第三章 凸輪機構(gòu)PPT課件

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1、3-1 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用與分類 3-1-1 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用 圖3-1所示為內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu)。當凸輪1(主動件)勻速轉(zhuǎn)動時，它的輪廓驅(qū)使閥桿2(從動件)作往復(fù)移動，使其按預(yù)期的運動規(guī)律開啟或關(guān)閉氣閥(關(guān)閉是靠彈簧4的作用)以控制燃氣準時進入氣缸或廢氣準時排出氣缸。圖3 -2所示為單軸六角車床上的刀架進給凸輪機構(gòu)。當凸輪1勻速轉(zhuǎn)動時，它的輪廓驅(qū)使扇形齒輪推桿2(從動件)按預(yù)定運動規(guī)律繞0軸轉(zhuǎn)動，以推動齒條3移動，從而帶動刀架往復(fù)移動下-頁 返回第1頁/共48頁3-1 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用與分類 以上兩例機構(gòu)均含有凸輪(具有某種曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件)含有凸輪的機構(gòu)即稱為凸輪機構(gòu)。它通常由凸輪1、從動件2和

2、機架3組成。 3-1-2 凸輪機構(gòu)的分類 常用凸輪機構(gòu)可按下述方法分類: 1.按凸輪形狀分類 (1)盤形凸輪 (2)移動凸輪 (3)圓柱凸輪輪廓曲線位于圓柱面上并繞其軸線旋轉(zhuǎn)的凸輪，如圖3-4，屬于空間凸輪機構(gòu)。上-頁 下-頁 返回第2頁/共48頁3-1 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用與分類 2.按從動件的形狀分類 (1)尖頂從動件。以尖頂與凸輪輪廓接觸的從動件，如圖3-5 ( a)所示 (2)滾子從動件。以鉸接的滾子與凸輪輪廓接觸的從動件，如圖3-5 (b)所示 (3)平底從動件。以平底與凸輪輪廓接觸的從動件，如圖3-5(c)所示 此外，還可按從動件的運動形式分類，分為移動從動件(圖3-1、圖3-3、圖3-

3、4,圖3-5)和擺動從動件(圖3-2);按凸輪與從動件保持接觸的方式分為力封閉和形封閉(圖3-6、圖3-7，利用凸輪和從動件的特殊幾何結(jié)構(gòu)保持從動件與凸輪始終接觸)等上-頁 返回第3頁/共48頁3-2 常用的從動件運動規(guī)律 從動件的運動規(guī)律即是從動件的位移(s)、速度(v)和加速度(a)隨時間(t)變化的規(guī)律。 從動件的運動規(guī)律取決于凸輪輪廓曲線的形狀，即是說，從動件的不同運動規(guī)律要求凸輪具有不同的輪廓曲線。所以，設(shè)計凸輪輪廓曲線時，首先根據(jù)工作要求選定從動件的運動規(guī)律，按從動件的位移曲線求出相應(yīng)的凸輪輪廓曲線。 下面介紹幾種常用的從動件運動規(guī)律。 3-2-1 等速運動規(guī)律 從動件速度為定值的

4、運動規(guī)律稱為等速運動規(guī)律。當凸輪以等角速度w1轉(zhuǎn)動時，從動件在推程或回程中的速度為常數(shù).下-頁 返回第4頁/共48頁3-2 常用的從動件運動規(guī)律 推程時，設(shè)凸輪推程運動角為S0，從動件升程為b，相應(yīng)的推程時間為t0，則從動件的速度為: 位移方程 加速度方程 初始條件： 21vc常數(shù)2212sv dtctc220dvadt2202100,00,/tsctt shch t時，則時，則上-頁 下-頁 返回第5頁/共48頁3-2 常用的從動件運動規(guī)律 代入(3-1)式得: 由于凸輪轉(zhuǎn)角 ，代入(3 -2)式，則得推程時從動件用轉(zhuǎn)角 表示的運動方程:202020tshthvta101 0,wtwt202

5、1020hshvwa上-頁 下-頁 返回第6頁/共48頁3-2 常用的從動件運動規(guī)律 回程時，從動件速度為負值。回程終了，凸輪轉(zhuǎn)角為 同理可推出回程時從動件的運動方程為:2,0ss2212(1)0hhshhvwa 上-頁 下-頁 返回第7頁/共48頁3-2 常用的從動件運動規(guī)律910 圖3 -9為按公式(3 -3a)作出的在推程時從動件的運動線圖。由圖可知，從動件在推程開始和終止的瞬時，速度有突變，其加速度在理論上為無窮大(實際上由于材料的彈性變形，其加速度不可能達到無窮大)，致使從動件在極短時間內(nèi)產(chǎn)生很大的慣性力，因而使凸輪機構(gòu)受到極大的沖擊。這種從動件在某瞬時速度突變，其加速度及慣性力在理

6、論上均趨于無窮大時所引起的沖擊稱為剛性沖擊。因此等速運動規(guī)律只適用于低速輕載的凸輪機構(gòu)。 3-2-2等加速等減速運動規(guī)律 如圖3-10所示，從動件在-行程的前-階段為等加速和后-階段為等減速的運動規(guī)律，稱為等加速等減速運動規(guī)律。上-頁 下-頁 返回第8頁/共48頁3-2 常用的從動件運動規(guī)律 前半升程 后半升程222012202120244hsh wvh wa 220201202021202()4()4hshhwvhwa 上-頁 下-頁 返回第9頁/共48頁3-2 常用的從動件運動規(guī)律 圖3-10為按式(3 -4)作出的等加速等減速運動線圖。該圖的位移曲線是-凹-凸兩段拋物線連接的曲線，故該運

7、動規(guī)律又稱為拋物線運動規(guī)律。 由加速度線圖圖3-10(c)可知，從動件在升程始、末以及由等加速過渡到等減速的瞬時(即0, A, B三處)，加速度出現(xiàn)有限值的突然變化，這將產(chǎn)生有限慣性力的突變，而引起沖擊。這種從動件在某瞬時加速度發(fā)生有限值的突變時所引起的沖擊稱為柔性沖擊。所以等加速等減速運動規(guī)律不適用于高速，僅適用于中、低速。上-頁 下-頁 返回第10頁/共48頁3-2 常用的從動件運動規(guī)律11 3-2-3 簡諧(余弦加速度)運動規(guī)律 從動件的加速度按余弦規(guī)律變化的運動規(guī)律稱為簡諧運動規(guī)律。質(zhì)點在圓周上作勻速運動時，它在這個圓的直徑上的投影所構(gòu)成的運動稱為簡諧運動。如圖3-11 ( a)所示，

8、設(shè)以從動件升程b為直徑作-圓，顯然從動件的位移方程為: 由圖可知， 代入上式可導(dǎo) 出從動件推程時所作簡諧運動的運動方程:2(1 cos )2hs00當時，故得，上-頁 下-頁 返回第11頁/共48頁3-2 常用的從動件運動規(guī)律 圖3-11表示按式(3-5)所作出的簡諧運動規(guī)律的運動線圖。由圖3-11(c)看出，從動件的加速度按余弦規(guī)律變化。2012002212001 cos2sin2cos()2hshwvhwa 上-頁 下-頁 返回第12頁/共48頁3-2 常用的從動件運動規(guī)律 由加速度線圖看出，從動件在升程的始、末兩處有加速度突變，產(chǎn)生柔性沖擊。但是當從動件作無停歇的升-降-升往復(fù)運動時，將

9、得到連續(xù)的加速度曲線(圖中虛線所示)，從而避免了柔性沖出，在這種情況下可用于高速傳動。 在選擇從動件的運動規(guī)律時，除考慮剛性沖擊與柔性沖擊外，還應(yīng)注意各種運動規(guī)律的最大速度和最大加速度的影響。最大速度愈大，則動量mv愈大，當大質(zhì)量的從動件突然被阻止時，將出現(xiàn)很大的沖擊力，因此大質(zhì)量從動件不宜選用最大速度太大的運動規(guī)律。最大加速度愈大，則慣性力愈大，引起較大的動壓力，對機構(gòu)的強度和磨損都有較大的影響?，F(xiàn)將幾種常用運動規(guī)律的特點和適用范圍列于表3-1中，供選擇從動件運動規(guī)律時參考。上-頁 返回第13頁/共48頁3-3 用圖解法設(shè)計盤形凸輪輪廓曲線12 凸輪機構(gòu)工作時，通常凸輪是運動的。用圖解法繪制

10、凸輪輪廓曲線時，卻需要凸輪與圖面相對靜止。為此，應(yīng)用“反轉(zhuǎn)法”，其原理如下: 圖3-12所示為-對心移動尖頂從動件盤形凸輪機構(gòu)。設(shè)凸輪的輪廓曲線已按預(yù)定的從動件運動規(guī)律設(shè)計出來了。當凸輪以角速度w1繞軸0轉(zhuǎn)動時，從動件的尖頂沿凸輪輪廓曲線相對其導(dǎo)路按預(yù)定的運動規(guī)律移動?，F(xiàn)設(shè)想給整個凸輪機構(gòu)加上-個公共角速度w1,此時凸輪將不動。根據(jù)相對運動原理，凸輪和從動件之間的相對運動并未改變。這樣從動件-方面隨導(dǎo)路以角速度w1繞軸0車令動，另-方面又在導(dǎo)路中按預(yù)定規(guī)律作往復(fù)移動。下-頁 返回第14頁/共48頁3-3 用圖解法設(shè)計盤形凸輪輪廓曲線13 3-3-1對心移動尖頂從動件盤形凸輪輪廓的繪制 凸輪輪廓

11、曲線的繪制步驟如下: (1)選取長度比例尺 (實際線性尺寸/圖樣線性尺寸)和角度比例尺 (實際角度/圖樣線性尺寸)，作從動件位移曲線s2=s( )，如圖3-13 (b)所示 (2)將位移曲線的推程角 和回程角 分段等分，并通過各等分點作垂線，與位移曲線相交，即得相應(yīng)凸輪各轉(zhuǎn)角時從動件的位移11 , 22sh0上-頁 下-頁 返回第15頁/共48頁3-3 用圖解法設(shè)計盤形凸輪輪廓曲線 (3)用同樣比例尺 ，以0為圓心，以O(shè)B0 = r0/ 為半 徑畫基圓，如圖3-13 (a)所示。此基圓與從動件導(dǎo)路線的 交點B0即為從動件尖頂?shù)钠鹗嘉恢谩?(4)自O(shè)B0沿w1的相反方向取角度 , , , ，并

12、將它們與圖3-13(b)對應(yīng)的等份，得B1,B2,B3。連 結(jié)0B1、0B2、0B3、，并延長各徑向線，它們便是反 轉(zhuǎn)后從動件導(dǎo)路線的各個位置 (5)在位移曲線中量取各個位移量，并取B1B1=11, B2B2=22,B3B3 = 33反轉(zhuǎn)后從動件尖頂?shù)?系列位置B1,B2, B3, (6)將B1, B2、B3 ,連成光滑的曲線，即是所要求的凸輪輪廓曲線ssshs0上-頁 下-頁 返回第16頁/共48頁3-3 用圖解法設(shè)計盤形凸輪輪廓曲線 3-3-2 對心移動滾子從動件盤形凸輪輪廓曲線的繪制 滾子從動件凸輪輪廓曲線的繪制，其方法與尖頂從動件 凸輪輪廓曲線的繪制基本相同，如圖3-14所示。其不同點

13、 就是將滾子中心視為尖頂從動件的尖頂，按上述方法求出其 輪廓曲線。再以 上各點為中心，以滾子半徑為半徑，畫- 系列圓，作這些圓的內(nèi)包絡(luò)線，則曲線為凸輪上與從動件直 接接觸的輪廓，稱為凸輪工作輪廓。它是使用滾子從動件時 的實際輪廓曲線。而滾子從動件滾子中心相對于凸輪的運動 軌跡,則稱為此凸輪的理論輪廓曲線。0上-頁 下-頁 返回第17頁/共48頁3-3 用圖解法設(shè)計盤形凸輪輪廓曲線 由以上作圖過程可知，在滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)中， 以凸輪軸心為圓心，凸輪理論輪廓最小向徑值為半徑所作的 稱為凸輪理論輪廓基圓。而在盤形凸輪機構(gòu)中，以凸輪軸心 為圓心，凸輪工作輪廓最小向徑值為半徑所作的圓，則稱為 凸輪

14、工作輪廓基圓。作圖中的r0則是指凸輪理論輪廓基圓的 半徑。 3-3-3 對心移動平底從動件盤形凸輪輪 廓曲線的繪制 平底從動件凸輪輪廓曲線的繪制也與上述方法相似。如 圖3-15所示上-頁 下-頁 返回第18頁/共48頁3-3 用圖解法設(shè)計盤形凸輪輪廓曲線 3-3-4 偏置移動尖頂從動件盤形凸輪輪廓曲線的繪制 如圖3-16所示，偏置移動尖頂從動件盤形凸輪輪廓曲 線的繪制方法也與前述相似。但由于從動件導(dǎo)路的軸線不通 過凸輪的轉(zhuǎn)動軸心O，其偏距為e，所以從動件在反轉(zhuǎn)過程 中，其導(dǎo)路軸線始終與以偏距。為半徑所作的偏距圓相切， 因此從動件的位移應(yīng)沿這些切線量取。上-頁 下-頁 返回第19頁/共48頁3-

15、3 用圖解法設(shè)計盤形凸輪輪廓曲線 3-3-5 擺動從動件盤形凸輪輪廓的繪制 擺動從動件盤形凸輪輪廓的繪制也與上述方法相似，如圖 3 17 ( a)所示不同的是從動件繞軸A做往復(fù)擺動。因此， 在反轉(zhuǎn)過程中，從動件的軸A將在以凸輪軸心0為圓心，以 OA。為半徑的圓上做圓周運動，同時從動件還繞軸A按預(yù)定 運動規(guī)律往復(fù)擺動。顯然從動件尖頂在此復(fù)合運動中的軌 跡，即為該凸輪的輪廓曲線。上-頁 返回第20頁/共48頁3-4 設(shè)計凸輪機構(gòu)應(yīng)注意的問題183-4-1滾子半徑的選擇 1.凸輪理論輪廓的內(nèi)凹部分 由圖3-18 ( a)可得: 。由此式可知，工作輪廓曲率半徑總大于理論輪廓曲率半徑。因而，不論選擇多大

16、的滾子，都能作出工作輪廓。 2.凸輪理論輪廓的外凸部分 由圖3-18 (b)可得: 當 時， 工作輪廓為-平滑的曲線 當 時如圖3-18 (c)所示，此時 ，在凸輪工作輪廓曲線上產(chǎn)生尖點。這種尖點極易磨損，磨損后就會改變從動件預(yù)定的運動規(guī)律。下-頁 返回第21頁/共48頁3-4 設(shè)計凸輪機構(gòu)應(yīng)注意的問題 當 時，如圖3-18(d)所示，此時 ， 凸輪下作輪廓曲線相交，圖中陰影部分的輪廓在實際加工時被切去，使這部分運動規(guī)律無法實現(xiàn)，這種現(xiàn)象稱為運動失真。 由上述可知，滾子半徑rT不宜過大，否則產(chǎn)生運動失真;但滾子半徑也不宜過小，否則凸輪與滾子接觸應(yīng)力過大且難于裝在銷軸上。 3-4-2 壓力角的選

17、擇和檢驗 1.壓力角與作用力的關(guān)系上-頁 下-頁 返回第22頁/共48頁3-4 設(shè)計凸輪機構(gòu)應(yīng)注意的問題 凸輪在某-位置時對從動件的法向力F與從動件上該力作用點的速度方向間所夾的銳角稱為凸輪機構(gòu)在該位置的壓力角。若將F力分解為沿從動件運動方向的有用分力F,，和垂直從動件運動方向緊壓導(dǎo)路的有害分力F，其關(guān)系為: Fn=Fttan 當驅(qū)動從動件的有用分力Ft-定時，壓力角越大，則有害分力Fn越大，凸輪機構(gòu)效率越低。當增大到-定程度，以致Fn所引起的摩擦阻力大于有用分力Ft時，無論凸輪對從動件的作用力多大，從動件都不能運動，這種現(xiàn)象稱為自鎖.上-頁 下-頁 返回第23頁/共48頁3-4 設(shè)計凸輪機構(gòu)

18、應(yīng)注意的問題 由以上分析看出: 從改善受力情況，提高效率，避免自鎖的觀點看，壓力角愈小愈好. 2.壓力角與機構(gòu)尺寸的關(guān)系 根據(jù)點的復(fù)合運動之速度合成定理則可作出B點的速度三角形。由此可得: 由上式可知，若給定從動件運動規(guī)律，當壓力角愈大時，則其基圓半徑愈小，相應(yīng)機構(gòu)尺寸也愈小。因此，從機構(gòu)尺寸緊湊的觀點看，其壓力角較大為好。20221tanvrrss上-頁 下-頁 返回第24頁/共48頁3-4 設(shè)計凸輪機構(gòu)應(yīng)注意的問題 3.壓力角的許用值 在-般情況下，既要求凸輪機構(gòu)有較高效率、受力情況良好，又要求其機構(gòu)尺寸緊湊(即基圓半徑較小)，因此，壓力角不能過大，也不能過小，應(yīng)有-許用值，用表示，且應(yīng)使

19、max小于等于 。在-般工程設(shè)計中，推薦的許用壓力角為: 推程(工作行程):移動從動件 =30,擺動從動件a=45。 回程: 因受力較小且無自鎖問題，故許用壓力角可取得大些，通常a=80上-頁 下-頁 返回第25頁/共48頁3-4 設(shè)計凸輪機構(gòu)應(yīng)注意的問題 4.壓力角的檢驗 凸輪輪廓曲線上各點壓力角是變化的。在繪出凸輪輪廓曲線后，必須對理論輪廓曲線，特別是推程中各處壓力角進行檢驗，以防超過其許用值。常用的簡便檢驗方法如圖3-21所示，在理論輪廓曲線上某幾處最陡的地方取幾點，作這幾點的法線，再用量角器檢驗各點法線與向徑之間的夾角是否超過許用壓力角。若測量結(jié)果超過許用值，則應(yīng)考慮修改設(shè)計。通?？捎?/p>

20、加大凸輪基圓半徑的方法使max減小。 4-4-3基圓半徑的確定上-頁 下-頁 返回第26頁/共48頁3-4 設(shè)計凸輪機構(gòu)應(yīng)注意的問題 由前述可知，在設(shè)計凸輪機構(gòu)中，基圓半徑過小，會引起壓力角過大;若超過許用壓力角，機構(gòu)效率降低，甚至會發(fā)生自鎖。因此，基圓半徑的確定，應(yīng)考慮滿足最大壓力角小于許用值的要求。 圖3-22所示為用于對心移動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)的諾模圖?？蓞⒖即_定。 根據(jù) 的條件所確定的基圓半徑-般都比較小。所以在實際設(shè)計中，凸輪的基圓半徑是根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)條件選擇。通?？扇⊥馆喌幕鶊A直徑等于或大于軸徑的1. 6-2倍。上-頁 返回第27頁/共48頁圖3-1內(nèi)燃機配氣機構(gòu) 返回第28頁

21、/共48頁圖3-2刀架進給凸輪機構(gòu) 返回第29頁/共48頁圖3-3移動凸輪 返回第30頁/共48頁圖3-4自動送料凸輪機構(gòu) 返回第31頁/共48頁圖3-5從動件的形式 返回第32頁/共48頁圖3-6等寬凸輪機構(gòu) 返回第33頁/共48頁圖3-7等徑凸輪機構(gòu) 返回第34頁/共48頁圖3-9等速運動 返回第35頁/共48頁圖3-10等加速等減速運動 返回第36頁/共48頁圖3-11簡諧運動 返回第37頁/共48頁圖3-12反轉(zhuǎn)法原理 返回第38頁/共48頁圖3-13對心移動尖項從動件盤式凸輪 返回第39頁/共48頁圖3-14滾子從動件盤式凸輪機構(gòu) 返回第40頁/共48頁圖3-15平底從動件盤式凸輪機構(gòu) 返回第41頁/共48頁圖3-16偏置移動尖頂從動件盤式凸輪機構(gòu) 返回第42頁/共48頁圖3-17擺動從動件盤式凸輪機構(gòu) 返回第43頁/共48頁圖3-18滾子半徑的選擇 返回第44頁/共48頁圖3-21檢驗壓力角 返回第45頁/共48頁圖3-22對心移動滾子從動件盤式凸輪機構(gòu)諾模圖 返回第46頁/共48頁表3-1 常用的從動件運動規(guī)律的比較 返回第47頁/共48頁感謝您的觀看！第48頁/共48頁