第四章-凸轮机构传动课件

第四章第四章 凸轮机构传动凸轮机构传动基本要求基本要求:了解凸轮机构的分类及应用；了解从动件常用的运动 规律及从动件运动规律的选择原则；了解在确定凸轮 机构基本尺寸时应考虑的主要问题（包括压力角对尺 寸的影响，压力角对凸轮受力的情况、效率和自锁的 影响 及“失真”等问题）；能根据选定的凸轮类型和从 动件的运动规律设计出凸轮的轮廓曲线。重重 点点:从动件常用运动规律的特点及其选择原则；盘形凸轮 机构凸轮轮廓曲线的设计；凸轮基圆半径与压力角及 自锁的关系。难难 点点:凸轮轮廓曲线设计中所应用的“反转法”原理；压力角的概念等。1vvv4.1 4.1 4.1 凸轮机构的应用和类型凸轮机构的应用和类型凸轮机构的应用和类型凸轮机构的应用和类型凸轮机构的应用和类型凸轮机构的应用和类型vvv4.2 4.2 4.2 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律vvv4.3 4.3 4.3 图解法设计凸轮轮廓曲线图解法设计凸轮轮廓曲线图解法设计凸轮轮廓曲线图解法设计凸轮轮廓曲线vvv4.4 4.4 4.4 盘形凸轮的结构设计盘形凸轮的结构设计盘形凸轮的结构设计盘形凸轮的结构设计盘形凸轮的结构设计盘形凸轮的结构设计vvv4.5 4.5 4.5 棘轮机构棘轮机构棘轮机构棘轮机构棘轮机构棘轮机构vvv4.6 4.6 4.6 槽轮机构槽轮机构槽轮机构槽轮机构槽轮机构槽轮机构凸轮机构主要内容凸轮机构主要内容24.1 凸轮机构的应用和类型凸轮机构的应用和类型 1.1.组成：组成：凸轮凸轮具有曲线轮廓或凹槽的构件。从动件从动件被凸轮直接推动的构件。机架机架凸轮凸轮：外型按一定运动规则建立起来的构件，对从动件运动 起着决定性作用。凸轮机构课本例子：图凸轮机构课本例子：图4-24-2，4-34-3一凸轮机构的应用一凸轮机构的应用:3优点：优点：1、可使从动件得到各种预期的运动规律。2、结构简单、紧凑，构件少。3、可实现停歇运动。缺点：缺点：1、高副接触，易磨损，多用于传力不太大的场合。2、复杂的凸轮轮廓加工比较困难。3、从动件行程不宜过大，否则会使凸轮变得笨重。2.特点：特点：升停降停T41）进行位置的操纵控制2）实现特定的运动规律3）实现运动与动力的双重要求4）实现复杂的运动轨迹3.3.凸轮机构的应用：凸轮机构的应用：5二二.凸轮机构的分类：凸轮机构的分类：1.1.按凸轮的形状分类按凸轮的形状分类盘形凸轮盘形凸轮 移动凸轮移动凸轮 圆柱凸轮圆柱凸轮凸轮最基本的型式盘形凸轮中心趋于无穷远移动凸轮卷成圆柱形62.按从动件的形式分类按从动件的形式分类尖顶从动件尖顶从动件滚子从动件滚子从动件平底从动件平底从动件（能实现任意运动规律。但点接触磨损快，只宜用于轻载低速凸轮机构）（滚动摩擦，耐磨损，可承受较大载荷。是最常用的从动件型式）（不能与凹陷凸轮轮廓接触。但作用力始终与平底垂直，效率较高，且接触面易形成油膜，利于润滑。常用于高速凸轮机构）球面从动件球面从动件（见课本）73.按从动件的运动形式分类按从动件的运动形式分类移移动动从从动动件件摆摆动动从从动动件件84.4.按从动件与凸轮接触形式分类按从动件与凸轮接触形式分类力封闭（弹簧力封闭（弹簧 、重力）、重力）形封闭（槽形、等宽矩形、等径、共轭）形封闭（槽形、等宽矩形、等径、共轭）v凸轮机构工作时，从动件要始终与主动件凸轮保持接触，这凸轮机构工作时，从动件要始终与主动件凸轮保持接触，这种作用称为锁合。所以在凸轮机构中，要采用某种方式使从种作用称为锁合。所以在凸轮机构中，要采用某种方式使从动件在工作行程和回程中，始终与凸轮锁合在一起。锁合方动件在工作行程和回程中，始终与凸轮锁合在一起。锁合方式分为力锁合和形锁合。式分为力锁合和形锁合。va.力锁合力锁合(课本图4-1和4-3)所示的凸轮机构为力锁合方式的凸轮机构，该种方式是依靠零件自身的重力、弹簧力或其他外力，使从动件与凸轮保持始终接触的。vb.形锁合形锁合 (课本图4-2)所示的凸轮机构为形锁合方式的凸轮机构，该种方式是依靠凸轮上的沟槽等特殊结构，使从动件与凸轮保持永久接触的。94.2 4.2 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律 一一.基本概念：基本概念：1、基圆、基圆 2、推程，推程运动角、推程，推程运动角；以凸轮轮廓的最 小向径为半径所作的圆称为 基圆。用r0表示。3、远休止，远休止角、远休止，远休止角s；4、回程，回程运动角、回程，回程运动角；5、近休止，近休止角、近休止，近休止角s；6、升程、升程从动件在推程或 回程中移动的距离。用h 表示。7、理论轮廓、理论轮廓与尖顶、平底从动件相接触的凸轮轮廓。或 滚子中心的轨迹。8、实际轮廓、实际轮廓与尖顶、平底、滚子相接触的凸轮轮廓。10二二.从动件常用运动规律：从动件常用运动规律：从动件位移线图从动件位移线图从动件位移 s与凸轮转角（t）之间的 关系曲线，即sf()曲线。1.等速运动规律：等速运动规律：推程：推程：运动开始、终止及换向点存在刚性冲击刚性冲击。不宜单独使用，运动开始和终止段必须加以修正。112.等加速等减速运动规律：等加速等减速运动规律：推程等加推程等加速段：速段：推程的前半段作等加速运动，后半段作等减速运动。推程等减推程等减速段：速段：运动开始、终止及换向点存在柔性冲击柔性冲击。适用于中速轻载。124.3 4.3 图解法设计凸轮轮廓曲线图解法设计凸轮轮廓曲线 设计一般精度凸轮时常被采用图解法。而设计高精度凸轮，则必须用解析法，但计算复杂。本节主要讨论图解法。设计方法：设计方法：1.1.图解法图解法 2.2.解析法解析法基本原理：基本原理：反转法原理反转法原理 基本要求：基本要求：能根据选定的凸轮类型和从动件的运动规律设计出凸轮的轮廓曲线。13 设想给凸轮机构加上一个绕凸轮轴心并与凸轮角速度等值反向的角速度。根据相对运动原理，机构中各构件间的相对运动并不改变，但凸轮已视为静止，而从动件则被看成随同导路以-1角速度绕O点转动，同时沿导路按预定运动规律作往复移动。从动件尖顶的运动轨迹即为凸轮的轮廓。这就是图解法绘制凸轮轮廓曲线的原理，称为“反转法”。一、反转法原理一、反转法原理 ：O O-13311223 33 31 11 12 22 2114二、反转法设计凸轮轮廓曲线的方法和步骤二、反转法设计凸轮轮廓曲线的方法和步骤 1.1.尖顶对心移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计尖顶对心移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计 2.2.对心移动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计对心移动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计 3.3.尖顶偏置移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计尖顶偏置移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计 151.1.尖顶对心移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计尖顶对心移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计 对心直动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rb，角速度1和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。60rb120-111 2345 67 8910111213149090A18765432141312111091.选与位移线图一致的比例作凸轮的基圆；2.将基圆分成与位移线图中相对应的等份；3.分别自基圆圆周向外量取从动件位移线图中相应的位移量；4.光滑连接各点即得所求的凸轮轮廓。步骤：步骤：设计步骤小结：设计步骤小结：选比例尺选比例尺l l作基圆作基圆r rb b;反向等分各运动角反向等分各运动角;确定从动件尖顶在各等份点的位置确定从动件尖顶在各等份点的位置;将各尖顶点连接成一条光滑曲线。将各尖顶点连接成一条光滑曲线。13578 6012090901 3 5 7 8911 13 15s 91113121410推推程程运运动动角角远远休休止止角角回回程程运运动动角角近近休休止止角角162.2.对心移动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计对心移动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计 滚子直动从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rb，角速度1和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。rbA120-112345 67 8910111213146090901876543214131211109理论轮廓理论轮廓实际轮廓实际轮廓1设计步骤：设计步骤：选比例尺选比例尺l作基圆作基圆r rb b。反向等分各运动角。原则是：反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。陡密缓疏。确定反转后，从动件尖顶在确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。各等份点的位置。将各尖顶点连接成一条光滑曲线。将各尖顶点连接成一条光滑曲线。作各位置滚子圆的内作各位置滚子圆的内(外外)包络线。包络线。13578 6012090901 3 5 7 8911 13 15s 91113121410推推程程运运动动角角远远休休止止角角回回程程运运动动角角近近休休止止角角173.3.尖顶偏置移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计尖顶偏置移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计 偏置直动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rb，角速度1和从动件的运动规律和偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。O OeA A-116123457815141312111091514131211109k9k10k11k12k13k14k1512345678k1k2k3k5k4k6k7k812013578 6012090901 3 5 7 8911 13 15s 91113121410推推程程运运动动角角远远休休止止角角回回程程运运动动角角近近休休止止角角18作图步骤：作图步骤：1.选定比例尺L，以rb为半径作基圆，以e为半径作偏距圆并与从动件 导路相切于k点。A即为从动件的起始位置；2.将位移线图s的推程、回程运动角分别进行若干等分；3.在基圆上，自OA开始，沿-方向依次量取角度、s、s，并将推程、回程运动角分为相应等分，得点1、2、314、15；4.过点1、2、3作偏距圆的一系列切线，这些切线即为从动件导路在 反转运动中的位置；5.沿4中切线自基圆开始量取从动件相应位移量，即得线段11、22、33，得反转后尖顶的一系列位置1、2、3；6.将点1、2、3依次连接成光滑曲线，即得所求凸轮廓线。若偏距e0，则成为对心尖顶直动从动件盘形凸轮机构。设计步骤小结：设计步骤小结：选比例尺选比例尺l作基圆作基圆r rb b;反向等分各运动角反向等分各运动角;确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置;将各尖顶点连接成一条光滑曲线。将各尖顶点连接成一条光滑曲线。19rb 对心直动平底对心直动平底从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rb，角速度角速度1和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。设计步骤：设计步骤：选比例尺选比例尺l作基圆作基圆r rb b。反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。确定反转后，从动件平底直线在各等份点的位置。确定反转后，从动件平底直线在各等份点的位置。作平底直线族的内包络线。作平底直线族的内包络线。8765432191011121314-11A1234567815141312111094.4.对心直动平底对心直动平底从动件从动件盘形凸轮盘形凸轮13578 6012090901 3 5 7 8911 13 15s 91113121410推推程程运运动动角角远远休休止止角角回回程程运运动动角角近近休休止止角角205.5.摆动尖顶摆动尖顶从动件从动件盘形凸轮机构盘形凸轮机构 已知凸轮的基圆半径r0，角速度，摆杆长度l以及摆杆回转中心与凸轮回转中心的距离d，摆杆角位移方程，设计该凸轮轮廓曲线。120B11 1rbB1B2B3B4B5B6B7B860 90 1-1dABlB22 2B33 3B44 4B55 5B66 6B77 7A1A2A3A4A5A6A7A813578 6012090901 3 5 7 8911 13 15 91113121410推推程程运运动动角角远远休休止止角角回回程程运运动动角角近近休休止止角角21作业作业 对心直动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rb，角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。1.对心直动尖顶从动件对心直动尖顶从动件oS901201 2 35 6 7h150482.偏置直动尖顶从动件（已知偏距偏置直动尖顶从动件（已知偏距e）偏置直动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rb，角速度和从动件的运动规律和偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。oS180120601 2 3 4 5 67 8 910h224.4 盘形凸轮的结构设计OB1 设计凸轮机构时，除了要求从动件能实现预期的运动规律外，还希望凸轮机构结构紧凑，受力情况良好。而这与压力角有很大关系。Fy ，Fx 若若大到一定程度时，必然会有：大到一定程度时，必然会有：从动件不能运动，机构发生自锁。从动件不能运动，机构发生自锁。nn 对于高副机构，对于高副机构，压力角即接触轮廓法线与从动件速度方向压力角即接触轮廓法线与从动件速度方向所夹的锐角。所夹的锐角。不考虑摩擦时，作用力沿法线方向。不考虑摩擦时，作用力沿法线方向。FnFyFxFy-有用分力有用分力,沿导路方向沿导路方向,Fx-有害分力，垂直于导路有害分力，垂直于导路压力角压力角越大越大 ，Fx Fy,Ff=f Fx Fy Ff为了保证凸轮机构正常工作，要求：为了保证凸轮机构正常工作，要求：1.1.凸轮机构的压力角凸轮机构的压力角 定义：定义：从动件所受驱动力方向与该力作用点绝对速度方向间所夹的从动件所受驱动力方向与该力作用点绝对速度方向间所夹的 锐角称为压力角。锐角称为压力角。23为了保证凸轮机构正常工作并具有一定的效率，为了保证凸轮机构正常工作并具有一定的效率，对移动从动件推程：对移动从动件推程：=30 对摆动从动件推程：对摆动从动件推程：=45 对回程，从动件通常是靠外力或自重作用返回，对回程，从动件通常是靠外力或自重作用返回，=7080，一般不需验算一般不需验算。2.2.凸轮基圆半径的选凸轮基圆半径的选择择 基圆半径愈小，压力角愈大；反之，压力角则愈小。因此，在选取基圆半径时应注意：滚子从动件凸轮机构，在保证和从动件运动不失真的前提下，可将基圆半径取小些，满足对机构结构紧凑的要求。在结构空间允许条件下，可适当将基圆半径取大些，以利于改善机构的传力性能，减少磨损和减少凸轮廓线的制造误差。24目前，凸轮基圆半径的选取常用如下两种方法：目前，凸轮基圆半径的选取常用如下两种方法：1.经验法确定rb，根据凸轮的结构确定rb rb r孔 rT r毂251)结构要求 rb=r毂+rT+(25)mm其中,轮毂半径:2)验算 amaxH等速余弦L等加正弦等速运动规律,amax 在起点处;其余运动规律,amax 在中点附近.S r毂=1.75 r孔+(57)mm式中,r毂 凸轮轮毂的半径，mm;rT滚子半径,mm，若从动件不带滚子，则rT=02.诺模图 工程上常常借助于诺模图(Nomogram)来确定凸轮的最小基圆半径。借助于诺模图既可以近似确定凸轮的最大压力角，也可以根据所选择的基圆半径来校核最大压力角。25 例例一一对对心心移移动动从从动动件件盘盘形形凸凸轮轮机机构构，0 0 4545，h h 19mm19mm，推推程程时时从从动动件以正弦加速度规律运动，推程压力角件以正弦加速度规律运动，推程压力角 3030，确定凸轮基圆半径，确定凸轮基圆半径r rb b。作图得作图得h rb 0.26，rb 19 0.26 73.08mmh rb 等速运等速运动动0.010.1 0.2 0.30.40.50.60.81.0 2.0 3.0 6.0 h rb等加速等减速运等加速等减速运动动0.01 0.1 0.2 0.3 0.40.6 1.0 2.0 5.0 凸轮转角凸轮转角 5101525303540205060708090100200300350最大压力角最大压力角 max510152520354555657585403050607080h rb 余弦加速度运动余弦加速度运动0.01 0.1 0.2 0.4 0.6 1.0 2.0 5.0 510152520354555657585403050607080最大压力角最大压力角 max5101525303540205060708090100200300350 凸轮转角凸轮转角 h rb 正弦加速度运正弦加速度运动动0.01 0.1 0.2 0.4 0.6 1.0 2.0 5.0 课本例课本例4-1求盘形凸轮基圆半径的诺模图26rT a rT rT 轮轮 廓失真廓失真3.3.滚子半径的确定滚子半径的确定arT rT arT0轮廓正常轮廓正常轮廓变尖轮廓变尖 内凹内凹arTrTrT rT arT 轮廓正常轮廓正常 外凸外凸rTaa工作轮廓的曲率半径，工作轮廓的曲率半径，理论轮廓的曲率半径，理论轮廓的曲率半径，rT滚子半径滚子半径从降低接触应力来讲，从降低接触应力来讲，rT愈大愈好。但愈大愈好。但rT过大可能导致运动失真。过大可能导致运动失真。若若min过小，则过小，则rT很小，不能满足安装和强度要求时，只能增大很小，不能满足安装和强度要求时，只能增大r0，重新设计，重新设计凸轮轮廓。凸轮轮廓。27 凸轮机构工作时，往往承受动载荷的作用，同时凸轮表面承受强烈磨损。因此，要求凸轮和滚子的工作表面硬度高，具有良好的耐磨性，心部有良好的韧性。当低速、轻载时，可以选用铸铁作为凸轮的材料。中速、中载时可以选用优质碳素结构钢、合金钢作为凸轮的材料,并经表面淬火或滲碳淬火，使硬度达到。高速、重载凸轮可以用优质合金钢材料，并经表面淬火或滲氮处理。滚子材料用合金钢材料，经滲碳淬火，达到较大表面硬度。4.4.凸轮机构的材料凸轮机构的材料 28 4.5 棘 轮 机 构（简谐运动机构）一、棘轮机构的基本结构和工作原理一、棘轮机构的基本结构和工作原理驱动棘爪驱动棘爪主动摆杆主动摆杆止动棘爪止动棘爪棘棘轮轮运运动动1.棘轮机构的组成：棘轮机构的组成：棘轮、棘爪、机架。棘轮、棘爪、机架。棘轮不动棘轮不动 主动摆杆1顺时针摆动时，与它相连的驱动棘轮2借助弹簧或自重的作用插入棘轮的齿槽内，使之沿同一方向转过一个角度；而当主动摆杆1逆时针，驱动棘轮2便在棘轮齿背上滑过，这时，簧片6迫使止动棘爪4插入棘轮的齿槽内，阻止棘轮逆时针转动，棘轮静止不动。当主动件1连续的往复摆动时，棘轮做单向间歇运动。2.棘轮机构的工作原理：棘轮机构的工作原理：棘轮棘轮机架机架29（1）带轮齿的棘轮机构带轮齿的棘轮机构按动作分 单动式棘轮机构单动式棘轮机构双动式棘轮机构双动式棘轮机构3、棘轮机构的类型、棘轮机构的类型30（1）带轮齿的棘轮机构带轮齿的棘轮机构按啮合形式分外啮式棘轮机构外啮式棘轮机构内啮式棘轮机构内啮式棘轮机构31（1）带轮齿的棘轮机构带轮齿的棘轮机构按轮齿形状分矩形棘轮机构矩形棘轮机构锯齿形棘轮机构锯齿形棘轮机构32（2）摩擦式棘轮机构）摩擦式棘轮机构无棘齿的棘轮无棘齿的棘轮偏心楔块式棘轮机构偏心楔块式棘轮机构 滚子楔紧式棘轮机构滚子楔紧式棘轮机构 331）齿啮式棘轮机构的特点）齿啮式棘轮机构的特点 齿啮式棘轮机构结构简单，棘轮转角可实现有级调节，但传动平稳齿啮式棘轮机构结构简单，棘轮转角可实现有级调节，但传动平稳性差。适合于转速不高，转角不大和小功率场合。性差。适合于转速不高，转角不大和小功率场合。2）摩擦式棘轮机构的特点）摩擦式棘轮机构的特点 摩擦式棘轮机构传递运动平稳，无噪声，棘轮可实现无级调节，但摩擦式棘轮机构传递运动平稳，无噪声，棘轮可实现无级调节，但易打滑，运动准确性差。易打滑，运动准确性差。4、棘轮机构的特点、棘轮机构的特点自自行行车车飞飞轮轮机机构构5、棘轮机构的应用、棘轮机构的应用34NRFfAlBnno1123o2 棘爪在法向力N作用下的滑入力矩应大于摩擦力Ff作用下阻止滑入的力矩:0=0lo2nn2ABFfNR1o1二二.棘爪的工作条件棘爪的工作条件 传递同样大小的转矩时，为使棘爪受力最小，一般:35 4.6 槽 轮 机 构（简谐运动机构）2.槽轮机构的工作原理：槽轮机构的工作原理：带有圆销的拨盘以匀角速连续回带有圆销的拨盘以匀角速连续回转，当拨盘上的圆销进入槽轮的径向转，当拨盘上的圆销进入槽轮的径向槽中时，带动槽轮转过一个角度；当槽中时，带动槽轮转过一个角度；当圆销退出径向槽时，拨盘上的凸弧与圆销退出径向槽时，拨盘上的凸弧与槽轮上的凹弧卡住，槽轮不转。槽轮上的凹弧卡住，槽轮不转。槽轮做槽轮做时转时停的简谐运动。时转时停的简谐运动。1.槽轮机构的组成槽轮机构的组成：主动拨盘、槽轮、机架。主动拨盘、槽轮、机架。一、槽轮机构的组成和工作原理一、槽轮机构的组成和工作原理36内内啮啮合合槽槽轮轮机机构构外外啮啮合合槽槽轮轮机机构构球球面面槽槽轮轮机机构构槽轮槽轮圆销圆销拨杆拨杆3.槽轮机构的类型槽轮机构的类型：37写在最后写在最后成功的基成功的基础在于好的学在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits38 结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日 39