学习情境凸轮机构

学习情境凸轮机构第1页，共64页，2023年，2月20日，星期四2送料机构带有凹槽的圆柱凸轮的连续转动转变为从动杆件的左右往复移动，凸轮每转一周，从动杆件将储料器中的一个毛坯推出至指定的加工位置。这种凸轮机构可以看作是将移动凸轮卷绕在圆柱上形成的。第2页，共64页，2023年，2月20日，星期四3.车削手柄自动进刀机构凸轮的移动迫使刀架进退，从而使工件被切出与凸轮的曲线轮廓相适应的复杂外形。第3页，共64页，2023年，2月20日，星期四任务4内燃机配气机构盘形凸轮轮廓设计

学习情境3凸轮机构第4页，共64页，2023年，2月20日，星期四任务描述内燃机配气机构盘形凸轮轮廓

凸轮的连续转动转变为气阀的上下移动，使气门按照一定规律启闭。从动件的运动规律取决于凸轮的曲线轮廓，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定的运动规律。第5页，共64页，2023年，2月20日，星期四任务描述第6页，共64页，2023年，2月20日，星期四1、组成：凸轮，从动件，机架2、作用：将凸轮的转动或移动转变为从动件的移动或摆动3、特点:(1)只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到所需的运动规律(2)结构简单、紧凑，工作可靠，容易设计；(3)高副接触，（点或线接触，压强大）易磨损。（因此只适用于传递动力不大的场合。）4、应用：适用于传力不大的控制机构和调节机构

凸轮机构是怎样的一种机构呢？凸轮机构是通过凸轮与从动件间的接触来传递运动和动力，是一种常见的高副机构，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定的复杂运动规律。（关键在于设计出适当的曲线轮廓。）

二、凸轮机构的特点与应用资讯第7页，共64页，2023年，2月20日，星期四凸轮机构在生产实践中应用广泛，种类繁多，但不管是哪一种凸轮机构，都是凸轮为原动件。凸轮在凸轮机构中非常重要，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定的复杂运动规律。凸轮机构的设计是从从动件的运动规律开始的，根据从动件的运动规律和其它的附加条件来设计凸轮的曲线轮廓。资讯第8页，共64页，2023年，2月20日，星期四三、从动件的术语和常用的运动规律1.从动件的常用术语图为对心尖顶从动件盘形凸轮机构，凸轮回转时，从动件重复升—停—降—停的运动循环。从动件的位移s与凸轮转角的关系可以用从动件的位移线图来表示，如右图所示。资讯第9页，共64页，2023年，2月20日，星期四★基圆：以凸轮最小半径rb所作的圆，rb称为凸轮的基圆半径。★推程、推程运动角：★远休、远休止角：★回程、回程运动角：★近休、近休止角：★行程（升程）：h(从动件的最大位移。）★位移：s=r-r0资讯第10页，共64页，2023年，2月20日，星期四S与h资讯第11页，共64页，2023年，2月20日，星期四位移线图（曲线）：用来表示从动件的位移s与凸轮转角φ的关系曲线资讯第12页，共64页，2023年，2月20日，星期四注意：1.图中凸轮回转一周时，从动件经过升—停—降—停的运动过程。凸轮继续回转时，从动件重复升—停—降—停的运动过程，通常把这种升—停—降—停的运动过程称为一个运动循环。2.一个运动循环中，不一定都有推程远休回程近休4个运动过程。但一定有推程和回程2个运动过程。（从动件的运动规律取决于凸轮的曲线轮廓，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定的运动规律。）资讯第13页，共64页，2023年，2月20日，星期四2.从动件常用的运动规律（1）含义：从动件的运动规律是指从动件在运动过程中，其位移、速度和加速度随时间或凸轮转角δ变化的规律。（2）从动件常用的运动规律主要有：等速运动等加速—等减速运动余弦加速度运动正弦加速度运动资讯第14页，共64页，2023年，2月20日，星期四1）等速运动（凸轮匀速回转时，从动件在推程或回程为匀速运动。）从动件推程运动线图如右图：从动件推程运动方程：线图分析：运动特性：当采用匀速运动规律时，推杆在运动的起始点和终止点因速度有突变，在理论上加速度值为瞬时无穷大，使推杆产生非常大的惯性力，致使凸轮受到很大的冲击，称为刚性冲击。适用场合：低速、轻载。资讯第15页，共64页，2023年，2月20日，星期四2）等加速—等减速运动从动件推程运动线图如右图：从动件推程运动方程：等加速段等减速段资讯第16页，共64页，2023年，2月20日，星期四运动特性：当采用等加速等减速运动规律时，在起点、中点和终点时，加速度有突变，因而推杆的惯性力也将有突变，不过这一突变为有限值，所以，凸轮机构中由此而引起的冲击称为柔性冲击。

适用场合：中速、轻载。线图分析：资讯第17页，共64页，2023年，2月20日，星期四3)余弦加速度运动（也称简谐运动规律，是一个质点在圆周上作匀速运动，它在该圆直径上的投影所构成的运动。）从动件推程运动线图如右图：从动件推程运动方程：资讯第18页，共64页，2023年，2月20日，星期四

运动特性：这种运动规律的加速度在起点和终点时有有限数值的突变，故也有柔性冲击。

适用场合：中速、中载。线图分析：第19页，共64页，2023年，2月20日，星期四4)正弦加速度运动（也称摆线运动规律）由运动图可见，其速度和加速度曲线都是连续的，因此没有冲击，故常用于高速凸轮机构。线图分析：从动件推程运动线图如右图：资讯第20页，共64页，2023年，2月20日，星期四请列表归纳：各个运动规律的位移、速度、加速度曲线图，各运动规律适用的场合。运动规律位移曲线速度曲线加速度曲线适用场合第21页，共64页，2023年，2月20日，星期四凸轮轮廓曲线的设计通常有图解法和解析法两种。图解法:简便直观但精度不高解析法:精确度高，计算繁杂。对于一般精度的凸轮用图解法设计即可满足要求.资讯第22页，共64页，2023年，2月20日，星期四图解法设计凸轮轮廓的原理是反转法.反转法原理假想给整个机构加一公共角速度-ω.凸轮：相对静止不动推杆：一方面随导轨以-ω绕凸轮轴心转动;另一方面又沿导轨作预期的往复移动.由于从动件的尖顶与凸轮轮廓始终接触,加上反转角速度以后,尖顶的运动轨迹即为凸轮轮廓曲线。凸轮向径与基圆半径之差为凸轮位移量.资讯第23页，共64页，2023年，2月20日，星期四计划决策1.进行自愿分组。2.学习相关知识。3.明确工作思路。4.讨论任务实施注意事项。5.完成任务。6.检查评价。第24页，共64页，2023年，2月20日，星期四配气机构对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓设计步骤：设计要求：已知凸轮的基圆半径为rb,凸轮沿逆时针方向等速回转。而推杆的运动规律如图所示。试设计该对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。导路与基圆的的交点是推杆的初始位置任务实施第25页，共64页，2023年，2月20日，星期四检查评价评定形式

比例评定内容评定标准得分自我评定20%1.学习工作态度5分2.完成任务情况5分3.出勤情况5分4.独立工作能力5分积极【5】；一般【3】；不积极【0】全部【5】；一半【3】；没有【1】全勤【5】；缺两次【3】；30%【0】强【5】；一般【3】；不强【1】小组评定30%1.学习工作责任意识5分2.收集材料、调研能力5分3.汇报、交流、沟通能力10分4.团队协作精神10分强【5】；一般【3】；不强【0】强【5】；一般【3】；不强【1】强【10】；一般【6】；不强【2】强【10】；一般【6】；不强【2】教师评定50%1.集体学习工作过程状态10分2.计划制定、执行情况10分3.任务完成情况15分4.项目学习、实训报告15分积极【10】；一般【6】；较差【2】好【10】；一般【6】；较差【2】好【15】；一般【10】；较差【5】【0】-【15】任务执行人评价表：第26页，共64页，2023年，2月20日，星期四检查评价任务执行人评价汇总表：任务评价姓名自我评分分值×10%班组评分分值×30％教师评分分值×60%综合得分第27页，共64页，2023年，2月20日，星期四由于滚子与凸轮轮廓的接触点不断变换,加上反转角速度以后,无法以滚子上的某点的运动轨迹来作出凸轮轮廓曲线。但对于滚子从动件，滚子中心可看作是从动件的尖顶，其运动轨迹就是凸轮的理论轮廓曲线，凸轮的实际轮廓曲线是与理论轮廓曲线相距滚子半径rT的一条等距曲线。任务拓展第28页，共64页，2023年，2月20日，星期四1.对心直动滚子从动件盘形凸轮机构已知条件:凸轮的基圆半径为rb,滚子半径rt,凸轮沿逆时针方向等速回转。推杆的运动规律如图所示。试设计对心直动滚子从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。第29页，共64页，2023年，2月20日，星期四第30页，共64页，2023年，2月20日，星期四由于平底从动件与凸轮轮廓的接触点不断变换,加上反转角速度以后,无法以平底从动件上的某点的运动轨迹来作出凸轮轮廓曲线。但对于平底从动件，平底始终与凸轮轮廓曲线相切。则反转以后，作平底的切线即可得到凸轮轮廓曲线。第31页，共64页，2023年，2月20日，星期四2.对心直动平底从动件盘形凸轮机构

已知条件:凸轮的基圆半径为r0,凸轮沿逆时针方向等速回转。推杆的运动规律如图所示。试设计对心直动平底从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。第32页，共64页，2023年，2月20日，星期四第33页，共64页，2023年，2月20日，星期四3.偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构

已知条件:已知凸轮的基圆半径为rb,凸轮沿逆时针方向等速回转。而推杆的运动规律已知，已知偏距e。试设计。从动画中看，从动件在反转运动中依次占据的位置将不再是以凸轮回转中心作出的径向线,而是始终与回转中心O保持一偏距e的直线,因此若以凸轮回转中心O为圆心，以偏距e为半径作圆（称为偏距圆）,则从动件在反转运动中依次占据的位置必然都是偏距圆的切线

第34页，共64页，2023年，2月20日，星期四知识拓展第35页，共64页，2023年，2月20日，星期四一、凸轮机构的分类1.按照凸轮的形状不同可把凸轮分为以下几种：1）盘形回转凸轮（最基本的形式）凸轮为一绕定轴旋转、向径变化的盘类零件。图中凸轮的连续转动转变为从动件的往复移动。第36页，共64页，2023年，2月20日，星期四2）平板移动凸轮凸轮实际是回转中心在无穷远处的盘状凸轮。图中凸轮的水平方向的移动转变为从动件的垂直方向的移动。第37页，共64页，2023年，2月20日，星期四凸轮是在圆柱体上制出的外凸或内凹的凸轮曲线。图中凸轮的连续转动转变为从动件平行于凸轮轴线方向的移动。3）圆柱回转凸轮第38页，共64页，2023年，2月20日，星期四2.按从动件的形状分类1)尖顶从动件特点：尖顶能与凸轮轮廓上所有的点接触，能保证从动件运动的准确。(不能与凸轮轮廓上所有的点接触，会使得即使设计出了正确的凸轮轮廓，也不能获得所需的从动件的运动规律。）从动件和凸轮之间是点接触，容易磨损。应用：传力较小的低速凸轮机构。第39页，共64页，2023年，2月20日，星期四2)滚子从动件（从动件的端部装有滚子）特点：滚子和凸轮之间为滚动摩擦，磨损小，且为线接触，能承受较大的载荷。凸轮上凹陷的轮廓未必能很好的与凸轮接触，从而会影响实现预期的运动规律。（当凸轮上有小的凹陷处的时候，由于滚子不能与凸轮上小的凹陷处的点接触，即使设计出了正确的凸轮轮廓，也不能获得所需的从动件的运动规律。）应用：传力较大的凸轮机构。第40页，共64页，2023年，2月20日，星期四3)平底从动件（从动件的端部固定一平板.)特点：平底与凸轮之间易于形成油膜，利于润滑，磨损小。(但凸轮上凹陷的轮廓不能与平底接触，从而会影响实现预期的运动规律)故此类凸轮机构凸轮上不能有凹陷的轮廓。应用：高速凸轮机构。第41页，共64页，2023年，2月20日，星期四3.按从动件的运动形式1）移动从动件（从动件作直线移动。）按照从动件导路的中心线是否通过凸轮回转中心，分为对心或偏置的移动从动件凸轮机构。偏心距e的定义与曲柄滑块机构相同。第42页，共64页，2023年，2月20日，星期四2）摆动从动件（从动件绕固定轴线摆动。）第43页，共64页，2023年，2月20日，星期四4.按锁合方式（使凸轮和从动件保持接触的方式）的不同⑴力锁合凸轮，如靠重力、弹簧力锁合的凸轮等；第44页，共64页，2023年，2月20日，星期四第45页，共64页，2023年，2月20日，星期四2）形（几何）锁合凸轮，如沟槽凸轮、等径凸轮及等宽凸轮等。第46页，共64页，2023年，2月20日，星期四理论廓线的曲率半径(理论工作半径）：r实际廓线的曲率半径（实际工作半径）：r’内凹轮廓：滚子半径：rT凸轮轮廓曲线形状与滚子半径的关系当理论廓线内凹时，无论滚子半径大小，凸轮工作轮廓总是光滑曲线一.滚子半径的确定r'

=r+rT第47页，共64页，2023年，2月20日，星期四外凸轮廓：r’=r-rT1)

r>rT时

r

'

>0这时所得的凸轮实际轮廓为光滑的曲线3)r<rT

时r

'<0，

，即实际曲线出现交叉会出现失真2)

r=rT时r

'=0，实际轮廓线变尖，极易磨损，不能使用可分为三种情况：第48页，共64页，2023年，2月20日，星期四第49页，共64页，2023年，2月20日，星期四结论：外凸的凸轮轮廓曲线,应使rT<ρmin，通常取rT≦0.8ρ

同时ρ’≧3-5mm另外滚子半径还受强度、结构等的限制，因而也不能做得太小，通常取滚子半径rT=0.4rb第50页，共64页，2023年，2月20日，星期四二.凸轮机构的压力角１、定义

（不计摩擦）凸轮对从动件作用力的方向线与从动件上力作用点的速度方向之间所夹的锐角，用α表示。２、压力角与作用力的关系

将凸轮对从动件的作用力F分解为F1和F２。F1＝F·sinα,F２＝F·cosαF1有害F2有效,当α增大时,F1增大F2减小对传动不利,当α增大到一定数值时,F2太小,已不足以使机构运动,凸轮机构发生自锁.则α不能太大.且α又是变化的.第51页，共64页，2023年，2月20日，星期四３、许用压力角αmax≦[α]

。

推程：直动推杆取[α]＝300～400；摆动推杆[α]＝400～500；

回程：通常取[α]=

700～800。

4、压力角校核αmax一般出现在

⑴从动件的起点位置

⑵从动件最大速度位置⑶凸轮轮廓曲线最陡处注意：若αmax>[α]增大基圆半径第52页，共64页，2023年，2月20日，星期四第53页，共64页，2023年，2月20日，星期四第54页，共64页，2023年，2月20日，星期四三.凸轮基圆半径的确定第55页，共64页，2023年，2月20日，星期四三.凸轮基圆半径的确定1.从图中可以看出，基圆半径越小，压力角越大；基圆半径越大，压力角越小；为了获得高的传动性能，需要采用大的基圆半径。但是，基圆半径增大，会使整个凸轮尺寸增大，结构不紧凑。第56页，共64页，2023年，2月20日，星期四三.凸轮基圆半径的确定2.基圆半径选择原则：⑴在满足αmax≦[α]的条件下，尽量选用小的基圆半径，以保证结构紧凑。⑵.由于基圆半径越小，获得相同的从动件位移时，凸轮曲线的曲率半径越小，越容易运动失真。为了避免运动失真，基圆半径不能太小，要使得ρ’

min﹥0，通常ρ’

min﹥3~5mm⑶当凸轮和轴不为一体时，为了满足结构和制造要求，基圆半径要大于轴径。3.经验选择：在设计凸轮时，通常先根据条件确定基圆半径rb。制作凸轮轴时，rb略大于轴的半径；单独制造凸轮时，rb=(1.6~2.0)rs(rs:安装凸轮处轴径)第57页，共64页，2023年，2月20日，星期四四、凸轮与从动件的材料及选择典型材料:凸轮：20Cr（表面渗碳淬火56-62HRC)；40Cr(表面高频淬火40-45HRC）从动件：材料与凸轮相同，但从动件磨损更严重更早。所以一般从动件硬度比凸轮要高一些。第58页，共64页，2023年，2月20日，星期四五、凸轮和从动件的结构1.当凸轮的尺寸很小，且与轴的尺寸相近时，通常制成凸轮轴。2.当凸轮的尺寸较大时，通常将凸轮和轴分开制造，然后将凸轮装到轴上。第59页，共64页，2023年，2月20日，星期四3.凸轮在轴上的安装固定形式：圆柱销套筒螺母键等4.为了减少摩擦，从动件的端部常采用滚子的形式，滚子和从动件之间要可靠的连接为转动副。需要注意的是：凸轮与轴有相对位置要求(如单缸内燃机进气排气的规律性)，为达到此要求，通常在凸轮上刻出标志，作为加工和装配的依据。六、凸轮的精度1.主要是指凸轮的尺寸公差和表面粗糙度。2.直径在300~500mm以下的凸轮，查表即可。第60页，共64页，2023年，2月20日，星期四凸轮精度极限偏差表面粗糙度

R2/μm向径/mm基准孔槽式凸轮槽宽盘形凸轮槽式凸轮高精度±(0.05~0.10)H7H7(H8)0.40.8一般精度±(0.10~0.20)H7(H8)H80.81.6低精度±（0.20~0.50)H8H8H91.61.6第61页，共64页，2023年，2月20日，星期四一、填空题1.按凸轮的外形凸轮机构主要分为__凸轮和__凸轮两种基本类型。2.从动杆与凸轮轮廓的接触形式有_______、_______和平底三种。3.以凸轮的理论轮廓曲线的最小半径所做的圆称为凸轮的______。4.凸轮理论轮廓曲线上的点的某点的法线方向(即从动杆的受力方向)与从动杆速度方向之间的夹角称为凸轮在该点的_______。

5.凸轮机构从动杆等速运动的位移为一条_______线，从动杆等加速等减速运动的位移曲线为一条_______线。6.从动杆的端部形状有_______、_______和平底三种。7.用图解法设计滚子从