机械设计基础第4章

1、12343-1 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类一、一、凸轮机构的应用凸轮机构的应用二、二、凸轮机构的分类凸轮机构的分类51 1、凸轮机构组成：、凸轮机构组成：凸轮是一个具有曲凸轮是一个具有曲线轮廓的构件。含线轮廓的构件。含有凸轮的机构称为有凸轮的机构称为凸轮机构。它由凸轮机构。它由凸凸轮、从动件轮、从动件和和机架机架组成。组成。一、凸轮机构的应用一、凸轮机构的应用62 2、凸轮机构的应用、凸轮机构的应用 凸轮机构是机械中的一种常用机构，在自动化和半凸轮机构是机械中的一种常用机构，在自动化和半自动化机械中应用十分广泛。主要用于：受力不大的自动化机械中应用十分广泛。主要用于：受力不大的控

2、控制机构制机构或或调节机构调节机构。78910内燃机配气凸轮机构1112凸轮机构的优点： 只需确定适当的凸轮轮廓曲线，即可实只需确定适当的凸轮轮廓曲线，即可实现从动件复杂的运动规律；结构简单，运动可现从动件复杂的运动规律；结构简单，运动可靠。靠。 缺点：缺点： 从动件与凸轮轮廓为点接触或线接触，从动件与凸轮轮廓为点接触或线接触，接触应力大，易磨损接触应力大，易磨损用途：用途：常用于传力不大的控制机构。常用于传力不大的控制机构。13二、凸轮机构的分类二、凸轮机构的分类1、按凸轮的形状分、按凸轮的形状分（1）盘形凸轮）盘形凸轮（2）移动凸轮）移动凸轮（3）圆柱凸轮）圆柱凸轮 绕固定轴线转动绕固定轴

3、线转动并具有半径变化并具有半径变化的盘形零件。的盘形零件。 回转中心趋于无穷回转中心趋于无穷远，凸轮沿机架作远，凸轮沿机架作直线运动。直线运动。将移动凸轮卷成圆将移动凸轮卷成圆柱。柱。142 2、按从动件的型式分、按从动件的型式分 1、尖顶从动件、尖顶从动件 2、滚子从动件、滚子从动件 3、平底从动件、平底从动件能与复杂凸轮轮廓保能与复杂凸轮轮廓保持接触，能实现任意持接触，能实现任意预期的运动规律，但预期的运动规律，但点接触，磨损快。点接触，磨损快。尖顶处安装一滚子，尖顶处安装一滚子，接触处为滚动摩擦，接触处为滚动摩擦，耐磨损。耐磨损。接触处为一平面，接触处为一平面，但不能与凹陷的凸但不能与凹

4、陷的凸轮轮廓接触。轮轮廓接触。15一、一、基本概念基本概念二、二、从动件常用运动规律从动件常用运动规律三、组合运动规律简介三、组合运动规律简介3232从动件常用运动规律从动件常用运动规律16尖底直动从动件盘形凸轮机构尖底直动从动件盘形凸轮机构1、基圆：、基圆： 凸轮凸轮理论轮廓理论轮廓上最小向径为半径所画的圆。上最小向径为半径所画的圆。一、基本概念一、基本概念2、偏距、偏距e： 从动件导路从动件导路偏离偏离凸轮凸轮回转中心的距离回转中心的距离。w wO Orminw wrminO Oe e173 3、推程：、推程： 4 4、升程：、升程： 从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定的从动件尖顶被凸轮轮廓

5、推动，以一定的运动规律由离回转中心最近位置运动规律由离回转中心最近位置A到达到达最远位置最远位置B的过程。的过程。从动件在推程中所走过的距离从动件在推程中所走过的距离h。5、推程运动角：、推程运动角：6、远休止角：、远休止角： t = AOB（升程角）（升程角）与推程相应的凸轮转角与推程相应的凸轮转角t。S = BOC从动件在最远位置停止不动所从动件在最远位置停止不动所对应的凸轮转角对应的凸轮转角s。w wA AB B rminO OB BC CD Dtsh189、近休止角：、近休止角：8、回程运动角：、回程运动角：h =CODs =AOD7 7、回程：、回程：从动件在弹簧力或重力作用下，以一

6、从动件在弹簧力或重力作用下，以一定的运动规律回到起始位置的过程。定的运动规律回到起始位置的过程。与回程相应的凸轮转角与回程相应的凸轮转角h。从动件在最近位置停止不从动件在最近位置停止不动所对应的凸轮转角动所对应的凸轮转角s。hsw wA ABBrminO OB BC CD Dtsh19 以纵坐标代表从动件位移以纵坐标代表从动件位移s2 ，横坐标代表凸轮转角，横坐标代表凸轮转角1或或t，所画出的位移与转角之间的关系曲线。，所画出的位移与转角之间的关系曲线。上升上升停停降降停停t1s2ABCDh2p2phstsAhsw wA ABBrminO OB BC CD Dtsh 从动件位移线图决定于从动件

7、位移线图决定于凸轮轮廓曲线的形状。凸轮轮廓曲线的形状。201 1、推程：、推程： 2 2、升程：、升程： 3、推程运动角：、推程运动角： 4、远休止角：、远休止角： 7、近休止角：、近休止角： 6、回程运动角：、回程运动角： 5、回程：、回程：ABAB偏置尖顶直动从动件盘形凸轮偏置尖顶直动从动件盘形凸轮 t s h sw wA ABBO OB BC CD DhCDCDht s h s21二、从动件常用运动规二、从动件常用运动规律律s2h11tOv2tv0O1a2-O1t刚性冲击：刚性冲击：由于加速度发生无穷大由于加速度发生无穷大突度而引起的冲击称为突度而引起的冲击称为刚性冲击。刚性冲击。222

8、 2、等加速等减速运动规律、等加速等减速运动规律ajvO12j,tj,tj,tsh3456194104A0aBC柔性冲击柔性冲击 ：加速度发生有限值的突加速度发生有限值的突变变 （适用于中速场合）（适用于中速场合） 233 3、简谐运动、简谐运动avjj,tj,tj,tsh1O2345612345qs运动特征：运动特征：若若s 、s 为零，无冲击。为零，无冲击。若若s 、s 不为零，有冲击。不为零，有冲击。 24v2s 2a 2111hooot t正弦改进等速正弦改进等速+-v 2s 2a 2111hooot t三、组合运动规律简介三、组合运动规律简介 为了获得更好的运动特征，可为了获得更好的

9、运动特征，可以把上述几种运动规律组合起来以把上述几种运动规律组合起来应用，组合时，两条曲线在拼接应用，组合时，两条曲线在拼接处必须保持连续，处必须保持连续，以改善运动特以改善运动特性。性。2533 33 凸轮机构压力角凸轮机构压力角一、一、压力角与作用力的关系压力角与作用力的关系二、二、压力角与凸轮机构尺寸的关系压力角与凸轮机构尺寸的关系26一、压力角与作用力的关系一、压力角与作用力的关系压力角压力角: 从动件上的驱动力与从动件上的驱动力与该力作用点绝对速度之间该力作用点绝对速度之间所夹的锐角。所夹的锐角。凸轮机构的压力角：凸轮机构的压力角： 接触点法线与从接触点法线与从动件上作用点速度方动件

10、上作用点速度方向所夹的锐角。向所夹的锐角。 CBS2eOvrminw w1 1213nnF P27 CBS2eOvrmin1 1213nnFFF P 力力 F 分解为沿从动件运动分解为沿从动件运动方向的有用分力方向的有用分力 F 和使从动件和使从动件紧压导路的有害分力紧压导路的有害分力 F 。F F tg 1、 F一定时，一定时， 压力角压力角越越大大 ，有害分力，有害分力 F越大，机构越大，机构的效率越低。的效率越低。 上式表明：上式表明：2、 自锁：自锁：当当增大到一定程度，增大到一定程度，使有害分力使有害分力F在导路中所引起在导路中所引起的摩擦阻力大于的摩擦阻力大于F 时，时， 无论凸轮

11、加给从动件的作用力无论凸轮加给从动件的作用力有多大有多大 ，从动件都不能运动，这种现象称为，从动件都不能运动，这种现象称为自锁自锁。 28 压力角压力角的大小反映了机构传力性能的好坏，是的大小反映了机构传力性能的好坏，是机构设计的重要参数。为使凸轮机构工作可靠，受机构设计的重要参数。为使凸轮机构工作可靠，受力情况良好，必须对压力角加以限制。力情况良好，必须对压力角加以限制。 在设计凸轮在设计凸轮机构时，机构时，应使最大压力角应使最大压力角max不超过许用值不超过许用值。根据工程实践的经验，许用压力角根据工程实践的经验，许用压力角的数值推的数值推荐如下：荐如下： 推程时，对移动从动件推程时，对移

12、动从动件，=3038；对摆动从动件对摆动从动件，=4550。回程时，由于。回程时，由于通常受力较小且一般无自锁问题，故许用压力角可通常受力较小且一般无自锁问题，故许用压力角可取的大一些，通常取取的大一些，通常取=7080。293031jjddsdtddtdsvOPOPv/22BDODOPBDPDtan220ersb22|/|tanerseddsbj3222|/|tanerseddsbj33二、压力角与凸轮机构尺寸的关系二、压力角与凸轮机构尺寸的关系 CBS2eOvrmin1 1213nnFFF P 直动从动件盘形凸轮压力角为：直动从动件盘形凸轮压力角为：公式说明：公式说明：22min|/|ta

13、nerseddsj34e e为从动件导路偏离凸轮回转中为从动件导路偏离凸轮回转中心的距离，称为偏距。心的距离，称为偏距。当导路当导路和瞬心和瞬心p p在凸轮轴心在凸轮轴心o o的同侧时，的同侧时，式中式中“-”-”号，号，可使压力角减小；可使压力角减小；反之，反之，当导路和瞬心当导路和瞬心p p在凸轮轴在凸轮轴心心o o的异侧时，取的异侧时，取“+”+”号号，压，压力角增大。为了减小推程压力力角增大。为了减小推程压力角，应将从动件导路向推程相角，应将从动件导路向推程相对速度瞬心的同侧偏置，即对速度瞬心的同侧偏置，即e e为为负值。但同时会产生使回程压负值。但同时会产生使回程压力角增大的现象，所

14、以力角增大的现象，所以e e不能过不能过大。大。 CBS2eOvrmin1 1213nnFFF P35一、一、直动从动件盘形凸轮轮廓绘制直动从动件盘形凸轮轮廓绘制二、二、摆动从动件盘形凸轮轮廓绘制摆动从动件盘形凸轮轮廓绘制34 图解法设计凸轮轮廓曲线图解法设计凸轮轮廓曲线36 凸轮设计的凸轮设计的基本原理基本原理采用的是采用的是“反转法反转法”，即，即凸轮轮廓设计中，是认为凸轮轮廓设计中，是认为凸轮静止不动，从动件相凸轮静止不动，从动件相对于凸轮轴心做反方向对于凸轮轴心做反方向（反转）运动，并令从动（反转）运动，并令从动件相对其导路按给定的运件相对其导路按给定的运动规律运动。动规律运动。一、直

15、动从动件盘形凸轮轮廓绘制一、直动从动件盘形凸轮轮廓绘制372、再按空间尺寸要求决定凸轮的基圆半径。、再按空间尺寸要求决定凸轮的基圆半径。3860r0120-1设计步骤小结：设计步骤小结：选比例尺选比例尺l作基圆作基圆r r0 0。反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。将各尖顶点连接成一条光滑曲线。将各尖顶点连接成一条光滑曲线。135782345 67 8910111213149090A1876543214131211109 6012090901 3 5 7 8911 13 15s

16、91113121410392)2)对心直动滚子推杆盘形凸轮对心直动滚子推杆盘形凸轮s 911 13 151 3 5 7 8r0A120-1设计步骤小结：设计步骤小结：选比例尺选比例尺l作基圆作基圆r r0 0。反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。将各尖顶点连接成一条光滑曲线。将各尖顶点连接成一条光滑曲线。135789111312142345 67 8910111213146090901876543214131211109理论轮廓理论轮廓实际轮廓实际轮廓作各位置滚子圆的内作各位置滚

17、子圆的内( (外外) )包络线。包络线。已知凸轮的基圆半径已知凸轮的基圆半径r0，角速度，角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。轮廓曲线。 601209090403)3)对心直动平底推杆盘形凸轮对心直动平底推杆盘形凸轮s 911 13 151 3 5 7 8r0已知凸轮的基圆半径已知凸轮的基圆半径r0，角速度，角速度和从动件的运动规律，设计和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。该凸轮轮廓曲线。设计步骤：设计步骤：选比例尺选比例尺l作基圆作基圆r r0 0。反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。确定反转后，从动件平底直线在

18、各等份点的位置。确定反转后，从动件平底直线在各等份点的位置。作平底直线族的内包络线。作平底直线族的内包络线。8765432191011121314-A13578911131214123456781514131211109 60120909041911 13 151 3 5 7 8O OeA A已知凸轮的基圆半径已知凸轮的基圆半径r0，角速度，角速度和从动件的运动规律和偏心距和从动件的运动规律和偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。设计该凸轮轮廓曲线。4)4)偏置直动尖顶偏置直动尖顶从动件从动件盘形凸轮盘形凸轮13578911131214-612345781514131211109设计步骤小结：设计步骤

19、小结：选比例尺选比例尺l作基圆作基圆r r0 0; ; 反向等分各运动角反向等分各运动角; ; 确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置; ; 将各尖顶点连接成一条光滑曲线。将各尖顶点连接成一条光滑曲线。1514131211109k9k10k11k12k13k14k1512345678k1k2k3k5k4k6k7k8 601209090s2 42设计凸轮机构时应注意设计凸轮机构时应注意滚子半径滚子半径的问题：的问题：1. 当当 minrT时，时， 0，实际轮廓为平滑曲线；实际轮廓为平滑曲线； 设理论轮廓外凸部分的最小曲率半径用设理论轮廓外凸部分的最小曲率半径

20、用 min表表示，滚子半径用示，滚子半径用rT表示表示，则相应位置实际轮廓的曲，则相应位置实际轮廓的曲率半径率半径 minrT。432. 2. min=rTmin=rT时，时， =0=0，实际轮廓为一个尖点实际轮廓为一个尖点；3. 3. minminrrT T时，时， 00，实际轮，实际轮廓发生相交，无法实现该廓发生相交，无法实现该运动规律。运动规律。44 为了使凸轮轮廓既不变尖，为了使凸轮轮廓既不变尖，又不相交，滚子半径必须又不相交，滚子半径必须小于小于理论轮廓外凸部分的最小曲率理论轮廓外凸部分的最小曲率半径半径 min。45BB0OS0S35 解析法设计凸轮的轮廓解析法设计凸轮的轮廓结果：求出轮廓曲线的解析表达式结果：求出轮廓曲线的解析表达式-已知条件：已知条件：e e、r rminmin、r rT T、S=S()S=S()、及其方向。及其方向。理论轮廓的极坐标参数方程：理论轮廓的极坐标参数方程：= (S+S= (S+S0 0) )2 2 + e + e2 2原理：原理：反转法。反转法。=+=+0其中：其中： S S0 0 = r = r2 2minmin e e2tgtg0 = e/ S= e/ S