機械原理課件-6凸輪機構及其設計

1、6.1概概 述述 Chapter 6 Cam Mechanisms and Design6.2凸輪機構的分類及封閉形式凸輪機構的分類及封閉形式 凸輪機構的類型很多，根據(jù)從動件的運動形式，可分為直凸輪機構的類型很多，根據(jù)從動件的運動形式，可分為直動和擺動兩類。根據(jù)凸輪形狀、從動件形狀、封閉形式的不同，動和擺動兩類。根據(jù)凸輪形狀、從動件形狀、封閉形式的不同，凸輪機構有如下類型。凸輪機構有如下類型。 第一第一、直動從動件凸輪機構，如圖、直動從動件凸輪機構，如圖6-1中的中的(a)-(e)、(i)、(j)所示。所示。 第二第二、擺動從動件凸輪機構，如圖、擺動從動件凸輪機構，如圖6-1中的中的(f)-(

2、h) 所示。所示。 第三第三、從動件與凸輪以力封閉的凸輪機構，如圖、從動件與凸輪以力封閉的凸輪機構，如圖6-1 (c)所示。所示。 第四第四、從動件與凸輪以幾何封閉的凸輪機構，如圖、從動件與凸輪以幾何封閉的凸輪機構，如圖6-1 (i)、(j)所示。所示。平面凸輪機構的基本類型如下圖所示。平面凸輪機構的基本類型如下圖所示。 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j)圖圖6-1凸輪機構的類型凸輪機構的類型(a)2eV21r01AB3CV2(1) 偏置直動尖底從動件盤形凸輪機構偏置直動尖底從動件盤形凸輪機構(b)11V223圖圖6-1a 偏置直動尖底從動件盤形凸輪

3、機構偏置直動尖底從動件盤形凸輪機構二維動畫二維動畫(a)2eV21r01AB3C(1) 偏置直動尖底從動件盤形凸輪機構偏置直動尖底從動件盤形凸輪機構圖圖6-1a 偏置直動尖底從動件盤形凸輪機構偏置直動尖底從動件盤形凸輪機構三維動畫三維動畫(2) 偏置直動滾子從動件盤形凸輪機構偏置直動滾子從動件盤形凸輪機構(a)e2V2C3D1r01AB(b)11V223e2V2圖圖61b 偏置直動滾子從動件盤形凸輪機構偏置直動滾子從動件盤形凸輪機構二維動畫二維動畫(a)e2V2C3D1r01AB圖圖6-1b 偏置直動滾子從動件盤形凸輪機構偏置直動滾子從動件盤形凸輪機構三維動畫三維動畫(3) 偏置直動平底從動件

4、盤形凸輪機構偏置直動平底從動件盤形凸輪機構(a)32eBC1r01Ae(b)11V223圖圖61c 偏置直動平底從動件盤形凸輪機構偏置直動平底從動件盤形凸輪機構二維動畫二維動畫(a)32eBC1r01A圖圖61c 偏置直動平底從動件盤形凸輪機構偏置直動平底從動件盤形凸輪機構三維動畫三維動畫(4) 擺動尖底從動件盤形凸輪機構擺動尖底從動件盤形凸輪機構11ABr0223CD(a)12211322(b)圖圖61f 擺動尖底從動件盤形凸輪機構擺動尖底從動件盤形凸輪機構11ABr0223CD(a)圖圖61f 擺動尖底從動件盤形凸輪機構擺動尖底從動件盤形凸輪機構三維動畫三維動畫(b)11322(5) 擺動

5、滾子從動件盤形凸輪機構擺動滾子從動件盤形凸輪機構(a)223CD11ABr0223CD11ABr0圖圖61g 擺動滾子從動件盤形凸輪機構擺動滾子從動件盤形凸輪機構(a)223CD11ABr0圖圖61g 擺動滾子從動件盤形凸輪機構擺動滾子從動件盤形凸輪機構三維動畫三維動畫(6) 擺動平底從動件盤形凸輪機構擺動平底從動件盤形凸輪機構11322(b)11Ar0223C(a)D11Ar023CD圖圖61h擺動平底從動件盤形凸輪機構擺動平底從動件盤形凸輪機構11Ar0223C(a)D圖圖61h擺動平底從動件盤形凸輪機構擺動平底從動件盤形凸輪機構三維動畫三維動畫(7) 盤形溝槽凸輪機構盤形溝槽凸輪機構11

6、O123V2(a) (b) 圖圖61i三維動畫三維動畫(8) 移動凸輪機構移動凸輪機構V11V223(a) (b) V11V223圖圖6-1e三維動畫三維動畫(9) 力封閉凸輪機構力封閉凸輪機構23V311O1r045(a) (b) 11O1r0圖圖6-1c力封閉力封閉(10) 等寬凸輪機構等寬凸輪機構32V21O11V211O132(a) (b) 圖圖61j(11) 共軛凸輪機構共軛凸輪機構1O1123(b)(a)圖圖61kr0001002ADCB1BOtS圖圖6-2對心直動尖頂從動件盤形凸輪機構對心直動尖頂從動件盤形凸輪機構r0001002ADCB1BOtS000102h多項式運動規(guī)律的一

7、般表達式為多項式運動規(guī)律的一般表達式為) 16(332210CCCCCSnn CC VStC a Vt。 6.3.6.3.1 1一次多項式規(guī)律一次多項式規(guī)律推程：推程： S = h/0回程回程：S = h (1 -/0)V = h/0V = - h/0a = 0a = 0h/08+ooosav0h0h/08+8圖圖6-3 推程推程回程回程圖圖6-4二次多項式運動曲線二次多項式運動曲線h0 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 200aosooVS = C0 + C1 + C22 + C33 + C44 + C55V =

8、 dS / dt = C1+2 C2+3 C32+ 4 C43 +5 C54 (6-7) a = dV / dt = 2 C22+6 C32+ 12 C422+20 C523 推程時其邊界條件為推程時其邊界條件為)61510(550440330hhhST)306030(450340230hhhVT235024030)12018060(hhhaT)61510(550440330hhSH)306030(4403302200hVH)12018060(3302200202haHh圖圖6-5 五次多項式運動曲線五次多項式運動曲線O0SOOaV0/26.3.4 6.3.4 余弦加速度運動規(guī)律余弦加速度運動

9、規(guī)律(簡諧運動規(guī)律簡諧運動規(guī)律)/cos(1 5 . 00hST)/cos(1 5 . 00hSH)2/()/sin(00hVT)2/()/sin(00hVH)2/()/cos(20022haT)2/()/cos(20022haHh圖圖66余弦加速度規(guī)律運動曲線余弦加速度規(guī)律運動曲線OSOOaV0/206.3.5 6.3.5 正弦加速度運動規(guī)律正弦加速度運動規(guī)律(擺線運動規(guī)律擺線運動規(guī)律)/2sin(21)/(00 hST)2sin(211 00 hSH)/2cos(1 00hVT)/2cos(1 00hVH)/2sin(20202haT)/2sin(20202haH圖圖67正弦加速度運動正弦

10、加速度運動 曲線曲線hOSOOaV0/2016.46.4盤形凸輪輪廓曲線的作圖法設計盤形凸輪輪廓曲線的作圖法設計 -13302211OOS0010025101520h6.4.1 對心直動尖底從動件盤形凸輪輪廓曲線的設計對心直動尖底從動件盤形凸輪輪廓曲線的設計 -6.4.1對心直動尖底從動件盤形凸輪輪廓曲線的設計對心直動尖底從動件盤形凸輪輪廓曲線的設計 2345671089D1715161412201918111310r0OCAB(b) 作圖過程作圖過程11171516141312201918DC圖圖6-8 對心直動滾子從動件盤形凸輪輪廓線設計對心直動滾子從動件盤形凸輪輪廓線設計12345671

11、089AB-r0O圖圖6 -9 偏置直動尖底從動件盤形凸輪輪廓曲線設計偏置直動尖底從動件盤形凸輪輪廓曲線設計-234598761001e6.4.46.4.4偏置直動滾子從動件盤形凸輪輪廓曲線的設計偏置直動滾子從動件盤形凸輪輪廓曲線的設計 -eO圖圖6-11 對心直動平底從動件盤形凸輪輪廓線設計對心直動平底從動件盤形凸輪輪廓線設計2461080A1357911171516141312201918-r0O二維動畫二維動畫xyB0VCBdS/dr0S-Or0ddSdtddtdSVOPOPVVP/6.5.1直動平底從動件盤形凸輪輪廓曲線的解析法設計直動平底從動件盤形凸輪輪廓曲線的解析法設計 P凸輪實際

12、廓線方程凸輪實際廓線方程(B點坐標方程點坐標方程)為為xyB0VCBdS/dPr0S-Or0)116(sin)d/d(cos)(cos)d/d(sin)(00SSrySSrx(x , y)SBS0nBnS0 xy-r0OB0rge1圖圖6-13偏置直動滾子從動件盤形凸輪輪廓線設計偏置直動滾子從動件盤形凸輪輪廓線設計 SBS0nBnS0 xy-r0OB0rge1圖圖6-13偏置直動滾子從動件盤形凸輪輪廓線設計偏置直動滾子從動件盤形凸輪輪廓線設計)136(sincos)(cossin)(00eSSyeSSxSBS0nBnS0 xy-r0OB0rge1SBS0nBnS0 xy-r0OB0rge1圖圖

13、6-13偏置直動滾子從動件盤形凸輪輪廓線設計偏置直動滾子從動件盤形凸輪輪廓線設計SBS0nBnS0 xy-r0OB0rge1 )146(cossin/tanddyddxdydx)156(sin)()(coscos)()(sin00SSeddSddySSeddSddx2222)/()/(/cos)/()/(/sinddyddxddyddyddxddx)166(sincosggryyrxxSBS0nBnS0 xy-r0OB0rge1yOa0lA0B00lxr0AB-(a)223CD11ABr0圖圖61g 擺動滾子從動件盤形凸輪機構擺動滾子從動件盤形凸輪機構三維動畫三維動畫圖圖6.5F01擺動滾子從

14、動件盤形凸輪輪廓線方程擺動滾子從動件盤形凸輪輪廓線方程yOa0lA0B00lxr0AB-)01F5 . 6()cos(cos)sin(sin00laylaxGer0S0SL21L1rgAPOr0C1234nnBF12F43DDEF43Exy3434圖圖6-14 偏置直動滾子從動件盤偏置直動滾子從動件盤形凸輪機構的受力分析形凸輪機構的受力分析凸輪機構的基本尺寸凸輪機構的基本尺寸包括理論基圓半徑包括理論基圓半徑r0、滾、滾子半徑子半徑rg、從動件的安裝、從動件的安裝結構尺寸結構尺寸L1和和L2、正負偏、正負偏置距置距e和壓力角和壓力角，如圖，如圖6-14所示。所示。 )176(0cos)(cos)

15、(0sinsincos0coscossin340214334014334433443323443344332SSLLFSSLFFFFGFFFEDEDED在圖在圖6-14中，凸輪中，凸輪1給滾子給滾子2的驅動力為的驅動力為F12，滾子，滾子2給給推桿推桿3的作用力的作用力F23F12，機架，機架4在在D、E兩點給推桿兩點給推桿3的作用的作用力分別為力分別為F43D、F43E，推桿，推桿3上總阻力為上總阻力為G，推桿，推桿3上的慣性上的慣性力不計。由推桿力不計。由推桿3的力平衡條件的力平衡條件Fx，F(xiàn)y和和MA得得化簡后得作用力化簡后得作用力F23與總阻力與總阻力G的關系為的關系為 )186(ta

16、nsin/)(21 /cos3420123LSSLGF若當量摩擦角若當量摩擦角340，則得理想狀態(tài)下的作用力，則得理想狀態(tài)下的作用力F230G/cos。此時機械效率。此時機械效率為為)196(tantan/ )(21 1/3420123230LSSLFF為了提高機械效率，規(guī)定凸輪機構的最大壓力角為了提高機械效率，規(guī)定凸輪機構的最大壓力角max小小于許用壓力角于許用壓力角。在推程階段，當推桿作移動時，。在推程階段，當推桿作移動時，30；當推桿作擺動時，當推桿作擺動時，3545。在回程階段，。在回程階段，7080。 Ger0S0SL21L1rgAPOr0C1234nnBF12F43DDEF43Ex

17、y3434圖圖6-14 偏置直動滾子從動件盤偏置直動滾子從動件盤形凸輪機構的受力分析形凸輪機構的受力分析在圖在圖6-14中，由直角中，由直角ACP得關于壓力角得關于壓力角的函數(shù)式為的函數(shù)式為 )206()/()d/d()/()(tan5 . 02200SereSSSeOP)216(tan/ )d/d(220eSeSrminrr rr min rr = minmin rrminrrmin(a)(b)(c)6.6.46.6.4平底最小長度的確定平底最小長度的確定 xyB0VCBdS/dPS0S-Or0-xVCBdS/dPS0S12)-(6mm)75()dd()dd(maxmax回程推程SSL6.7

18、6.7凸輪機構的應用凸輪機構的應用 1234圖圖6-16是發(fā)動機圖是發(fā)動機圖2-7a中的凸輪配氣機構，當凸輪中的凸輪配氣機構，當凸輪轉動時，移動從動件轉動時，移動從動件2作間作間歇的上下運動，從而實現(xiàn)氣歇的上下運動，從而實現(xiàn)氣門的開與閉。門的開與閉。 圖圖6-16汽車發(fā)動機的配氣機構汽車發(fā)動機的配氣機構1汽車發(fā)動機的配氣機構汽車發(fā)動機的配氣機構2.家用縫紉機的送布機構家用縫紉機的送布機構圖圖6 -17家用縫紉機的送布機構家用縫紉機的送布機構CAEG1B1DF24567893P送布送布返回返回下降下降抬抬高高送料齒板送料齒板布料板布料板P點的運動軌跡點的運動軌跡針距座針距座H3.曲柄滑塊與凸輪組

19、合的塊狀物料推送機構曲柄滑塊與凸輪組合的塊狀物料推送機構 hAB112147ab1K3K2K1K4K56KB2b2358C1C2DE圖圖6 -18曲柄滑塊與凸輪組合的塊狀物料推送機構曲柄滑塊與凸輪組合的塊狀物料推送機構 (a) (b)圖圖6.8F02 兩圓柱體的接觸應力兩圓柱體的接觸應力 21FbnO1O2LHH21Fbn2HL (c) (d) 為凸輪和從動件的彈性模量為凸輪和從動件的彈性模量為凸輪和從動件材料的波松比。為凸輪和從動件材料的波松比。 中的中的為綜合曲率，為綜合曲率，分別分別為兩圓柱體的半徑，為兩圓柱體的半徑，號用于外接觸號用于外接觸號用于內(nèi)號用于內(nèi)接觸。接觸。凸輪副的許用接觸應力凸輪副的許用接觸應力 凸輪機構的結構設計凸輪機構的結構設計 圖圖6.8