凸轮机构 机械设计基础课件

1、张家港校区张家港校区第第3章章 凸轮机构凸轮机构31 凸轮机构的应用和类型凸轮机构的应用和类型32 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律33 凸轮机构的压力角凸轮机构的压力角34 图解法设计凸轮的轮廓图解法设计凸轮的轮廓35 解析法设计凸轮的轮廓解析法设计凸轮的轮廓张家港校区张家港校区应用：应用：送料机构送料机构、靠模车削机构靠模车削机构、配气机构配气机构、冲床机构冲床机构等。等。特点：特点：滚子滚子磨损小，应用广；磨损小，应用广；平底平底受力好、润滑好，用于高速传动。受力好、润滑好，用于高速传动。尖顶构造简单、易磨损、用于仪表机构；尖顶构造简单、易磨损、用于仪表机构；31凸轮机构凸轮机构

2、的应用和类型的应用和类型结构：结构：三个构件、三个构件、盘盘(柱柱)状曲线轮廓、从动件呈杆状。状曲线轮廓、从动件呈杆状。优点：优点：可精确实现任意运动规律，简单紧凑。可精确实现任意运动规律，简单紧凑。缺点：缺点：高副，线接触，易磨损，传力不大。高副，线接触，易磨损，传力不大。作用：作用：将连续回转将连续回转 = 从动件从动件直线移动或摆动直线移动或摆动。分类：分类： 1)按凸轮形状分：按凸轮形状分：圆锥圆锥、移动移动、圆柱圆柱、盘形盘形凸轮凸轮。2) 按推杆形状：按推杆形状：尖顶尖顶、滚子滚子、平底平底从动件。从动件。张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区张家港

3、校区靠模车削移动凸轮机构张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区3) 按推杆运动分：按推杆运动分：直动直动(对心、偏置对心、偏置)、 摆动摆动内燃机气门机构内燃机气门机构4) 按保持接触方式分：按保持接触方式分： 力封闭力封闭（重力、弹簧等）（重力、弹簧等）几何形状封闭几何形状封闭(凹槽、等宽、等径凸轮凹槽、等宽、等径凸轮)优点：优点：只需要设计适当的轮廓曲线，从动件便可获得任意的运只需要设计适当的轮廓曲线，从动件便可获得任意的运动规律，且结构简单、紧凑、设计方便。动规律，且结构简单、紧凑、设计方便。缺点：缺点：线

4、接触，容易磨损。线接触，容易磨损。12刀架刀架o机床进给机构机床进给机构张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区设计：潘存云ots 32 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律凸轮机构设计的基本任务凸轮机构设计的基本任务: : 1) 1)根据工作要求选定凸轮机构的形式根据工作要求选定凸轮机构的形式; ;名词术语：名词术语：一、一、推杆的常用运动规律推杆的常用运动规律基圆、基圆、推程运动角、推程运动角、基圆半径、基圆半径、推程、推程、远休止角、远休止角、回程运动角、回程运动角、回程、回程、近休止角、近休止角、行程：行程：h h（最大位移）。（最大位移）。

5、rminh 1A2)2)推杆运动规律推杆运动规律; ;3)3)合理确定结构尺寸合理确定结构尺寸; ;4)4)设计轮廓曲线。设计轮廓曲线。 s sSsDBCB张家港校区张家港校区张家港校区张家港校区运动规律：运动规律：推杆在推程或回程时，其位移推杆在推程或回程时，其位移S S、速度、速度V、 和加速度和加速度a随时间随时间t 的变化规律。的变化规律。形式：形式：多项式、三角函数。多项式、三角函数。S=SS=S (t)(t)V= =V (t)(t)a= =a (t)(t)设计：潘存云ots rminh 1A s sSsDBCB张家港校区张家港校区一、多项式运动规律一、多项式运动规律一般表达式：一般

6、表达式：2012nnsCCCC求一阶导数得速度方程：求一阶导数得速度方程：1122nndsvCCnCdt求二阶导数得加速度方程：求二阶导数得加速度方程：22222326(1)nndvaCCn nCdt 张家港校区张家港校区1.1.等速运动（一次多项式）运动规律等速运动（一次多项式）运动规律推程运动方程：推程运动方程：0hshva回程运动方程：回程运动方程：()0shshhva svah+刚性冲击刚性冲击张家港校区张家港校区设计：潘存云h2.2.余弦加速度余弦加速度( (简谐简谐) )运动规律运动规律123 456在起始和终止处理论上在起始和终止处理论上a为有限值，产生柔性冲击。为有限值，产生柔

7、性冲击。123456推程：推程：222(1 cos)2sin2cos2hshvha 回程回程:2221 cos()2sin()2cos()2ssshshvha s sv va张家港校区张家港校区设计：潘存云v2s 2a 2111hooot t正弦改进等速正弦改进等速三、改进型运动规律三、改进型运动规律将几种运动规律组合，以改善将几种运动规律组合，以改善运动特性。运动特性。+-vsahooo张家港校区张家港校区设计：潘存云OB1定义：定义：正压力与推杆上力作用点正压力与推杆上力作用点B速度方向间的夹角速度方向间的夹角 F F ，若若大到一定程度时，会有：大到一定程度时，会有：机构发生自锁。机构发

8、生自锁。33 凸轮机构的压力角凸轮机构的压力角nn一、压力角与作用力的关系一、压力角与作用力的关系不考虑摩擦时，作用力沿法线方向。不考虑摩擦时，作用力沿法线方向。FFFF-有用分力有用分力, 沿导路方向沿导路方向F-有害分力，垂直于导路有害分力，垂直于导路F =F tg F 一定时，一定时， F Ff F FF Ff为了保证凸轮机构正常工作，要求：为了保证凸轮机构正常工作，要求： 张家港校区张家港校区设计：潘存云OB1二、压力角与凸轮机构尺寸之间的关系二、压力角与凸轮机构尺寸之间的关系P点为速度瞬心，点为速度瞬心， 于是有：于是有：v=lOP1r rmin min = 30= 30 -直动从动

9、件；直动从动件； = = 354545-摆动从动件；摆动从动件； = = 708080-回程。回程。nnP lOP =v2/1eds2/d= ds2 /d= lOC + lCP lCP = lOC = elCP = ds2/d- - e tg = S2 + r2min - e2ds2/d- - eC (S2+S0 )tg S0= r2min-e2若发现设计结果若发现设计结果 ，可增大可增大rmin s0s2Dv2v2r rminmin张家港校区张家港校区设计：潘存云OB1 ds2/d 得：得： tg = S2 + r2min - e2ds2/d + + enn同理，当导路位于中心左侧时，有：同

10、理，当导路位于中心左侧时，有：lOP =lCP- - lOC lCP = ds2/d + + e 于是：于是： tg = S2 + r2min - e2ds2/d ee“+ +” 用于导路和瞬心位于中心两侧；用于导路和瞬心位于中心两侧；“- -” 用于导路和瞬心位于中心同侧；用于导路和瞬心位于中心同侧；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。注意：注意：用偏置法可减小推程压力角，但同时增大了回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 不能太大。不能太大。PC lCP = (S2+S0 )tg S0= rm

11、in2-e2r rminmins0s2D正确偏置：正确偏置：导路向推程相对速度瞬心的同侧偏置。导路向推程相对速度瞬心的同侧偏置。张家港校区张家港校区设计：潘存云nn提问：对于平底推杆凸轮机构：提问：对于平底推杆凸轮机构： ？0 0v2O1r rminmin张家港校区张家港校区1.1.凸轮廓线设计方法的基本原理凸轮廓线设计方法的基本原理34 图解法图解法设计凸轮轮廓设计凸轮轮廓2.2.用作图法设计凸轮廓线用作图法设计凸轮廓线1)1)对心直动尖顶从动件盘形凸轮对心直动尖顶从动件盘形凸轮3)3)滚子直动从动件盘形凸轮滚子直动从动件盘形凸轮4)4)对心直动平底从动件盘形凸轮对心直动平底从动件盘形凸轮2

12、)2)偏置直动尖顶从动件盘形凸轮偏置直动尖顶从动件盘形凸轮5)5)摆动尖顶从动件盘形凸轮机构摆动尖顶从动件盘形凸轮机构张家港校区张家港校区设计：潘存云一、凸轮廓线设计方法的基本原理一、凸轮廓线设计方法的基本原理反转原理：反转原理：依据此原理可以用几何作图的方法依据此原理可以用几何作图的方法设计凸轮的轮廓曲线，例如：设计凸轮的轮廓曲线，例如： 给整个凸轮机构施以给整个凸轮机构施以- -1时，不影响各构件之间时，不影响各构件之间的相对运动，此时，凸轮将静止，而从动件尖顶复合的相对运动，此时，凸轮将静止，而从动件尖顶复合运动的轨迹即凸轮的轮廓曲线运动的轨迹即凸轮的轮廓曲线。尖顶凸轮绘制动画尖顶凸轮绘

13、制动画滚子凸轮绘制动画滚子凸轮绘制动画O O - -13311223 33 31 11 12 22 21张家港校区张家港校区设计：潘存云60rmin120-111对心直动尖顶从动件凸轮机构中，已知对心直动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径凸轮的基圆半径rmin，角速度，角速度1和从动和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。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 rminmin。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

14、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。1.1.对心直动尖顶对心直动尖顶从动件从动件盘形凸轮盘形凸轮135782345 67 8910111213149090A1876543214131211109二、直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制二、直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制 6012090901 3 5 7 8911 13 15s2 91113121410张家港校区张家港校区设计：潘存云911 13 151 3 5 7 8O OeA A偏置直动尖顶从动件凸轮机构中，偏置直动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径已知凸轮的基圆半径rmin，角速度，角速度1和从动件的运动规律和偏心距和从动件的

15、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。2.2.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13578911131214-11612345781514131211109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 rminmin; ; 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 601209090s

16、2 张家港校区张家港校区设计：潘存云s2 911 13 151 3 5 7 8rminA120-11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 rminmin。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子圆的内( (外外) )包络线。

17、包络线。3.3.滚子直动从动件盘形凸轮滚子直动从动件盘形凸轮滚子直动从动件凸轮机构中，已知凸轮滚子直动从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径的基圆半径rmin，角速度，角速度1和从动件的和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。 6012090901张家港校区张家港校区设计：潘存云a工作轮廓的曲率半径，工作轮廓的曲率半径，理论轮廓的曲率半径，理论轮廓的曲率半径， rT滚子半径滚子半径rT arT rT 轮廓失真轮廓失真滚子半径的确定滚子半径的确定arT rT arT0轮廓正常轮廓正常轮廓变尖轮廓变尖内凹内凹arTrTrT rT arT 轮廓正常轮廓正常外凸外凸rTa张

18、家港校区张家港校区设计：潘存云s2 911 13 151 3 5 7 8rmin对心直动平底从动件凸轮机构中，已知对心直动平底从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径凸轮的基圆半径rmin，角速度，角速度1和从动和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。设计步骤：设计步骤：选比例尺选比例尺l作基圆作基圆r rminmin。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。4.4.对心直动平底对心直动平底从动件从

19、动件盘形凸轮盘形凸轮8765432191011121314-11A13578911131214123456781514131211109 601209090张家港校区张家港校区设计：潘存云对平底推杆凸轮机构，也有失真现象。对平底推杆凸轮机构，也有失真现象。Ormin可通过增大可通过增大r rminmin解决此问题。解决此问题。rmin张家港校区张家港校区设计：潘存云120B11 1rmin 601209090 摆动从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径摆动从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角，角速度速度1，摆杆长度，摆杆长度l以及摆杆回转中心与凸轮回转中心以及摆杆回转中心与凸轮回转中

20、心的距离的距离d，摆杆角位移方程，设计该凸轮轮廓曲线。，摆杆角位移方程，设计该凸轮轮廓曲线。三、摆动三、摆动从动件从动件盘形凸轮机构盘形凸轮机构12345 6 7 85678B1B2B3B4B5B6B7B860 90 1-1dABl1 2 3 4B22 2B33 3B44 4B55 5B66 6B77 7A1A2A3A4A5A6A7A8张家港校区张家港校区设计：潘存云B0OB1S0S235 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 S2=S=S2(1) )、1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= (S2+S+S0 0) )2 2 + e + e2 2原理：原理：反转法。反转法。=1+ +0其中：其中： S S0 0 = r = r2 2minmin e e2