第四章机械结构

1、机机 械械 原原 理理电子教案第四章 凸轮机构及其设计哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学制作：焦映厚制作：焦映厚第四章第四章 凸轮机构及其设计凸轮机构及其设计从动件从动件凸轮凸轮滚子滚子机架机架一、凸轮机构的应用盘形凸轮机构盘形凸轮机构在印刷机中的应用在印刷机中的应用等经凸轮机构等经凸轮机构在机械加工中的应用在机械加工中的应用4-1 凸轮机构的应用及分类利用分度凸轮利用分度凸轮机构实现转位机构实现转位圆柱凸轮机构圆柱凸轮机构在机械加工中的应用在机械加工中的应用二、凸轮机构的分类二、凸轮机构的分类凸轮机构分类凸轮机构分类1、按两活动构件之间、按两活动构件之间 相对运动特性分类相对运动特性分类2、按从动

2、件运动副、按从动件运动副 元素形状分类元素形状分类3、按凸轮高副的锁合、按凸轮高副的锁合 方式分类方式分类平面凸轮机构平面凸轮机构空间凸轮机构空间凸轮机构盘形凸轮盘形凸轮移动凸轮移动凸轮 尖顶从动件尖顶从动件滚子从动件滚子从动件平底从动件平底从动件力锁合力锁合形锁合形锁合直动从动件直动从动件摆动从动件摆动从动件平面复杂运动平面复杂运动1、按两活动构件之间的相对运动特性分类、按两活动构件之间的相对运动特性分类（1）平面凸轮机构）平面凸轮机构 1）盘形凸轮）盘形凸轮 2）移动凸轮）移动凸轮图图 4-3 （ 2）空间凸轮机构空间凸轮机构空间凸轮机构空间凸轮机构图图 4-52、按从动件运动副元素形状分

3、类按从动件运动副元素形状分类（1） 直动尖顶从动件对心直动尖顶从动件对心直动尖顶从动件偏心直动尖顶从动件偏心直动尖顶从动件对心直动滚子从动件对心直动平底从动件（2）直动滚子从动件（3）直动平底从动件 根据运动形式的不同，以上三种从动件还根据运动形式的不同，以上三种从动件还可分为直动从动件，摆动从动件，平面复杂运可分为直动从动件，摆动从动件，平面复杂运动从动件。动从动件。摆动滚子从动件摆动滚子从动件摆动尖顶从动件摆动尖顶从动件摆动平底从动件摆动平底从动件平面复杂运动从动件平面复杂运动从动件3、按凸轮高副的锁合方式分类图 4-6，图 4- 7，图 4- 8 形锁合 图4-1 力锁合凸轮机构的优缺点

4、：凸轮机构的优缺点： 只要设计出适当的凸轮轮廓，即只要设计出适当的凸轮轮廓，即可使从动件实现预期的运动规律；结可使从动件实现预期的运动规律；结构简单、紧凑、工作可靠。构简单、紧凑、工作可靠。 凸轮为高副接触（点或线），压凸轮为高副接触（点或线），压强较大，容易磨损，凸轮轮廓加工比强较大，容易磨损，凸轮轮廓加工比较困难，费用较高。较困难，费用较高。优点：优点：缺点：缺点：4-2 4-2 从动件运动规律及其选择从动件运动规律及其选择一、凸轮机构的运动循环及基本名词术语一、凸轮机构的运动循环及基本名词术语进入进入 CAI 教学软件教学软件二、从动件运动规律二、从动件运动规律进入进入 CAI 教学软件

5、教学软件三、从动件运动规律的选择三、从动件运动规律的选择 在选择从动件的运动规律时，除要考虑在选择从动件的运动规律时，除要考虑刚性冲击与柔性冲击外，还应该考虑各种运刚性冲击与柔性冲击外，还应该考虑各种运动规律的速度幅值动规律的速度幅值 、加速度幅值、加速度幅值 及其影响加以分析和比较。及其影响加以分析和比较。maxvmaxamaxvmaxmvmaxvmaxamaxmamaxa因此：对于重载凸轮机构，应选择 较小的运动规律；对于高速凸轮机构，宜选择 值较小的运动规律。maxvmaxa表 4-2 若干种从动件运动规律特性比较运动规律 )/(0maxhv)/(202maxha冲 击应用场合等速1.0

6、0刚 性低速轻负荷等加速等减速2.004.00柔 性中速轻负荷余弦加速度1.574.93柔 性中低速中负荷正弦加速度2.006.28中高速轻负荷3-4-5多项式1.885.77高速中负荷改进型等速1.338.38低速重负荷改进型正弦加速度1.765.53中高速重负荷改进型梯形加速度2.004.89高速轻负荷4-3 4-3 按预定运动规律设计盘形凸轮廓线按预定运动规律设计盘形凸轮廓线一、凸轮廓线设计的基本原理一、凸轮廓线设计的基本原理进入进入 CAI 教学软件教学软件二、尖顶、滚子从动件盘形二、尖顶、滚子从动件盘形 凸轮的设计原理凸轮的设计原理进入进入 CAI 教学软件教学软件1、直动从动件盘形

7、凸轮、直动从动件盘形凸轮（1）尖顶直动从动件盘形凸轮）尖顶直动从动件盘形凸轮 已知：从动件运动规律已知：从动件运动规律 ，尖，尖顶从动件导路相对于凸轮轴心顶从动件导路相对于凸轮轴心O的偏距的偏距e，凸，凸轮基圆半径及凸轮沿顺时针转动；要求：设轮基圆半径及凸轮沿顺时针转动；要求：设计凸轮轮廓计凸轮轮廓。)(ss(02 )cossin)(sincos)(00essyessxxyRxycossinsincosRxysse0 xyssecossinsincos02200-ers （2）滚子直动从动件盘形凸轮）滚子直动从动件盘形凸轮 1） 理论轮廓方程理论轮廓方程 2）工作轮廓方程）工作轮廓方程 滚子中

8、心的运动规律即为尖顶的运动规滚子中心的运动规律即为尖顶的运动规律。故按尖顶从动件求得的凸轮廓线，称为律。故按尖顶从动件求得的凸轮廓线，称为该滚子从动件凸轮的理论廓线。该滚子从动件凸轮的理论廓线。cossin)(sincos)(00essyessx2222)/()/(/)/()/(/ddyddxddxryYddyddxddyrxXrrcrrrcrrr0crrr0crrr刀具中心轨迹刀具中心轨迹理论廓线理论廓线实际廓线实际廓线刀具中心轨迹刀具中心轨迹理论廓线理论廓线实际廓线实际廓线图图 4-12a)b)进入进入 CAI 教学软件教学软件2、摆动从动件盘形凸轮、摆动从动件盘形凸轮 已知：摆动从动件运

9、动规律已知：摆动从动件运动规律 ，从动件长度从动件长度l，中心距，中心距a，凸轮基圆半径，凸轮基圆半径r0及凸轮及凸轮沿顺时针转动；要求：设计凸轮轮廓。沿顺时针转动；要求：设计凸轮轮廓。)(摆动从动件盘形凸轮机构可分为两种：摆动从动件盘形凸轮机构可分为两种： 顺摆式，逆摆式顺摆式，逆摆式。xyRxyxyallcos()sin()00 xyRxy00sin()cos()lxalycossinR sincos00cos()cossinsin()sincosalxly 00sin()cossincos()sincoslxaly 00coscos()(02 )sinsin()xalyal00sinsi

10、n()(02 )coscos()xalyal 进入进入 CAI 教学软件教学软件三、平底直动从动件盘形凸轮三、平底直动从动件盘形凸轮实际上是实际上是“反转反转”过程中从动件平底一系列位置的过程中从动件平底一系列位置的包络线。包络线。 已知：从动件运已知：从动件运动规律动规律 ，从动件平底导路相对从动件平底导路相对于凸轮轴心于凸轮轴心O的偏距的偏距为为e，从动件平底与，从动件平底与导路的夹角导路的夹角 ，凸轮基圆半径凸轮基圆半径 及凸及凸轮沿顺时针转动。要轮沿顺时针转动。要求：设计凸轮轮廓。求：设计凸轮轮廓。)(ss 900rYkXb0tan(90)cotcos /sink0()/sinbrs0

11、()cossinsinrsYX 0(, , )cossin()0f X YXYrs(, , )/sincos0dsf X YXYd )20(cossin)(sincos)(00ddssrYddssrX进入进入 CAI 教学软件教学软件4-4 盘形凸轮机构基本尺寸的确定 压力角压力角 是从动件与凸轮轮是从动件与凸轮轮廓接触点廓接触点B处所受正压力的方处所受正压力的方向（即凸轮轮廓在该点法线向（即凸轮轮廓在该点法线N-N的方向）与从动件上点的方向）与从动件上点B的的速度方向之间所夹的锐角。速度方向之间所夹的锐角。一、压力角一、压力角 及其许用值及其许用值01121tan2cos()(1)sin()

12、tansinMbMl式式 4-7 221RFNNB12P12RF12F121122cos()(1)sin()tanQFbl12tan)21/(1arctanlbc式式 4-8临界压力角临界压力角 c： 在工程实际中，为保证机械效率，改善在工程实际中，为保证机械效率，改善受力情况，通常规定凸轮机构的最大压力角受力情况，通常规定凸轮机构的最大压力角 应小于或等于某一许用压力角应小于或等于某一许用压力角 。maxmax 即：即：2112tan1tanbl根据实践经验，推荐的许用压力角取值为根据实践经验，推荐的许用压力角取值为:推程：推程：直动从动件取直动从动件取 ；摆动从动件取摆动从动件取 ；304

13、03545 回程：回程： 直动和摆动从动件荐取直动和摆动从动件荐取 。7080二、按许用压力角 确定凸轮机构的基本尺寸 NNB12P12P是凸轮是凸轮 1与从动件与从动件 2的的相对速度瞬心。相对速度瞬心。o2121/OPds dsseddssseOP0012/tan式（式（4-9）式中：式中：2200ers* 压力角压力角 随凸轮基圆半径随凸轮基圆半径 的增大而减小的增大而减小，当基圆半径，当基圆半径 一定时，压力角一定时，压力角 随从动件的随从动件的位移位移 和类速度和类速度 的变化而变化。的变化而变化。0r0rdds/s 在凸轮轴心在凸轮轴心的许用区域内选的许用区域内选定凸轮轴心定凸轮轴

14、心O的的位置，凸轮基圆位置，凸轮基圆半径半径 和偏距和偏距 就确定了。就确定了。0re220/tands deres 对于直动从动件盘形凸轮机构，为了改善其传对于直动从动件盘形凸轮机构，为了改善其传力性能或减小凸轮尺寸，经常采用偏置凸轮机构力性能或减小凸轮尺寸，经常采用偏置凸轮机构。 偏置与推程时的偏置与推程时的相对瞬心相对瞬心P12位于凸位于凸轮轴心的同一侧。轮轴心的同一侧。 凸轮逆时针转动时，凸轮逆时针转动时，从动件导路应偏置于凸从动件导路应偏置于凸轮轴心的右侧。轮轴心的右侧。 凸轮顺时针转动凸轮顺时针转动时，从动件导路应偏时，从动件导路应偏于凸轮轴心的左侧。于凸轮轴心的左侧。12P12P

15、偏置方位确定：偏置方位确定：三、按凸轮轮廓全部外凸条件确定凸轮基圆半径三、按凸轮轮廓全部外凸条件确定凸轮基圆半径0r)20()()(min0 ssr)()(min0ssr )20(平底从动件盘形凸轮轮廓的外凸条件：平底从动件盘形凸轮轮廓的外凸条件：0r平底从动件盘形凸轮的基圆半径平底从动件盘形凸轮的基圆半径 ：四、滚子半径四、滚子半径 的选择的选择rrrar1. 凸轮理论轮廓的内凹部分凸轮理论轮廓的内凹部分工作轮廓曲率半径、理论轮廓曲率半径与滚子半工作轮廓曲率半径、理论轮廓曲率半径与滚子半径三者之间的关系为：径三者之间的关系为：2. 凸轮理论轮廓的外凸部分凸轮理论轮廓的外凸部分rar工作轮廓曲

16、率半径、理论轮廓曲率半径与滚子半工作轮廓曲率半径、理论轮廓曲率半径与滚子半径三者之间的关系为：径三者之间的关系为：进入进入 CAI 教学软件教学软件演示凸轮演示凸轮“外凸外凸”和和“内凹内凹”情情况况a不论选择多大的滚子，不论选择多大的滚子，都能作出工作轮廓都能作出工作轮廓rr0a可以作出凸轮可以作出凸轮的工作轮廓的工作轮廓0arr能作出凸轮工作能作出凸轮工作轮廓，但出现了轮廓，但出现了“尖点尖点”。rr0a作出的工作轮廓出现作出的工作轮廓出现了相交的包络线。即了相交的包络线。即出现出现“失真失真”现象。现象。minrr一般推荐：一般推荐：=35mmarr4-5 空间凸轮机构简介空间凸轮机构简

17、介1. 圆柱凸轮机构圆柱凸轮机构空间圆柱分度凸轮机构空间圆柱分度凸轮机构2. 圆锥凸轮机构圆锥凸轮机构3. 弧面凸轮机构弧面凸轮机构 弧面分度凸轮机构弧面分度凸轮机构4. 球面凸轮机构球面凸轮机构4-6 凸轮机构例题凸轮机构例题1、设计偏心滚子从动件盘形凸轮机构。、设计偏心滚子从动件盘形凸轮机构。已知凸轮以等角速度逆时针方向回转，已知凸轮以等角速度逆时针方向回转，转速转速n=500 r/min，推程时，从动件以，推程时，从动件以正弦加速度上升，推程运动角为正弦加速度上升，推程运动角为1800，升程升程h=80mm，远休止为，远休止为300，回程时，回程时，从动件以正弦加速度下降，回程运动角从动

18、件以正弦加速度下降，回程运动角为为900，推程许用压力角，推程许用压力角 = 300，回，回程许用压力角程许用压力角 = 700，滚子半径，滚子半径 =10mm。12rr解：解：(1)、确定偏置位置、确定偏置位置 根据凸轮的转向确定偏根据凸轮的转向确定偏心的位置，选用右图结构形心的位置，选用右图结构形式，以减少机构尺寸，使偏式，以减少机构尺寸，使偏距位于凸轮中心右侧。距位于凸轮中心右侧。(2)、流程图设计、流程图设计 按许用压力角求出凸按许用压力角求出凸轮的最小基圆半径及相应轮的最小基圆半径及相应的偏距。确定基圆半径后，的偏距。确定基圆半径后，计算从动件的运动规律，计算从动件的运动规律，进而计算凸轮的理论廓线、进而计算凸轮的理论廓线、实际廓线和刀具中心轨迹。实际廓线和刀具中心轨迹。开 始 INPUT ,12 读入 ：hrnr,4321 GOSUB 5100 计 算er,min0 INPUTer ,0000103600STEPTOFOR流 程 图?4,4MM1,2MM2,32MM3,43MMGOSUB 5600计算远休止角中s, v, aGOSUB 5500计算 推 程s, v, aGOSU