哈工大机械原理考研

第3章凸轮机构及其设计3.1基本要求1. 了解凸轮机构的类型及其特点。2. 掌握从动件的几种常用运动规律及特点。掌握从动件行程、从动件推程、推程运动角、从动件回程、回程运动角、从动件远（近）休程及远（近）休止角及凸轮的基圆、偏距等基本概念。熟练掌握并灵活运用反转法原理，应用这一原理设计直动从动件盘形凸轮机构、摆动从动件盘形凸轮机构及平底直动从动件盘形凸轮机构。3. 掌握凸轮机构基本尺寸的确定原则，根据这些原则确定凸轮机构的的压力角及其许用值、基圆半径、偏距、滚子半径等基本尺寸。4. 掌握凸轮机构设计的基本步骤，学会用计算机对凸轮机构进行辅助设计的方法。3.2内容提要一、本章重点本章重点是从动件运动规律的选择及其特点，按预定从动件运动规律设计平面凸轮轮廓曲线和凸轮机构基本尺寸的确定。涉及到根据使用场合和工作要求选择凸轮机构的型式、选择或设计从动件的运动规律、合理选择或确定凸轮的基圆半径、正确设计出凸轮廓线、对设计出来的凸轮机构进行分析以校核其是否满足设计要求。1 凸轮机构的类型选择选择凸轮机构的类型是凸轮机构设计的第一步，称为凸轮机构的型综合。凸轮的形状有平面凸轮（盘形凸轮、移动凸轮）和空间凸轮从动件的形状有尖顶从动件、滚子从动件、平底从动件，而从动件的运动形式有移动和摆动之分，凸轮与从动件维持高副接触的方法又有分为力锁合、形锁合。故凸轮机构的类型多种多样，设计凸轮机构时可根据使用场合和工作要求的不同加以选择。（1）各类凸轮机构的特点及适用场合尖顶从动件凸轮机构：优点是结构最简单，缺点是尖顶处极易磨损，故只适用于作用力不大和速度较低的场合。滚子从动件凸轮机构：优点是滚子与凸轮廓线间为滚动摩擦，摩擦较小，可用来传递较大的动力，故应用广泛。平底从动件凸轮机构：优点是平底与凸轮廓线接触处极易形成油膜、能减少磨损，且不计摩擦时，凸轮对从动件的作用力始终垂直于平底，受力平稳、传动效率较高，故适用于高速场合。故缺点是仅能与轮廓曲线全部外凸的凸轮作用。盘形凸轮机构和移动凸轮机构：均属于平面凸轮机构，其特点是凸轮与从动件之间的相对运动是平面机构。当主动凸轮作定轴转动时，采用盘形凸轮机构，当主动凸轮作往复移动时，采用移动凸轮机构。与圆柱凸轮机构和和圆锥凸轮机构相比结构简单，盘形凸轮机构应用极为广泛。圆柱凸轮机构和圆锥凸轮机构：属空间凸轮机构，其特点是凸轮与从动件之间的相对运动是空间运动，故适用于从动件的运动平面与凸轮轴线平行的场合。当工作要求从动件的移动行程较大时，采用圆柱凸轮机构或圆锥凸轮机构要比盘形凸轮机构尺寸更为紧凑。缺点是结构较盘形凸轮复杂，且不宜用在从动件摆角过大的场合。力锁合型凸轮机构：优点是锁合方式简单、适合于各种类型的从动件，且对从动件的运动规律没有限制。缺点是当从动件行程较大时，所需要的回程弹簧太大。槽凸轮机构：在形锁合型凸轮机构中，其锁合方式简单、且从动件的运动规律不受限制。缺点是增大了凸轮的尺寸及重量，且不能采用平底从动件。等宽和等径凸轮机构：属于形锁合型凸轮机构。前者只适用凸轮廓线全部外凸的场合，后者则允许凸轮廓线有内凹部分。其共同的缺点是：当1800范围内的凸轮廓线确定后，另外1800内的廓线必须根据等宽或等径的原则确定，从而使从动件运动规律选择受到限制。共轭凸轮机构：是形锁合型凸轮机构的另一种型式，其优点是从动件的运动规律不受限制，可在3600范围内任意选取，缺点是结构比较复杂。（2）选择凸轮机构型式时应考虑的因素选择凸轮机构型式时，通常需要考虑以下几方面的因素：运动学方面的因素（运动形式和空间等）；动力学方面的因素（运转速度和载荷等）；环境方面的因素（环境条件及噪音清洁度等）；经济方面的因素（加工成本和维护费用等）。运动学方面的因素：满足机构的运动要求是机构设计的最基本要求。在选择凸轮机构型式时，通常需要考虑运动学方面的因素主要包括：工作所要求的从动件的输出运动是摆动的还是移动的；从动件和凸轮之间的相对运动是平面的还是空间的；凸轮机构在整个机械系统中所允许占据的空间大小；凸轮轴与摆动从动件转动中心之间的距离的大小等。动力学方面的因素：机构动力学方面的性能直接影响到机构的工作质量，因此在选择凸轮机构型式时，除了需要考虑运动学方面的因素外，还需要考虑动力学方面的因素。主要包括：凸轮运转速度的高低；凸轮和从动件上的载荷以及被驱动质量的大小等。当工作要求凸轮的转动速度较高时，可选用平底从动件凸轮机构；当工作要求传递的动力较大时，可选用滚子从动件凸轮机构。从动件运动规律的选择及设计1）从动件的运动规律从动件的位移回、速度阳和加速度叵I随凸轮转角口（或时间日）的变化规律称为从动件运动规律。从动件运动规律又可分为基本运动规律和组合运动规律。（2）选择或设计从动件规律时应考虑的因素在选择从动件运动规律时，除要考虑刚性冲击与柔性冲击外，还应对各种运动规律的速度幅值卜|、加速度幅值|a|及其影响加以分析和比较。厂|越大,则从动件动量幅值mu|越大;为安全和缓和冲击起见，匚值愈小愈好。匚值越大，则从动件惯性力幅值（匸ma越大；从减小凸轮副的动压力、振动和磨损等方面考虑，厂I值愈小愈好。所以，对于重载凸轮机构，考虑到从动件质量m较大,应选择卜|值较小的运动规律；对于高速凸轮机构，为减小从动件惯性力，宜选择匚值较小的运动规律。表4-1列出了上述几种常用运动规律的匸、匚值及冲击特性，并给出其适用范围，供选用时参考。在工程实际中，有时会遇到机械对从动件的运动特性有某些特殊要求，而只有一种常用运动规律有难以满足这些要求，这是就需要考虑根据运动要求设计新的运动规律的问题，使凸轮机构获得更好的工作性能。设计新的运动规律通常有两种途径：一是以不同基本运动规律拼接在一起构造所谓改进型组合运动规律。常用的改进型组合运动规律有：改进型等速运动规律，改进型正弦加速度运动规律和改进型梯形加速度运动规律等；二是利用多项式推导出满足运动要求的运动规律。将不同的运动规律的运动曲线拼接起来组成新的运动规律是本章的难点之一。拼接后所形成的新运动规律应满足下列三个条件：一是满足工作对从动件特殊的运动要求；二是满足运动规律拼接的边界条件，即各段运动规律的位移、速度、加速度值在连接点处应分别相等；三是使最大速度和最大加速度的值尽可能小。前一个条件是拼接的目的，后两个条件是保证设计的新运动规律具有良好的动力性能。利用多项式设计新的运动的规律是经常采用的方法。标准的多项式方程为：s二C+C+C92+C93+HC9n0123n其中s为行程，9为凸轮转角，Ci为常数，这些常数取决于边界条件。设计时，根据工作对从动件特殊的运动和动力要求适当的选择边界条件和多项式的次数，就能推导出合适的运动规律。运动规律max(hw/)Xamax(hw2/0)X冲击等速运动规律01.00禹刚性等加速等减速运动规律2.004.00柔性余弦加速度运动规律1.574.93柔性正弦加速度运动规律2.006.283-4-5多项式运动规律1.885.77改进型等速运动规律1.338.38改进型正弦加速度运动规律1.765.53改进型梯形加速度运动规律2.004.89表4-1若干种从动件运动规律特性比较应用场合低速轻负荷中速轻负荷中低速中负荷中高速轻负荷高速中负荷低速重负荷中高速重负荷高速轻负荷上述各种运动规律方程式都是以直动从动件为对象来推导的，如为摆动从动件，则应将式中的h、s、u和a分别更换为行程角屮、角m位移屮、角速度a和角加速度e。2 凸轮机构基本尺寸的确定(1) 凸轮机构的压力角a及其许用值设计凸轮轮廓时，需事先确定凸轮基圆半径、直动从动件的偏距e或摆动从动件长度1、摆动从动件与凸轮的中心距a以及滚子半径rr等基本尺寸。如图4-2所示为尖顶直动从动件盘形凸轮机构在推程中任一位置时的受力情况。即从动件在与凸轮轮廓接触点B处所受正压力的方向(即凸轮轮廓在该点法线n-n的方向)与从动件上点B的速度方向之间所夹的锐角定义为凸轮机构的压力角。并用a表示。为保证凸轮机构能正常运转，为提高机械效率，改善受力情况，通常规定凸轮机构的最大压力角口应小于或等于某一许用压力角而，即两：而両之值小于临界压力角匚I。根据实践经验,1max-c推荐的许用压力角取值为：推程（工作行程）：直动从动件取b二30。|4o3；摆动从动件取回程（空回行程）：考虑到此时从动件靠其它外力（如弹簧力）推动返回，故不会自锁，许用压力角的取值可以适当放宽。直动和摆动从动件荐取口70刁區。（2）凸轮机构的压力角与基本尺寸的关系在图4-2所示的尖顶直动从动件盘形凸轮机构中，过接触点B作公法线n-n，与过O点的导路垂线交于P12点，该点即为凸轮1与从动件2的相对速度瞬心。即凸轮上P12点的线速度匚耳与从动件的移动速度冋相等，有Op2二巳，故得式中，|ds/咖|称为类速度。从图4-2可得出凸轮机构的压力角4-1)0P一eds/do-etantt=12=s+ss+s00式中，k去e2。从式中不难看出，压力角叵随凸轮基圆半径日的增大而减小，当基圆半径囚一定时，压力角叵随从动件的位移囚和类速度ds/咖|的变化而变化。应当指出，对于直动从动件盘形凸轮机构，为了改善其传力性能或减小凸轮尺寸，经常采用如图4-3所示的偏置凸轮机构。为了达到上述目的，其偏置必须随凸轮转向的不同而按图示的方位确定，即应使偏置与推程时的相对瞬心P1位于凸轮轴心的同一侧，即凸轮顺时针转动时，从动件导路应偏于凸轮轴心的左侧；凸轮逆时针转动时，从动件导路应偏置于凸轮轴心的右侧。若从动件导路位置与图示相反配置时，反而会使凸轮机构的推程压力角增大，使机构的传力性能变坏。此时，用式（4-1）计算压力角，e需用“”代入。如需了解尖顶（滚子）摆动从动件盘形凸轮机构的情况，详见参考文献1。（3）凸轮基圆半径匸的确定凸轮基圆半径的选择是一个即重要又复杂的问题：凸轮的基圆半径越小，凸轮尺寸则越小，凸轮机构越紧凑。但是，基圆半径的减小受到压力角的限制。因此在设计凸轮机构的过程中，凸轮基圆半径0的确定必须从凸轮机构的尺寸，受力，安装，强度等方面予以综合考虑。从凸轮机构尺寸紧凑和改善受力的观点来看，凸轮基圆半径匸的确定的原则是：在保证I勺诃的条件下应使基圆半径尽可能小。在满足匚师的条件下,凸轮最小基圆半径的确定方法有解析法，图解法及诺膜图法。对于移动滚子从动件盘形凸轮机构凸轮的最小基圆半径，主要受三个条件的限制，即：1）凸轮的基圆半径应大于凸轮轴的半径；2）保证最大压力角H二不超过许用压力角a；3）保证凸轮实际廓线的最小曲率半径pamin=pmin-rr35mm,在设计时，可根据其中某一限制条件确定最小基圆半径，然后用其它两个限制条件来校核。对于平底直动从动件盘形凸轮机构，其压力角恒等于零，即0。因此，平底从动件盘形凸轮的基圆半径口不能按许用压力角回确定，而应按从动件运动不“失真”，即满足凸轮轮廓全部外凸的条件：+s(e)+s(e)0(02冗)(4-2)滚子半径匸|的选择1)凸轮理论轮廓的内凹部分工作轮廓曲率半径匸、理论轮廓曲率半径可与滚子半径刁三者之间的关系为：叵三U，这时，工作轮廓曲率半径恒大于理论轮廓曲率半径，即心P|。这样，当理论轮廓作出后，不论选择多大的滚子,都能作出工作轮廓。2)凸轮理论轮廓的外凸部分工作轮廓曲率半径门、理论轮廓曲率半径回与滚子半径口三者之间的关系为：pa=p_r当|pr时，|p0，这时，可以作出凸轮的工作轮廓;当p=r时，pa=0，这时，虽然能作出凸轮工作轮廓，但出现了尖点；尖点处是极易磨损的；当|pr”I时，pa刁,这时，作出的工作轮廓出现了相交的包络线。这部分工作轮廓无法加工，因此也无法实现从动件的预期运动规律，即出现“失真”现象。综上可知，滚子半径不宜过大。但因滚子装在销轴上，故亦不宜过小。一般推荐：|rpi-A(4-5)lrmin1式中，pmz为凸轮理论轮廓外凸部分的最小曲率半径，囚=35mm。对于重载凸轮，可取r”p。m；npm；n/2，这时滚子与凸轮间的接触应力最小，从而可提高凸轮的寿命。3 凸轮轮廓曲线的设计在选定了凸轮机构型式，从动件运动规律和凸轮机构的基本尺寸等，就可以进行凸轮廓线的设计了。各类凸轮轮廓曲线设计方法是本章的重点内容，凸轮轮廓曲线设计方法有图解法和解析法，两种方法依据的基本原理均是反转法原理。（1）凸轮轮廓曲线设计的基本原理对于对心尖顶直动从动件盘形凸轮机构，当凸轮以角速度回等速转动时，从动件将按预定的运动规律运动。假设给整个机构加上一个公共的角速度“一叫”使其作反向转动，根据相对运动原理，凸轮与从动件之间的相对运动不变，这时凸轮将静止不动，而从动件一方面随其导路以角速度“一叫”反转运动，另一方面还在其导路内按预定的运动规律运动。从动件在这种复合运动中，其尖顶仍然始终与凸轮轮廓保持接触，因此，在此运动过程中，尖顶的运动轨迹即为凸轮轮廓。在凸轮轮廓设计时，可以让凸轮静止不动，而让从动件相对于凸轮轴心作反转运动，让从动件沿逆时针转动（凸轮为沿顺时针转动）的同时，再相对其导路作预定的移动，在这种复合运动中，从动件尖顶的轨迹即为所求凸轮轮廓。这就是凸轮轮廓设计的基本原理，一般称为“反转法”。（2）用图解法设计凸轮轮廓曲线1）对心尖顶直动从动件盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线设计步骤：a）选定比例尺，做出基圆及从动件的初始位置；b）做出从动件在反转过程中依次占据的位置；c）根据从动件的运动规律，求出从动件在预期运动中各分点所占据的位置；d）求出从动件尖顶在上述两种复合运动中依次占据的位置，其高副元素在各位置所形成的曲线族，即为凸轮的理论廓线；d)做出从动件其高副元素所形成的曲线族的包络线，即为凸轮的工作廓线。a) 2)其他类型凸轮机构的凸轮轮廓设计特点偏置尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓的设计特点：即在反转运动中从动件尖顶(方位线)始终切于偏距圆并相对导路按预定的运动规律运动，在此过程中，从动件尖顶的轨迹即为所求的凸轮轮廓；尖顶摆动从动件盘形凸轮轮廓的设计特点：即在摆动从动件转动轴心绕凸轮轴心沿“一1”方向转动的同时，摆动从动件还要相对机架按预定运动规律摆动，在此过程中，从动件尖顶的轨迹即为所求的凸轮轮廓；滚子从动件和平底从动件盘形凸轮轮廓的设计特点：从动件在随机架绕凸轮轴心沿“一3”方向转动时，还要相对机架按预定运动规律运动，在此过程中，以尖顶从动件的凸轮轮廓为理论廓线，在理论轮廓线上的各点作一系列滚子圆或作一系列垂直于各导路的平底，最后作出其包络线即为所求的凸轮工作轮廓曲线。(1) 用解析法设计凸轮轮廓曲线用解析法设计凸轮廓线的关键是反转法原理建立凸轮理论廓和工作廓线的方程式。已知从动件运动规律s=s(W)|,尖顶从动件导路相对于凸轮轴心O的偏距e,凸轮基圆半径口及凸轮沿顺时针转动，这样设计的凸轮轮廓即是凸轮的理论廓线，又是凸轮的实际廓线；在滚子从动件凸轮机构中，滚子与从动件铰接，且铰接时滚子中心恰好与前述尖顶重合，故滚子中心的运动规律即为尖顶从动件的运动规律。如果把滚子中心视做尖顶从动件的尖顶，按前述求得的尖顶从动件凸轮轮廓，称为该滚子从动件凸轮的理论轮廓。以理论轮廓上各点为圆心，以滚子半径日为半径的滚子圆族的包络线，称为滚子从动件的凸轮工作轮廓。摆动从动件盘形凸轮机构可分为两种，即推摆式一一摆动从动件推程与凸轮转向相同和拉摆式一一摆动从动件推程与凸轮转向相反。已知尖顶摆动从动件运动规律屮二屮)，从动件长度Hl,中心距囚，凸轮基圆半径囚及凸轮沿顺时针转动，这样设计的凸轮轮廓即是凸轮的理论廓线，又是凸轮的实际廓线；滚子从动件的凸轮工作轮廓与直动滚子从动件凸轮实际廓线相同。平底从动件盘形凸轮机构的凸轮轮廓实际上是“反转”过程中从动件平底一系列位置(一族直线)的包络线。已知：从动件运动规律s二s)|,从动件平底导路相对于凸轮轴心O的偏距为e,从动件平底与导路的夹角0匚云，凸轮基圆半径口及凸轮沿顺时针转动，设计凸轮轮廓。二、本章难点本章难点是反转法。反转法不仅是凸轮机构设计的基本方法，而且是凸轮机构分析的常用方法。凸轮机构的分析及已知凸轮机构的尺寸及其位置，凸轮的角速度的大小和方向，确定当凸轮转过某一角度时，从动件所产生的位移s,速度v及相应的机构压力角，从动件行程。确定时应注意以下几点：(1) 正确确定从动件的反转方向。明确标出与凸轮实际转向相反的从动件的反转方向。(2) 正确确定从动件在反转过程中占据的位置。从动件反转前后两位置线的夹角应等于凸轮的转角。(3) 正确确定从动件的位移s。从动件在复合运动中，其位移s应等于凸轮理论廓线与基圆在从动件对应各反转位置线上所夹的线段长度。设计或分析凸轮机构时，应运用反转法解决以下几方面的问题：(1) 已知从动件的运动规律，运用反转法原理绘制凸轮廓线；已知凸轮廓线，运用反转法原理求出从动件运动规律的位移曲线；已知凸轮廓线，运用反转法原理求出当凸轮从图示位置转过某一给定角度时，从动件走过的位移量、凸轮机构压力角的变化；已知凸轮廓线，运用反转法原理求出当凸轮与从动件从某一点接触到另一点接触时，凸轮转过的角度。