定基圓、偏距圓、確定基圓、偏距圓3 3、設計理論廓線、設計理論廓線2 2、確定從動件運動規(guī)律、確定從動件運動規(guī)律4 4、設計實際廓線、設計實際廓線基圓基圓偏距圓偏距圓理論廓線理論廓線實際廓線實際廓線三、凸輪理論廓線設計的基本原理三、凸輪理論廓線設計的基本原理反轉法反轉法0s0shso0s0sho反轉法反轉法0四、凸輪實際廓線設計四、凸輪實際廓線設計理論廓線理論廓線實際廓線實際廓線滾子滾子rr五、刀具中心軌跡五、刀具中心軌跡實際廓線實際廓線理論廓線理論廓線刀具中心軌跡刀具中心軌跡rc-rr刀具刀具cr4-4 盤形凸

9、輪機構基本尺寸的確定一、壓力角一、壓力角 及其許用值及其許用值FRR1211220sin()()cosFQRR1211220cos()()sinRlbRb22120cos()cos：x：y:MlbFFcostansin21cos21112120)()()(21112tansin21cos)()lb()(QF考慮摩擦時驅動力的表達式考慮摩擦時驅動力的表達式理想情況（無摩擦）時驅動力的表達式理想情況（無摩擦）時驅動力的表達式QFcos120凸輪機構的瞬時效率凸輪機構的瞬時效率0時，機構自鎖時，機構自鎖0costansin21cos211)()lb()(解方程解方程得臨界壓力角得臨界壓力角 c：12

10、tan)21/(1arctanlbcmax 即：c 凸輪機構的許用壓力角凸輪機構的許用壓力角 在工程實際中，為保證較高的機械效率，改善受力狀在工程實際中，為保證較高的機械效率，改善受力狀況，通常規(guī)定凸輪機構的最大壓力角況，通常規(guī)定凸輪機構的最大壓力角 應小于或等于應小于或等于某一許用壓力角某一許用壓力角 。max根據(jù)實踐經(jīng)驗，推薦的許用壓力角取值為:推程：直動從動件取 ；擺動從動件取 ；30403545 回程： 直動和擺動從動件薦取 。7080二、按許用壓力角 確定凸輪機構的基本尺寸ds/dOP12121212OPv sseds/dsseOP0012tan式中：2200ers12P在點在點（升

11、程）（升程）12F2v1212P12P1O2v121OP2v121OP0res21Fds/dOP12121212OPv 12F2v21F1212P12P1O2v121OP2v121OP0ressseds/dsseOP0012tan式中：2200ers12P在點在點（回程）（回程）sseds/dsseOP0012tan壓力角計算的統(tǒng)一表達式：壓力角計算的統(tǒng)一表達式：s-ereds/dsseOP220012tansds/d ，凸輪運動規(guī)律凸輪運動規(guī)律er，0凸輪基本尺寸凸輪基本尺寸max 即： 在設計凸輪時，如何保證凸輪機構的最大壓力角在設計凸輪時，如何保證凸輪機構的最大壓力角 小小于或等于許用壓

12、力角于或等于許用壓力角 。max影響凸輪壓力角變化的因素：影響凸輪壓力角變化的因素：換一句話說：換一句話說： 在設計凸輪時，當從動件的運動規(guī)律在設計凸輪時，當從動件的運動規(guī)律 已經(jīng)確已經(jīng)確定，凸輪機構的許用壓力角定，凸輪機構的許用壓力角 也已經(jīng)確定，如何也已經(jīng)確定，如何確定凸輪的基圓半徑確定凸輪的基圓半徑 和偏距和偏距 ，使凸輪機構的，使凸輪機構的最大壓力角最大壓力角 小于或等于許用壓力角小于或等于許用壓力角 。max)(s0res-ereds/dsseOP220012tan這個表達式能否解決這樣的命題？這個表達式能否解決這樣的命題？s-ereds/d220tanmaxs-ereds/d220

13、tanmaxdds/sdds/se0rdds/sO升程升程回程回程升程許用壓力角：升程許用壓力角：回程許用壓力角：回程許用壓力角：dds/s升程升程回程回程從動件與凸輪的相對位置從動件與凸輪的相對位置121O121O121O三、按凸輪輪廓全部外凸條件確定凸輪基圓半徑平底從動件盤形凸輪輪廓的外凸條件：平底從動件盤形凸輪輪廓的外凸條件：)20()()(0 ssr平底從動件盤形凸輪輪廓的曲率半徑：平底從動件盤形凸輪輪廓的曲率半徑：)()(min0ssr )20(要保證凸輪輪廓外凸必須有：要保證凸輪輪廓外凸必須有：0min)20(0)()(min0 ssr四、滾子半徑的選擇四、滾子半徑的選擇rar1. 凸輪理論輪廓的內凹部分凸輪理論輪廓的內凹部分工作輪廓曲率半徑工作輪廓曲率半徑 、理論輪廓曲率半徑、理論輪廓曲率半徑 與滾子半徑與滾子半徑 三三者之間的關系為：者之間的關系為：arr理論輪廓理論輪廓工作輪廓工