第三章 凸轮机构PPT课件

3-1 凸轮机构的应用与分类 3-1-1 凸轮机构的应用 图3-1所示为内燃机配气凸轮机构。当凸轮1(主动件)匀速转动时，它的轮廓驱使阀杆2(从动件)作往复移动，使其按预期的运动规律开启或关闭气阀(关闭是靠弹簧4的作用)以控制燃气准时进入气缸或废气准时排出气缸。图3 -2所示为单轴六角车床上的刀架进给凸轮机构。当凸轮1匀速转动时，它的轮廓驱使扇形齿轮推杆2(从动件)按预定运动规律绕0轴转动，以推动齿条3移动，从而带动刀架往复移动下-页 返回第1页/共48页3-1 凸轮机构的应用与分类 以上两例机构均含有凸轮(具有某种曲线轮廓或凹槽的构件)含有凸轮的机构即称为凸轮机构。它通常由凸轮1、从动件2和机架3组成。 3-1-2 凸轮机构的分类 常用凸轮机构可按下述方法分类: 1.按凸轮形状分类 (1)盘形凸轮 (2)移动凸轮 (3)圆柱凸轮轮廓曲线位于圆柱面上并绕其轴线旋转的凸轮，如图3-4，属于空间凸轮机构。上-页 下-页 返回第2页/共48页3-1 凸轮机构的应用与分类 2.按从动件的形状分类 (1)尖顶从动件。以尖顶与凸轮轮廓接触的从动件，如图3-5 ( a)所示 (2)滚子从动件。以铰接的滚子与凸轮轮廓接触的从动件，如图3-5 (b)所示 (3)平底从动件。以平底与凸轮轮廓接触的从动件，如图3-5(c)所示 此外，还可按从动件的运动形式分类，分为移动从动件(图3-1、图3-3、图3-4,图3-5)和摆动从动件(图3-2);按凸轮与从动件保持接触的方式分为力封闭和形封闭(图3-6、图3-7，利用凸轮和从动件的特殊几何结构保持从动件与凸轮始终接触)等上-页 返回第3页/共48页3-2 常用的从动件运动规律 从动件的运动规律即是从动件的位移(s)、速度(v)和加速度(a)随时间(t)变化的规律。 从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线的形状，即是说，从动件的不同运动规律要求凸轮具有不同的轮廓曲线。所以，设计凸轮轮廓曲线时，首先根据工作要求选定从动件的运动规律，按从动件的位移曲线求出相应的凸轮轮廓曲线。 下面介绍几种常用的从动件运动规律。 3-2-1 等速运动规律 从动件速度为定值的运动规律称为等速运动规律。当凸轮以等角速度w1转动时，从动件在推程或回程中的速度为常数.下-页 返回第4页/共48页3-2 常用的从动件运动规律 推程时，设凸轮推程运动角为S0，从动件升程为b，相应的推程时间为t0，则从动件的速度为: 位移方程 加速度方程 初始条件： 21vc常数2212sv dtctc220dvadt2202100,00,/tsctt shch t时，则时，则上-页 下-页 返回第5页/共48页3-2 常用的从动件运动规律 代入(3-1)式得: 由于凸轮转角 ，代入(3 -2)式，则得推程时从动件用转角 表示的运动方程:202020tshthvta101 0,wtwt2021020hshvwa上-页 下-页 返回第6页/共48页3-2 常用的从动件运动规律 回程时，从动件速度为负值。回程终了，凸轮转角为 同理可推出回程时从动件的运动方程为:2,0ss2212(1)0hhshhvwa 上-页 下-页 返回第7页/共48页3-2 常用的从动件运动规律910 图3 -9为按公式(3 -3a)作出的在推程时从动件的运动线图。由图可知，从动件在推程开始和终止的瞬时，速度有突变，其加速度在理论上为无穷大(实际上由于材料的弹性变形，其加速度不可能达到无穷大)，致使从动件在极短时间内产生很大的惯性力，因而使凸轮机构受到极大的冲击。这种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时所引起的冲击称为刚性冲击。因此等速运动规律只适用于低速轻载的凸轮机构。 3-2-2等加速等减速运动规律 如图3-10所示，从动件在-行程的前-阶段为等加速和后-阶段为等减速的运动规律，称为等加速等减速运动规律。上-页 下-页 返回第8页/共48页3-2 常用的从动件运动规律 前半升程 后半升程222012202120244hsh wvh wa 220201202021202()4()4hshhwvhwa 上-页 下-页 返回第9页/共48页3-2 常用的从动件运动规律 图3-10为按式(3 -4)作出的等加速等减速运动线图。该图的位移曲线是-凹-凸两段抛物线连接的曲线，故该运动规律又称为抛物线运动规律。 由加速度线图图3-10(c)可知，从动件在升程始、末以及由等加速过渡到等减速的瞬时(即0, A, B三处)，加速度出现有限值的突然变化，这将产生有限惯性力的突变，而引起冲击。这种从动件在某瞬时加速度发生有限值的突变时所引起的冲击称为柔性冲击。所以等加速等减速运动规律不适用于高速，仅适用于中、低速。上-页 下-页 返回第10页/共48页3-2 常用的从动件运动规律11 3-2-3 简谐(余弦加速度)运动规律 从动件的加速度按余弦规律变化的运动规律称为简谐运动规律。质点在圆周上作匀速运动时，它在这个圆的直径上的投影所构成的运动称为简谐运动。如图3-11 ( a)所示，设以从动件升程b为直径作-圆，显然从动件的位移方程为: 由图可知， 代入上式可导 出从动件推程时所作简谐运动的运动方程:2(1 cos )2hs00当时，故得，上-页 下-页 返回第11页/共48页3-2 常用的从动件运动规律 图3-11表示按式(3-5)所作出的简谐运动规律的运动线图。由图3-11(c)看出，从动件的加速度按余弦规律变化。2012002212001 cos2sin2cos()2hshwvhwa 上-页 下-页 返回第12页/共48页3-2 常用的从动件运动规律 由加速度线图看出，从动件在升程的始、末两处有加速度突变，产生柔性冲击。但是当从动件作无停歇的升-降-升往复运动时，将得到连续的加速度曲线(图中虚线所示)，从而避免了柔性冲出，在这种情况下可用于高速传动。 在选择从动件的运动规律时，除考虑刚性冲击与柔性冲击外，还应注意各种运动规律的最大速度和最大加速度的影响。最大速度愈大，则动量mv愈大，当大质量的从动件突然被阻止时，将出现很大的冲击力，因此大质量从动件不宜选用最大速度太大的运动规律。最大加速度愈大，则惯性力愈大，引起较大的动压力，对机构的强度和磨损都有较大的影响。现将几种常用运动规律的特点和适用范围列于表3-1中，供选择从动件运动规律时参考。上-页 返回第13页/共48页3-3 用图解法设计盘形凸轮轮廓曲线12 凸轮机构工作时，通常凸轮是运动的。用图解法绘制凸轮轮廓曲线时，却需要凸轮与图面相对静止。为此，应用“反转法”，其原理如下: 图3-12所示为-对心移动尖顶从动件盘形凸轮机构。设凸轮的轮廓曲线已按预定的从动件运动规律设计出来了。当凸轮以角速度w1绕轴0转动时，从动件的尖顶沿凸轮轮廓曲线相对其导路按预定的运动规律移动。现设想给整个凸轮机构加上-个公共角速度w1,此时凸轮将不动。根据相对运动原理，凸轮和从动件之间的相对运动并未改变。这样从动件-方面随导路以角速度w1绕轴0车令动，另-方面又在导路中按预定规律作往复移动。下-页 返回第14页/共48页3-3 用图解法设计盘形凸轮轮廓曲线13 3-3-1对心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的绘制 凸轮轮廓曲线的绘制步骤如下: (1)选取长度比例尺 (实际线性尺寸/图样线性尺寸)和角度比例尺 (实际角度/图样线性尺寸)，作从动件位移曲线s2=s( )，如图3-13 (b)所示 (2)将位移曲线的推程角 和回程角 分段等分，并通过各等分点作垂线，与位移曲线相交，即得相应凸轮各转角时从动件的位移11 , 22sh0上-页 下-页 返回第15页/共48页3-3 用图解法设计盘形凸轮轮廓曲线 (3)用同样比例尺 ，以0为圆心，以OB0 = r0/ 为半 径画基圆，如图3-13 (a)所示。此基圆与从动件导路线的 交点B0即为从动件尖顶的起始位置。 (4)自OB0沿w1的相反方向取角度 , , , ，并 将它们与图3-13(b)对应的等份，得B1,B2,B3。连 结0B1、0B2、0B3、，并延长各径向线，它们便是反 转后从动件导路线的各个位置 (5)在位移曲线中量取各个位移量，并取B1B1=11, B2B2=22,B3B3 = 33反转后从动件尖顶的-系列位置B1,B2, B3, (6)将B1, B2、B3 ,连成光滑的曲线，即是所要求的凸轮轮廓曲线ssshs0上-页 下-页 返回第16页/共48页3-3 用图解法设计盘形凸轮轮廓曲线 3-3-2 对心移动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制 滚子从动件凸轮轮廓曲线的绘制，其方法与尖顶从动件 凸轮轮廓曲线的绘制基本相同，如图3-14所示。其不同点 就是将滚子中心视为尖顶从动件的尖顶，按上述方法求出其 轮廓曲线。再以 上各点为中心，以滚子半径为半径，画- 系列圆，作这些圆的内包络线，则曲线为凸轮上与从动件直 接接触的轮廓，称为凸轮工作轮廓。它是使用滚子从动件时 的实际轮廓曲线。而滚子从动件滚子中心相对于凸轮的运动 轨迹,则称为此凸轮的理论轮廓曲线。0上-页 下-页 返回第17页/共48页3-3 用图解法设计盘形凸轮轮廓曲线 由以上作图过程可知，在滚子从动件盘形凸轮机构中， 以凸轮轴心为圆心，凸轮理论轮廓最小向径值为半径所作的 称为凸轮理论轮廓基圆。而在盘形凸轮机构中，以凸轮轴心 为圆心，凸轮工作轮廓最小向径值为半径所作的圆，则称为 凸轮工作轮廓基圆。作图中的r0则是指凸轮理论轮廓基圆的 半径。 3-3-3 对心移动平底从动件盘形凸轮轮 廓曲线的绘制 平底从动件凸轮轮廓曲线的绘制也与上述方法相似。如 图3-15所示上-页 下-页 返回第18页/共48页3-3 用图解法设计盘形凸轮轮廓曲线 3-3-4 偏置移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制 如图3-16所示，偏置移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲 线的绘制方法也与前述相似。但由于从动件导路的轴线不通 过凸轮的转动轴心O，其偏距为e，所以从动件在反转过程 中，其导路轴线始终与以偏距。为半径所作的偏距圆相切， 因此从动件的位移应沿这些切线量取。上-页 下-页 返回第19页/共48页3-3 用图解法设计盘形凸轮轮廓曲线 3-3-5 摆动从动件盘形凸轮轮廓的绘制 摆动从动件盘形凸轮轮廓的绘制也与上述方法相似，如图 3 17 ( a)所示不同的是从动件绕轴A做往复摆动。因此， 在反转过程中，从动件的轴A将在以凸轮轴心0为圆心，以 OA。为半径的圆上做圆周运动，同时从动件还绕轴A按预定 运动规律往复摆动。显然从动件尖顶在此复合运动中的轨 迹，即为该凸轮的轮廓曲线。上-页 返回第20页/共48页3-4 设计凸轮机构应注意的问题183-4-1滚子半径的选择 1.凸轮理论轮廓的内凹部分 由图3-18 ( a)可得: 。由此式可知，工作轮廓曲率半径总大于理论轮廓曲率半径。因而，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 由图3-18 (b)可得: 当 时， 工作轮廓为-平滑的曲线 当 时如图3-18 (c)所示，此时 ，在凸轮工作轮廓曲线上产生尖点。这种尖点极易磨损，磨损后就会改变从动件预定的运动规律。下-页 返回第21页/共48页3-4 设计凸轮机构应注意的问题 当 时，如图3-18(d)所示，此时 ， 凸轮下作轮廓曲线相交，图中阴影部分的轮廓在实际加工时被切去，使这部分运动规律无法实现，这种现象称为运动失真。 由上述可知，滚子半径rT不宜过大，否则产生运动失真;但滚子半径也不宜过小，否则凸轮与滚子接触应力过大且难于装在销轴上。 3-4-2 压力角的选择和检验 1.压力角与作用力的关系上-页 下-页 返回第22页/共48页3-4 设计凸轮机构应注意的问题 凸轮在某-位置时对从动件的法向力F与从动件上该力作用点的速度方向间所夹的锐角称为凸轮机构在该位置的压力角。若将F力分解为沿从动件运动方向的有用分力F,，和垂直从动件运动方向紧压导路的有害分力F，其关系为: Fn=Fttan 当驱动从动件的有用分力Ft-定时，压力角越大，则有害分力Fn越大，凸轮机构效率越低。当增大到-定程度，以致Fn所引起的摩擦阻力大于有用分力Ft时，无论凸轮对从动件的作用力多大，从动件都不能运动，这种现象称为自锁.上-页 下-页 返回第23页/共48页3-4 设计凸轮机构应注意的问题 由以上分析看出: 从改善受力情况，提高效率，避免自锁的观点看，压力角愈小愈好. 2.压力角与机构尺寸的关系 根据点的复合运动之速度合成定理则可作出B点的速度三角形。由此可得: 由上式可知，若给定从动件运动规律，当压力角愈大时，则其基圆半径愈小，相应机构尺寸也愈小。因此，从机构尺寸紧凑的观点看，其压力角较大为好。20221tanvrrss上-页 下-页 返回第24页/共48页3-4 设计凸轮机构应注意的问题 3.压力角的许用值 在-般情况下，既要求凸轮机构有较高效率、受力情况良好，又要求其机构尺寸紧凑(即基圆半径较小)，因此，压力角不能过大，也不能过小，应有-许用值，用表示，且应使max小于等于 。在-般工程设计中，推荐的许用压力角为: 推程(工作行程):移动从动件 =30,摆动从动件a=45。 回程: 因受力较小且无自锁问题，故许用压力角可取得大些，通常a=80上-页 下-页 返回第25页/共48页3-4 设计凸轮机构应注意的问题 4.压力角的检验 凸轮轮廓曲线上各点压力角是变化的。在绘出凸轮轮廓曲线后，必须对理论轮廓曲线，特别是推程中各处压力角进行检验，以防超过其许用值。常用的简便检验方法如图3-21所示，在理论轮廓曲线上某几处最陡的地方取几点，作这几点的法线，再用量角器检验各点法线与向径之间的夹角是否超过许用压力角。若测量结果超过许用值，则应考虑修改设计。通常可用加大凸轮基圆半径的方法使max减小。 4-4-3基圆半径的确定上-页 下-页 返回第26页/共48页3-4 设计凸轮机构应注意的问题 由前述可知，在设计凸轮机构中，基圆半径过小，会引起压力角过大;若超过许用压力角，机构效率降低，甚至会发生自锁。因此，基圆半径的确定，应考虑满足最大压力角小于许用值的要求。 图3-22所示为用于对心移动滚子从动件盘形凸轮机构的诺模图。可参考确定。 根据 的条件所确定的基圆半径-般都比较小。所以在实际设计中，凸轮的基圆半径是根据具体的结构条件选择。通常可取凸轮的基圆直径等于或大于轴径的1. 6-2倍。上-页 返回第27页/共48页图3-1内燃机配气机构 返回第28页/共48页图3-2刀架进给凸轮机构 返回第29页/共48页图3-3移动凸轮 返回第30页/共48页图3-4自动送料凸轮机构 返回第31页/共48页图3-5从动件的形式 返回第32页/共48页图3-6等宽凸轮机构 返回第33页/共48页图3-7等径凸轮机构 返回第34页/共48页图3-9等速运动 返回第35页/共48页图3-10等加速等减速运动 返回第36页/共48页图3-11简谐运动 返回第37页/共48页图3-12反转法原理 返回第38页/共48页图3-13对心移动尖项从动件盘式凸轮 返回第39页/共48页图3-14滚子从动件盘式凸轮机构 返回第40页/共48页图3-15平底从动件盘式凸轮机构 返回第41页/共48页图3-16偏置移动尖顶从动件盘式凸轮机构 返回第42页/共48页图3-17摆动从动件盘式凸轮机构 返回第43页/共48页图3-18滚子半径的选择 返回第44页/共48页图3-21检验压力角 返回第45页/共48页图3-22对心移动滚子从动件盘式凸轮机构诺模图 返回第46页/共48页表3-1 常用的从动件运动规律的比较 返回第47页/共48页感谢您的观看！第48页/共48页