第四章機(jī)械結(jié)構(gòu)

1、機(jī)機(jī) 械械 原原 理理電子教案第四章 凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)制作：焦映厚制作：焦映厚第四章第四章 凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)從動(dòng)件從動(dòng)件凸輪凸輪滾子滾子機(jī)架機(jī)架一、凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用盤形凸輪機(jī)構(gòu)盤形凸輪機(jī)構(gòu)在印刷機(jī)中的應(yīng)用在印刷機(jī)中的應(yīng)用等經(jīng)凸輪機(jī)構(gòu)等經(jīng)凸輪機(jī)構(gòu)在機(jī)械加工中的應(yīng)用在機(jī)械加工中的應(yīng)用4-1 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用及分類利用分度凸輪利用分度凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位圓柱凸輪機(jī)構(gòu)圓柱凸輪機(jī)構(gòu)在機(jī)械加工中的應(yīng)用在機(jī)械加工中的應(yīng)用二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類凸輪機(jī)構(gòu)分類凸輪機(jī)構(gòu)分類1、按兩活動(dòng)構(gòu)件之間、按兩活動(dòng)構(gòu)件之間 相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性分類相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性分類2、按從動(dòng)

2、件運(yùn)動(dòng)副、按從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)副 元素形狀分類元素形狀分類3、按凸輪高副的鎖合、按凸輪高副的鎖合 方式分類方式分類平面凸輪機(jī)構(gòu)平面凸輪機(jī)構(gòu)空間凸輪機(jī)構(gòu)空間凸輪機(jī)構(gòu)盤形凸輪盤形凸輪移動(dòng)凸輪移動(dòng)凸輪 尖頂從動(dòng)件尖頂從動(dòng)件滾子從動(dòng)件滾子從動(dòng)件平底從動(dòng)件平底從動(dòng)件力鎖合力鎖合形鎖合形鎖合直動(dòng)從動(dòng)件直動(dòng)從動(dòng)件擺動(dòng)從動(dòng)件擺動(dòng)從動(dòng)件平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)1、按兩活動(dòng)構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性分類、按兩活動(dòng)構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性分類（1）平面凸輪機(jī)構(gòu)）平面凸輪機(jī)構(gòu) 1）盤形凸輪）盤形凸輪 2）移動(dòng)凸輪）移動(dòng)凸輪圖圖 4-3 （ 2）空間凸輪機(jī)構(gòu)空間凸輪機(jī)構(gòu)空間凸輪機(jī)構(gòu)空間凸輪機(jī)構(gòu)圖圖 4-52、按從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)副元素形狀分

3、類按從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)副元素形狀分類（1） 直動(dòng)尖頂從動(dòng)件對(duì)心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件對(duì)心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件偏心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件偏心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件對(duì)心直動(dòng)滾子從動(dòng)件對(duì)心直動(dòng)平底從動(dòng)件（2）直動(dòng)滾子從動(dòng)件（3）直動(dòng)平底從動(dòng)件 根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式的不同，以上三種從動(dòng)件還根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式的不同，以上三種從動(dòng)件還可分為直動(dòng)從動(dòng)件，擺動(dòng)從動(dòng)件，平面復(fù)雜運(yùn)可分為直動(dòng)從動(dòng)件，擺動(dòng)從動(dòng)件，平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件。動(dòng)從動(dòng)件。擺動(dòng)滾子從動(dòng)件擺動(dòng)滾子從動(dòng)件擺動(dòng)尖頂從動(dòng)件擺動(dòng)尖頂從動(dòng)件擺動(dòng)平底從動(dòng)件擺動(dòng)平底從動(dòng)件平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件3、按凸輪高副的鎖合方式分類圖 4-6，圖 4- 7，圖 4- 8 形鎖合 圖4-1 力鎖合凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

4、：凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)： 只要設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，即只要設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，即可使從?dòng)件實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；結(jié)可使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、工作可靠。構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、工作可靠。 凸輪為高副接觸（點(diǎn)或線），壓凸輪為高副接觸（點(diǎn)或線），壓強(qiáng)較大，容易磨損，凸輪輪廓加工比強(qiáng)較大，容易磨損，凸輪輪廓加工比較困難，費(fèi)用較高。較困難，費(fèi)用較高。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：4-2 4-2 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其選擇從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其選擇一、凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)及基本名詞術(shù)語一、凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)及基本名詞術(shù)語進(jìn)入進(jìn)入 CAI 教學(xué)軟件教學(xué)軟件二、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律二、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)入進(jìn)入 CAI 教學(xué)軟件

5、教學(xué)軟件三、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇三、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇 在選擇從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，除要考慮在選擇從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，除要考慮剛性沖擊與柔性沖擊外，還應(yīng)該考慮各種運(yùn)剛性沖擊與柔性沖擊外，還應(yīng)該考慮各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的速度幅值動(dòng)規(guī)律的速度幅值 、加速度幅值、加速度幅值 及其影響加以分析和比較。及其影響加以分析和比較。maxvmaxamaxvmaxmvmaxvmaxamaxmamaxa因此：對(duì)于重載凸輪機(jī)構(gòu)，應(yīng)選擇 較小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；對(duì)于高速凸輪機(jī)構(gòu)，宜選擇 值較小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。maxvmaxa表 4-2 若干種從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性比較運(yùn)動(dòng)規(guī)律 )/(0maxhv)/(202maxha沖 擊應(yīng)用場(chǎng)合等速1.0

6、0剛 性低速輕負(fù)荷等加速等減速2.004.00柔 性中速輕負(fù)荷余弦加速度1.574.93柔 性中低速中負(fù)荷正弦加速度2.006.28中高速輕負(fù)荷3-4-5多項(xiàng)式1.885.77高速中負(fù)荷改進(jìn)型等速1.338.38低速重負(fù)荷改進(jìn)型正弦加速度1.765.53中高速重負(fù)荷改進(jìn)型梯形加速度2.004.89高速輕負(fù)荷4-3 4-3 按預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)盤形凸輪廓線按預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)盤形凸輪廓線一、凸輪廓線設(shè)計(jì)的基本原理一、凸輪廓線設(shè)計(jì)的基本原理進(jìn)入進(jìn)入 CAI 教學(xué)軟件教學(xué)軟件二、尖頂、滾子從動(dòng)件盤形二、尖頂、滾子從動(dòng)件盤形 凸輪的設(shè)計(jì)原理凸輪的設(shè)計(jì)原理進(jìn)入進(jìn)入 CAI 教學(xué)軟件教學(xué)軟件1、直動(dòng)從動(dòng)件盤形

7、凸輪、直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪（1）尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪）尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪 已知：從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律已知：從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律 ，尖，尖頂從動(dòng)件導(dǎo)路相對(duì)于凸輪軸心頂從動(dòng)件導(dǎo)路相對(duì)于凸輪軸心O的偏距的偏距e，凸，凸輪基圓半徑及凸輪沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；要求：設(shè)輪基圓半徑及凸輪沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；要求：設(shè)計(jì)凸輪輪廓計(jì)凸輪輪廓。)(ss(02 )cossin)(sincos)(00essyessxxyRxycossinsincosRxysse0 xyssecossinsincos02200-ers （2）滾子直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪）滾子直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪 1） 理論輪廓方程理論輪廓方程 2）工作輪廓方程）工作輪廓方程 滾子中

8、心的運(yùn)動(dòng)規(guī)律即為尖頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)滾子中心的運(yùn)動(dòng)規(guī)律即為尖頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律。故按尖頂從動(dòng)件求得的凸輪廓線，稱為律。故按尖頂從動(dòng)件求得的凸輪廓線，稱為該滾子從動(dòng)件凸輪的理論廓線。該滾子從動(dòng)件凸輪的理論廓線。cossin)(sincos)(00essyessx2222)/()/(/)/()/(/ddyddxddxryYddyddxddyrxXrrcrrrcrrr0crrr0crrr刀具中心軌跡刀具中心軌跡理論廓線理論廓線實(shí)際廓線實(shí)際廓線刀具中心軌跡刀具中心軌跡理論廓線理論廓線實(shí)際廓線實(shí)際廓線圖圖 4-12a)b)進(jìn)入進(jìn)入 CAI 教學(xué)軟件教學(xué)軟件2、擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪、擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪 已知：擺動(dòng)從動(dòng)件運(yùn)

9、動(dòng)規(guī)律已知：擺動(dòng)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律 ，從動(dòng)件長(zhǎng)度從動(dòng)件長(zhǎng)度l，中心距，中心距a，凸輪基圓半徑，凸輪基圓半徑r0及凸輪及凸輪沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；要求：設(shè)計(jì)凸輪輪廓。沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；要求：設(shè)計(jì)凸輪輪廓。)(擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)可分為兩種：擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)可分為兩種： 順擺式，逆擺式順擺式，逆擺式。xyRxyxyallcos()sin()00 xyRxy00sin()cos()lxalycossinR sincos00cos()cossinsin()sincosalxly 00sin()cossincos()sincoslxaly 00coscos()(02 )sinsin()xalyal00sinsi

10、n()(02 )coscos()xalyal 進(jìn)入進(jìn)入 CAI 教學(xué)軟件教學(xué)軟件三、平底直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪三、平底直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪實(shí)際上是實(shí)際上是“反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)”過程中從動(dòng)件平底一系列位置的過程中從動(dòng)件平底一系列位置的包絡(luò)線。包絡(luò)線。 已知：從動(dòng)件運(yùn)已知：從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律動(dòng)規(guī)律 ，從動(dòng)件平底導(dǎo)路相對(duì)從動(dòng)件平底導(dǎo)路相對(duì)于凸輪軸心于凸輪軸心O的偏距的偏距為為e，從動(dòng)件平底與，從動(dòng)件平底與導(dǎo)路的夾角導(dǎo)路的夾角 ，凸輪基圓半徑凸輪基圓半徑 及凸及凸輪沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。要輪沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。要求：設(shè)計(jì)凸輪輪廓。求：設(shè)計(jì)凸輪輪廓。)(ss 900rYkXb0tan(90)cotcos /sink0()/sinbrs0

11、()cossinsinrsYX 0(, , )cossin()0f X YXYrs(, , )/sincos0dsf X YXYd )20(cossin)(sincos)(00ddssrYddssrX進(jìn)入進(jìn)入 CAI 教學(xué)軟件教學(xué)軟件4-4 盤形凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定 壓力角壓力角 是從動(dòng)件與凸輪輪是從動(dòng)件與凸輪輪廓接觸點(diǎn)廓接觸點(diǎn)B處所受正壓力的方處所受正壓力的方向（即凸輪輪廓在該點(diǎn)法線向（即凸輪輪廓在該點(diǎn)法線N-N的方向）與從動(dòng)件上點(diǎn)的方向）與從動(dòng)件上點(diǎn)B的的速度方向之間所夾的銳角。速度方向之間所夾的銳角。一、壓力角一、壓力角 及其許用值及其許用值01121tan2cos()(1)sin()

12、tansinMbMl式式 4-7 221RFNNB12P12RF12F121122cos()(1)sin()tanQFbl12tan)21/(1arctanlbc式式 4-8臨界壓力角臨界壓力角 c： 在工程實(shí)際中，為保證機(jī)械效率，改善在工程實(shí)際中，為保證機(jī)械效率，改善受力情況，通常規(guī)定凸輪機(jī)構(gòu)的最大壓力角受力情況，通常規(guī)定凸輪機(jī)構(gòu)的最大壓力角 應(yīng)小于或等于某一許用壓力角應(yīng)小于或等于某一許用壓力角 。maxmax 即：即：2112tan1tanbl根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，推薦的許用壓力角取值為根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，推薦的許用壓力角取值為:推程：推程：直動(dòng)從動(dòng)件取直動(dòng)從動(dòng)件取 ；擺動(dòng)從動(dòng)件取擺動(dòng)從動(dòng)件取 ；304

13、03545 回程：回程： 直動(dòng)和擺動(dòng)從動(dòng)件薦取直動(dòng)和擺動(dòng)從動(dòng)件薦取 。7080二、按許用壓力角 確定凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸 NNB12P12P是凸輪是凸輪 1與從動(dòng)件與從動(dòng)件 2的的相對(duì)速度瞬心。相對(duì)速度瞬心。o2121/OPds dsseddssseOP0012/tan式（式（4-9）式中：式中：2200ers* 壓力角壓力角 隨凸輪基圓半徑隨凸輪基圓半徑 的增大而減小的增大而減小，當(dāng)基圓半徑，當(dāng)基圓半徑 一定時(shí)，壓力角一定時(shí)，壓力角 隨從動(dòng)件的隨從動(dòng)件的位移位移 和類速度和類速度 的變化而變化。的變化而變化。0r0rdds/s 在凸輪軸心在凸輪軸心的許用區(qū)域內(nèi)選的許用區(qū)域內(nèi)選定凸輪軸心定凸輪軸

14、心O的的位置，凸輪基圓位置，凸輪基圓半徑半徑 和偏距和偏距 就確定了。就確定了。0re220/tands deres 對(duì)于直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，為了改善其傳對(duì)于直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，為了改善其傳力性能或減小凸輪尺寸，經(jīng)常采用偏置凸輪機(jī)構(gòu)力性能或減小凸輪尺寸，經(jīng)常采用偏置凸輪機(jī)構(gòu)。 偏置與推程時(shí)的偏置與推程時(shí)的相對(duì)瞬心相對(duì)瞬心P12位于凸位于凸輪軸心的同一側(cè)。輪軸心的同一側(cè)。 凸輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，凸輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件導(dǎo)路應(yīng)偏置于凸從動(dòng)件導(dǎo)路應(yīng)偏置于凸輪軸心的右側(cè)。輪軸心的右側(cè)。 凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件導(dǎo)路應(yīng)偏時(shí)，從動(dòng)件導(dǎo)路應(yīng)偏于凸輪軸心的左側(cè)。于凸輪軸心的左側(cè)。12P12P

15、偏置方位確定：偏置方位確定：三、按凸輪輪廓全部外凸條件確定凸輪基圓半徑三、按凸輪輪廓全部外凸條件確定凸輪基圓半徑0r)20()()(min0 ssr)()(min0ssr )20(平底從動(dòng)件盤形凸輪輪廓的外凸條件：平底從動(dòng)件盤形凸輪輪廓的外凸條件：0r平底從動(dòng)件盤形凸輪的基圓半徑平底從動(dòng)件盤形凸輪的基圓半徑 ：四、滾子半徑四、滾子半徑 的選擇的選擇rrrar1. 凸輪理論輪廓的內(nèi)凹部分凸輪理論輪廓的內(nèi)凹部分工作輪廓曲率半徑、理論輪廓曲率半徑與滾子半工作輪廓曲率半徑、理論輪廓曲率半徑與滾子半徑三者之間的關(guān)系為：徑三者之間的關(guān)系為：2. 凸輪理論輪廓的外凸部分凸輪理論輪廓的外凸部分rar工作輪廓曲

16、率半徑、理論輪廓曲率半徑與滾子半工作輪廓曲率半徑、理論輪廓曲率半徑與滾子半徑三者之間的關(guān)系為：徑三者之間的關(guān)系為：進(jìn)入進(jìn)入 CAI 教學(xué)軟件教學(xué)軟件演示凸輪演示凸輪“外凸外凸”和和“內(nèi)凹內(nèi)凹”情情況況a不論選擇多大的滾子，不論選擇多大的滾子，都能作出工作輪廓都能作出工作輪廓rr0a可以作出凸輪可以作出凸輪的工作輪廓的工作輪廓0arr能作出凸輪工作能作出凸輪工作輪廓，但出現(xiàn)了輪廓，但出現(xiàn)了“尖點(diǎn)尖點(diǎn)”。rr0a作出的工作輪廓出現(xiàn)作出的工作輪廓出現(xiàn)了相交的包絡(luò)線。即了相交的包絡(luò)線。即出現(xiàn)出現(xiàn)“失真失真”現(xiàn)象。現(xiàn)象。minrr一般推薦：一般推薦：=35mmarr4-5 空間凸輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介空間凸輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)

17、介1. 圓柱凸輪機(jī)構(gòu)圓柱凸輪機(jī)構(gòu)空間圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)空間圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)2. 圓錐凸輪機(jī)構(gòu)圓錐凸輪機(jī)構(gòu)3. 弧面凸輪機(jī)構(gòu)弧面凸輪機(jī)構(gòu) 弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)4. 球面凸輪機(jī)構(gòu)球面凸輪機(jī)構(gòu)4-6 凸輪機(jī)構(gòu)例題凸輪機(jī)構(gòu)例題1、設(shè)計(jì)偏心滾子從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)。、設(shè)計(jì)偏心滾子從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)。已知凸輪以等角速度逆時(shí)針方向回轉(zhuǎn)，已知凸輪以等角速度逆時(shí)針方向回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速n=500 r/min，推程時(shí)，從動(dòng)件以，推程時(shí)，從動(dòng)件以正弦加速度上升，推程運(yùn)動(dòng)角為正弦加速度上升，推程運(yùn)動(dòng)角為1800，升程升程h=80mm，遠(yuǎn)休止為，遠(yuǎn)休止為300，回程時(shí)，回程時(shí)，從動(dòng)件以正弦加速度下降，回程運(yùn)動(dòng)角從動(dòng)

18、件以正弦加速度下降，回程運(yùn)動(dòng)角為為900，推程許用壓力角，推程許用壓力角 = 300，回，回程許用壓力角程許用壓力角 = 700，滾子半徑，滾子半徑 =10mm。12rr解：解：(1)、確定偏置位置、確定偏置位置 根據(jù)凸輪的轉(zhuǎn)向確定偏根據(jù)凸輪的轉(zhuǎn)向確定偏心的位置，選用右圖結(jié)構(gòu)形心的位置，選用右圖結(jié)構(gòu)形式，以減少機(jī)構(gòu)尺寸，使偏式，以減少機(jī)構(gòu)尺寸，使偏距位于凸輪中心右側(cè)。距位于凸輪中心右側(cè)。(2)、流程圖設(shè)計(jì)、流程圖設(shè)計(jì) 按許用壓力角求出凸按許用壓力角求出凸輪的最小基圓半徑及相應(yīng)輪的最小基圓半徑及相應(yīng)的偏距。確定基圓半徑后，的偏距。確定基圓半徑后，計(jì)算從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而計(jì)算凸輪的理論廓線、進(jìn)而計(jì)算凸輪的理論廓線、實(shí)際廓線和刀具中心軌跡。實(shí)際廓線和刀具中心軌跡。開 始 INPUT ,12 讀入 ：hrnr,4321 GOSUB 5100 計(jì) 算er,min0 INPUTer ,0000103600STEPTOFOR流 程 圖?4,4MM1,2MM2,32MM3,43MMGOSUB 5600計(jì)算遠(yuǎn)休止角中s, v, aGOSUB 5500計(jì)算 推 程s, v, aGOSU