清华大学-机械原理课件--凸轮机构

1、u机械原理网络教学课件机械原理网络教学课件第第3章章 凸轮机构凸轮机构I具有曲线轮廓的构具有曲线轮廓的构件通过高副带动从件通过高副带动从动件实现预期运动动件实现预期运动3.13.1凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型3.23.2从动件运动规律设计从动件运动规律设计3.33.3凸轮轮廓的设计凸轮轮廓的设计3.43.4凸轮机构根本尺寸确实定凸轮机构根本尺寸确实定3.53.5凸轮机构的计算机辅助设计凸轮机构的计算机辅助设计第第3 3章章 凸轮机构凸轮机构3.13.1凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型u3.1.1 凸轮机构的组成凸轮机构的组成u3.1.2 凸轮机构的类型凸轮机构的类型u3.1

2、.2 凸轮机构的应用凸轮机构的应用3.1.1 3.1.1 凸轮机构的组成凸轮机构的组成高副机构高副机构3.13.1凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型从动件从动件凸轮凸轮机架机架3.1.2 3.1.2 凸轮机构的类型凸轮机构的类型盘形凸轮：最根本的形式，结构简单，应用最为广泛盘形凸轮：最根本的形式，结构简单，应用最为广泛移动凸轮：凸轮相对机架做直线运动移动凸轮：凸轮相对机架做直线运动圆柱凸轮：空间凸轮机构圆柱凸轮：空间凸轮机构盘形凸轮盘形凸轮 按凸轮的形状分类按凸轮的形状分类移动凸轮移动凸轮圆柱凸轮圆柱凸轮3.13.1凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型 按从动件的形状分类按从动件的形

3、状分类尖端从动件尖端从动件曲面从动件曲面从动件u能与任意形状的凸轮轮能与任意形状的凸轮轮廓保持接触，从而使从动廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。件实现任意的运动规律。u尖端处极易磨损，只适尖端处极易磨损，只适用于低速场合。用于低速场合。u磨损比尖端从动件小磨损比尖端从动件小3.13.1凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型 滚子从动件滚子从动件 平底从动件平底从动件l滚动摩擦，磨损小滚动摩擦，磨损小l用于传递较大的动力用于传递较大的动力u从动件与凸轮之间易形从动件与凸轮之间易形成油膜，润滑好，受力平成油膜，润滑好，受力平稳，传动效率高稳，传动效率高u高速场合；但凸轮轮廓高速场合；但

4、凸轮轮廓须全部外凸须全部外凸 按从动件的形状分类按从动件的形状分类3.13.1凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型u按从动件的运动形式分类按从动件的运动形式分类移动从动件移动从动件u移动从动件移动从动件：从动件往复移动，运动轨迹为一段直线；从动件往复移动，运动轨迹为一段直线；u摆动从动件摆动从动件：从动件往复摆动，运动轨迹为一段圆弧。从动件往复摆动，运动轨迹为一段圆弧。摆动从动件摆动从动件3.13.1凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型小结：小结：u按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类 力锁合：弹簧力、从力锁合：弹簧力、从动件重力或其它外力动件重力或

5、其它外力 型锁合型锁合利用高副元利用高副元素本身的几何形状素本身的几何形状u槽两侧面的距离等于滚子直径；槽两侧面的距离等于滚子直径；u优点：锁合方式结构简单优点：锁合方式结构简单u缺点：加大了凸轮的尺寸和重量缺点：加大了凸轮的尺寸和重量槽凸轮机构槽凸轮机构3.13.1凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型u凸轮廓线上任意两条平行切线间凸轮廓线上任意两条平行切线间的距离都等于框架内侧的宽度的距离都等于框架内侧的宽度u缺点：从动件的运动规律的选择缺点：从动件的运动规律的选择受到一定的限制受到一定的限制 型锁合凸轮型锁合凸轮等宽凸轮机构等宽凸轮机构等径凸轮机构等径凸轮机构u两滚子中心间的距离始两滚

6、子中心间的距离始终保持不变终保持不变u缺点：从动件运动规律缺点：从动件运动规律的选择受到一定的限制的选择受到一定的限制3.13.1凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型主回凸轮机构主回凸轮机构( (共轭凸轮机构共轭凸轮机构) )u优点：优点：克服了等宽、等径凸轮的缺点克服了等宽、等径凸轮的缺点u缺点：缺点：结构复杂，制造精度要求高结构复杂，制造精度要求高一个凸轮推动从动一个凸轮推动从动件完成正行程运动，件完成正行程运动，另一个凸轮推动从另一个凸轮推动从动件完成反行程的动件完成反行程的运动运动 型锁合凸轮型锁合凸轮3.13.1凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型型锁合凸轮型锁合凸轮摆杆为主

7、动件，凸轮为从动件摆杆为主动件，凸轮为从动件 反凸轮机构反凸轮机构3.13.1凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型3.1.3 3.1.3 凸轮机构的应用凸轮机构的应用 3.13.1凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型 凸轮机构的特点凸轮机构的特点 凸轮机构的应用凸轮机构的应用u实现无特定运动规律要求的工作行程实现无特定运动规律要求的工作行程u实现有特定运动规律要求的工作行程实现有特定运动规律要求的工作行程u实现对运动和动力特性有特殊要求的工作行程实现对运动和动力特性有特殊要求的工作行程u实现复杂的运动轨迹实现复杂的运动轨迹凸轮机构的特点凸轮机构的特点u优点：优点：l构件少；结构简单、紧

8、凑构件少；结构简单、紧凑l可方便地设计出任意要求的从动件运动规律可方便地设计出任意要求的从动件运动规律u缺点：缺点：l高副接触，易磨损，用于受力不大的场合高副接触，易磨损，用于受力不大的场合3.1.3 3.1.3 凸轮机构的应用凸轮机构的应用实现无特定运动规律的工作行程实现无特定运动规律的工作行程例例1 1：车床床头箱利用凸轮机构实现变速操纵：车床床头箱利用凸轮机构实现变速操纵3.13.1凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型实现特殊运动规律的工作行程实现特殊运动规律的工作行程例例2 2：自动机床中利用凸轮实现自动进刀、退刀：自动机床中利用凸轮实现自动进刀、退刀3.13.1凸轮机构的组成与类

9、型凸轮机构的组成与类型实现对运动鹤动力有特殊要求的实现对运动鹤动力有特殊要求的工作行程工作行程例例3 3：船用柴油机中凸轮控制阀：船用柴油机中凸轮控制阀门的启闭门的启闭3.13.1凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型例例4 4：印刷机通过凸轮组合实现的吸纸吸头的复杂轨迹：印刷机通过凸轮组合实现的吸纸吸头的复杂轨迹3.13.1凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型3.2 3.2 从动件运动规律设计从动件运动规律设计u3.2.1 根底知识：凸轮机构的工作情况根底知识：凸轮机构的工作情况u从动件常用运动规律从动件常用运动规律u从动件运动规律的选择从动件运动规律的选择u从动件运动规律的组合从动件

10、运动规律的组合3.2.1 3.2.1 凸轮机构的工作情况凸轮机构的工作情况3.2.1 3.2.1 凸轮机构的工作情况凸轮机构的工作情况推程角推程角回程角回程角从动件位移线图从动件位移线图 3.2.1 3.2.1 凸轮机构的工作情况凸轮机构的工作情况从动件位移线图从动件位移线图 l基圆基圆以凸轮轮廓的最以凸轮轮廓的最小向径小向径rb所作的圆所作的圆l升程升程从动件上升的最从动件上升的最大距离大距离hu1.等速运动等速运动u2.等加速等减速等加速等减速(抛物线抛物线)运动运动u3.简谐运动简谐运动(余弦加速度运动余弦加速度运动)u4.摆线运动摆线运动(简介简介)u5. 3-4-5多项式运动多项式运

11、动(简介简介)3.2.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律3.2.2 3.2.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律u特点特点：速度有突变，加速度有突变，加速度理论上由零至无穷大，速度理论上由零至无穷大，从而使从动件产生巨大的从而使从动件产生巨大的惯性力，机构受到强烈冲惯性力，机构受到强烈冲击击刚性冲击刚性冲击u适应场合适应场合：低速轻载低速轻载 1.等速运动等速运动 2.等加速等减速等加速等减速(抛物线抛物线)运动运动3.2.2 3.2.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律22222442hahvhs等加速阶段2.等加速等减速等加速等减速(抛物线抛物线)运动运动22222442ha

12、hvhs等加速阶段 2.等加速等减速等加速等减速(抛物线抛物线)运动运动3.2.2 3.2.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律u特点特点：加速度曲线有突变，加加速度曲线有突变，加速度的变化率速度的变化率(即跃度即跃度j)在这些在这些位置为无穷大位置为无穷大柔性冲击柔性冲击u适应场合适应场合：中速轻载中速轻载 3.简谐运动简谐运动(余弦加速度运动余弦加速度运动)3.2.2 3.2.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律)cos(1 2hs推程u 当质点在圆周上作匀速运动当质点在圆周上作匀速运动时，它在该圆直径上的投影所构时，它在该圆直径上的投影所构成的运动规律成的运动规律简谐运动简谐运动

13、 3.简谐运动简谐运动(余弦加速度运动余弦加速度运动)u特点特点：有：有柔性冲击柔性冲击u适用场合：适用场合：中速轻载中速轻载(当从动件当从动件作连续运动时，可用于高速作连续运动时，可用于高速)3.2.2 3.2.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律u4.摆线运动摆线运动(简介简介)u 半径半径R=h/2的滚圆沿纵座标作的滚圆沿纵座标作纯滚动，圆上最初位于座标原点的点纯滚动，圆上最初位于座标原点的点其位移随时间变化的规律其位移随时间变化的规律摆线运动摆线运动u4.摆线运动摆线运动(简介简介)特点：特点：无刚性、柔性冲击无刚性、柔性冲击适用场合：适用场合：适于高速适于高速u5. 3-4-5多

14、项式运动多项式运动(简介简介) 54361510hs特点：特点：无刚性冲击、柔性冲击无刚性冲击、柔性冲击适用场合：适用场合：高速、中载高速、中载3.2.3 3.2.3 从动件运动规律的选择从动件运动规律的选择 1. 从动件常用运动规律性能比较从动件常用运动规律性能比较u2.从动件运动规律的选择原那么从动件运动规律的选择原那么u对运动规律的要求对运动规律的要求u凸轮的转速动力特性和便于加工凸轮的转速动力特性和便于加工 3.2.4 从动件运动规律的组从动件运动规律的组合合 1.满足工作对运动规律的特满足工作对运动规律的特殊要求；殊要求； 2.为防止刚性冲击，位移曲为防止刚性冲击，位移曲线和速度曲线

15、必须连续；而为线和速度曲线必须连续；而为防止柔性冲击，加速度曲线也防止柔性冲击，加速度曲线也必须连续。必须连续。 3. 尽量减小速度和加速度的尽量减小速度和加速度的最大值。最大值。3.3 凸轮轮廓的设计凸轮轮廓的设计u3.3.1 3.3.1 根本原理反转法根本原理反转法u3.3.2 3.3.2 图解法设计凸轮轮廓图解法设计凸轮轮廓u移动从动件盘形凸轮移动从动件盘形凸轮u尖底从动件尖底从动件u滚子从动件滚子从动件u平底从动件平底从动件u摆动从动件盘形凸轮摆动从动件盘形凸轮u设计总结设计总结u3.3.3 3.3.3 解析法解析法3.3.1 3.3.1 根本原理反转法根本原理反转法反转法反转法反转后

16、，从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线反转后，从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线3.3 凸轮轮廓的设计3.3.1 3.3.1 根本原理反转法根本原理反转法反转后，从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线反转后，从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线3.3 凸轮轮廓的设计3.3.2 3.3.2 图解法设计凸轮轮廓图解法设计凸轮轮廓旋旋转转。逆逆时时针针，等等角角速速度度偏偏距距为为置置于于凸凸轮轮轴轴心心右右侧侧，曲曲线线，从从动动件件偏偏，已已知知：基基圆圆半半径径)(e-srb 1. 移动从动件盘形凸轮移动从动件盘形凸轮(1)尖底从动件尖底从动件3.3 凸轮轮廓的设计关键：反转法关键：反

17、转法关键：反转法关键：反转法1. 移动从动件盘形凸轮移动从动件盘形凸轮2滚子从动件滚子从动件曲曲线线。，滚滚子子半半径径，已已知知： -sr, e,rrb滚子滚子中心中心将描绘将描绘- -条与凸轮廓线法向等条与凸轮廓线法向等距的曲线距的曲线-理论廓线理论廓线。R Rb b指的是理论指的是理论廓线的基圆。廓线的基圆。反转法反转法 u作内包络线，得到凸轮的实际廓线；作内包络线，得到凸轮的实际廓线；u假设同时作外包络线，形成槽凸轮廓线假设同时作外包络线，形成槽凸轮廓线 取平底从动件外表上的点取平底从动件外表上的点B0B0作为假想的尖端从动件的作为假想的尖端从动件的尖端。尖端。移动从动件盘形凸轮移动从

18、动件盘形凸轮3平底从动件平底从动件包络线包络线 为了保证在所有位置从动件为了保证在所有位置从动件平底都能与凸轮轮廓曲线相切，平底都能与凸轮轮廓曲线相切，凸轮廓线必须是外凸的。凸轮廓线必须是外凸的。2. 摆动从动件盘形凸轮摆动从动件盘形凸轮2. 摆动从动件盘形凸轮摆动从动件盘形凸轮凸轮轮廓设计总结：凸轮轮廓设计总结：u反转法的灵活应用反转法的灵活应用u理论轮廓和实际轮廓理论轮廓和实际轮廓u图解法设计时注意：图解法设计时注意：u从动件位移量的截取注意绘图比例从动件位移量的截取注意绘图比例u凸轮转角的分度凸轮转角的分度解析法设计凸轮廓线解析法设计凸轮廓线u1、移动滚子从动件盘形凸轮机构、移动滚子从动

19、件盘形凸轮机构l理论廓线方程理论廓线方程sincos)(cossin)(00essMNBNyessKHKNx式中：式中：e为偏距，为偏距，220ersb解析法设计凸轮廓线解析法设计凸轮廓线u1、移动滚子从动件盘形凸轮机构、移动滚子从动件盘形凸轮机构l实际廓线方程实际廓线方程ddyddxdydxtg2222)()(cos)()(sinddyddxddyddyddxddx解析法设计凸轮廓线解析法设计凸轮廓线u1、移动滚子从动件盘形凸轮机构、移动滚子从动件盘形凸轮机构l实际廓线方程实际廓线方程sincosrrryyrxx解析法设计凸轮廓线解析法设计凸轮廓线u1、移动滚子从动件盘形凸轮机构、移动滚子从

20、动件盘形凸轮机构l实际廓线方程实际廓线方程2222)()(/)()(/ddyddxddxryyddyddxddyrxxrr解析法设计凸轮廓线解析法设计凸轮廓线u1、移动滚子从动件盘形凸轮机构、移动滚子从动件盘形凸轮机构l刀具中心轨迹方程刀具中心轨迹方程2222)()(/)()(/ddyddxddxrryyddyddxddyrrxxrccrcc解析法设计凸轮廓线解析法设计凸轮廓线u2、移动平底从动件盘形凸轮机构、移动平底从动件盘形凸轮机构l理论廓线方程理论廓线方程ddsvOPOPvvpsincos)(cossin)(ddssrCECDyddssrEBODxbbBA2、移动平底从动件盘形凸轮机构、

21、移动平底从动件盘形凸轮机构u刀具轨迹刀具轨迹用砂轮端面加工凸轮时用砂轮端面加工凸轮时平底上平底上C的轨迹就是刀具中心的轨迹就是刀具中心解析法设计凸轮廓线解析法设计凸轮廓线cos)(sin)(srxsrxbcbcB解析法设计凸轮廓线解析法设计凸轮廓线u3、摆动从动件盘形凸轮机构、摆动从动件盘形凸轮机构lB点的坐标方程点的坐标方程EDADyCDODx)cos(cos)sin(sin00laylaxB3.4 凸轮机构根本尺寸确实定凸轮机构根本尺寸确实定移动滚子从动件盘形凸轮：移动滚子从动件盘形凸轮：压力角及其许用值压力角及其许用值基圆半径基圆半径偏置方向偏置方向滚子直径滚子直径1、压力角与许用值、压

22、力角与许用值sincos FFFFF1、压力角与许用值、压力角与许用值sincos FFFFF1max1 ftgfFF即：自锁80)(45)(30回程：摆动，移动推程：2、 凸轮基圆半径确实定凸轮基圆半径确实定22berseddstg l基圆半径越大，压力角越小基圆半径越大，压力角越小l但结构尺寸较大但结构尺寸较大出现矛盾：出现矛盾：ddsvOPP，为凸轮与从动件的瞬心u方法方法1：l根据满足最大压力角根据满足最大压力角a的要求确定的要求确定u方法方法2：l令基圆半径大于令基圆半径大于1.62倍的凸轮轴径，校验压倍的凸轮轴径，校验压力角力角a2、 凸轮基圆半径确实定凸轮基圆半径确实定3、 从动

23、件偏置方向的从动件偏置方向的选择选择ddsvOPP，为凸轮与从动件的瞬心3、 从动件偏置方向的选择从动件偏置方向的选择22berseddstgl凸轮逆时针回转，从动凸轮逆时针回转，从动件右偏置，取件右偏置，取l凸轮顺时针回转，从动凸轮顺时针回转，从动件左偏置，取件左偏置，取BDP中中3、 从动件偏置方向的选择从动件偏置方向的选择22berseddstgn合理选择偏置方向合理选择偏置方向n偏置的目的是为了减小从动件偏置的目的是为了减小从动件在推程阶段所受的压力角在推程阶段所受的压力角。凸轮逆时针转时，从动件采用右偏置凸轮逆时针转时，从动件采用右偏置凸轮顺时针转时，从动件采用左偏置凸轮顺时针转时，

24、从动件采用左偏置4 4、凸轮轮廓形状与滚子半径的关系、凸轮轮廓形状与滚子半径的关系u外凸凸轮廓线外凸凸轮廓线0rraminminamin0rraminminamin实际廓线出现尖点实际廓线出现尖点0rraminminamin实际廓线出现交叉，从动件实际廓线出现交叉，从动件不能准确地实现预期的运动不能准确地实现预期的运动规律规律运动失真运动失真u运动失真运动失真u 原因：原因：u 防止方法：防止方法：u凸轮设计保证时：凸轮设计保证时：arminaminrraminmin0min0)8 . 0(减小滚子半径增大增大brrrmma53取u内凹凸轮廓线内凹凸轮廓线无论滚子半径多大，总能由理论轮廓求出实

25、际无论滚子半径多大，总能由理论轮廓求出实际轮廓。轮廓。u滚子半径的选择滚子半径的选择考虑结构、强度与运动考虑结构、强度与运动规律等因素规律等因素3.4.2 3.4.2 移动平底从动件盘形凸轮移动平底从动件盘形凸轮1.1.运动失真现象及防止方法运动失真现象及防止方法 凸轮出现过度切割凸轮出现过度切割的现象，从动件无法完全实的现象，从动件无法完全实现预期的运动规律。现预期的运动规律。原因？原因？减小升程h增大基圆rb增大偏心eu运动失真原因：运动失真原因：基圆半径过小基圆半径过小从动件升程过大从动件升程过大基圆半径确实定基圆半径确实定: : 防止运动失真防止运动失真LsrrbLsrrbCLsrjj

26、erbj)()(srrLrb）（）（sincos基圆半径确实定基圆半径确实定: : 防止运动失真防止运动失真LsrrbC0ddddddrLsrjjerbj)()(ddLddsjejrj)(基圆半径确实定基圆半径确实定: : 防止运动失真防止运动失真LsrrbCddsrddLr)cos(-)sin(-ddLddsjejrj)(基圆半径确实定基圆半径确实定: : 防止运动失真防止运动失真Lsrrb22dsdddLddsLC22dsdsrb基圆半径确实定基圆半径确实定: : 防止运动失真防止运动失真LsrrbLsrrbCmin22(）dsdsrb(min22min）dsdsrbu从动件偏置方向的选择

27、从动件偏置方向的选择从动件偏置并不影响凸轮廓线的形状从动件偏置并不影响凸轮廓线的形状选择偏置的主要目的是为了减小从动件在推程选择偏置的主要目的是为了减小从动件在推程阶段所受的弯曲应力。阶段所受的弯曲应力。u平地宽度确实定平地宽度确实定minmax）（）（ddsddsB3.5 3.5 凸轮机构的计算机辅助设计凸轮机构的计算机辅助设计u设计步骤设计步骤l根据使用场合和工作要求，选择机构类型根据使用场合和工作要求，选择机构类型l根据工作要求选择或设计从动件运动规律根据工作要求选择或设计从动件运动规律l根据机构的具体设计条件，初定凸轮基圆半径、根据机构的具体设计条件，初定凸轮基圆半径、滚子半径等滚子半径等l对凸轮机构进行计算机辅助设计，保证凸轮既对凸轮机构进行计算机辅助设计，保证凸轮既满足从动件的运动要求，又具有良好的受力，满足从动件的运动要求，又具有良好的受力，且机构紧凑。且机构紧凑。设计实例设计实例u绕线机工作时，绕线绕线机工作时，绕线轴轴1匀速回转，导线杆匀速回转，导线杆2匀速往复运动。匀速往复运动。l75mm