機(jī)械原理課程講稿

機(jī)械原理課程講稿授課題目（教學(xué)章、節(jié)或主題）：第七章凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)授課方式（請(qǐng)打√）理論課□?討論課□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□其他□課時(shí)安排5教學(xué)要求：1.了解凸輪機(jī)構(gòu)的類型及各類凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合，學(xué)會(huì)根據(jù)工作要求和使用場(chǎng)合選擇凸輪機(jī)構(gòu)的類型。2.掌握從動(dòng)件幾種常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合以及不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律位移曲線的拼接方法，學(xué)會(huì)根據(jù)工作要求選擇或設(shè)計(jì)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。3.了解反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)凸輪廓線、解析法設(shè)計(jì)凸輪廓線、凸輪設(shè)計(jì)的幾個(gè)基本問(wèn)題。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)及關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)：

從動(dòng)件幾種常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合；反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)凸輪廓線。方法及手段凸輪機(jī)構(gòu)類型很多，名稱也各異，但各種凸輪機(jī)構(gòu)的命名是有一定規(guī)律的，這一點(diǎn)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生掌握。關(guān)于推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為了提高課堂效率，數(shù)學(xué)方程不必詳細(xì)推導(dǎo)，也不要求學(xué)生死記硬背，只要能正確理解運(yùn)動(dòng)方程中各個(gè)參數(shù)的含意，并能在設(shè)計(jì)時(shí)正確使用即可。

教學(xué)基本內(nèi)容（教學(xué)過(guò)程）第一節(jié)凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用及其分類

凸輪機(jī)構(gòu)是由具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，通過(guò)高副接觸帶動(dòng)從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種高副機(jī)構(gòu)。它廣泛地應(yīng)用于各種機(jī)械，特別是自動(dòng)機(jī)械、自動(dòng)控制裝置和裝配生產(chǎn)線中。在設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)，當(dāng)需要其從動(dòng)件必須準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)某種預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，常采用凸輪機(jī)構(gòu)。

●下面通過(guò)一個(gè)生產(chǎn)實(shí)例來(lái)說(shuō)明凸輪機(jī)構(gòu)的組成:●由上例可以看出:

當(dāng)凸輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)其上的曲線輪廓與從動(dòng)件的高副接觸，可使從動(dòng)件獲得預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。凸輪機(jī)構(gòu)是由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架這三個(gè)基本構(gòu)件所組成的一種高副機(jī)構(gòu)。圖示為內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)。具有曲線輪廓的構(gòu)件1叫做凸輪當(dāng)它作等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其曲線輪廓通過(guò)與推桿2的平底接觸，使氣閥有規(guī)律地開(kāi)啟和閉合。工作對(duì)氣閥的動(dòng)作程序及其速度和加速度都有嚴(yán)格的要求，這些要求都是通過(guò)凸輪的輪廓曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

工程實(shí)際中所使用的凸輪機(jī)構(gòu)型式多種多樣，常用的分類方法有以下幾種：

1.按照凸輪的形狀分類

（1）盤形凸輪

這種凸輪是一個(gè)繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)并且具有變化向徑的盤形零件，如。當(dāng)其繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可推動(dòng)從動(dòng)件在垂直于凸輪轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。它是凸輪的最基本型式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用最廣。

（2）移動(dòng)凸輪當(dāng)盤形凸輪的轉(zhuǎn)軸位于無(wú)窮遠(yuǎn)處時(shí)，就演化成了圖示的移動(dòng)凸輪（或楔形凸輪）。凸輪呈板狀，它相對(duì)于機(jī)架作直線移動(dòng)。

在以上兩種凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪與從動(dòng)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)均為平面運(yùn)動(dòng)，故又統(tǒng)稱為平面凸輪機(jī)構(gòu)。

（3）圓柱凸輪

如果將移動(dòng)凸輪卷成圓柱體即演化成圓柱凸輪。圖示為自動(dòng)機(jī)床的進(jìn)刀機(jī)構(gòu)。在這種凸輪機(jī)構(gòu)中凸輪與從動(dòng)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是空間運(yùn)動(dòng)，故屬于空間凸輪機(jī)構(gòu)。圖中具有曲線凹槽的構(gòu)件叫凸輪，當(dāng)它作等速回轉(zhuǎn)時(shí)，其上曲線凹槽的側(cè)面推動(dòng)從動(dòng)件繞O點(diǎn)作復(fù)擺動(dòng)，通過(guò)扇形齒輪和固結(jié)在刀架上的齒條，控制刀架作進(jìn)刀和退刀運(yùn)動(dòng)。刀架的運(yùn)動(dòng)規(guī)律則取決于凸輪上曲線凹槽的形狀。2．按照從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式分類按照從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式分為移動(dòng)從動(dòng)件和擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)。移動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)又可根據(jù)其從動(dòng)件軸線與凸輪回轉(zhuǎn)軸心的相對(duì)位置分成對(duì)心和偏置兩種。3．按照凸輪與從動(dòng)件維持高副接觸的方法

（1）力封閉型凸輪機(jī)構(gòu)

所謂力封閉型，是指利用重力、彈簧力或其它外力使從動(dòng)件與凸輪輪廓始終保持接觸。如。

（2）形封閉型凸輪機(jī)構(gòu)

所謂形封閉型，是指利用高副元素本身的幾何形狀使從動(dòng)件與凸輪輪廓始終保持接觸。機(jī)械原理課程講稿機(jī)械原理課程講稿常用的形封閉型凸輪機(jī)構(gòu)有以下幾種：槽凸輪機(jī)構(gòu)等寬凸輪機(jī)構(gòu)等徑凸輪機(jī)構(gòu)共軛凸輪機(jī)構(gòu)

4．按照從動(dòng)件的形狀分類名稱圖形說(shuō)明尖

端

從

動(dòng)

件

從動(dòng)件的尖端能夠與任意復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，從而使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)任意的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這種從動(dòng)件結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，但尖端處易磨損，故只適用于速度較低和傳力不大的場(chǎng)合。曲

面

從

動(dòng)

件

為了克服尖端從動(dòng)件的缺點(diǎn)，可以把從動(dòng)件的端部做成曲面，稱為曲面從動(dòng)件。這種結(jié)構(gòu)形式的從動(dòng)件在生產(chǎn)中應(yīng)用較多。機(jī)械原理課程講稿滾

子

從

動(dòng)

件

為減小摩擦磨損，在從動(dòng)件端部安裝一個(gè)滾輪，把從動(dòng)件與凸輪之間的滑動(dòng)摩擦變成滾動(dòng)摩擦，因此摩擦磨損較小，可用來(lái)傳遞較大的動(dòng)力，故這種形式的從動(dòng)件應(yīng)用很廣。平

底

從

動(dòng)

件

從動(dòng)件與凸輪輪廓之間為線接觸，接觸處易形成油膜，潤(rùn)滑狀況好。此外，在不計(jì)摩擦?xí)r，凸輪對(duì)從動(dòng)件的作用力始終垂直于從動(dòng)件的平底，受力平穩(wěn)，傳動(dòng)效率高，常用于高速場(chǎng)合。缺點(diǎn)是與之配合的凸輪輪廓必須全部為外凸形狀。以上介紹了凸輪機(jī)構(gòu)的幾種分類方法。將不同類型的凸輪和從動(dòng)件組合起來(lái)，就可以得到各種不同形式的凸輪機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)工作要求和使用場(chǎng)合的不同加以選擇。凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，占據(jù)空間較??；具有多用性和靈活性，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于凸輪輪廓曲線的形狀。對(duì)于幾乎任意要求的從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，都可以毫無(wú)困難地設(shè)計(jì)出凸輪廓線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

缺點(diǎn)：凸輪輪廓線與從動(dòng)件之間是點(diǎn)或線接觸的高副，易于磨損，故多用于傳力不大的場(chǎng)合。機(jī)械原理課程講稿

第二節(jié)第二節(jié)常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律一、運(yùn)動(dòng)分析1、名詞術(shù)語(yǔ)1）基圓2）推程3）升程h4）推程角a5）遠(yuǎn)休止6）遠(yuǎn)休止角b7）回程8）回程角c9）近休止10）近休止角d機(jī)械原理課程講稿幾個(gè)重要概念：1、從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：幾個(gè)重要概念：1、從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：指從動(dòng)件的位移s、速度v、加速度a及加速度的變化率j隨時(shí)間t和凸輪轉(zhuǎn)角j變化的規(guī)律。2、從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)線圖：從動(dòng)件的s、v、a、j隨時(shí)間t或凸輪轉(zhuǎn)角j變化的曲線。3、常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律：在工程實(shí)際中經(jīng)常用到的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，它們具有不同的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性。選定了：凸輪結(jié)構(gòu)型式、從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律二、運(yùn)動(dòng)分析——涉及到作圖法作s-圖、v-圖、a-圖作圖比例尺L位移比例尺s可相同可不同，不同時(shí)換算；角度比例尺取能被360°整除的角度，例120°。凸輪機(jī)構(gòu)涉及一個(gè)問(wèn)題兩個(gè)方面：A：已知凸輪廓線形狀——分析從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律；B：已知從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律——設(shè)計(jì)凸輪廓線；設(shè)計(jì)方法——反轉(zhuǎn)法。由位移線圖微分得速度、加速度線圖。機(jī)械原理課程講稿

幾種常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)線圖和特點(diǎn)名稱運(yùn)動(dòng)線圖特點(diǎn)及應(yīng)用等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律

從動(dòng)件速度為常量，故稱為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，由于其位移曲線為一條斜率為常數(shù)的斜直線，故又稱直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

特點(diǎn)：速度曲線不連續(xù)，從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)起始和終止位置速度有突變，會(huì)產(chǎn)生剛性沖擊。

適用場(chǎng)合：低速輕載。等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律

從動(dòng)件在推程或回程的前半段作等加速運(yùn)動(dòng)，后半段作等減速運(yùn)動(dòng)，通常加速度和減速度絕對(duì)值相等。由于其位移曲線為兩段在O點(diǎn)光滑相連的反向拋物線，故又稱為拋物線運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

特點(diǎn)：速度曲線連續(xù)，不會(huì)產(chǎn)生剛性沖擊；因加速度曲線在運(yùn)動(dòng)的起始、中間和終止位置有突變，會(huì)產(chǎn)生柔性沖擊。

適用場(chǎng)合：中速輕載。機(jī)械原理課程講稿簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律

當(dāng)質(zhì)點(diǎn)在圓周上作勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其在該圓直徑上的投影所構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)稱為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，由于其加速度曲線為余弦曲線，故又稱為余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

特點(diǎn)：速度曲線連續(xù)，故不會(huì)產(chǎn)生剛性沖擊，但在運(yùn)動(dòng)的起始和終止位置加速度曲線不連續(xù)，故會(huì)產(chǎn)生柔性沖擊。

適用場(chǎng)合：中速中載。當(dāng)從動(dòng)件作無(wú)停歇的升--降--升連續(xù)停歇運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度曲線變成連續(xù)曲線，可用于高速場(chǎng)合。擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律

當(dāng)滾圓沿縱坐標(biāo)軸作勻速純滾動(dòng)時(shí)，圓周上一點(diǎn)的軌跡為一擺線。此時(shí)該點(diǎn)在縱坐標(biāo)軸上的投影隨時(shí)間變化的規(guī)律稱擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，由于其加速度曲線為正弦曲線，故又稱為正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

特點(diǎn)：速度曲線和加速度曲線均連續(xù)無(wú)突變，故既無(wú)剛性沖擊也無(wú)柔性沖擊。

適用場(chǎng)合：高速輕載。3－4－5次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律

其位移方程式中多項(xiàng)式剩余項(xiàng)的次數(shù)為3、4、5，故稱3－4－5次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律。也稱五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

特點(diǎn)：速度曲線和加速度曲線均連續(xù)無(wú)突變，故既無(wú)剛性沖擊也無(wú)柔性沖擊。

適用場(chǎng)合：高速中載。在工程實(shí)際中，常會(huì)遇到機(jī)械對(duì)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性有多種要求，而只用一種常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律又難于完全滿足這些要求的情況。這時(shí)，為了獲得更好的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，可把幾種常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律組合起來(lái)加以使用，這種組合稱為運(yùn)動(dòng)曲線的拼接。

機(jī)械原理課程講稿凸輪廓線設(shè)計(jì)的反轉(zhuǎn)法凸輪廓線的設(shè)計(jì)方法依據(jù)的基本原理相同。本節(jié)首先介紹凸輪廓線設(shè)計(jì)的基本原理，然后介紹作圖法設(shè)計(jì)凸輪廓線的方法和步驟。凸輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)，凸輪和從動(dòng)件都在運(yùn)動(dòng)，為了在圖紙上繪制出凸輪的輪廓曲線，可采用反轉(zhuǎn)法。凸輪廓線設(shè)計(jì)的反轉(zhuǎn)法凸輪廓線的設(shè)計(jì)方法依據(jù)的基本原理相同。本節(jié)首先介紹凸輪廓線設(shè)計(jì)的基本原理，然后介紹作圖法設(shè)計(jì)凸輪廓線的方法和步驟。凸輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)，凸輪和從動(dòng)件都在運(yùn)動(dòng)，為了在圖紙上繪制出凸輪的輪廓曲線，可采用反轉(zhuǎn)法。反轉(zhuǎn)法原理:設(shè)在整個(gè)機(jī)構(gòu)上加（－ω）,凸輪視為不動(dòng)，觀察者站在凸輪上,從動(dòng)件一方面隨導(dǎo)路以角速度（－ω）轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)又相對(duì)機(jī)架移動(dòng)，從動(dòng)件在復(fù)合運(yùn)動(dòng)中,尖點(diǎn)的軌跡即凸輪的輪廓曲線。這種方法是假定凸輪固定不動(dòng)而使從動(dòng)件連同導(dǎo)路一起反轉(zhuǎn)，又稱運(yùn)動(dòng)倒置法。

凸輪機(jī)構(gòu)的形式多種多樣，反轉(zhuǎn)法原理適用于各種凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)。第三節(jié)用圖解法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線選定了：凸輪結(jié)構(gòu)型式、從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定了：凸輪的基圓半徑、轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線方法：圖解法和解析法簡(jiǎn)介：尖頂對(duì)心/偏置滾子平底直動(dòng)從動(dòng)件盤狀凸輪機(jī)械原理課程講稿概括：基圓、線圖同等分，對(duì)應(yīng)點(diǎn)上值相等，光滑曲線連各點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律（廓線）即告成。1、移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì)

11、移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì)

1）尖端從動(dòng)件

以一偏置移動(dòng)尖端從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)為例。設(shè)已知凸輪的基圓半徑為r0，從動(dòng)件軸線偏于凸輪軸心的左側(cè)，偏距為e，凸輪以等角速度ω順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件的位移曲線如圖所示，試設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線。步驟：a）選取適當(dāng)?shù)谋壤?，作出從?dòng)件的位移線圖。將位移曲線的橫坐標(biāo)分成若干等份，得分點(diǎn)1，2,…，12。b）選取同樣的比例尺，以O(shè)為圓心，r0為半徑作基圓，并根據(jù)從動(dòng)件的偏置方向畫出從動(dòng)件的起始位置線，該位置線與基圓的交點(diǎn)B0，便是從動(dòng)件尖端的初始位置。二、用作圖法設(shè)計(jì)凸輪廓線機(jī)械原理課程講稿c）以O(shè)為圓心、OK＝e為半徑作偏距圓，該圓與從動(dòng)件的起始位置線切于K點(diǎn)。d）自K點(diǎn)開(kāi)始，沿（-ω）方向?qū)⑵鄨A分成與圖(b)橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的區(qū)間和等份，得若干個(gè)分點(diǎn)。過(guò)各分點(diǎn)作偏距圓的切射線，這些線代表從動(dòng)件在反轉(zhuǎn)過(guò)程中從動(dòng)件占據(jù)的位置線。它們與基圓的交點(diǎn)分別為C1，C2，…，C11。

e）在上述切射線上，從基圓起向外截取線段，使其分別等于圖（b）中相應(yīng)的坐標(biāo)，即C1B1＝11'，C2B2＝22',…,得點(diǎn)B1，B2，…，B11，這些點(diǎn)即代表反轉(zhuǎn)過(guò)程中從動(dòng)件尖端依次占據(jù)的位置。f）將點(diǎn)B0，B1，B2，…連成光滑的曲線，即得所求的凸輪輪廓曲線。2）滾子從動(dòng)件（步驟略）2）滾子從動(dòng)件（步驟略）機(jī)械原理課程講稿3、平底從動(dòng)件第四節(jié)第四節(jié)凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定在討論凸輪廓線的設(shè)計(jì)中，均假設(shè)凸輪的基圓半徑、滾子半徑及平底從動(dòng)件的平底尺寸已知，實(shí)際上，這些尺寸與機(jī)構(gòu)受力好壞、動(dòng)作是否靈活、準(zhǔn)確及可靠有關(guān)，而且還要考慮機(jī)構(gòu)是否緊湊。如下對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定加以討論。機(jī)械原理課程講稿一、作用力與壓力角壓力角定義：一、作用力與壓力角壓力角定義：主動(dòng)件凸輪在接觸點(diǎn)處作用于從動(dòng)件的法向力與從動(dòng)件受力點(diǎn)的速度方向間所夾的銳角。RR’=RcosR’’=Rsin有用分力有害分力注：不同凸輪位置壓力角不同。大R’’大機(jī)構(gòu)磨損大，效率低。推程當(dāng)=c（臨界壓力角）時(shí)，機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖。規(guī)定：回程機(jī)械原理課程講稿若e=0則為對(duì)心機(jī)構(gòu)；若若e=0則為對(duì)心機(jī)構(gòu)；若e<0則為偏置機(jī)構(gòu)。a<a對(duì)心e>0時(shí)，不合理。選