机械原理课件-6凸轮机构及其设计

1、6.1概概 述述 Chapter 6 Cam Mechanisms and Design6.2凸轮机构的分类及封闭形式凸轮机构的分类及封闭形式 凸轮机构的类型很多，根据从动件的运动形式，可分为直凸轮机构的类型很多，根据从动件的运动形式，可分为直动和摆动两类。根据凸轮形状、从动件形状、封闭形式的不同，动和摆动两类。根据凸轮形状、从动件形状、封闭形式的不同，凸轮机构有如下类型。凸轮机构有如下类型。 第一第一、直动从动件凸轮机构，如图、直动从动件凸轮机构，如图6-1中的中的(a)-(e)、(i)、(j)所示。所示。 第二第二、摆动从动件凸轮机构，如图、摆动从动件凸轮机构，如图6-1中的中的(f)-(

2、h) 所示。所示。 第三第三、从动件与凸轮以力封闭的凸轮机构，如图、从动件与凸轮以力封闭的凸轮机构，如图6-1 (c)所示。所示。 第四第四、从动件与凸轮以几何封闭的凸轮机构，如图、从动件与凸轮以几何封闭的凸轮机构，如图6-1 (i)、(j)所示。所示。平面凸轮机构的基本类型如下图所示。平面凸轮机构的基本类型如下图所示。 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j)图图6-1凸轮机构的类型凸轮机构的类型(a)2eV21r01AB3CV2(1) 偏置直动尖底从动件盘形凸轮机构偏置直动尖底从动件盘形凸轮机构(b)11V223图图6-1a 偏置直动尖底从动件盘形凸轮

3、机构偏置直动尖底从动件盘形凸轮机构二维动画二维动画(a)2eV21r01AB3C(1) 偏置直动尖底从动件盘形凸轮机构偏置直动尖底从动件盘形凸轮机构图图6-1a 偏置直动尖底从动件盘形凸轮机构偏置直动尖底从动件盘形凸轮机构三维动画三维动画(2) 偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构(a)e2V2C3D1r01AB(b)11V223e2V2图图61b 偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构二维动画二维动画(a)e2V2C3D1r01AB图图6-1b 偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构三维动画三维动画(3) 偏置直动平底从动件

4、盘形凸轮机构偏置直动平底从动件盘形凸轮机构(a)32eBC1r01Ae(b)11V223图图61c 偏置直动平底从动件盘形凸轮机构偏置直动平底从动件盘形凸轮机构二维动画二维动画(a)32eBC1r01A图图61c 偏置直动平底从动件盘形凸轮机构偏置直动平底从动件盘形凸轮机构三维动画三维动画(4) 摆动尖底从动件盘形凸轮机构摆动尖底从动件盘形凸轮机构11ABr0223CD(a)12211322(b)图图61f 摆动尖底从动件盘形凸轮机构摆动尖底从动件盘形凸轮机构11ABr0223CD(a)图图61f 摆动尖底从动件盘形凸轮机构摆动尖底从动件盘形凸轮机构三维动画三维动画(b)11322(5) 摆动

5、滚子从动件盘形凸轮机构摆动滚子从动件盘形凸轮机构(a)223CD11ABr0223CD11ABr0图图61g 摆动滚子从动件盘形凸轮机构摆动滚子从动件盘形凸轮机构(a)223CD11ABr0图图61g 摆动滚子从动件盘形凸轮机构摆动滚子从动件盘形凸轮机构三维动画三维动画(6) 摆动平底从动件盘形凸轮机构摆动平底从动件盘形凸轮机构11322(b)11Ar0223C(a)D11Ar023CD图图61h摆动平底从动件盘形凸轮机构摆动平底从动件盘形凸轮机构11Ar0223C(a)D图图61h摆动平底从动件盘形凸轮机构摆动平底从动件盘形凸轮机构三维动画三维动画(7) 盘形沟槽凸轮机构盘形沟槽凸轮机构11

6、O123V2(a) (b) 图图61i三维动画三维动画(8) 移动凸轮机构移动凸轮机构V11V223(a) (b) V11V223图图6-1e三维动画三维动画(9) 力封闭凸轮机构力封闭凸轮机构23V311O1r045(a) (b) 11O1r0图图6-1c力封闭力封闭(10) 等宽凸轮机构等宽凸轮机构32V21O11V211O132(a) (b) 图图61j(11) 共轭凸轮机构共轭凸轮机构1O1123(b)(a)图图61kr0001002ADCB1BOtS图图6-2对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构r0001002ADCB1BOtS000102h多项式运动规律的一

7、般表达式为多项式运动规律的一般表达式为) 16(332210CCCCCSnn CC VStC a Vt。 6.3.6.3.1 1一次多项式规律一次多项式规律推程：推程： S = h/0回程回程：S = h (1 -/0)V = h/0V = - h/0a = 0a = 0h/08+ooosav0h0h/08+8图图6-3 推程推程回程回程图图6-4二次多项式运动曲线二次多项式运动曲线h0 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / 200aosooVS = C0 + C1 + C22 + C33 + C44 + C55V =

8、 dS / dt = C1+2 C2+3 C32+ 4 C43 +5 C54 (6-7) a = dV / dt = 2 C22+6 C32+ 12 C422+20 C523 推程时其边界条件为推程时其边界条件为)61510(550440330hhhST)306030(450340230hhhVT235024030)12018060(hhhaT)61510(550440330hhSH)306030(4403302200hVH)12018060(3302200202haHh图图6-5 五次多项式运动曲线五次多项式运动曲线O0SOOaV0/26.3.4 6.3.4 余弦加速度运动规律余弦加速度运动

9、规律(简谐运动规律简谐运动规律)/cos(1 5 . 00hST)/cos(1 5 . 00hSH)2/()/sin(00hVT)2/()/sin(00hVH)2/()/cos(20022haT)2/()/cos(20022haHh图图66余弦加速度规律运动曲线余弦加速度规律运动曲线OSOOaV0/206.3.5 6.3.5 正弦加速度运动规律正弦加速度运动规律(摆线运动规律摆线运动规律)/2sin(21)/(00 hST)2sin(211 00 hSH)/2cos(1 00hVT)/2cos(1 00hVH)/2sin(20202haT)/2sin(20202haH图图67正弦加速度运动正弦

10、加速度运动 曲线曲线hOSOOaV0/2016.46.4盘形凸轮轮廓曲线的作图法设计盘形凸轮轮廓曲线的作图法设计 -13302211OOS0010025101520h6.4.1 对心直动尖底从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计对心直动尖底从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计 -6.4.1对心直动尖底从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计对心直动尖底从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计 2345671089D1715161412201918111310r0OCAB(b) 作图过程作图过程11171516141312201918DC图图6-8 对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓线设计对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓线设计12345671

11、089AB-r0O图图6 -9 偏置直动尖底从动件盘形凸轮轮廓曲线设计偏置直动尖底从动件盘形凸轮轮廓曲线设计-234598761001e6.4.46.4.4偏置直动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计偏置直动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计 -eO图图6-11 对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓线设计对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓线设计2461080A1357911171516141312201918-r0O二维动画二维动画xyB0VCBdS/dr0S-Or0ddSdtddtdSVOPOPVVP/6.5.1直动平底从动件盘形凸轮轮廓曲线的解析法设计直动平底从动件盘形凸轮轮廓曲线的解析法设计 P凸轮实际

12、廓线方程凸轮实际廓线方程(B点坐标方程点坐标方程)为为xyB0VCBdS/dPr0S-Or0)116(sin)d/d(cos)(cos)d/d(sin)(00SSrySSrx(x , y)SBS0nBnS0 xy-r0OB0rge1图图6-13偏置直动滚子从动件盘形凸轮轮廓线设计偏置直动滚子从动件盘形凸轮轮廓线设计 SBS0nBnS0 xy-r0OB0rge1图图6-13偏置直动滚子从动件盘形凸轮轮廓线设计偏置直动滚子从动件盘形凸轮轮廓线设计)136(sincos)(cossin)(00eSSyeSSxSBS0nBnS0 xy-r0OB0rge1SBS0nBnS0 xy-r0OB0rge1图图

13、6-13偏置直动滚子从动件盘形凸轮轮廓线设计偏置直动滚子从动件盘形凸轮轮廓线设计SBS0nBnS0 xy-r0OB0rge1 )146(cossin/tanddyddxdydx)156(sin)()(coscos)()(sin00SSeddSddySSeddSddx2222)/()/(/cos)/()/(/sinddyddxddyddyddxddx)166(sincosggryyrxxSBS0nBnS0 xy-r0OB0rge1yOa0lA0B00lxr0AB-(a)223CD11ABr0图图61g 摆动滚子从动件盘形凸轮机构摆动滚子从动件盘形凸轮机构三维动画三维动画图图6.5F01摆动滚子从

14、动件盘形凸轮轮廓线方程摆动滚子从动件盘形凸轮轮廓线方程yOa0lA0B00lxr0AB-)01F5 . 6()cos(cos)sin(sin00laylaxGer0S0SL21L1rgAPOr0C1234nnBF12F43DDEF43Exy3434图图6-14 偏置直动滚子从动件盘偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构的受力分析形凸轮机构的受力分析凸轮机构的基本尺寸凸轮机构的基本尺寸包括理论基圆半径包括理论基圆半径r0、滚、滚子半径子半径rg、从动件的安装、从动件的安装结构尺寸结构尺寸L1和和L2、正负偏、正负偏置距置距e和压力角和压力角，如图，如图6-14所示。所示。 )176(0cos)(cos)

15、(0sinsincos0coscossin340214334014334433443323443344332SSLLFSSLFFFFGFFFEDEDED在图在图6-14中，凸轮中，凸轮1给滚子给滚子2的驱动力为的驱动力为F12，滚子，滚子2给给推杆推杆3的作用力的作用力F23F12，机架，机架4在在D、E两点给推杆两点给推杆3的作用的作用力分别为力分别为F43D、F43E，推杆，推杆3上总阻力为上总阻力为G，推杆，推杆3上的惯性上的惯性力不计。由推杆力不计。由推杆3的力平衡条件的力平衡条件Fx，Fy和和MA得得化简后得作用力化简后得作用力F23与总阻力与总阻力G的关系为的关系为 )186(ta

16、nsin/)(21 /cos3420123LSSLGF若当量摩擦角若当量摩擦角340，则得理想状态下的作用力，则得理想状态下的作用力F230G/cos。此时机械效率。此时机械效率为为)196(tantan/ )(21 1/3420123230LSSLFF为了提高机械效率，规定凸轮机构的最大压力角为了提高机械效率，规定凸轮机构的最大压力角max小小于许用压力角于许用压力角。在推程阶段，当推杆作移动时，。在推程阶段，当推杆作移动时，30；当推杆作摆动时，当推杆作摆动时，3545。在回程阶段，。在回程阶段，7080。 Ger0S0SL21L1rgAPOr0C1234nnBF12F43DDEF43Ex

17、y3434图图6-14 偏置直动滚子从动件盘偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构的受力分析形凸轮机构的受力分析在图在图6-14中，由直角中，由直角ACP得关于压力角得关于压力角的函数式为的函数式为 )206()/()d/d()/()(tan5 . 02200SereSSSeOP)216(tan/ )d/d(220eSeSrminrr rr min rr = minmin rrminrrmin(a)(b)(c)6.6.46.6.4平底最小长度的确定平底最小长度的确定 xyB0VCBdS/dPS0S-Or0-xVCBdS/dPS0S12)-(6mm)75()dd()dd(maxmax回程推程SSL6.7

18、6.7凸轮机构的应用凸轮机构的应用 1234图图6-16是发动机图是发动机图2-7a中的凸轮配气机构，当凸轮中的凸轮配气机构，当凸轮转动时，移动从动件转动时，移动从动件2作间作间歇的上下运动，从而实现气歇的上下运动，从而实现气门的开与闭。门的开与闭。 图图6-16汽车发动机的配气机构汽车发动机的配气机构1汽车发动机的配气机构汽车发动机的配气机构2.家用缝纫机的送布机构家用缝纫机的送布机构图图6 -17家用缝纫机的送布机构家用缝纫机的送布机构CAEG1B1DF24567893P送布送布返回返回下降下降抬抬高高送料齿板送料齿板布料板布料板P点的运动轨迹点的运动轨迹针距座针距座H3.曲柄滑块与凸轮组

19、合的块状物料推送机构曲柄滑块与凸轮组合的块状物料推送机构 hAB112147ab1K3K2K1K4K56KB2b2358C1C2DE图图6 -18曲柄滑块与凸轮组合的块状物料推送机构曲柄滑块与凸轮组合的块状物料推送机构 (a) (b)图图6.8F02 两圆柱体的接触应力两圆柱体的接触应力 21FbnO1O2LHH21Fbn2HL (c) (d) 为凸轮和从动件的弹性模量为凸轮和从动件的弹性模量为凸轮和从动件材料的波松比。为凸轮和从动件材料的波松比。 中的中的为综合曲率，为综合曲率，分别分别为两圆柱体的半径，为两圆柱体的半径，号用于外接触号用于外接触号用于内号用于内接触。接触。凸轮副的许用接触应力凸轮副的许用接触应力 凸轮机构的结构设计凸轮机构的结构设计 图图6.8