第三章凸轮及间歇运动机构 课件

1、第3章 凸轮及间歇运动机构3.1 凸轮机构凸轮机构3.2 棘轮机构棘轮机构3.3 槽轮机构槽轮机构3.4 不完全齿轮机构和凸轮式间歇运动不完全齿轮机构和凸轮式间歇运动 机构机构3.1 3.1 凸轮机构凸轮机构 3.1.1 3.1.1 凸轮机构的应凸轮机构的应用用 在各种机械中，为了实现各种复杂的运动要求，广泛地应用着凸轮机构。 凸轮机构由凸轮、从动件和机架三部分组成，结构简单，只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现任何预期的运动规律。 但另一方面，由于凸轮机构是高副机构，易于磨损，因此只适用于传递动力不大的场合。 内燃机配汽机构内燃机配汽机构平底凸轮动画平底凸轮动画凸轮的分类凸轮的分

2、类(1)(1)按凸轮的形状分按凸轮的形状分盘形凸轮：盘形凸轮：移动凸轮：移动凸轮：圆柱凸轮：圆柱凸轮：可看成是移动凸轮卷在圆柱体上可看成是移动凸轮卷在圆柱体上推杆凸轮推杆凸轮移动凸轮动画移动凸轮动画移动凸轮机构动画移动凸轮机构动画圆柱凸轮动画圆柱凸轮动画(3D)(3D)圆柱凸轮动画圆柱凸轮动画(3D)(3D)(2)(2)按从动件的型式分按从动件的型式分尖顶推杆尖顶推杆滚子推杆滚子推杆平底推杆平底推杆 能与任意凸轮轮廓保持接触，可实能与任意凸轮轮廓保持接触，可实现复杂的运动规律现复杂的运动规律 易磨损，只宜用于轻载、低速易磨损，只宜用于轻载、低速 接触面易形成油膜，利于润滑，常接触面易形成油膜，

3、利于润滑，常 用于高速运动用于高速运动 配合的凸轮轮廓必须全部外凸配合的凸轮轮廓必须全部外凸 耐磨、承载大，较常用耐磨、承载大，较常用(3)(3)按从动件的运动形式分按从动件的运动形式分直动直动摆动摆动(4)(4)一般凸轮机构的命名原则一般凸轮机构的命名原则布置形式运动形式推杆形状凸轮形状布置形式运动形式推杆形状凸轮形状对心对心直动直动尖顶推尖顶推杆杆盘形凸轮盘形凸轮机构机构偏置偏置直动直动滚子推滚子推杆杆盘形凸轮盘形凸轮机构机构摆摆动动平底推杆平底推杆盘形凸轮盘形凸轮机构机构对心直动平底推杆盘形凸轮机构动画对心直动平底推杆盘形凸轮机构动画 摆动平底推杆盘形凸轮动画摆动平底推杆盘形凸轮动画 对

4、心直动尖顶推杆盘形凸轮动画对心直动尖顶推杆盘形凸轮动画 摆动圆底推杆盘形凸轮动画摆动圆底推杆盘形凸轮动画 摆动滚子推杆盘形凸轮动画摆动滚子推杆盘形凸轮动画 对心直动滚子推杆盘形凸轮机构动画对心直动滚子推杆盘形凸轮机构动画偏心凸轮动画偏心凸轮动画等径凸轮动画等径凸轮动画槽凸轮动画槽凸轮动画 回程回程，回程运动角，回程运动角 h 休止休止，休止角，休止角 s 行程（升程）行程（升程），h h 位移线图：位移线图：从动件的从动件的位移位移s s、速度、速度v v、加速度、加速度a a等随等随时间时间t t或或凸轮转角凸轮转角d d变化的关系图。变化的关系图。 t推程推程 s远休止远休止 h回程回程

5、s近休止近休止hABCDAr1 t s h s 3.1.2 3.1.2 从动件常用的运动规律从动件常用的运动规律 从动件的运动规律从动件的运动规律是指从动件的是指从动件的位移、速度、加速度位移、速度、加速度等随时等随时间间t t或凸轮转角或凸轮转角d d变化的规律。变化的规律。ts0 基圆基圆，基圆半径，基圆半径r r1 1 推程推程，推程运动角，推程运动角 t从动件常用的运动规律动画从动件常用的运动规律动画1 1、等速运动规律、等速运动规律 推程推程（0 t） 回程回程（0 t）运动线图运动线图冲击特性：冲击特性：始点、末点刚性冲击始点、末点刚性冲击适用场合：适用场合：低速轻载低速轻载hs

6、0v 0a 0- 位移位移速度速度加速度加速度+ + t t- 2 2、等加速等减速运动规律、等加速等减速运动规律推程推程: : 先先加速加速运动线图运动线图冲击特性：冲击特性：起、中、末点柔性冲击起、中、末点柔性冲击适用场合：适用场合：低速轻载低速轻载s 0tv 0a 0h/2h/2t/2t/2h 后减速后减速3 3、余弦加速度运动规律、余弦加速度运动规律 推程（推程（0 t）运动线图运动线图冲击特性：冲击特性：始、末点有柔性冲击始、末点有柔性冲击适用场合：适用场合：中低速、中轻载中低速、中轻载s sa123456v v12345ht4 4、正弦加速度运动规律、正弦加速度运动规律av0 1

7、2 3 4 5 6 7 8hA2pht 推程（推程（0 t）运动线图运动线图冲击特性：冲击特性：无冲击无冲击适用场合：适用场合：高速轻载高速轻载tts1 1、从动件的压力角、从动件的压力角FxnnFnmma aFFf fFn 的两个分力：的两个分力：sincosxnynFFFFaaFf 为导路对从动件的磨擦力为导路对从动件的磨擦力Fn一定时，一定时，a a ， F x ， Ff 推程推程aa为：移动从动件为：移动从动件a30a30 摆动从动件摆动从动件a45a45回程回程aa为：为：a70a70o o 8080 建议建议Fy 3.1.3 3.1.3 凸轮机构的压力角凸轮机构的压力角3.1.4

8、3.1.4 凸轮的基圆半径凸轮的基圆半径1基圆半径越小，凸轮的外廓尺寸越小。2基圆半径越小，凸轮理论廓线的最小曲率半径越小，滚子凸轮的实际轮廓容易变尖和交叉。3基圆半径越小，压力角越大，凸轮机构容易自锁。4基圆半径过小，不便于凸轮与轴进行联接。 从图可见 按结构条件确定基圆半径 r11.8rb+410 mm rb轴的半径。21srr3.2 按给定运动规律设计盘形凸轮轮廓 凸轮轮廓线设计基本原理：凸轮轮廓线设计基本原理：AAAAAAAAAAA A AA A - r0r0作图步骤：作图步骤： 根据从动件的运动规律：作出位移线图S2-t，并等分角度； 定基圆； 作出推杆在反转运动中依次占据的位置；

9、据运动规律，求出从动件在预期运动中依次占据的位置； 将两种运动复合，就求出了从动件尖端在复合运动中依次占据的位置点； 将各位置点联接成光滑的曲线； 在理论轮廓上再作出凸轮的实际轮廓。作图法设计凸轮轮廓线作图法设计凸轮轮廓线1 1 对心直动尖顶推杆对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构盘形凸轮机构2 2 对心直动滚子推杆对心直动滚子推杆盘形凸轮机构盘形凸轮机构3 3 对心直动平底推杆对心直动平底推杆盘形凸轮机构盘形凸轮机构4 4 偏置直动尖顶推杆偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构盘形凸轮机构1 1、对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构已知：r1 ，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动。设计：凸轮

10、轮廓线s0h120060090090 定比例尺 初始位置及推杆位移曲线 确定推杆反转运动占据的各位置 确定推杆预期运动占据的各位置 推杆高副元素族 推杆高副元素的包络线求解步骤：求解步骤：2 2、对心直动滚子推杆盘形凸轮机构、对心直动滚子推杆盘形凸轮机构已知：r1 ，推杆运动规律，滚子半径rk, 凸轮逆时针方向转动设计：凸轮轮廓线s0h120060090090理论轮廓理论轮廓实际轮廓实际轮廓求解步骤：求解步骤： 定比例尺 初始位置及推杆位移曲线 注：两条轮廓线，理论实际轮廓线 实际轮廓线基圆rmin 理论轮廓线基圆r1 确定推杆反转运动占据的各位置 确定推杆预期运动占据的各位置 推杆高副元素族

11、 推杆高副元素的包络线r = -rk0rkr = -rk0rk = rk rk， r 0，实际廓线平滑 =rk， r=0，实际廓线变尖 rk， r rkr = -rk0滚子半径的选择：滚子半径的选择： 实际轮廓线曲率半径：r 理论轮廓线曲率半径： 滚子半径： rk内凹凸轮廓线内凹凸轮廓线 r= +rk 理论轮廓线最小 结论：无论滚子半径多大，总能由理论轮廓线得到实际廓线。rk理论实际r r = +rk3 3、对心直动平底推杆盘形凸轮机构、对心直动平底推杆盘形凸轮机构已知：r1 ，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动设计：凸轮轮廓线求解步骤：求解步骤： 定比例尺 初始位置及推杆位移曲线 确定推杆反转

12、运动占据的各位置 确定推杆预期运动占据的各位置 推杆高副元素族 推杆高副元素的包络线s0h120060090090实际轮廓实际轮廓 压力角校核动画压力角校核动画3.1.6 凸轮的结构和材料凸轮的结构和材料1 1凸轮在轴上的固定方式凸轮在轴上的固定方式 当凸轮轮廓尺寸接近轴的直径时，凸轮与轴可制作成一体，如左图所示；当其尺寸相差比较大时，凸轮与轴分开制造，凸轮与轴通过键联接，如右图所示；或通过圆锥销联接，如下图所示。2.2.滚子及其联接滚子及其联接下图所示为常见的几种滚子结构。3.3.凸轮和滚子的材料凸轮和滚子的材料 凸轮机构工作时，往往承受冲击载荷，凸轮与从动件接触部分磨损较严重，因此必须合理

13、地选择凸轮与滚子的材料，并进行适当的热处理，使滚子和凸轮的工作表面具有较高的硬度和耐磨性，而芯部具有较好的韧性。 常用的材料有45、20Cr、18CrMnTi或T8、T10等，并经过表面淬火处理。 3.3 3.3 棘轮机构棘轮机构3.3.1 3.3.1 棘轮机构的工作原理棘轮机构的工作原理 棘轮机构是一种常用的间歇机构, 主要由棘轮、 棘爪和机架组成。 棘轮机构是一种常用的间歇机构, 其工作原理见下页图。棘轮3与轴用键连接, 弹簧5用来使制动棘爪4和棘轮3保持接触， 驱动棘爪2与连杆机构的摇杆1组成回转副N。摇杆空套在轴上, 可自由摆动。 当摇杆逆时针摆动时, 驱动棘爪便插入棘轮的齿槽中, 推

14、动棘轮转过一定角度, 而制动棘爪则在棘轮的齿上滑过；当摇杆顺时针摆动时， 驱动棘爪在棘轮的齿上滑过, 而制动棘爪将阻止棘轮作顺时针转动, 故棘轮静止不动。 因此, 摇杆作连续的往复摆动时, 棘轮作单向间歇转动。棘轮机构的工作原理棘轮机构的工作原理 棘轮机构工作原理动画棘轮机构工作原理动画 如果要求摇杆往复摆动时都能使棘轮向同一方向转动, 则可采用下图所示的双动式棘轮机构。 驱动棘爪可制成钩头或直头。 双动式棘轮机构动双动式棘轮机构动画画双向棘轮机构：双向棘轮机构： 左图所示为矩形齿双向棘轮机构, 当棘爪1处于实线位置时, 棘轮2作逆时针间歇转动； 当棘爪处于图示虚线位置时, 棘轮作顺时针间歇转

15、动。右图所示为回转棘爪式双向棘轮机构。 若将棘爪提升并绕本身轴线转动90棘轮将静止不动。回转棘爪式双向棘轮机构动回转棘爪式双向棘轮机构动画画可变向棘轮机构动画可变向棘轮机构动画3.3.2 3.3.2 棘轮转角的调节棘轮转角的调节1.调节摇杆摆动角度的大小，控制棘轮的转角调节摇杆摆动角度的大小，控制棘轮的转角改变曲柄长度调节棘轮转角改变曲柄长度调节棘轮转角2用遮板调节棘轮转角用遮板调节棘轮转角 转角可调的棘轮机构转角可调的棘轮机构 用遮板调节棘轮转角动画用遮板调节棘轮转角动画3.3.33.3.3、 棘轮机构的特点与应用棘轮机构的特点与应用 棘轮机构结构简单, 加工容易, 改变转角大小方便, 可实

16、现送进、 制动及超越等功能, 故广泛应用于各种自动机械和仪表中。 其缺点是在运动开始和终止时, 棘轮和棘爪间都产生冲击, 因此不宜用在具有很大质量的轴上。 棘轮机构还常用作防止机构逆转的停止器。这类停止器广泛用于卷扬机、提升机以及运输机中。 棘轮机构防止逆转动画棘轮机构防止逆转动画(3D)(3D)3.4 3.4 槽轮机构槽轮机构3.4.1. 3.4.1. 槽轮机构的工作原理槽轮机构的工作原理 槽轮机构如图所示, 由带圆(柱)销A的主动拨盘1、 具有径向槽的从动槽轮2和机架组成。 拨盘作匀速转动时, 驱动槽轮作时转、 时停的单向间歇运动。 2133.4.2 3.4.2 槽轮机构的类型、特点及应用

17、槽轮机构的类型、特点及应用 槽轮机构有两种基本形式：一是外啮合槽轮机构, 如图所示, 其拨盘1与槽轮2转向相反；12槽轮机构动画槽轮机构动画 双圆销外啮合槽轮机构动画双圆销外啮合槽轮机构动画 二是内啮合槽轮机构, 如图所示, 其拨盘1与槽轮2转向相同。 一般常用外啮合槽轮机构。拨盘12内啮合槽轮机构动内啮合槽轮机构动画画空间槽轮机构动画空间槽轮机构动画 槽轮机构结构简单、 工作可靠, 机械效率高, 在进入和脱离接触时运动比较平稳, 能准确控制转动的角度。 但槽轮的转角不可调节, 故只能用于定转角的间歇运动机构中, 如自动机床、 电影机械、 包装机械等。 电影放映机卷片机构动画电影放映机卷片机构

18、动画 又如图所示的六角车床刀架的转位槽轮机构, 刀架3上可装六把刀具并与具有相应的径向槽的槽轮2固连, 拨盘上装有一个圆销A。 拨盘每转一周, 圆销A进入槽轮一次, 驱使槽轮(即刀架)转60, 从而将下一工序的刀具转换到工作位置。转塔刀架动画转塔刀架动画(3D)(3D)3.4.3 3.4.3 槽轮槽数槽轮槽数z z和拨盘圆柱销数和拨盘圆柱销数k k的选择的选择 在一个运动循环内，槽轮2的运动时间与拨盘1的运动时间之比称为运动系数，用 表示。当拨盘1作等速转动时，也可用转角之比来表示。 由于运动系数应当小于1，故由上式得22ZkZ 有关棘轮机构和槽轮机构的设计，可参阅机械设计手册等。1222222mtzztzpppp3.5 3.5 不完全齿轮机构和凸轮式间歇运动机构不完全齿轮机构和凸轮式间歇运动机构3.5.1 3.5.1 不完全齿轮机构不完全齿轮机构1不完全齿轮机构的工作原理和类型不完全齿轮机构的工作原理和类型 不完全齿轮机构是由普通渐开线齿轮机构演化而成的间歇运动机构，其基本结构型式分为外啮合与内啮合两种，如下图所示。 不完全齿轮内啮合机构动画不完全齿轮内啮合机构动画 不完全外啮合齿轮机构动画不完全外啮合齿轮机构动画2.不完全齿轮机构的特点及用途 不完全齿轮机构结构简单、制造方便，从动轮的运动时间和静止时间的比例不受机构结构的限制。一般仅用于低速、轻载场合，如计数机构及