凸轮机构及其设计(2)ppt课件

1、第九章第九章 凸轮机构及其设计凸轮机构及其设计9-1 凸轮机构的运用和分类凸轮机构的运用和分类9-2 推杆的运动规律推杆的运动规律9-3 凸轮轮廓曲线的设计凸轮轮廓曲线的设计9-4 凸轮机构根本尺寸确实定凸轮机构根本尺寸确实定9-1 凸轮机构的运用和分类1凸轮机构的运用1实例内燃机配气凸轮机构自动机床进刀机构自动机床凸轮机构2特点 适当的设计凸轮廓线可实现各种运动规律，构造简单，紧凑；但易磨损，传力不大。运用：各种机械，特别是自动机械、自动控制安装和装配消费线中。工程中用以实现机械化和自动化的一种常用机构。1-圆柱凸轮 2-直动从动件 3-毛坯 这种自动送料凸这种自动送料凸轮机构，可以完轮机构

2、，可以完成保送毛坯到达成保送毛坯到达预期位置的功能，预期位置的功能，但对毛坯在挪动但对毛坯在挪动过程中的运动没过程中的运动没有特殊的要求有特殊的要求 9-1 凸轮机构的运用和分类绕线机构绕线机构312A线线这种凸轮这种凸轮在运动中在运动中能推进摆能推进摆动从动件动从动件2 2实现均匀实现均匀缠绕线绳缠绕线绳的运动学的运动学要求。要求。 9-1 凸轮机构的运用和分类靠模车削机构靠模车削机构9-1 凸轮机构的运用和分类3皮带轮皮带轮5卷带轮卷带轮录音机卷带机构录音机卷带机构1放音键放音键2摩擦轮摩擦轮413245放音键放音键卷带轮卷带轮皮带轮皮带轮摩擦轮摩擦轮录音机卷带机构录音机卷带机构9-1 凸

3、轮机构的运用和分类9-1 凸轮机构的运用和分类凸轮机构凸轮机构凸轮1从动件2机架3三个根本构件组成的高副机构具有曲线轮廓或凹槽的构件。由凸轮直接推进的构件。又称推杆。 当凸轮运动时，经过其上的曲线当凸轮运动时，经过其上的曲线轮廓与从动件的高副接触。假设凸轮轮廓与从动件的高副接触。假设凸轮轮廓曲线或凹槽曲线按从动件的预期轮廓曲线或凹槽曲线按从动件的预期运动规律设计而成，可获得预期的运运动规律设计而成，可获得预期的运动。动。组成：9-1 凸轮机构的运用和分类盘形凸轮盘形凸轮Plate camPlate cam挪动凸轮挪动凸轮Wedge camWedge cam(1) (1) 按凸轮的外形分按凸轮的

4、外形分 可视为盘形凸轮的回可视为盘形凸轮的回转轴心处于无穷远处转轴心处于无穷远处时演化而成的时演化而成的构造简单，易于加工。构造简单，易于加工。运用最为广泛运用最为广泛9-1 凸轮机构的运用和分类2凸轮机构的分类圆柱凸轮圆柱凸轮Cylindrical camCylindrical cam空间凸轮机构空间凸轮机构, ,可使从动件获得大的任务行程又不可使从动件获得大的任务行程又不致过于庞大。致过于庞大。9-1 凸轮机构的运用和分类(2) (2) 按推杆的外形分按推杆的外形分尖顶从动件尖顶从动件Knife-edge followerKnife-edge follower滚子从动件滚子从动件Rolle

5、r followerRoller follower构造简单、易磨损、用于仪表机构。构造简单、易磨损、用于仪表机构。磨损小，运用广。磨损小，运用广。9-1 凸轮机构的运用和分类平底从动件平底从动件Flat-face follower受力好、光滑好，用于高速传动。受力好、光滑好，用于高速传动。9-1 凸轮机构的运用和分类( () ) 按推杆的运动方式分按推杆的运动方式分摆动从动件摆动从动件Oscillating Oscillating followerfollower挪动从动件挪动从动件Reciprocating Reciprocating followerfollower9-1 凸轮机构的运用和

6、分类据导路与回转中心据导路与回转中心的相对位置的相对位置对心式对心式偏置式偏置式挪动从动件挪动从动件9-1 凸轮机构的运用和分类(4)(4)按凸轮与从动件维持高副接触按凸轮与从动件维持高副接触( (封锁封锁) )的方式分的方式分力封锁型凸轮机构力封锁型凸轮机构Force-closed camsForce-closed cams弹簧力封锁弹簧力封锁Force-closed by preloaded Force-closed by preloaded springspring重力封锁重力封锁 Force-closed by Force-closed by gravitygravity从动件与凸轮坚

7、持从动件与凸轮坚持接触的方式，坚持接触的方式，坚持运动不失真。运动不失真。9-1 凸轮机构的运用和分类形封锁型凸轮机构形封锁型凸轮机构Form-closed camsForm-closed cams凹槽凸轮机构凹槽凸轮机构Plate-groove cam Plate-groove cam mechanismmechanism等宽凸轮机构等宽凸轮机构Constant-breadth cam Constant-breadth cam mechanismmechanism利用凸轮与从动件的特利用凸轮与从动件的特殊几何外形和尺寸殊几何外形和尺寸W9-1 凸轮机构的运用和分类等径凸轮机构Conjugat

8、e yoke radial cam mechanismr1r2r1+r2 =const过凸轮轴心过凸轮轴心O O所作任一径向线上与凸轮相接触的两所作任一径向线上与凸轮相接触的两滚子中心间的间隔处处相等。滚子中心间的间隔处处相等。9-1 凸轮机构的运用和分类共轭凸轮机构主回共轭凸轮机构主回Conjugate cam mechanism 主凸轮主凸轮1推进从动推进从动件完成沿逆时针方向件完成沿逆时针方向正行程的摆动，另一正行程的摆动，另一个凸轮个凸轮1/推进完成沿推进完成沿顺时针方向的反行程顺时针方向的反行程的摆动。这种凸轮机的摆动。这种凸轮机构又称为主回凸轮机构又称为主回凸轮机构构9-1 凸轮机

9、构的运用和分类总结：1按凸轮的外形分1盘形凸轮挪动凸轮2圆柱凸轮2按推杆外形及运动方式分1尖顶推杆、滚子推杆和平底推杆2对心直动推杆、偏置直动推杆和摆动推杆3按坚持高副接触方法分1力封锁的凸轮机构2几何封锁的凸轮机构9-1 凸轮机构的运用和分类9-1 凸轮机构的运用和分类不同类型的凸轮与从动件组合：尖顶直动从动件对心盘状凸轮机构滚子直动从动件偏置盘状凸轮机构等最根本类型本章重点：以根本类型为重点研讨，找出凸轮设计的根本方法。9-1 凸轮机构的运用和分类9-2 推杆的运动规律基圆 基圆半径 r0推程 推程运动角 0远休 远休止角 01回程 回程运动角 0近休 近休止角 02行程 hs s(t)

10、s( )v v(t) v( )a a(t) a( )1名词术语及符号推杆运动规律：推杆在推程或回程时，其位移推杆运动规律：推杆在推程或回程时，其位移S S、速度速度V V和加速度和加速度a a 随时间随时间t t 的变化规律。的变化规律。2推杆常用的运动规律1多项式运动规律推程时：s = h /0在始末两瞬时有刚性冲击。1一次多项式运动规律等速运动规律推杆的多项式运动规律的普通表达式为：s = C0+C1+C2 2+Cn n式中 为凸轮转角；s为推杆位移；C0，C1，C2，Cn为待定系数， 可利用边境条件等来确定。9-2 推杆的运动规律推杆等加速推程段： s = 2h 2/02推杆等减速推程段

11、： s = h2h(0 )2/02在始、中、末三瞬时有柔性冲击。2二次多项式运动规律等加速等减速或抛物线运动规律9-2 推杆的运动规律1s2 35463h/20 0h/29-2 推杆的运动规律s10h 3/0315h 4/046h 5/05既无刚性冲击，又无柔性冲击。3五次多项式运动规律3-4-5多项式运动规律 对于多项式运动规律，其多项式中待定系数的数对于多项式运动规律，其多项式中待定系数的数目应与边境条件的数目相等，其数目多少应根据任务目应与边境条件的数目相等，其数目多少应根据任务要求来确定。但当边境条件增多时，会使设计计算复要求来确定。但当边境条件增多时，会使设计计算复杂，加工精度也难以

12、到达，故通常不宜采用太高次数杂，加工精度也难以到达，故通常不宜采用太高次数的多项式。的多项式。阐明2三角函数运动规律推程时：sh1cos( /0)/2在始、末两瞬时有柔性冲击。1余弦加速度运动规律简谐运动规律9-2 推杆的运动规律s s123 456123456ha推程时：sh( /0)sin(2 /0) /(2)2正弦加速度运动规律摆线运动规律9-2 推杆的运动规律既无刚性冲击，又无柔性冲击。 当滚圆沿纵坐标一当滚圆沿纵坐标一作匀速纯滚动时，圆周作匀速纯滚动时，圆周上一点的轨迹为一摆线。上一点的轨迹为一摆线。此时，该点在纵坐标上此时，该点在纵坐标上的投影随时间变化的规的投影随时间变化的规律称

13、为摆线运动规律。律称为摆线运动规律。9-2 推杆的运动规律 组合原那么 要保证在衔接点上运动参数坚持延续；在运动的始末处满足边境条件。3组合型运动规律3推杆的运动规律的选择 1机器的任务过程只需求凸轮转过角度0时，推杆完成一个行程 h或角行程，而对其运动规律并未作严厉要求。 在此情况下，可思索采用圆弧、直线或其他简单曲线为凸轮廓线。例 主令开关中的凸轮机构2机器的任务过程对推杆的运动规律有完全确定的要求。此时只能根据任务所需求的运动规律来设计。 3对于速度较高的凸轮机构，还应思索该种运动规律的速度最大值vmax、加速度最大值amax和跃度的最大值 jmax等。表9-19-2 推杆的运动规律衡量

14、运动特性的主要目的：衡量运动特性的主要目的：1 1、最大速度、最大速度 最大速度值越大，那么从动件系统的动量也最大速度值越大，那么从动件系统的动量也大。假设机构在任务中遇到需求紧急停车的情况，大。假设机构在任务中遇到需求紧急停车的情况，由于从动件系统动量过大，会出现操控失灵，呵由于从动件系统动量过大，会出现操控失灵，呵斥机构损坏等平安事故。因此希望从动件运动速斥机构损坏等平安事故。因此希望从动件运动速度的最大值越小越好。度的最大值越小越好。9-2 推杆的运动规律2 2、最大加速度、最大加速度 最大加速度值的大小，会直接影响从动最大加速度值的大小，会直接影响从动件系统的惯性力，从动件与凸轮廓线的

15、接触件系统的惯性力，从动件与凸轮廓线的接触应力，从动件的强度等。因此希望从动件在应力，从动件的强度等。因此希望从动件在运动过程中的加速度最大值越小越好。运动过程中的加速度最大值越小越好。 3 3、运动规律的高阶导数、运动规律的高阶导数 运动规律的高阶导数能否延续也是衡量运动规律的高阶导数能否延续也是衡量运动规律特性的主要目的。运动规律特性的主要目的。 研讨阐明，为有效改善凸轮机构的动力研讨阐明，为有效改善凸轮机构的动力学特性，减小系统的剩余振动，应选取跃度学特性，减小系统的剩余振动，应选取跃度延续的运动规律进展凸轮廓线设计。延续的运动规律进展凸轮廓线设计。9-2 推杆的运动规律 无论是采用作图

16、法还是解析法设计凸轮廓线，所根据的根本原理都是反转法原理。9-3 凸轮轮廓曲线的设计1凸轮廓线设计的根本原理 当根据凸轮机构的任务要求和构造条件选定了其当根据凸轮机构的任务要求和构造条件选定了其机构的型式、根本尺寸、推杆的运动规律和凸轮的转机构的型式、根本尺寸、推杆的运动规律和凸轮的转向之后，就可以进展凸轮轮廓曲线的设计了。向之后，就可以进展凸轮轮廓曲线的设计了。凸轮廓线设计的方法：作图法和解析法偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构9-3 凸轮轮廓曲线的设计 当给整个凸轮机构加一个公共角速度，使其绕凸轮轴心转动时， 凸轮将静止不动，而推杆那么一方面随其导轨作反转运动， 另一方面又沿导轨作预期的往复运动

17、。 推杆在这种复合运动中，其尖顶的运动轨迹即为凸轮的轮廓曲线。1凸轮的轮廓曲线与推杆的相对运动关系O O-3311223 33 31 11 12 22 2s2s2 在设计凸轮廓线时，可假设凸轮静止不动，而其推杆相对凸轮作反转运动，同时又在其导轨内作预期运动， 作出推杆在这种复合运动中的一系列位置，那么其尖顶的轨迹就是所要求的凸轮廓线。 这就是凸轮廓线设计方法的反转法原理。2用作图法设计凸轮廓线 1直动推杆盘形凸轮廓线的设计 结论 尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计是滚子推杆和平底推杆盘形凸轮廓线设计的根本问题及方法。2凸轮廓线设计方法的根本原理1偏置直动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计2偏置直动滚子推杆盘形

18、凸轮廓线的设计3对心直动平底推杆盘形凸轮廓线的设计9-3 凸轮轮廓曲线的设计2摆动推杆盘形凸轮廓线的设计1摆动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计2摆动滚子推杆盘形凸轮廓线的设计3摆动平底推杆盘形凸轮廓线的设计 总结 对于滚子推杆或平底推杆的盘形凸轮廓线的设计，只需先将其滚子中心点或推杆平底与其导路中心线的交点视为尖顶推杆的尖顶，就可用尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计方法来确定出凸轮实际廓线上各点的位置；然后再以这些点为圆心作出一系列滚子圆或过这些点作一系列平底推杆的平底线，再作出此圆族或直线族的包络线。即得所设计凸轮的任务廓线。9-3 凸轮轮廓曲线的设计 结论 摆动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计方法与直动尖顶推

19、杆盘形凸轮廓线的设计方法根本类似，所不同的是推杆的预期运动规律及作图设计中都要用到推杆的角位移 表示，即将直动推杆的各位移方程中的位移s改为角位移 , 行程h改为角行程，就可用来求摆动推杆的角位移了。3直动推杆圆柱凸轮廓线的设计9-3 凸轮轮廓曲线的设计作图法的特点作图法的特点概念明晰，简便易行；概念明晰，简便易行；误差大、效率低。误差大、效率低。 解析法的特点解析法的特点计算精度高、速度快，适宜凸轮在数控计算精度高、速度快，适宜凸轮在数控机床上加工。机床上加工。解析法设计的关键问题解析法设计的关键问题将凸轮廓线表示为数学方程，这一过程将凸轮廓线表示为数学方程，这一过程称为建立数学模型。称为建

20、立数学模型。9-3 凸轮轮廓曲线的设计3用解析法设计凸轮的轮廓曲线 用解析法设计凸轮廓线，就是根据任务所要求的推杆运动规律和知的机构参数，求凸轮廓线的方程式，并准确地计算出凸轮廓线上各点的坐标值。 1偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构2对心直动平底推杆盘形凸轮机构3摆动滚子推杆盘形凸轮机构9-3 凸轮轮廓曲线的设计9-4 凸轮机构根本尺寸确实定1凸轮机构的压力角2凸轮机构的压力角F G/cos( +1)(1+ 2b/l)sin( +1)tan2 假设 大至使F增至无穷大时，机构将发生自锁。 凸轮机构的压力角是指推杆所受正压力的方向与推杆上点 B的速度方向之间所夹的锐角， 它是影响凸轮机构受力情况的一

21、个重要参数。常以表示。在其他情况不变的情况下， 愈大，F愈大， 此时机构的压力角称为临界压力角c，即 carctan1/(12b/l )tan211凸轮机构中的作用力 为保证凸轮机构能正常运转，应使其最大压力角max小于临界压力角c，增大l， 减小b，可以使c值提高。 通常规定：凸轮机构的最大压力角max应小于某一许用压力角，消费实践中，为了提高机构的效率，改善其受力情况，即max (c)许用压力角的普通取值为推程时： 直动推杆30摆动推杆35 45回程时：70 809-4 凸轮机构根本尺寸确实定2凸轮基圆半径确实定tan(ds/d )e/r02e2)1/2s在偏距一定，推杆的运动规律知的条件

22、下，可减小压力角，加大基圆半径r0，从而改善机构的传力特性， 但机构的尺寸会增大。2凸轮基圆半径确实定 凸轮基圆半径确实定的原那么是：应在满足max的条件下，合理地确定凸轮的基圆半径，使凸轮机构的尺寸不至过大。先按满足推程压力角的条件来确定基圆半径r0， 即r0(ds/d e)/tan s2+e21/2 用上式计算得 r0随凸轮廓线上各点的ds/d、s值的不同而不同， 故需确定 r0 的极大值，即为凸轮基圆半径的最小半径值。1凸轮机构的压力角与基圆半径的关系9-4 凸轮机构根本尺寸确实定还要思索满足凸轮的构造及强度的要求： 当凸轮和轴做成一体时，凸轮任务廓线的最小半径应略大于轴的半径。 当凸轮

23、和轴单独制造时，凸轮上要作出轮毂，此时凸轮任务廓线的最小半径应略大于轮毂的外径。可取凸轮任务廓线的最小直径等于或大于轴径的1.62倍。9-4 凸轮机构根本尺寸确实定ds/dOBnnePCs0sDr0r09-4 凸轮机构根本尺寸确实定OBnnPeds/ds0sDCvvr0r0显然，导路和瞬心位于中心同侧时，压力角将减小。显然，导路和瞬心位于中心同侧时，压力角将减小。留意：用偏置法可减小推程压力角，但同时增大了回留意：用偏置法可减小推程压力角，但同时增大了回 程压力角，故偏距程压力角，故偏距 e e 不能太大。不能太大。正确偏置：导路位于与凸轮旋转方向正确偏置：导路位于与凸轮旋转方向相反的位置。相

24、反的位置。oBnnPeB0nnPe正确偏置正确偏置错误偏置错误偏置9-4 凸轮机构根本尺寸确实定当采用滚子从动件时，其滚子半径当采用滚子从动件时，其滚子半径rrrr的的大小不仅与其本身的构造和强度等有关，还大小不仅与其本身的构造和强度等有关，还遭到凸轮廓线外形的限制。下面分析二者之遭到凸轮廓线外形的限制。下面分析二者之间的关系。间的关系。滚子半径滚子半径rrrr凸轮廓线外形凸轮廓线外形？9-4 凸轮机构根本尺寸确实定3滚子推杆滚子半径的选择1凸轮轮廓曲线与滚子半径的关系那么arr。 此时，无论滚子半径大小如何，凸轮的任务廓线总是可以平滑地作出来的。那么arr。假设rr时， 那么a 0，即任务廓

25、线出现变尖景象。假设 rr时，那么 a 0， 即任务廓线出现交叉， 推杆运 动规律出现失真景象。1当凸轮实际廓线内凹时，2当凸轮实际廓线外凸时，9-4 凸轮机构根本尺寸确实定2滚子半径的选择首先，应使滚子半径rr小于实际廓线的最小曲率半径min。而min的大小那么可用解析法或作图法确定。 其次，要求凸轮任务廓线的最小曲率半径amin普通不应小于15mm。 假设不满足此要求时， 就应增大r0，或减小rr，或修正s()，或使其任务廓线出现尖点的地方代以适宜曲线。 此外，滚子半径受其强度、构造限制而不能太小。普通应取rr(0.10.5)r09-4 凸轮机构根本尺寸确实定4平底推杆平底尺寸确实定l 2

26、lmax (57) mm a1用作图法确定：2用计算公式确定：l 2|ds/d|max (57) mm b 当平底推杆凸轮机构出现失真景象时，可适当增大凸轮的基圆半径r0来消除失真景象。1平底长度确实定2平底推杆凸轮机构的失真景象9-4 凸轮机构根本尺寸确实定9-4 凸轮机构根本尺寸确实定总结：总结： 1压力角 1定义 2在其他条件一样的情况下，越大，推杆所受作用力F越大，当C时，机构自锁。在消费实践中，规定max。2基圆半径 1对于偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构，当其他条件不变时， 越大，基圆半径越小，反之亦真；选择适宜的推杆偏置方向凸轮顺时针，推杆左偏置；凸轮逆时针，推杆右偏置，可使压力角减小，改善受力。 2在实践设计中，基圆确定思索要素有： max；凸轮的构造与强度要求等。 3滚子半径和推杆平底尺寸 9-4 凸轮机构根本尺寸确实定总结：总结： 1压力角2基圆半径3滚子半径和推杆平底尺寸 1对于内凹，任务廓线总可平滑作出；对于外凸，=rr时，任务廓线变尖，易磨损； rr时，交叉运动失真，加工时被切掉。 2对于外凸时，滚子半径确实定思索要素： rr min, (min普通不应小于1-5mm 滚子的构造与强度