任務(wù)3.2 凸輪機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)

《機(jī)械分析與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》

情境3常用機(jī)械機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)任務(wù)3.2凸輪機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)

任務(wù)3.2凸輪機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)氣缸體1活塞2進(jìn)氣閥3排氣閥4連桿5曲軸6凸輪7頂桿8齒輪10配氣機(jī)構(gòu)引導(dǎo)問題：內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的組成？1.任務(wù)條件

已知內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)，如圖3-2-2所示。從動(dòng)件（頂桿）的運(yùn)動(dòng)位移曲線如圖3-2-0所示、凸輪的基圓半徑為r0

。2.任務(wù)要求

根據(jù)“反轉(zhuǎn)法”原理，用圖解法設(shè)計(jì)平底從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪輪廓曲線?！鞠逻_(dá)任務(wù)】圖3-2-0從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的位移曲線圖3-2-2內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)

【能力目標(biāo)】1.了解凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用及分類。2.學(xué)會(huì)常用從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律。3.學(xué)會(huì)圖解法設(shè)計(jì)盤形凸輪輪廓曲線。4.了解凸輪設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題。5

知識(shí)導(dǎo)航內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)一、凸輪機(jī)構(gòu)的組成

1.凸輪1——具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件。

2.從動(dòng)件2——被凸輪直接推動(dòng)的構(gòu)件。

3.機(jī)架——相對(duì)于支撐物體固定不動(dòng)的構(gòu)件。下一頁3.2.1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用1.優(yōu)點(diǎn)（1）可使從動(dòng)件得到各種預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（2）結(jié)構(gòu)緊湊。2.缺點(diǎn)（1）高副接觸，易于磨損，多用于傳遞力不太大的場(chǎng)合。（2）加工比較困難。（3）從動(dòng)件行程不宜過大，否則會(huì)使凸輪變得笨重。二、凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)三、凸輪機(jī)構(gòu)的工程應(yīng)用實(shí)例1.內(nèi)燃機(jī)中的配氣機(jī)構(gòu)2.繞線機(jī)中的排線機(jī)構(gòu)

3.自動(dòng)機(jī)床的進(jìn)刀機(jī)構(gòu)4.仿形加工機(jī)構(gòu)凸輪輪廓的加工方法通常有兩種：（1）銑、銼削加工

對(duì)用于低速、輕載場(chǎng)合的凸輪，可以在未淬火的凸輪輪坯上通過圖解法繪制出輪廓曲線，采用銑床或手工銼削方法加工而成。對(duì)于大批量生產(chǎn)的還可采用仿形加工。（2）數(shù)控加工

即采用數(shù)控線切割機(jī)床對(duì)淬火凸輪進(jìn)行加工，此種加工方法是目前常用的一種加工凸輪方法。應(yīng)用專用編程軟件，用數(shù)控線切割機(jī)床切割而成，此方法加工出的凸輪精度高，適用于高速、重載的場(chǎng)合。

數(shù)控凸輪磨床四、凸輪的加工方法一、按凸輪的形狀分類盤形凸輪移動(dòng)凸輪圓柱凸輪3.2.2凸輪機(jī)構(gòu)的分類二、按從動(dòng)件端部結(jié)構(gòu)分類尖頂從動(dòng)件滾子從動(dòng)件平底從動(dòng)件三、按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)方式分類直動(dòng)從動(dòng)件擺動(dòng)從動(dòng)件對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件偏置直動(dòng)從動(dòng)件四、按凸輪與從動(dòng)件保持接觸的方式（鎖合方式）分類力鎖合形鎖合凹槽凸輪機(jī)構(gòu)等寬凸輪機(jī)構(gòu)等徑凸輪機(jī)構(gòu)3.2.3凸輪的結(jié)構(gòu)一、凸輪的結(jié)構(gòu)型式2.凸輪在軸上的固定方式凸輪軸圓錐銷聯(lián)接

圓錐銷和螺母聯(lián)接

平鍵聯(lián)接3.凸輪的工作圖案例

常用的材料有：55、20Cr、18CrMnTi或T9、T10等并經(jīng)過表面淬火處理。

合理地選擇凸輪的材料，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，使?jié)L子和凸輪的工作表面具有較高的硬度和耐磨性，而芯部具有較好的韌性。3.2.4凸輪的結(jié)構(gòu)與材料223.2.5凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程和基本術(shù)語r0hB’otΦsΦsΦsΦ'sΦ'sΦΦΦ'Φ'ωADCB從動(dòng)件的位移線圖

主動(dòng)件凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件上下移動(dòng)。

從動(dòng)件移動(dòng)規(guī)律：

升—?！怠Ｒ弧⑦\(yùn)動(dòng)過程1.基圓以凸輪輪廓的最小向徑rb為半徑所作的圓。二、名詞術(shù)語及符號(hào)2.推程（升程）

當(dāng)凸輪以等角速度ω逆時(shí)針轉(zhuǎn)過δ0角時(shí)，從動(dòng)件由最低位置A被到最高位置B的運(yùn)動(dòng)過程.

相應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角δ0稱為推程角3.遠(yuǎn)停程當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過δ01角時(shí)，從動(dòng)件處于最高位置靜止不動(dòng)的過程。相應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角δ01稱為遠(yuǎn)休止角4.回程當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過δ0’角時(shí)，從動(dòng)件由最高位置C回到最低位置D的運(yùn)動(dòng)過程,

相應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角δ0’

’

稱為回程角。5.近停程當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過δ02’角時(shí)，從動(dòng)件處于最低位置靜止不動(dòng)的過程，相應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角δ02稱為近休止角6.升程從動(dòng)件在推程或回程時(shí)移動(dòng)的距離主動(dòng)件凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件上下移動(dòng)。

三、工作過程分析以尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)為例：

從動(dòng)件移動(dòng)規(guī)律：

升—停—降—停從動(dòng)件位移線圖r0hB’otδsδ01δ01δ02δ02δ0δ0δ’0δ’0ωADCB

以縱坐標(biāo)代表從動(dòng)件位移s2

，橫坐標(biāo)代表凸輪轉(zhuǎn)角δ1或t，所畫出的位移與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系曲線。上升—?！怠?/p>

從動(dòng)件位移線圖決定于凸輪輪廓曲線的形狀。一、從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的概念從動(dòng)件的位移（S）、速度（V）和加速度（a）隨時(shí)間（t）或凸輪轉(zhuǎn)角（δ）的變化規(guī)律。二、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的表示方法①從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方程：S=S(t）S=S(δ）

V=V(t)V=V(δ)a=a(t)a=a(δ)②從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)線圖3.2.6從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律1.勻速運(yùn)動(dòng)規(guī)律（直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律）從動(dòng)件在推程（上升）或回程（下降）的速度V為一常數(shù)特點(diǎn)：適用于低速輕載的場(chǎng)合從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)的開始和終止的速度有突變，瞬時(shí)加速度趨于無大，產(chǎn)生大慣性，有剛性沖擊三、常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律2.勻加速勻減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律（拋物線運(yùn)動(dòng)規(guī)律）

從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)過程的前半程勻加速運(yùn)動(dòng)，后半程作勻減速運(yùn)動(dòng)，兩部分加速度的絕對(duì)值相等的運(yùn)動(dòng)規(guī)律特點(diǎn)：從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)的始中末三個(gè)瞬時(shí)，加速度有突變，引起柔性沖擊適用于中低速輕載的場(chǎng)合3.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律（余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律）特點(diǎn)：

當(dāng)從動(dòng)件只作升—降——升（休止角為零）運(yùn)動(dòng)時(shí)，其加速度為一連續(xù)的光滑曲線，運(yùn)動(dòng)中消除了柔性沖擊，這種情況適用于高速。速度和加速度都是連續(xù)曲線

在推程和回程的起點(diǎn)、終點(diǎn)加速度有突變，要產(chǎn)生柔性沖擊。適用于中、低速中載的場(chǎng)合四、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇盡量選用使凸輪輪廓曲線易于加工的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

只要求從動(dòng)件完成一定的行程h或φ，應(yīng)采用易于加工的曲線作為凸輪輪廓曲線對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有嚴(yán)格要求時(shí)必須按照機(jī)器所要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來選擇①盡可能選用加速度曲線連續(xù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)還應(yīng)考慮從動(dòng)件不同的運(yùn)動(dòng)形式②對(duì)質(zhì)量較大從動(dòng)件應(yīng)選擇vmax較小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律③對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的凸輪機(jī)構(gòu)，應(yīng)選擇amax值較小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律1.工作要求2.動(dòng)力特性3.凸輪輪廓的加工36一、凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角1.壓力角與作用力的關(guān)系

所謂凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角，是指在不計(jì)摩擦的情況下，凸輪對(duì)從動(dòng)件作用力的方向與從動(dòng)件上受力點(diǎn)速度方向之間所夾的銳角。nneOBωαr0FV3.2.7凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的其他問題工程上要求：αmax

≤[α]直動(dòng)推桿：[α]＝30°擺動(dòng)推桿：[α]＝35°～45°回程：[α]’＝70°～80°推程nneOBωαr0FF′F"F'=FcosαF"=Fsinα----有利于從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的分力----不利于從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的分力αF'F"提問：平底從動(dòng)件α＝？00nnvOωr0【討論】平底從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角。

壓力角為零或一定值。結(jié)論：當(dāng)平底與從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí)，壓力角恒為0，當(dāng)平底與從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方向不是垂直時(shí)，壓力角就不為0了。所以得分情況討論！二、基圓半徑的確定盤形凸輪的最小基圓半徑主要受到三個(gè)條件的限制：

①凸輪的基圓半徑應(yīng)大于凸輪軸的半徑

②αmax≤［α］③ρ＞rT基圓半徑的確定辦法②諾模圖法①根據(jù)凸輪的結(jié)構(gòu)確定當(dāng)凸輪與軸分開制造時(shí)，當(dāng)凸輪與軸做成一個(gè)凸輪軸時(shí)，式中：r――制作凸輪處軸的半徑，mm；

rn――凸輪輪轂外圓半徑，mm，一般；

rT――滾子半徑，mm。若從動(dòng)件不帶滾子。40【提問】在設(shè)計(jì)一對(duì)心凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)α≥[α]

的情況，在不改變運(yùn)動(dòng)規(guī)律的前提下，可采取哪些措施來進(jìn)行改進(jìn)？（1）加大基圓半徑r0。（2）將對(duì)心改為偏置。（3）采用平底從動(dòng)件；解析法設(shè)計(jì)方法圖解法（主要介紹）計(jì)算復(fù)雜精度高簡(jiǎn)單直觀精度低3.2.8盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)

依據(jù)此原理可以用幾何作圖的方法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線-ωω

給整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)加上一個(gè)與凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω大小相等、方向相反的角速度－ω，此時(shí)凸輪不動(dòng)，從動(dòng)件一方面隨導(dǎo)路以－ω繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，另一方面又在導(dǎo)路中按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作往復(fù)移動(dòng)。由于從動(dòng)件的尖頂始終與凸輪輪廓相接觸，其尖頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡就是凸輪輪廓曲線。反轉(zhuǎn)法原理一、凸輪輪廓設(shè)計(jì)的圖解法原理-反轉(zhuǎn)法二、對(duì)心尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)基圓半徑Rb1.選與位移線圖一致的比例作凸輪的基圓；2.將基圓分成與位移線圖中相對(duì)應(yīng)的等份；3.分別自基圓圓周向外量取從動(dòng)件位移線圖中相應(yīng)的位移量；4.光滑連接各點(diǎn)即為所求的凸輪輪廓。

已知，如圖eA-ωωO

偏置直動(dòng)尖頂推桿凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑r0=300mm

，角速度ω和推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和偏心距e=100mm，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。二、偏置直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)sδ60°120°90°90°1’3’5’7’8’1357891113159’11’13’12’14’12345678k1k2k3k5k4k6k7k81514131211109k9k10k11k12k13k14k151’2’3