機械設計基礎_12.ppt

1、第12章 凸 輪 機 構(gòu), 12.1 凸輪機構(gòu)的應用和分類 12.1.1 凸輪機構(gòu)的組成、特點和應用 12.1.2 凸輪機構(gòu)的分類 12.2 從動件的常用運動規(guī)律 12.2.1 幾個名詞 12.2.2 等速運動規(guī)律 12.2.3 等加速等減速運動規(guī)律 12.3 用圖解法繪制盤形凸輪工作輪廓 12.3.1 尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制 12.3.2 尖頂偏置直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制 12.3.3 滾子從動件盤形凸輪輪廓的繪制 12.3.4 平底從動件盤形凸輪輪廓的繪制 12.4 凸輪機構(gòu)設計中應注意的問題 12.4 本章習題, 12.1 凸輪機構(gòu)的應用和分類, 12.1.1 凸輪機構(gòu)

2、的組成、特點和應用,1凸輪機構(gòu)的組成,圖12.1所示為常用的內(nèi)燃機配氣機構(gòu)(直接驅(qū)動、凸輪軸上置)。當向徑變化的凸輪輪廓與氣門的平底接觸時，氣門產(chǎn)生向下開啟或向上關閉的往復運動(向上運動是借助彈簧的彈力作用)；當以凸輪回轉(zhuǎn)中心為圓心的圓弧段輪廓與氣門接觸時，氣門將靜止不動。因此，隨著凸輪2的連續(xù)轉(zhuǎn)動，氣門1可獲得間歇的、按預期規(guī)律的開閉運動。,圖12.1 內(nèi)燃機配氣機構(gòu), 12.1.1 凸輪機構(gòu)的組成、特點和應用,1凸輪機構(gòu)的組成,圖12.2所示為某自動機床的進刀機構(gòu)。當具有凹槽的圓柱旋轉(zhuǎn)時，凹槽側(cè)面迫使從動件2擺動，從而通過齒扇驅(qū)使與之嚙合的齒條及與齒條相連的刀架運動，至于刀架的運動規(guī)律則完

3、全取決于凹槽的形狀。,由以上兩例可知，凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，通過高副接觸使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預期運動。 凸輪機構(gòu)一般由凸輪、從動件、機架三個構(gòu)件組成,圖12.2 自動機床進刀機構(gòu), 12.1.1 凸輪機構(gòu)的組成、特點和應用,凸輪機構(gòu)的主要優(yōu)點是：只要設計適當?shù)耐馆嗇喞?，就能使從動件實現(xiàn)任意給定的運動規(guī)律，且結(jié)構(gòu)簡單緊湊、工作可靠、設計方便。 凸輪機構(gòu)的主要缺點是：凸輪與從動件之間為點或線接觸，不便潤滑、易于磨損；凸輪輪廓加工比較困難。,3凸輪機構(gòu)的應用,由于以上特點，凸輪機構(gòu)在自動送料機構(gòu)、仿形機床進刀機構(gòu)、內(nèi)燃機配氣機構(gòu)、汽車的凸輪式制動器以及印刷機、紡織機、插秧機、

4、鬧鐘和各種電氣開關等傳力不大的控制裝置中得到廣泛應用。, 12.1.1 凸輪機構(gòu)的組成、特點和應用,1按凸輪的形狀分,1) 盤狀凸輪 如圖12.1所示，這種凸輪是繞固定軸線轉(zhuǎn)動并具有變化向徑的盤形零件，它是凸輪的最常見形式。,1按凸輪的形狀分,2) 移動凸輪 如圖12.3所示，當盤形凸輪的回轉(zhuǎn)中心趨于無窮遠時，凸輪相對機架作直移運動，這種凸輪稱為移動凸輪。,圖12.3 移動凸輪,1按凸輪的形狀分,3) 圓柱凸輪 如圖12.2所示，這種凸輪可以認為是將移動凸輪首尾相接卷成圓柱體而形成的。 盤形凸輪和移動凸輪與從動件之間的相對運動為平面運動，屬于平面凸輪機構(gòu)；而圓柱凸輪與從動件之間的相對運動為空間

5、運動，屬于空間凸輪機構(gòu)。,圖12.2 自動機床進刀機構(gòu),2按從動件的形式分,1) 尖頂從動件 如圖12.3所示，尖頂能與任意復雜的凸輪輪廓保持接觸，從而使從動件實現(xiàn)任意運動。但因尖頂易于磨損，只適用于傳力不大的低速凸輪機構(gòu)中。 2) 滾子從動件 如圖12.2所示，這種從動件耐磨，可以承受較大的載荷，應用廣泛。 3) 平底從動件 如圖12.1所示，這種從動件的底面與凸輪之間易于形成楔形油膜，故常用于高速凸輪機構(gòu)之中。 以上三種從動件亦可按相對機架的運動形式分為作往復直線運動的直動從動件(如 圖12.1和圖12.3所示)和作往復擺動的擺動從動件(如圖12.2所示)，其中直動從動件按從動件移動中心線

6、是否經(jīng)過凸輪回轉(zhuǎn)中心又可分為對心直動從動件和偏置直動從動件。, 12.2 從動件的常用運動規(guī)律, 12.2.1 幾個名詞,1基圓,以凸輪回轉(zhuǎn)中心O為圓心，凸輪輪廓的最小向徑為半徑所作的圓稱為凸輪的基圓，如圖12.4(a)所示。,2推程和推程角,隨著凸輪的轉(zhuǎn)動，在向徑漸增的AB段凸輪輪廓作用下，從動件以一定的運動規(guī)律從距回轉(zhuǎn)中心最近的位置移動到距回轉(zhuǎn)中心最遠的位置，這一過程稱為推程。與推程對應的凸輪轉(zhuǎn)角稱為推程運動角 ，簡稱推程角，如圖12.4(a)所示。,圖12.4 凸輪機構(gòu)的幾個重要概念, 12.2.1 幾個名詞,3遠休止角和近休止角,隨著凸輪的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，當凸輪以回轉(zhuǎn)中心為圓心的圓弧段BC與

7、尖頂作用時，從動件在最遠位置停留，這時對應的凸輪轉(zhuǎn)角 稱為遠休止角，如圖12.4(a)所示。 類似地，當凸輪以回轉(zhuǎn)中心為圓心的圓弧段DA與尖頂作用時，從動件在最近位置停留，這時對應的凸輪轉(zhuǎn)角稱 為近休止角，如圖12.4(a)所示。,圖12.4 凸輪機構(gòu)的幾個重要概念,4回程和回程角,隨著凸輪的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，從動件在外力作用下，沿向徑漸減的CD段凸輪輪廓，以一定的運動規(guī)律從距回轉(zhuǎn)中心最遠的位置移動到距回轉(zhuǎn)中心最近的位置，這一過程稱為回程。與回程對應的凸輪轉(zhuǎn)角稱為回程運動角 ，簡稱回程角，如圖12.4(a)所示。,5行程,從動件的最大位移稱為從動件的行程，圖12.4(a)中， 。,圖12.4 凸輪機構(gòu)

8、的幾個重要概念,6偏距,從動件的中心線偏離凸輪轉(zhuǎn)動中心O的距離稱e為偏距，以凸輪回轉(zhuǎn)中心O為圓心，偏距e為半徑所作的圓稱為偏距圓，如圖12.4(b)所示。 對于圖12.4(b)所示的尖頂偏置直動從動件盤形凸輪，行程 ，推程運動角 ，具體求法可參考后述的尖頂偏置直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制方法。,圖12.4 凸輪機構(gòu)的幾個重要概念, 12.2.2 等速運動規(guī)律,圖12.5所示為等速運動規(guī)律在推程過程中的位移線圖、速度線圖和加速度線圖。因為速度為常數(shù)，故其推程的速度線圖為一段水平直線。速度 經(jīng)一次積分得到位移 ，當位移s等于行程h時，對應的推程運動角為 。速度一階微分得到加速度a=0，所以在加速度

9、線圖中，代表加速度的圖線與橫軸重合。,凸輪等速運動(一般為等角速度轉(zhuǎn)動)時，從動件在運動過程中的速度為一常數(shù)，這種運動規(guī)律稱為等速運動規(guī)律,圖12.5 等速運動規(guī)律, 12.2.3 等加速等減速運動規(guī)律,圖12.6所示為等加速等減速運動規(guī)律在推程過程中的運動線圖。加速度線圖為平行于橫軸的兩段直線，其絕對值都等于 。將加速度在推程前半段一次積分得到速度方程 ，由此可以得到從動件的最大速度，從而可以畫出由兩段斜直線組成的速度線圖。將加速度兩次積分可以得到從動件的位移方程：在推程的前半段，位移方程為 ，當時間達到凸輪轉(zhuǎn)角為時 ， ；在一個推程中，其位移線圖由彎曲方向相反的兩段拋物線組成。由加速度線圖

10、可知，這種運動規(guī)律在A、B、C點處加速度發(fā)生有限值的突然變化，從而產(chǎn)生有限的慣性力，機構(gòu)由此產(chǎn)生的沖擊稱為柔性沖擊。所以等加速等減速運動規(guī)律適用于中速、輕載的場合。,圖12.6 等加速等減速運動規(guī)律, 12.3 用圖解法繪制盤形凸輪工作輪廓,在確定了從動件的運動規(guī)律及凸輪的轉(zhuǎn)速 和基圓半徑之后，為了方便地在圖紙上畫出凸輪輪廓，應當使凸輪與圖紙平面相對靜止，機架和從動件繞凸輪中心相對轉(zhuǎn)動，即采用反轉(zhuǎn)法繪制盤形凸輪工作輪廓： 根據(jù)相對運動不變性原理，使整個機構(gòu)(凸輪、從動件和機架)以角速度- 繞凸輪中心O轉(zhuǎn)動，其結(jié)果是從動件與凸輪的相對運動不改變，但凸輪固定不動，機架和從動件一方面以角速度- 繞凸

11、輪回轉(zhuǎn)中心O轉(zhuǎn)動，同時從動件又以原有的運動規(guī)律相對機架往復運動，如圖12.7所示。,圖12.7 反轉(zhuǎn)法原理, 12.3.1 尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制,凸輪以等角速度 順時針方向轉(zhuǎn)動，基圓半徑 ，從動件行程 ，從動件運動規(guī)律如下表所示，試設計尖頂對心直動從動件盤形凸輪的輪廓曲線。,運用反轉(zhuǎn)法繪制尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓的方法和步驟如下： (1) 選取適當?shù)拈L度比例尺和角度比例尺 ；在縱軸上量取 ，在橫軸上自原點依次量取推程角、遠休止角、回程角、近休止角，并等分推程運動角和回程運動角，作位移線圖，如圖12.8(a)所示。, 12.3.1 尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制,(2

12、) 以為半徑 作基圓，從動件導路(經(jīng)過圓心)與基圓的交點A0便是從動件尖頂?shù)某跏嘉恢谩?(3) 自A0開始，沿 的方向取推程運動角(90)、遠休止角(60)、回程運動角(180)、近休止角(30)，在基圓上得到A3、A4、A10諸點；將推程運動角和回程運動角分成與位移線圖對應的等分，得A1、A2和A5、A6、A7、A8、A9諸點，自圓心作徑向線，如圖12.8(b)所示。 (4) 沿各徑向線自基圓量取從動件對應位移線圖上的位移量，即取線段A1B1=11、A2B2=22、A3B3=33、A9B9=99 得反轉(zhuǎn)后尖頂?shù)囊幌盗形恢肂1、B2、B9。 (5) 將B0、B1、 連成光滑曲線(B3和B4之間

13、以及B10和B0之間均為以O為中心的圓弧)，便得到所求的凸輪輪廓，如圖12.8(c)所示。, 12.3.1 尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制,圖12.8 尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制過程, 12.3.1 尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制,續(xù)圖12.8 尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制過程, 12.3.2 尖頂偏置直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制,尖頂偏置直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制與尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制類似，這里假設偏距 ，其他條件與以上尖頂對心直動從動件盤形凸輪相同，則其凸輪輪廓曲線的繪制方法和步驟如下： (1) 選取適當?shù)拈L度比例尺 和角度比例尺 ，作位移線

14、圖，如圖12.8(a)所示。 (2) 以為 半徑作基圓，以e為半徑作偏距圓，從動件導路(與偏距圓相切)與基圓的交點A0便是從動件尖頂?shù)某跏嘉恢谩?(3) 自A0開始，沿的方向仿效量取推程運動角(90)、遠休止角(60)、回程運動角(180)、近休止角(30)，在基圓上得到A3、A4、A10諸點；將推程運動角和回程運動角分成與位移線圖對應的等分，得A1、A2和A5、A6、A7、A8、A9諸點，過A1、A2、A9作偏距圓的切線，如圖12.9(a)所示。, 12.3.2 尖頂偏置直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制,(4) 沿各切線自基圓量取從動件對應位移線圖上的位移量，即取線段A1B1=11、A2B2=2

15、2、A3B3=33、A9B9=99 得反轉(zhuǎn)后尖頂?shù)囊幌盗形恢肂1、B2、B9。 (5) 將B0、B1、 連成光滑曲線(B3和B4之間以及B10和B0之間均為以O為中心的圓弧)，便得到所求的凸輪輪廓，如圖12.9(b)所示。 由作圖過程可知，尖頂偏置直動從動件盤形凸輪的繪制與尖頂對心直動從動件盤形凸輪的繪制主要區(qū)別在于：從動件尖頂初始位置的確定和從動件導路在反轉(zhuǎn)過程中的位置的確定。, 12.3.2 尖頂偏置直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制,圖12.9 尖頂偏置直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制過程, 12.3.3 滾子從動件盤形凸輪輪廓的繪制,滾子從動件盤形凸輪輪廓的繪制與尖頂直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制

16、方法類似，這里假設基圓半徑 ，滾子半徑 ，其他條件與以上尖頂對心直動從動件盤形凸輪相同，則其凸輪輪廓曲線的繪制方法和步驟如下： (1) 將滾子回轉(zhuǎn)中心視為從動件的尖頂，做出尖頂從動件的凸輪輪廓，即理論輪廓。 (2) 以理論輪廓曲線上的各點為圓心，以滾子半徑為半徑，畫一系列圓，再作這些圓的內(nèi)包絡線，便得到所求的凸輪輪廓，即工作輪廓，如圖12.10所示。 由作圖過程可知，滾子從動件凸輪機構(gòu)中，凸輪的基圓半徑是指理論廓線的最小向徑。, 12.3.3 滾子從動件盤形凸輪輪廓的繪制,圖12.11 平底從動件盤形凸輪輪廓的繪制過程, 12.4 凸輪機構(gòu)設計中應注意的問題,1壓力角,圖12.12所示為尖頂對

17、心直動從動件盤形凸輪機構(gòu)在推程中的一個位置。如果不考慮摩擦力，從動件的運動方向和凸輪作用于它的驅(qū)動力方向之間所夾的銳角 稱壓力角。,圖12.12 凸輪機構(gòu)的壓力角 圖12.13 從動件偏置對壓力角的影響,1壓力角,凸輪作用于從動件的法向力可分解為兩個分力： ，沿導路方向推動從動件運動的有效分力 ，除了克服工作阻力之外，還要克服導路的摩擦阻力；與導路垂直的分力 將使從動件壓緊導路，產(chǎn)生摩擦力，是有害分力。 由上述關系可知，壓力角越大，有效分力越小，有害分力越大。當角 增大到某一數(shù)值時，必將出現(xiàn)有效分力小于工作阻力和摩擦力的情況，這時，不論施加多大的力，都不能使從動件運動，這種現(xiàn)象稱為自鎖。 由于

18、凸輪上不同位置的 值不同，在設計中應使 ，對于直動從動件， =30 38；對于擺動從動件， =7080。 出現(xiàn) 時，可將對心式從動件改為偏置式從動件，以減小推程中的壓力角。,2基圓半徑的選取,壓力角的大小與基圓半徑有關。如圖12.14所示，若從動件運動規(guī)律相同，當凸輪轉(zhuǎn)過相同的轉(zhuǎn)角時，從動件將上升相同的位移，基圓半徑較小者凸輪輪廓較陡，壓力角較大；而基圓較大的凸輪輪廓較平緩，壓力角較小。 為了減小壓力角，宜取較大的基圓半徑；為了使結(jié)構(gòu)緊湊，則應盡可能減小基圓半徑。因此設計時應在滿足 的條件下，選取盡可能小的基圓半徑。 在設計凸輪機構(gòu)時，凸輪的基圓半徑可根據(jù)凸輪的結(jié)構(gòu)選?。?當凸輪與軸做成一體時

19、， ；當凸輪通過鍵等形式聯(lián)結(jié)時， 。 其中為凸輪軸半徑， 為滾子半徑，從動件不帶滾子時， =0 。,3滾子半徑的選取,在滾子從動件凸輪機構(gòu)中，滾子半徑的選擇，要綜合考慮滾子的結(jié)構(gòu)、強度、凸輪輪廓曲線形狀等因素，特別是不能因滾子半徑選得過大造成從動件運動規(guī)律失真等情況。 凸輪工作輪廓最小曲率半徑 和凸輪理論輪廓最小曲率半徑 之間的關系如下 (圖12.15中的中心線的交點是指凸輪理論輪廓最小曲率半徑 的中心)： (1) 當凸輪輪廓內(nèi)凹時， ， ，無論滾子半徑大小，凸輪工作輪廓總是光滑曲線，如圖12.15(a)所示。 (2) 當凸輪輪廓外凸時， ， 0時，凸輪工作輪廓光滑，如圖12.15(b)所示；

20、 =0時，凸輪工作輪廓出現(xiàn)尖點，工作時極易磨損，如圖12.15(c)所示； 0時，凸輪工作輪廓出現(xiàn)交叉，加工時將被切去，不能實現(xiàn)預期運動規(guī)律，如圖12.15(d)所示。,4平底從動件平底尺寸的確定,在繪制平底從動件盤形凸輪輪廓時，平底與實際廓線的切點，隨著導路在反轉(zhuǎn)過程中的位置而改變。在圖中可以找到平底左右側(cè)距導路最遠的切點，切點到導路的距離為，則一般取平底的長度 。,圖12.15 凸輪滾子半徑的選取,5凸輪的結(jié)構(gòu)及材料,1) 凸輪在軸上的固定方式 當凸輪輪廓尺寸接近軸徑尺寸時，凸輪與軸可做成一體；當二者尺寸相差比較大時，凸輪和軸的固定采用鍵或銷等聯(lián)結(jié)形式，也可以采用彈性錐套和圓螺母聯(lián)結(jié)。 2) 滾子及其聯(lián)結(jié) 圖12.16所示為常見的幾種滾子結(jié)構(gòu)。圖12.16(a)為專用圓柱體滾子及其聯(lián)結(jié)形式，即滾子從動件底端用螺栓聯(lián)結(jié)；圖12.16(b)所示為滾子與從動件底端用軸聯(lián)結(jié)，也可以采用合適的滾動軸承代替滾子，如向心球軸承、滾針軸承等；高速重載的場合也可以采用圖12.16(c)所示的結(jié)構(gòu)，滾子和軸之間增加滾子套可以降