机械原理凸轮机构.ppt

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1、机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系第第4 4章章 凸轮机构及其设计凸轮机构及其设计20222022年年1010月月2020日日机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系第第4 4章章 凸轮机构及其设计凸轮机构及其设计从动件从动件常用常用运动规律运动规律图解法设计平面图解法设计平面凸轮轮廓凸轮轮廓曲线曲线解析法设计平面解析法设计平面凸轮轮廓凸轮轮廓曲线曲线凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定圆柱凸轮机构圆柱凸轮机构凸轮机构的凸轮机构的应用及分类应用及分类机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系4.1 4.1 凸轮机构的应用及分类凸轮机构的应用及分类4.1.1 4.1.1

2、凸轮机构的组成凸轮机构的组成1 1 凸轮凸轮2 2 从动件从动件3 3 机架机架高副机构内燃机配气凸轮机构 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系自动机床进刀凸轮机构自动机床进刀凸轮机构 当圆柱凸轮绕其轴线转动时，通过其沟槽与摆杆一端的滚子接触，并推动摆杆绕固定轴按特定的规律作往复摆动，同时通过摆杆另一端的扇形齿轮驱动刀架实现进刀或退刀运动。1-圆柱凸轮 2-摆杆 3-滚子机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系绕线机凸轮机构绕线机凸轮机构 这种凸轮在运动中能推动摆动从动件2实现均匀缠绕线绳的运动学要求。绕线机凸轮机构1-凸轮 2-摆动从动件 3-线轴机械工程学院机械设计系机械工程学

3、院机械设计系4.1.2 4.1.2 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：最基本的形式，结构简单，应用最为广泛最基本的形式，结构简单，应用最为广泛移动凸轮移动凸轮：凸轮相对机架做直线运动：凸轮相对机架做直线运动圆柱凸轮圆柱凸轮：空间凸轮机构：空间凸轮机构盘形凸轮 移动凸轮 圆柱凸轮机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系2.2.按从动件的形状分类按从动件的形状分类尖端从动件尖端能以任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。但尖端处极易磨损，只适用于低速场合。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系 滚子从动件 平底从动件

4、凸轮与从动件之间为滚动摩擦，因此摩擦磨损较小，可用于传递较大的动力。从动件与凸轮之间易形成油膜，润滑状况好，受力平稳，传动效率高，常用于高速场合。但与之相配合的凸轮轮廓须全部外凸。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系3.3.按从动件的运动形式分类按从动件的运动形式分类移动从动件 摆动从动件机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系4.4.按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类(1)力封闭依靠从动件的重力、弹簧力或其他外力使从动件与凸轮轮廓始终保持高副接触。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系(2)型封闭依靠凸轮与从动件的特殊几何结构来保持两者

5、始终接触 沟槽凸轮：通过其沟槽两侧的廓线始终保持与从动件接触。优点：封闭方式结构简单缺点：加大了凸轮的尺寸和重量机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系等宽凸轮机构：凸轮廓线上任意两条平行切线间的距离都等于框架内侧的宽度。缺缺点点：从动件的运动规律的选择受到一定的限制，当180范围内的凸轮廓线根据从动件运动规律确定后，其余180内的凸轮廓线必须符合等宽原则机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系等径凸轮机构：两滚子中心间的距两滚子中心间的距离始终保持不变。离始终保持不变。缺点：从动件运动规律的选择受到一定的限制机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系共轭凸轮机构：优点：克服了等宽、

6、等径凸轮的缺点克服了等宽、等径凸轮的缺点缺点：结构复杂，制造精度要求高结构复杂，制造精度要求高 一一个个凸凸轮轮推推动动从从动动件件完完成成正正行行程程运运动动，另另一一个个凸凸轮轮推推动动从从动动件件完完成反行程的运动成反行程的运动机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系4.2 4.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律 4.2.1 凸轮机构的运动学设计参数 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系回程运动角回程运动角近休止角近休止角从动件运动规律从动件运动规律（从动件位移线图）从动件位移线图）基基圆圆以以凸凸轮轮轮轮廓廓的的最最小小向向径径r rb b所作的圆所作的圆升升程程从从

7、动动件件上上升升的的最最大大距距离离h h推程运动角推程运动角0 0远休止角远休止角s s机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系4.2.2 4.2.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律1.1.等速运动等速运动特特点点：速速度度有有突突变变，加加速速度度理理论论上上由由零零至至无无穷穷大大，从从而而使使从从动动件件产产生生巨巨大大的的惯惯性性力力，机机构构受到强烈冲击受到强烈冲击刚性冲击刚性冲击适应场合：适应场合：低速轻载低速轻载机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系2.2.等加速等减速等加速等减速(抛物线抛物线)运动运动特特点点：加加速速度度曲曲线线有有突突变变，加加速速度度的

8、的变变化化率率(即即跃跃度度j)j)在在这这些些位置为无穷大位置为无穷大柔性冲击柔性冲击适应场合：适应场合：中速轻载中速轻载机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系3.3.简谐运动简谐运动(余弦加速度运动余弦加速度运动)当质点在圆周上作匀速运动时，它在该圆直径上的投影所构成的运动规律简谐运动特点：有柔性冲击适用场合：中速轻载(当从动件作连续运动时，可用于高速)机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系4.4.摆线运动摆线运动 半径R=h/2的滚圆沿纵座标作纯滚动，圆上最初位于座标原点的点其位移随时间变化的规律摆线运动特点：无刚性、柔性冲击适用场合：适于高速机械工程学院机械设计系机械工程学

9、院机械设计系5.3-4-55.3-4-5多项式运动多项式运动特点：无刚性冲击、柔性冲击适用场合：高速、中载机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系4.2.3 4.2.3 从动件运动规律的选择从动件运动规律的选择1.1.常用运动规律性能比较常用运动规律性能比较机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系2.2.从动件运动规律的选择原则从动件运动规律的选择原则考虑因素：考虑因素：对运动规律的要求对运动规律的要求凸轮的转速（动力特性和便于加工）凸轮的转速（动力特性和便于加工）4.2.4 4.2.4 从动件运动规律的组合从动件运动规律的组合1.1.满足工作对运动规律的特殊要求；满足工作对运动规律的

10、特殊要求；2.2.为为避避免免刚刚性性冲冲击击，位位移移曲曲线线和和速速度度曲曲线线必必须须连连续续；而为避免柔性冲击，加速度曲线也必须连续。而为避免柔性冲击，加速度曲线也必须连续。3.3.尽量减小速度和加速度的最大值。尽量减小速度和加速度的最大值。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系1 1、改进型正弦运动规律、改进型正弦运动规律该曲线在运动起始的段和终该曲线在运动起始的段和终止的段，采用周期相同的正止的段，采用周期相同的正弦函数；在两段中间的段则弦函数；在两段中间的段则采用一段周期较长的简谐函采用一段周期较长的简谐函数。数。2 2、改进型等加速等减速运、改进型等加速等减速运动规律动规

11、律用几段简谐函数使加速度成为用几段简谐函数使加速度成为连续曲线。加速段和减速段的连续曲线。加速段和减速段的加速度曲线是对称的。加速度曲线是对称的。组合型运动规律运动线图组合型运动规律运动线图 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系4.3 4.3 图解法设计平面凸轮轮廓曲线图解法设计平面凸轮轮廓曲线 4.3.1 4.3.1 凸轮轮廓设计的反转法原理凸轮轮廓设计的反转法原理 反转后，从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系4.3.2 4.3.2 图解法设计凸轮轮廓图解法设计凸轮轮廓1.1.尖顶从动件盘形凸轮尖顶从动件盘形凸轮 (1)(1)尖顶直动从

12、动件盘形凸轮尖顶直动从动件盘形凸轮 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系2.2.尖顶摆动从动件盘形凸轮尖顶摆动从动件盘形凸轮机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系、滚子从动件盘形凸轮滚子从动件盘形凸轮 注意：注意：基圆是指凸轮理论廓线上由最小半径所作的圆基圆是指凸轮理论廓线上由最小半径所作的圆凸轮的理论廓线凸轮的理论廓线：根据滚子中心的运动轨迹设计出的廓线：根据滚子中心的运动轨迹设计出的廓线凸轮的实际廓线：凸轮的实际廓线：与滚子直接接触的廓线过程中的一系列位置与滚子直接接触的廓线过程中的一系列位置 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系、平底从动件盘形凸轮平底从动件盘形凸轮

13、 与与滚滚子子从从动动件件盘盘形形凸凸轮轮廓廓线线的的设设计计方方法法相类似。相类似。n将将平底与导路中心线的交点平底与导路中心线的交点作为作为假想的尖底从动件的尖端；假想的尖底从动件的尖端；n应用反转法，根据平底从动件的应用反转法，根据平底从动件的运动规律，依次运动规律，依次确定出假想的尖端确定出假想的尖端在反转过程中所处的位置在反转过程中所处的位置，并在这，并在这些位置点分别作出各平底的图形；些位置点分别作出各平底的图形；n作平底的作平底的内包络线内包络线，即为所要设计，即为所要设计的凸轮廓线的凸轮廓线机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系 一、直动滚子从动件盘形凸轮一、直动滚子从动

14、件盘形凸轮已知：凸轮以等角速度逆已知：凸轮以等角速度逆时针方向转动，凸轮基园半时针方向转动，凸轮基园半径径r ro o、滚子半径滚子半径r rr r，导路和凸导路和凸轮轴心间的相对位置及偏距轮轴心间的相对位置及偏距e e，从动件的运动规律从动件的运动规律 。1.1.理论廓线方程理论廓线方程:4.4 4.4 解析法设计平面凸轮轮廓曲线解析法设计平面凸轮轮廓曲线=机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系2.2.实际廓线方程实际廓线方程:平面凸轮廓线设计平面凸轮廓线设计机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系3.刀具的中心轨迹方程应用数控铣床或凸轮磨床可加工凸轮的实际廓应用数控铣床或凸轮磨床

15、可加工凸轮的实际廓线。在加工凸轮前需计算刀具的中心轨迹方程。线。在加工凸轮前需计算刀具的中心轨迹方程。平面凸轮廓线设计平面凸轮廓线设计机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系4.5 4.5 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定4.5.1 4.5.1 凸轮机构的压力角及其许用值凸轮机构的压力角及其许用值 1 1、压力角：、压力角：从动件与凸轮从动件与凸轮在接触点处的受力方向与其在接触点处的受力方向与其在该点绝对速度方向之间所在该点绝对速度方向之间所夹的锐角夹的锐角机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系2 2、许用压力角、许用压力角 许用压力角：许用压力角：为改善凸轮机构的受力情

16、况、提高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。机械效率，规定了允许采用的最大压力角。推程推程（工作行程）推荐的许用压力角为：（工作行程）推荐的许用压力角为：直动从动件直动从动件摆动从动件摆动从动件回程回程（空回行程）（空回行程）机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系4.5.2 4.5.2 基圆半径的确定基圆半径的确定、理论计算、理论计算为保证凸轮机构在整个运动周期中均为保证凸轮机构在整个运动周期中均能满足，应选取计算结果能满足，应选取计算结果中的最大值作为凸轮的基圆半径。中的最大值作为凸轮的基圆半径。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系2.借助诺模图

17、 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系3.许用压力角及从动件的运动规律 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系4.5.1 4.5.1 滚子半径的选择滚子半径的选择 外凸凸轮廓线外凸凸轮廓线机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系滚子半径大小对凸轮实际轮廓的影响 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系实际廓线出现交叉，从动件不能准确地实现预期的运动规律运动失真机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系运动失真运动失真原因：原因：避免方法：避免方法：滚子半径的选择滚子半径的选择考虑结构、强度与运动规律等因素考虑结构、强度与运动规律等因素机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系4.5.3 4.5.3 平底从动件凸轮的基圆半径及平底宽度的确定平底从动件凸轮的基圆半径及平底宽度的确定 凸轮出现过度切割的现象，从动件无法完全实现预期的运动规律。原因？1、平底凸轮轮廓交叉现象 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系平地宽度的确定平地宽度的确定平底宽度:机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系4.6 4.6 圆柱凸轮机构圆柱凸轮机构 一、直动从动件圆柱凸轮机构 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系二、摆动从动件圆柱凸轮机构二、摆动从动件圆柱凸轮机构