凸轮机构与间歇运动机构.ppt

1 第三章 凸轮机构与间歇运动机构 【 能力目标 】 【 案例导入 】 【 知识要点 】 3.1 凸轮机构的类型和识别 3.2 凸轮机构的运行特性分析 3.3 用图解法设计盘行凸轮轮廓 3.4 间歇运行机构 棘轮机构 3.5 间歇运行机构 槽轮机构 【 能力训练 】 本章小结 2 【 能力目标 】 1. 熟悉凸轮机构的分类、从动件运动规律及其特性。 2. 熟练掌握平面凸轮轮廓曲线的图解法设计。 3. 了解滚子半径、压力角和基圆半径之间的关系。 4. 熟悉间歇运动机构的特点和应用。 5. 掌握棘轮机构和槽轮机构的工作原理和特点。 返回目录 3 【 案例导入 】 当向径变化的凸轮轮廓 与气门的平底接触时， 气门产生向下开启或向 上关闭的往复运动 (向 上运动是借助弹簧的弹 力作用 )；当以凸轮回 转中心为圆心的圆弧段 轮廓与气门接触时，气 门将静止不动。因此， 当具有某种轮廓曲线的 凸轮 2连续转动时，气 门 1可获得间歇的、按 预期规律的开闭运动 , 从而使内燃机正常工作。 返回目录 图 3-1 内燃机配气机构 4 3.1凸轮机构的类型识别 3.1.1凸轮机构的组成 、 特点和应用 凸轮机构广泛应用于自动机械和自动控制装 置中 ， 它是一种常见的高副机构 ， 由 凸轮 、 从 动件 、 机架以及辅助装置 组成 。 图 3-2所示为一 自动机床的进刀机构 。 当 圆 柱凸轮 1回转时 ， 其 凹槽的侧面迫使从动件 2做 往复摆动 ， 通过从动件 2上的扇形齿轮与固定 在刀架上的齿条啮合 ， 控制刀架作进刀和退刀 运动 。 返回目录 5 圆柱凸轮是一个具有曲 线轮廓或凹槽的构件 ， 被凸轮直接推动的构件 称为从动件 （ 或称为推 杆 ） 。 凸轮通常作等速 转动 ， 但也有作往复摆 动或者往复直线移动等 其他运动 。 从动件通过 凸轮的曲线轮廓与其以 高副接触从而获得预期 的运动 ， 所以 凸轮机构 是由凸轮 、 从动件和机 架三个基本构件组成的 高副机构 。 返回目录 图 3-2 自动机床进刀机构 图 3-2 自动机床进刀机构 6 凸轮机构在自动送料机构 、 仿形机床进刀机构 、 内燃机配气机构 、 汽车的凸轮式制动器以及印 刷机 、 纺织机 、 插秧机 、 闹钟和各种电气开关 等传力不大的控制装置中得到广泛应用 。 如下 图纺织机械里的绕线机构 。 返回目录 7 凸轮机构的主要优点 ： 只要适当设计凸轮的轮廓曲线，就可以使 从动件获得各种预期的运动规律，而且结 构简单紧凑、设计方便。 凸轮机构的缺点 : 凸轮与从动件之间为点、线高副接触，易 磨损，故该机构多用在要求准确实现预期 运动规律且传递力不大的场合。 8 3.1.2凸轮机构的类型 返回目录 凸轮可以按不同的属性进行分类。 1、按凸轮形状分类：盘形、圆柱、移动凸轮 9 3.1.2凸轮机构的类型 盘状凸轮 :这种凸轮是 绕固定轴线转动并具有变化 向径的盘形零件 。它是凸轮最常见的形式。 移动凸轮 ：当盘形凸轮的 回转中心趋于无穷远 时， 凸轮相对机架做直线运动，这种凸轮称为移动凸 轮。 圆柱凸轮 ：这种凸轮可以认为是将移动凸轮首尾 相接卷成圆柱体而形成。 盘状凸轮和移动凸轮与从动件之间的相对运动为 平面，属于 平面凸轮机构 ；而圆柱凸轮与从动件 之间的相对运动为空间运动，属于 空间凸轮机构 。 10 返回目录 2、从动件的形状：尖顶 滚子、平底 3、从动件运动：直动、 摆动 11 3.1.2凸轮机构的类型 从动件的结构形式： (1) 尖顶从动件 ：尖顶能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从 动件实现任意运动。但尖顶与凸轮之间是滑动摩擦，易于磨损，故使 用传力不大的低速凸轮机构。 (2) 滚子从动件 ：这种从动件的端部装有可以自由转动的滚子，因而 摩擦较小，可传递较大的力，但零件多，滚子轴磨损后会产生噪音。 所以适用于重载和中、低速的凸轮机构。 (3) 平底从动件 ：这种从动件与凸轮的轮廓表面的接触面为一个平面。 平面与凸轮接触处易形成油膜，故润滑良好，能大大减少磨损。当不 考虑摩擦时，凸轮对从动件的作用力始终垂直了平底，从动件受力比 较平稳，传动效果好，故常用于高速凸轮机构中。缺点是不适用于轮 廓有内凹的凸轮。 12 返回目录 2、从动件的形状：尖顶 滚子、平底 3、从动件运动：直动、 摆动 13 3.1.2凸轮机构的类型 从动件的运动形式： (1)直动从动件 ：从动件相对于机架做往复 直线运动。 对心直动从动件凸轮机构 从动件导路的中心 线通过凸轮的回转中心 。 偏置直动从动件机构 （图 3-3a) (2)摆动从动件 ：从动件按照一定的运动规 律绕自身轴作往复摆动。 14 3.2凸轮机构的运动特性分析 凸轮机构的基本名词术语 基圆、基圆半径 以凸轮轮廓最小向径 rmin为半径所作 的圆 称为凸轮的 基圆 ， rmin 称为 基圆半径 。如 图 3-4所示。 推程 、 升程 、 推程运动角 从动件在凸轮轮廓的作用下 由距凸轮轴心最近位置被推到距凸轮轴心最远位置的过程 称为从动件的 推程 ， 在推程中从动件所走过的距离 称为从 动件的 升程 h， 推程对应的凸轮转角 称为 推程运动角 ， 如 图 3-4所示 。 返回目录 15 3.2凸轮机构的运动特性分析 远休止角 s：当凸轮以 BC圆弧段与尖顶接触时，从动件 处于最高位置而静止不动，该过程称为远程休止，相应的 凸轮转角称为远休止角 s。 回程和回程运动角 ：当凸轮继续转动，从动件与凸轮 CD段接触，由点 C至 D，向径逐渐减小，从动件由最高位 C回到最低位置，该过程称为回程运动，凸轮相应的转角 称为回程角 。 近休止角： 从动件在 DA段接触时，从动件在最低位置静 止不动，该过程称为近程休止，凸轮相应的转角称为近休 止角。 凸轮运动一周，从动件就重复上述升 停 回 停 的循环过程。 偏距 ：从动件的中心线偏离凸轮转动中心 0的距离。 16 3.2凸轮机构的运动特性分析 从动件的位移线图 以直角坐标系的纵坐标代表从动件的位移， 横坐标代表凸轮转角，则可以画出从动件 与凸轮转角之间的关系曲线，则为 从动件 的位移线图。 凸轮的轮廓形状决定从动件的运动规律， 反之，从动件不同的运动规律要求凸轮具 有不同的轮廓曲线形状，因此在 设计凸轮 轮廓 之前应首先 确定从动件的运动规律 。 17 返回目录 h A B O O r0 a b c D B a b c d S 基圆 回程运动角 近休止角 推程运动角 远休止角 C 18 从动件常用的运动规律 返回目录 1、等速运动规律： 凸轮以角速度匀 速运动，从动件以恒定的速度运动。 s()= CS ()=C a()= 0 特点 ： 1）刚性冲击运动 从动件在某瞬时速度突 变，其加速度及惯性力在理论上均趋于无 穷大。 2）只适用于低速轻载的凸轮机构。 19 返回目录 2、等加速等减速运动规律 :凸轮以角速度匀速运动，从动 件先做等加速运动后做等减速运动。 s()= CS 2 ()=C a()= Ca （常数） 特点 ： 1）柔性冲击 从动件在 某瞬时加速度发生有限值 的突变所引起的冲击。 2）适用于中、低速的凸 轮机构。 20 返回目录 3、间谐运动规律： 当动点在一圆周上做匀速转动时，由该在 此圆上直径上的投影所构成的运动规律。 s()=h(1-cos/0)/2 ()=C sin/0 a()= Cacos/0 特点 ： 1）仅在运动始末两处有柔 性冲击。 2）适用于高速凸轮机构。 21 3.3用图解法设计盘形 凸轮轮廓 返回目录 22 用图解法设计盘形凸轮轮廓 设计步骤 根据 机器的工作要求选定了 从动件的运动规律 后，还要根 据凸轮传力性能是否良好、凸轮轮廓是否便于加工、结构 是否紧凑、运动的可靠性等因素，来进行 凸轮轮廓曲线 的 设计 。 凸轮轮廓曲线设计的方法 ： 有图解法和解析法。 解析法 用于精度要求较高的高速凸轮、 靠模凸轮等，计算量大，常常 利用计算机辅助设计与制造 技术 。图解法简单易行，可以满足一般精度要求的机械设 计。 本章介绍图解法设计一般精度的凸轮轮廓。 23 3.3.1直动从动件盘形凸轮轮廓的 设计 用图解法绘制凸轮轮廓曲线所依据的方法是“反 转法”。 采用反转法绘制盘形凸轮工作轮廓的步骤： 1）确定从动件的运动规律； 2）确定凸轮的转速和基圆半径； 3）选定绘制平面 凸轮与图纸平面相对静止， 且方便在图纸上绘制； 4）反转，即机架和从动件绕凸轮中心相对转动。 24 返回目录 3.3.1直动从动件盘形凸轮轮廓的设计 1.反转法作图的原理 a)在凸轮轮廓作用下从动件向上移动 b)机架和从动件绕凸轮中心相对转动 图 3-8 反转法原理 25 返回目录 尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制过程 （ 1）尖顶从动件 26 选取适当比例 （ 包括长度比例和角度比例 ） ， 按 照从动件运动规律 ， 做相应的 位移线图 。 做凸轮基圆 ， 并确定从动件的初始位置 。 在基圆上 ， 由从动件尖顶起始位置 A0处开始 ， 沿 - 方向分别取推程运动角 (900)、 远程休止角 (600)、 回程运动角 (1800)、 近休止角 (300)， 并将推程运 动角 (900)和回程运动角 (1800)与位移线图对应等 分 ， 在基圆上得 A1、 A2、 A3、 A4、 A5 诸点 ， 自圆心做径向线 。 返回目录 27 沿各径向自基圆取从动件对应位移线图上的位 移量 ， 使 A1B1=11、 A2B2=22、 A3B3=33、 得反转后尖顶所占据的一系列位置 B1、 B2、 B3、 。 将 A0、 B1、 B2、 B3、 连成光滑曲线 ， 便是 所要求的凸轮轮廓曲线 。 28 滚子直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制过程 绘制方法类似： 滚子式可改善尖顶型从动件与凸轮 接触处的摩擦、磨损情况，其凸轮 轮廓设计方法如右图所示。把滚子 中心看作尖顶从动件的尖顶，按上 述方法求出一条 理论轮廓 0，再以 0上各点为圆心，以滚子半径为半 径，作一系列圆，并作这一系列圆 的 内包络线 ，就得到滚子从动件 凸 轮的实际廓线 。 凸轮的 基圆半径 是指 理论轮廓线的 最小向径 。 返回目录 29 返回目录 平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制过程 绘制方法类似： 把平底与导路的交点 A0看作尖顶从动件的尖 顶，按照尖顶从动件凸 轮轮廓的绘制方法，求 出理论轮廓上一系列点 A1、 A2、 A3、 ； 过这些点画平底的各 个位置 A0B0、 A1B1、 A2B2、 A3B3、 ； 作这些平底的包络线， 便得到平底从动件凸轮 的轮廓曲线。 30 返回目录 3.3.2盘形凸轮机构设计基本参数 1、压力角： 从动件与凸轮在 接触点处的 受力方向 与其在 该点绝对速度方向（ 运动方 向 ）之间所夹的锐角 ser e ss eOP BD PD 22 00 d s / d t a n 31 凸轮作用于从动件的 法向力 Fn可分解为两 个分力 ： Fx和 Fy。 Fr 沿导路方向推动从动件做有用公功，是有效分力， 除了克服工作阻力之外，还要克服导路的摩擦力； Fx 使从动件压紧导路，产生摩擦力，是有害力。 凸轮机构自锁现象 在 Fn一定的条件下，压力角越大，有效分力越小，有害分 力越大。当压力角增大到某一数值时，必将出现有效分力 小于摩擦力的情况，这时，不论施加多大的力，都不能使 从动件运动，这种现象称为自锁。 凸轮上不同位置的压力角值是不同的。 32 许用压力角： 为改善凸轮机构的受力情况、提高 机械效率，规定了允许采用的最大压力角 。 推程 （工作行程）推荐的许用压力角为： 直动从动件 摆动从动件 回程 （空回行程） m a x 00 8070 00 4535 00 4030 返回目录 33 当采用偏置从动件时，如图 3-13所示，对 于凸轮的同一位置，若凸轮顺时针转动， 从动件偏置在凸轮转动中心左侧时压力角 较小；若凸轮逆时针转动，从动件偏置在 凸轮转动中心右侧时压力角较小 出现压力角大于或等于许用压力角 时，可 将对心式改为偏置式从动件 ，以减小推程 中的压力角。 34 基圆半径的选取 由图 3-12可以看出： 从动件的位移 S2; 凸轮 K点处的半径为 r; rb为凸轮的基圆半径， 则有： S2=r-rb 35 由图 3-12图中的速度多边形可知： 由式 3-1可知，当 w1、 v2和 s2一定时，如果要减小压力角， 就必须增大凸轮的基圆半径。 36 压力角和基圆半径的关系 从动件运动规律相同 时，当凸轮转过相同 的转角时，从动件上 升相同的位移，基圆 较大的凸轮轮廓较平 缓，压力角较小。 37 为了减小压力角，宜取较大的基圆半径； 为了使结构紧凑，则应尽可能较小基圆半 径。 在设计凸轮机构时，凸轮的基圆半径可根 据凸轮的结构选取。 为保证凸轮机构在整个运动周期中均能满 足 ，应选取计算结果中的最大 值作为凸轮的基圆半径。 m a x 38 凸轮轴基圆半径的选取 凸轮轴，基圆半径应大于轴的半径和滚 子半径之和，即 rbr+rr 当凸轮与轴单独制造时 ,取 ： rb 1.8r+(10-20)mm 39 3、滚子半径的选择 滚子半径的选择，要综合考虑滚子的结构、 强度、凸轮轮廓曲线形状等因素，特别是 不能因滚子半径选得过大造成从动件运动 规律失真。 40 3、滚子半径的选择 凸轮工作轮廓曲率半径 和凸轮理论轮廓曲率半 径 的之间的关系 ： 当凸轮轮廓内凹时： =+r， ，无论滚子半 径取多大，凸轮轮廓总是光滑曲线，如图 3-15a所 示，所以此时滚子半径的大小不受限制。 当凸轮轮廓外凸时， =-r， 0时，凸轮轮廓光 滑，如图 3-15b所示； =0时，凸轮工作轮廓出现 尖点， 工作时极易磨损 ，如图 3-15c所示； 0时， 凸轮工作轮廓出现交叉，加工时将被切掉，不能 实现预期运动规律，这就是 运动失真 现象，如图 3-15d所示； 41 3、滚子半径的选择 外凸凸轮廓线 0r r 0 m i nm i n 0 m i n 返回目录 42 滚子半径大小对凸轮实际轮廓的影响 r T r T a a r T r T a ) b ) d )c ) 返回目录 43 0r r 0 m i nm i n 0 m i n 实际廓线出现交叉，从动件 不能准确地实现预期的运动 规律 运动失真 返回目录 44 运动失真 原因： 避免方法： 滚子半径的选择 r 0.80min 0min 3-5mm rm i n0 m i n0 m i n0 增大增大 )8.0(减 小 滚 子半 径 br rr 返回目录 45 返回目录 3.4间歇运动机构 棘轮机构 3.4.1棘轮机构的工作原理 46 一 、 棘轮 类型 返回目录 组成： 摆杆、棘爪、棘轮、止动爪。 工作原理： 摆杆往复摆动，棘爪推动棘轮间 歇转动。 优点： 结构简单、制造方便、运动可靠、转 角可调。 缺点： 工作时有较大的冲击和噪音，运动精 度较差。适用于速度较低和载荷不大的场 合。 47 返回目录 只能够实现单向间歇运动 外接棘轮机构 48 返回目录 内接棘轮机构 49 返回目录 双向式棘轮机构 棘爪可翻转的矩形棘齿可以获得不同转向的间歇运动。 50 返回目录 双动式棘轮机构 运动特点：摇杆来回摆动都能使棘轮向同一方向转动。 51 a) 加调节摇杆 b)加遮板 图 3-19 调节棘轮转角的方法 返回目录 52 返回目录 3.4.2棘轮机构的应用 :可用于进给、制动、 转位分度和超越机构。 在提升机 做制动器 这种制动 器安全可靠， 使用方便。 53 返回目录 间歇送进 54 返回目录 超越、离合 55 返回目录 3.5间歇运动机构 槽轮机构 3.5.1棘轮机构的工作原理 典型槽轮机构的组成： 由主动拨 盘、从动槽轮和机架等组成。 槽轮机构的工作原理： 主动拨盘 连续转动，当主动拨盘的圆销 A 未进入槽轮径向槽时，槽轮 的内 凹锁住弧被构件 1的外凸圆弧卡 住， 静止不动；当主动拨盘的圆 销 A进入槽轮径向槽时，槽轮受 圆销 A驱动而转动。从而使槽轮 做间歇运动。 56 返回目录 3.5.2槽轮机构的特点及应用 槽轮机构的特点 ： 结构简单，转位迅速，效率较高，工作可靠， 能较平稳、间歇地进行换位。与棘轮机构相 比运转平稳，但因圆柱销突然进入与脱离径 向槽，传动存在柔性冲击，不适用于高速场 合。制造与装配精度要求较高，且槽轮转角 大小不能调节 57 一般用于转速不很高的自动机械、轻工机 械或仪器仪表中。 电 影 放 映 机 的 送 片 机 构 返回目录 58 应用举例 用反转法设计一个凸轮机构，已知：从动 件运动规律曲线如图 3-24所示，推程运动 角 1=900，远程休止角 2=600，回程运动 角 3=1500，近程休止角 4=600，凸轮以等 角速度顺时针转动，偏距为 e，基圆半径为 rb。 分析：如图 3-25所示。 1）以 rb为半径做基圆，以 e为半径作偏距圆。 2）作从动件移动方向与偏距圆的切点 K。 59 应用举例 3）以 K点为反转的起点，在偏距圆中标出推程角 1，远程休止角 2，回程运动角 3，近程休止角 4。 4）在偏距圆中，将 1等分 3等分，将 3等分 6等分， 得到 10分点。过这些分点作偏距圆的切线，交于 基圆，得 B1、 B2、 B3、 B 10各点。 5）作位移线图，按转角对应得到 10个等分点。 60 应用举例 6）应用反转法，量取从动件在各切线对应 位置上的位移，由位移线图中量取从动件 位移，得 A1、 A2， ，即 A1B1 11， A2B2=22， 将 B、 A1、 A2、 A 10连成光 滑曲线，即为所求凸轮轮廓曲线。 图 3-25即为所求凸轮轮廓曲线的作图过程。 61 【 能力训练 1】 1问题提出 (1)尖顶偏置直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制； (2)若将从动件改为对心尖顶直动从动件，如何测 量该机构的压力角； (3)若将尖顶从动件改为滚子从动件，试分析滚子 半径、压力角和基圆半径对该机构工作特性的影 响。 返回目录 62 【 能力训练 2】 1问题提出 试分析自行车的后轴上的飞轮结构是什么机构 ？ 工作原理如何 ？ 返回目录 63 第 3章小结 本章内容： 凸轮机构的特点、类型与应用；从动 件常用运动规律；凸轮廓线设计；设计凸轮机构 应注意的问题。 基本概念： 升程、基圆、推程角、回程角、从动 件运动线图、刚性冲击、柔性冲击、反转法 要求的技能： 能根据给定运动规律正确绘制从动 件位移线图；能正确进行凸轮廓线的图解设计。 返回目录