第三章 凸輪及間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

第3章凸輪及間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3.1凸輪機(jī)構(gòu)3.2棘輪機(jī)構(gòu)3.3槽輪機(jī)構(gòu)3.4不完全齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪式間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3.1凸輪機(jī)構(gòu)

3.1.1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

在各種機(jī)械中，為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)要求，廣泛地應(yīng)用著凸輪機(jī)構(gòu)。凸輪機(jī)構(gòu)由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架三部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只要設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞€，就可以使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)任何預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但另一方面，由于凸輪機(jī)構(gòu)是高副機(jī)構(gòu)，易于磨損，因此只適用于傳遞動(dòng)力不大的場(chǎng)合。

內(nèi)燃機(jī)配汽機(jī)構(gòu)平底凸輪動(dòng)畫凸輪的分類(1)按凸輪的形狀分盤形凸輪：移動(dòng)凸輪：圓柱凸輪：可看成是移動(dòng)凸輪卷在圓柱體上推桿凸輪推桿凸輪移動(dòng)凸輪動(dòng)畫移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)畫圓柱凸輪動(dòng)畫(3D)圓柱凸輪動(dòng)畫(3D)(2)按從動(dòng)件的型式分尖頂推桿滾子推桿平底推桿能與任意凸輪輪廓保持接觸，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律易磨損，只宜用于輕載、低速接觸面易形成油膜，利于潤滑，常用于高速運(yùn)動(dòng)配合的凸輪輪廓必須全部外凸耐磨、承載大，較常用(3)按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式分直動(dòng)擺動(dòng)(4)一般凸輪機(jī)構(gòu)的命名原則布置形式＋運(yùn)動(dòng)形式＋推桿形狀＋凸輪形狀對(duì)心直動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)偏置直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)擺動(dòng)平底推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)對(duì)心直動(dòng)平底推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)畫

擺動(dòng)平底推桿盤形凸輪動(dòng)畫

對(duì)心直動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪動(dòng)畫

擺動(dòng)圓底推桿盤形凸輪動(dòng)畫

擺動(dòng)滾子推桿盤形凸輪動(dòng)畫

對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)畫偏心凸輪動(dòng)畫等徑凸輪動(dòng)畫槽凸輪動(dòng)畫

回程，回程運(yùn)動(dòng)角

h

休止，休止角

s

行程（升程），h

位移線圖：從動(dòng)件的位移s、速度v、加速度a等隨時(shí)間t或凸輪轉(zhuǎn)角d變化的關(guān)系圖。

t推程

s遠(yuǎn)休止

h回程

s’近休止hA’BCDAr1

t

s

h

s’

3.1.2從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是指從動(dòng)件的位移、速度、加速度等隨時(shí)間t或凸輪轉(zhuǎn)角d變化的規(guī)律。t

s0基圓，基圓半徑r1推程，推程運(yùn)動(dòng)角

t從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律動(dòng)畫1、等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律推程（0≤

≤

t）回程（0≤

≤

t’）運(yùn)動(dòng)線圖沖擊特性：始點(diǎn)、末點(diǎn)剛性沖擊適用場(chǎng)合：低速輕載hs

0v

0a

0-

位移速度加速度+

+

t

t’-

2、等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律推程:

先加速運(yùn)動(dòng)線圖沖擊特性：起、中、末點(diǎn)柔性沖擊適用場(chǎng)合：低速輕載s

0

tv

0a

0h/2h/2

t/2

t/2h

后減速3、余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律推程（0≤

≤

t）運(yùn)動(dòng)線圖沖擊特性：始、末點(diǎn)有柔性沖擊適用場(chǎng)合：中低速、中輕載δsδa123456δv12345hδt4、正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律advd012345678hA2ph

t推程（0≤

≤

t）運(yùn)動(dòng)線圖沖擊特性：無沖擊適用場(chǎng)合：高速輕載

t

tsd1、從動(dòng)件的壓力角FxnnFnmmaFfFn的兩個(gè)分力：Ff為導(dǎo)路對(duì)從動(dòng)件的磨擦力Fn一定時(shí)，a↑，

Fx↑，

Ff↑當(dāng)Ff＞Fy時(shí)，機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖！推程[a]為：移動(dòng)從動(dòng)件a≤30°

擺動(dòng)從動(dòng)件a≤45°回程[a]為：a≤70o～

80°建議Fy

3.1.3凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角3.1.4凸輪的基圓半徑

1．基圓半徑越小，凸輪的外廓尺寸越小。

2．基圓半徑越小，凸輪理論廓線的最小曲率半徑越小，滾子凸輪的實(shí)際輪廓容易變尖和交叉。

3．基圓半徑越小，壓力角越大，凸輪機(jī)構(gòu)容易自鎖。

4．基圓半徑過小，不便于凸輪與軸進(jìn)行聯(lián)接。

從圖可見按結(jié)構(gòu)條件確定基圓半徑

r1≥1.8rb+4～10mm

rb—軸的半徑。3.2按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)盤形凸輪輪廓

凸輪輪廓線設(shè)計(jì)基本原理：反轉(zhuǎn)法。AAAAAAAAAAAAAAA

-

r0r0作圖步驟：根據(jù)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：作出位移線圖S2-δt，并等分角度；定基圓；作出推桿在反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中依次占據(jù)的位置；據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求出從動(dòng)件在預(yù)期運(yùn)動(dòng)中依次占據(jù)的位置；將兩種運(yùn)動(dòng)復(fù)合，就求出了從動(dòng)件尖端在復(fù)合運(yùn)動(dòng)中依次占據(jù)的位置點(diǎn)；將各位置點(diǎn)聯(lián)接成光滑的曲線；在理論輪廓上再作出凸輪的實(shí)際輪廓。作圖法設(shè)計(jì)凸輪輪廓線1

對(duì)心直動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)2

對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)3

對(duì)心直動(dòng)平底推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)4

偏置直動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)1、對(duì)心直動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)已知：r1，推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律，凸輪逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)：凸輪輪廓線s

0h定比例尺初始位置及推桿位移曲線確定推桿反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)占據(jù)的各位置確定推桿預(yù)期運(yùn)動(dòng)占據(jù)的各位置推桿高副元素族推桿高副元素的包絡(luò)線求解步驟：2、對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)已知：r1，推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律，滾子半徑rk,凸輪逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)：凸輪輪廓線s

0h理論輪廓實(shí)際輪廓求解步驟：定比例尺初始位置及推桿位移曲線注：兩條輪廓線，理論／實(shí)際輪廓線實(shí)際輪廓線基圓rmin理論輪廓線基圓r1確定推桿反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)占據(jù)的各位置確定推桿預(yù)期運(yùn)動(dòng)占據(jù)的各位置推桿高副元素族推桿高副元素的包絡(luò)線r

=-rk＝0rk

r

=-rk<0rk

=rk

<rk外凸凸輪輪廓線r

=-rk

>rk，r

>0，實(shí)際廓線平滑

=rk，r

=0，實(shí)際廓線變尖

<rk，r

<0，實(shí)際廓線出現(xiàn)交叉，加工切割掉一部分，運(yùn)動(dòng)失真。r

rk

>rkr

=-rk>0滾子半徑的選擇：實(shí)際輪廓線曲率半徑：r

理論輪廓線曲率半徑：滾子半徑：rk內(nèi)凹凸輪廓線r

=+rk理論輪廓線最小結(jié)論：無論滾子半徑多大，總能由理論輪廓線得到實(shí)際廓線。rk理論實(shí)際r

r

=+rk3、對(duì)心直動(dòng)平底推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)已知：r1，推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律，凸輪逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)：凸輪輪廓線求解步驟：

定比例尺初始位置及推桿位移曲線確定推桿反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)占據(jù)的各位置確定推桿預(yù)期運(yùn)動(dòng)占據(jù)的各位置推桿高副元素族推桿高副元素的包絡(luò)線s

0h實(shí)際輪廓

壓力角校核動(dòng)畫3.1.6凸輪的結(jié)構(gòu)和材料1．凸輪在軸上的固定方式

當(dāng)凸輪輪廓尺寸接近軸的直徑時(shí)，凸輪與軸可制作成一體，如左圖所示；當(dāng)其尺寸相差比較大時(shí)，凸輪與軸分開制造，凸輪與軸通過鍵聯(lián)接，如右圖所示；或通過圓錐銷聯(lián)接，如下圖所示。2.滾子及其聯(lián)接下圖所示為常見的幾種滾子結(jié)構(gòu)。3.凸輪和滾子的材料

凸輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)，往往承受沖擊載荷，凸輪與從動(dòng)件接觸部分磨損較嚴(yán)重，因此必須合理地選擇凸輪與滾子的材料，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。

常用的材料有45、20Cr、18CrMnTi或T8、T10等，并經(jīng)過表面淬火處理。3.3棘輪機(jī)構(gòu)

3.3.1棘輪機(jī)構(gòu)的工作原理

棘輪機(jī)構(gòu)是一種常用的間歇機(jī)構(gòu),主要由棘輪、棘爪和機(jī)架組成。

棘輪機(jī)構(gòu)是一種常用的間歇機(jī)構(gòu),其工作原理見下頁圖。棘輪3與軸用鍵連接,彈簧5用來使制動(dòng)棘爪4和棘輪3保持接觸，驅(qū)動(dòng)棘爪2與連桿機(jī)構(gòu)的搖桿1組成回轉(zhuǎn)副N。搖桿空套在軸上,可自由擺動(dòng)。當(dāng)搖桿逆時(shí)針擺動(dòng)時(shí),驅(qū)動(dòng)棘爪便插入棘輪的齒槽中,推動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)過一定角度,而制動(dòng)棘爪則在棘輪的齒上滑過；當(dāng)搖桿順時(shí)針擺動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)棘爪在棘輪的齒上滑過,而制動(dòng)棘爪將阻止棘輪作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),故棘輪靜止不動(dòng)。因此,搖桿作連續(xù)的往復(fù)擺動(dòng)時(shí),棘輪作單向間歇轉(zhuǎn)動(dòng)。棘輪機(jī)構(gòu)的工作原理

棘輪機(jī)構(gòu)工作原理動(dòng)畫

如果要求搖桿往復(fù)擺動(dòng)時(shí)都能使棘輪向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng),則可采用下圖所示的雙動(dòng)式棘輪機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)棘爪可制成鉤頭或直頭。雙動(dòng)式棘輪機(jī)構(gòu)動(dòng)畫雙向棘輪機(jī)構(gòu)：

左圖所示為矩形齒雙向棘輪機(jī)構(gòu),當(dāng)棘爪1處于實(shí)線位置時(shí),棘輪2作逆時(shí)針間歇轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)棘爪處于圖示虛線位置時(shí),棘輪作順時(shí)針間歇轉(zhuǎn)動(dòng)。右圖所示為回轉(zhuǎn)棘爪式雙向棘輪機(jī)構(gòu)。若將棘爪提升并繞本身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)90°棘輪將靜止不動(dòng)?；剞D(zhuǎn)棘爪式雙向棘輪機(jī)構(gòu)動(dòng)畫可變向棘輪機(jī)構(gòu)動(dòng)畫3.3.2棘輪轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)1.調(diào)節(jié)搖桿擺動(dòng)角度的大小，控制棘輪的轉(zhuǎn)角改變曲柄長度調(diào)節(jié)棘輪轉(zhuǎn)角

2．用遮板調(diào)節(jié)棘輪轉(zhuǎn)角

轉(zhuǎn)角可調(diào)的棘輪機(jī)構(gòu)

用遮板調(diào)節(jié)棘輪轉(zhuǎn)角動(dòng)畫3.3.3、棘輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)與應(yīng)用

棘輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工容易,改變轉(zhuǎn)角大小方便,可實(shí)現(xiàn)送進(jìn)、制動(dòng)及超越等功能,故廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)機(jī)械和儀表中。其缺點(diǎn)是在運(yùn)動(dòng)開始和終止時(shí),棘輪和棘爪間都產(chǎn)生沖擊,因此不宜用在具有很大質(zhì)量的軸上。

棘輪機(jī)構(gòu)還常用作防止機(jī)構(gòu)逆轉(zhuǎn)的停止器。這類停止器廣泛用于卷揚(yáng)機(jī)、提升機(jī)以及運(yùn)輸機(jī)中。

棘輪機(jī)構(gòu)防止逆轉(zhuǎn)動(dòng)畫(3D)3.4槽輪機(jī)構(gòu)3.4.1.槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理

槽輪機(jī)構(gòu)如圖所示,由帶圓(柱)銷A的主動(dòng)撥盤1、具有徑向槽的從動(dòng)槽輪2和機(jī)架組成。撥盤作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),驅(qū)動(dòng)槽輪作時(shí)轉(zhuǎn)、時(shí)停的單向間歇運(yùn)動(dòng)。2133.4.2槽輪機(jī)構(gòu)的類型、特點(diǎn)及應(yīng)用

槽輪機(jī)構(gòu)有兩種基本形式：一是外嚙合槽輪機(jī)構(gòu),如圖所示,其撥盤1與槽輪2轉(zhuǎn)向相反；12槽輪機(jī)構(gòu)動(dòng)畫

雙圓銷外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)動(dòng)畫

二是內(nèi)嚙合槽輪機(jī)構(gòu),如圖所示,其撥盤1與槽輪2轉(zhuǎn)向相同。一般常用外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)。撥盤12內(nèi)嚙合槽輪機(jī)構(gòu)動(dòng)畫空間槽輪機(jī)構(gòu)動(dòng)畫

槽輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠,機(jī)械效率高,在進(jìn)入和脫離接觸時(shí)運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn),能準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。但槽輪的轉(zhuǎn)角不可調(diào)節(jié),故只能用于定轉(zhuǎn)角的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中,如自動(dòng)機(jī)床、電影機(jī)械、包裝機(jī)械等。電影放映機(jī)卷片機(jī)構(gòu)動(dòng)畫

又如圖所示的六角車床刀架的轉(zhuǎn)位槽輪機(jī)構(gòu),刀架3上可裝六把刀具并與具有相應(yīng)的徑向槽的槽輪2固連,撥盤上裝有一個(gè)圓銷A。撥盤每轉(zhuǎn)一周,圓銷A進(jìn)入槽輪一次,驅(qū)使槽輪(即刀架)轉(zhuǎn)60°,從而將下一工序的刀具轉(zhuǎn)換到工作位置。轉(zhuǎn)塔刀架動(dòng)畫(3D)3.4.3槽輪槽數(shù)z和撥盤圓柱銷數(shù)k的選擇

在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)內(nèi)，槽輪2的運(yùn)動(dòng)時(shí)間與撥盤1的運(yùn)動(dòng)時(shí)間之比稱為運(yùn)動(dòng)系數(shù)，用表示。當(dāng)撥盤1作等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，也可用轉(zhuǎn)角之比來表示。由于運(yùn)動(dòng)系數(shù)τ應(yīng)當(dāng)小于1，故由上式得

有關(guān)棘輪機(jī)構(gòu)和槽輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可參閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)等。3.5不完全齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪式間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3.5.1不完全齒輪機(jī)構(gòu)1．不完全齒輪機(jī)構(gòu)的工作原理和類型

不完全齒輪機(jī)構(gòu)是由普通漸開線齒輪機(jī)構(gòu)演化而成的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)型式分為外嚙合與內(nèi)嚙合兩種，如下圖所示。

不完全齒輪內(nèi)嚙合機(jī)構(gòu)動(dòng)畫

不完全外嚙合齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)畫2.不完全齒輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及用途

不完全齒輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，從動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和靜止時(shí)間的比例不受機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的限制。一般僅用于低速、輕載場(chǎng)合，