机械基础凸轮机构

1、机械基础凸轮机构,机械工业出版社,案例导入,凸轮机构是机械中的一种常用机构，常用于将主动件的连续转动转变为从动件的往复移动或摆动，能使从动件获得预先给定的运动规律，因而广泛用于自动化和半自动化机械中。,自动车床中的转塔式自动换刀装置,机械工业出版社,案例导入,问题： （1）凸轮的类型有几种，可以实现何种运动？ （2）如何设计凸轮的轮廓以实现从动件预期的运动规律？ （3）如何设计可以保证机构具有良好的传动性能？,自动车床中的转塔式自动换刀装置,机械工业出版社,凸轮机构,机械工业出版社,学习目标,了解凸轮机构的工作原理、分类和应用,机械工业出版社,学习重点、难点,机械工业出版社,11.1 凸轮机构

2、的特点、应用和分类,凸轮机构的工作原理：借助凸轮的轮廓实现从动件预期的运动规律。,机械工业出版社,11.1 凸轮机构的应用和分类,1.凸轮机构的应用 经分析可知：凸轮机构由凸轮、从动件和机架组成,机械工业出版社,11.1 凸轮机构的应用和分类,2.凸轮机构的特点 优点：（1）与连杆机构相比，其结构简单、紧凑、设计方便。 （2）从动件便于准确地实现预期的运动规律和轨迹。 缺点：凸轮与从动件为点线接触、压强大、易磨损，所以常用于传力不大的机械、仪表及控制机构中。,自动车床靠模机构,机械工业出版社,11.1 凸轮机构的应用和分类,11.1.2 凸轮机构的分类 1.按凸轮形状分类 （1）盘形凸轮 （2

3、）移动凸轮 （3）圆柱凸轮,盘形凸轮,圆柱凸轮,移动凸轮,机械工业出版社,11.1 凸轮机构的应用和分类,2.按从动件结构形状分类 （1）尖顶从动件 （2）滚子从动件 （3）平底从动件,尖顶从动件,滚子从动件,平底从动件,机械工业出版社,11.1 凸轮机构的应用和分类,此外，为了使凸轮与从动件始终保持接触，还可以利用重力、弹簧力或依靠凸轮上不凹槽来实现。,力锁合,形锁合,机械工业出版社,11.2 从动件的常用运动规律,11.2.1 凸轮机构的运动过程及有关名称 1.凸轮机构的运动过程 基圆（r0）：以凸轮最小向径作的圆称为基圆，其半径称为基圆半径，用表示r0。,机械工业出版社,11.2 从动件

4、的常用运动规律,推程：当凸轮连续转动时，从动件尖端被凸轮轮廓由最低点推至最高点的过程。 行程（h）:从动件由最低点上升到最高点的距离称为行程，用h表示。,机械工业出版社,11.2 从动件的常用运动规律,推程运动角0 ：在推程中，凸轮相应的转角称为推程运动角，用0表示。 远休止：当凸轮连续转动时，从动件尖端被在最高点位置不动的过程。,机械工业出版社,11.2 从动件的常用运动规律,远程休止角 s：在远休止时，当凸轮继续转动，凸轮所转过的角度，用 s 表示。 回程：当凸轮连续转动时，从动件尖端由最高点回到最低点的过程。 回程运动角 0 ：在回程中，凸轮所转过的角度，用 0 表示。,机械工业出版社,

5、11.2 从动件的常用运动规律,近休止：当凸轮连续转动时，从动件尖端被在最低点位置不动的过程。 近休止角 s：在近休止时，凸轮所转过的角度，用 s 表示。,机械工业出版社,11.2 从动件的常用运动规律,想一想 练一练 如图11-5所示凸轮机构运动简图，凸轮的实际轮廓线为一圆，其圆心为A点，半径R=40mm， LOA=25mm。试确定凸轮的基圆半径和从动件的行程。,答案：基圆半径r0=15mm; 从动件的行程h=50mm。,机械工业出版社,11.2 从动件的常用运动规律,11.2.2 从动件常用的运动规律 从动件的运动规律：是指从动件位移s、速度v、加速度a随凸轮转角的变化规律。,机械工业出版

6、社,11.2 从动件的常用运动规律,1.等速运动规律 （1）概念：当凸轮以等角速度转动时，从动件在推程或回程中的速度保持不变的运动规律，称之为等速运动规律。,机械工业出版社,11.2 从动件的常用运动规律,（2）运动方程 位移方程:s=h /0 (0 0 ) 速度方程:v=h/0 (0 0) 加速度方程:a=0 (0 0) （3） 运动线图 位移线图斜直线 速度线图水平线 加速度线图与水平坐标轴重合,机械工业出版社,11.2 从动件的常用运动规律,（4）运动特性分析 刚性冲击：从动件的瞬时加速度 趋于无穷大时，惯性力也趋于无穷大 ，致使机构产生强烈的冲击，这种 冲击称为刚性冲击。 （5）适用范

7、围：由于产生刚性冲 击，故只适用低速、轻载的凸轮机构。,机械工业出版社,11.2 从动件的常用运动规律,2.等加速等减速运动规律 (1)概念：当凸轮以等角速度 转动时，从动件在推程或回程中 ，前半程为等加速运动，后半程为 等减速运动，且加速度的绝对值相 等的运动规律，称之为等加速等减 速运动规律。,机械工业出版社,11.2 从动件的常用运动规律,(2)运动方程 位移方程: s=(2h/ 0 2 )2加速段 (0 0 /2) s=h-2h / 0 2 （0 ）2 减速段 ( /2 0) 速度方程： v=4h / 0 2加速段 (0 0 /2) v=4h /0 2 （0） 减速段 (0 /2 0)

8、,机械工业出版社,11.2 从动件的常用运动规律,(2)运动方程 加速度方程: a=4h/02 加速段 (0 0 /2) a=-4h / 02减速段 (0 /2 0),机械工业出版社,11.2 从动件的常用运动规律,（3）运动特性分析： 柔性冲击：从动件的瞬时加速 度发生有限值变化，惯性力也发生 有限值变化，机构由此受到的冲击 称为柔性冲击。 （）适用范围：由于存在柔性冲 击，故仅适用中、低速场合。,机械工业出版社,11.2 从动件的常用运动规律,等加速等减速运动规律的位移线图绘制,机械工业出版社,11.3 凸轮轮廓曲线设计,11.3.1 凸轮轮廓曲线的设计 凸轮轮廓曲线的设计方法有图解法和解

9、析法,解析法设计凸轮轮廓,图解法设计凸轮轮廓,机械工业出版社,11.3 凸轮轮廓曲线设计,11.3.1 图解法设计凸轮的原理 反转法原理：假设给整个凸轮机构加上一个公共角速度“-”绕凸轮轴心O转动时，根据相对运动原理，各构件间相对运动关系不变。,机械工业出版社,11.3 凸轮轮廓曲线设计,11.3.2 对心直动从动件盘形凸轮轮廓的设计 1.尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制 直动从动件盘形凸轮机构中，从动件的导路通过凸轮的轴心，称为对心直动从动件盘形凸轮机构。,机械工业出版社,11.3 凸轮轮廓曲线设计,案例11-1 试用图解法设计一尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓设计（图11-9）。 已知凸

10、轮的基圆半径r0=30mm，凸轮以等角速度顺时针转动，从动件的位移运动规律如下：,机械工业出版社,11.3 凸轮轮廓曲线设计,作图步骤： （1）绘制从动件的位移图 选取位移比例尺l和角度比例尺，作从动件的位移线图。 （2）确定凸轮机构的初始位置,机械工业出版社,11.3 凸轮轮廓曲线设计,（3）等分位移曲线，得各等分点位移量 。,机械工业出版社,11.3 凸轮轮廓曲线设计,（4）作从动件尖顶轨迹 ；（5）绘制凸轮轮廓。 结论：凸轮的理论轮廓：按设计尖顶从动件凸轮轮廓的方法作出的轮廓曲线，称为凸轮的理论轮廓。,机械工业出版社,11.3 凸轮轮廓曲线设计,2.实际轮廓的设计 实际轮廓是指凸轮上与从

11、动件直接接触的轮廓。 实际轮廓的作法是：以理论轮廓为基础，作从动件未端形状的曲线族，再作与曲线族中所有曲线相切的包络线，此包络线便是凸轮的工作轮廓。,机械工业出版社,11.3 凸轮轮廓曲线设计,3.滚子对心直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制（简介） （1）已知条件相同，附加条件：滚子半径rT 。 （2）对心滚子直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制,机械工业出版社,11.3 凸轮轮廓曲线设计,（3）凸轮工作轮廓的作法,机械工业出版社,11.3 凸轮轮廓曲线设计,(4)概念 凸轮的理论轮廓：按设计尖顶从动件凸轮轮廓的方法作出的轮廓曲线，称为凸轮的理论轮廓 凸轮的工作轮廓：是指凸轮上与从动件直接接触的轮廓。 凸轮

12、工作轮廓的作法是：以理论轮廓为基础，作从动件末端形状的曲线族，再作与曲线族中所有曲线相切的包络线，此包络线便是凸轮的实际轮廓线。,机械工业出版社,11.3 凸轮轮廓曲线设计,4.对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制（简介）,机械工业出版社,11.4 凸轮工作轮廓的校核,11.4.1 凸轮机构的压力角 1.凸轮机构压力角的概念：凸轮轮廓上，从动件的运动速度方向与其受凸轮作用力方向所夹的锐角，称为凸轮机构的压力角，用表示。,机械工业出版社,11.4 凸轮工作轮廓的校核,2、压力角与作用力的关系 Fy= Fcos-有效分力 Fx=Fsin-引起摩擦力，有害分力 讨论：（） Fy传力性能差。 （

13、） Fy传力性能好。 结论：Fx产生的摩擦力 Fy ，从动件不能 运动，凸轮机构产生自锁现象。,机械工业出版社,11.4 凸轮工作轮廓的校核,3.许用压力角 为了保证机构正常工作，并具有良好的传力性能，必须对压力角的大小加以限制，即使机构的最大压力角 max 。 一般设计中，直动从动件推程中的 =3038，摆动从动件推程=4045。 对于回程，因载荷很小，且从动件在锁合力作用下返回，不易出现自锁，通常只需校核推程压力角。,机械工业出版社,11.4 凸轮工作轮廓的校核,11.4.2 运动失真 从减小接触应力的角度来看，滚子半径越大越好，但是滚子增大后对凸轮实际轮廓线有很大的影响。 运动失真的概念

14、：凸轮的实际轮廓，不能使从动件实现预期给定的运动规律，这种现象称为凸轮的运动失真。,机械工业出版社,11.4 凸轮工作轮廓的校核,1.凸轮机构运动失真分析 设滚子的半径为rT，凸轮理论轮廓的最小曲率半径为 min 工作轮廓的曲率半径=min-rT。 （1）若minrT, 0, 则实际轮廓曲线为一光滑曲线。 （2）如若min=rT, =0, 则实际轮廓曲线出现尖点, 尖点易磨损, 磨损后从动件将产生运动“失真”。 （3）若minrT, 0,从动件将产生运动“失真”。,机械工业出版社,11.4 凸轮工作轮廓的校核,2.防止凸轮机构运动失真的条件 凸轮的理论轮廓的最小曲率半径大于滚子的半径即： mi

15、nrT,机械工业出版社,11.4 凸轮工作轮廓的校核,11.4.3 凸轮基圆半径的确定 基圆半径r0是凸轮的主要尺寸参数，从避免运动失真、降低压力角的要求看，r0大比较好，但从结构紧凑看，r0小比较好。 在实际设计中，凸轮基圆半径的确定，除了要满足max，还要考虑凸轮的结构及强度要求。通常对于凸轮与轴做成一体的凸轮工作轮廓的最小半径,（ r0 -rT）比轴的半径大25mm，对于凸轮与轴分开做的，（ r0 -rT）比轮毂半径大30%60%。 基圆半径r0的大小也可按运动规律、许用压力角由图11-14的诺模图求得。,机械工业出版社,11.4 凸轮工作轮廓的校核,案例11-2 一滚子对心直动从动件盘

16、形凸轮机构，其行程h=13mm，推程运动角0=45，从动件按正弦加速度运动规律运动，=30，请按图11-14的诺模图确定基圆半径r0的大小。,机械工业出版社,11.4 凸轮工作轮廓的校核,机械工业出版社,11.5 凸轮机构的结构与材料,11.5.1 凸轮机构的结构与材料 1.凸轮的结构 基圆较小的凸轮，常与轴做成一体，称为凸轮轴（图11-15）；基圆较大的凸轮，则做成组合式结构，分别制造好的凸轮和轴，再通过平键联接（图11-16a）、销联接（图11-16b）及弹性开口锥套螺母联接等方式，将凸轮安装在轴上。,机械工业出版社,11.5 凸轮机构的结构与材料,组合式凸轮的结构,机械工业出版社,11.

17、5 凸轮机构的结构与材料,2.从动件的结构 滚子从动件的滚子可以是专门制造的圆柱体，也可以采用滚动轴承，滚子与从动件顶端可用螺栓联接，也可用销联接。,螺栓联接,销联接,机械工业出版社,11.5 凸轮机构的结构与材料,11.5.2 凸轮和从动件的材料选择 工作条件：凸轮机构属于高副机构，凸轮与从动件之间的接触应力大，易出现严重磨损，且多数凸轮机构在工作时还承受一定的冲击。 材料要求：工作表面具有较高的硬度，而芯部具有较好的韧性。 材料选择： 1）低速、轻载盘形凸轮：可选用HT200、HT250、HT300、QT500-7、QT600-3等作为凸轮的材料。 从动件：选用40、45等中碳结构钢，表面

18、淬火至4050HRC。,机械工业出版社,11.5 凸轮机构的结构与材料,2）中速、轻载盘形凸轮：常用45材料表面淬火，也可选用15、20、20Cr20CrMn等材料渗碳淬火，使硬度达到5662HRC。作为凸轮的材料。 从动件：可选用20Cr，并经渗碳淬火，使其硬度达5560HRC。 3）高速、重载的凸轮：常用40Cr，表面高频淬火，硬度达到5660HRC或用38CrMoAl,经渗氮处理硬度达到6067HRC。 从动件：可用T8、T10、T12等碳素工具钢，经表面淬火硬度达5862HRC。,机械工业出版社,综合案例分析,如图11-17所示为加工水表零件的专用自动车床上的凸轮控制系统，加工零件的名义尺寸和几何形状如图11-7b所示。在凸轮轴1上安装两个具有曲线凹槽的圆柱凸轮2、3和一个具有曲线凹槽的盘