机械原理凸轮机构课件

第九章凸轮机构及其设计

第一节概述

内燃机配气凸轮机构自动机床进刀凸轮机构第九章凸轮机构及其设计第一节概述内燃机配气凸轮机冲床凸轮机构绕线机凸轮机构冲床凸轮机构绕线机凸轮机构自动车床凸轮机构圆柱凸轮输送机自动车床凸轮机构圆柱凸轮输送机一、组成由三个构件组成的一种高副机构凸轮：具有曲线轮廓或凹槽的构件推杆/从动件，运动规律由凸轮廓线和运动尺寸决定机架推杆凸轮一、组成推杆凸轮二、特点优点：可以使从动件准确实现各种预期的复杂的运动规律易于实现多个运动的相互协调配合。结构简单、紧凑设计方便缺点：点、线接触，易磨损，不适合高速、重载凸轮机构的适用场合广泛用于各种机械，特别是自动机械、自动控制装置和装配生产线。推杆凸轮二、特点优点：推杆凸轮二．凸轮机构的分类(一)按凸轮的形状分

盘形凸轮凸轮呈向径变化的盘形结构简单,应用最广泛移动凸轮凸轮呈板型,直线移动二．凸轮机构的分类盘形凸轮移动凸轮圆柱凸轮空间凸轮机构凸轮轮廓做在圆柱体上空间运动圆柱凸轮(二)按从动件运动副元素的形状分尖顶从动件尖顶始终能够与凸轮轮廓保持接触，可实现复杂的运动规律易磨损，只宜用于轻载、低速滚子从动件耐磨、承载大，较常用(二)按从动件运动副元素的形状分尖顶从动件滚子从动件平底从动件接触面易形成油膜，利于润滑，常用于高速运动配合的凸轮轮廓必须全部外凸平底从动件(三)按从动件的运动形式分摆动推杆往复摆动轨迹为圆弧直动推杆往复移动轨迹为直线(三)按从动件的运动形式分摆动推杆直动推杆(四)按凸轮与从动件维持高副接触(封闭)的方式分力封闭型凸轮机构弹簧力封闭重力封闭(四)按凸轮与从动件维持高副接触(封闭)的方式分力封闭型凸轮形封闭型凸轮机构凹槽凸轮机构等宽凸轮机构形封闭型凸轮机构凹槽凸轮机构等宽凸轮机构形封闭型凸轮机构等径凸轮机构共轭凸轮机构形封闭型凸轮机构等径凸轮机构共轭凸轮机构一、基本术语9-2推杆的运动规律凸轮概念★基圆：以凸轮最小半径r0所作的圆，r0称为凸轮的基圆半径。★推程、推程运动角：d0★推杆的运动规律：是指推杆在运动过程中，其位移、速度和加速度随时间变化的规律。★远休、远休止角：★回程、回程运动角：★近休、近休止角：★行程：h一、基本术语9-2推杆的运动规律凸轮概念★基圆：以凸轮最

推杆的运动线图

位移线图—反映了从动件的位移s随时间t或凸轮转角变化的规律。

速度线图—反映了从动件的速度v随时间t或凸轮转角变化的规律。

加速度线图—反映了从动件的加速度a随时间t或凸轮转角变化的规律。

结论

凸轮轮廓曲线的形状决定了从动件的运动规律。要使从动件实现某种运动规律，就要设计出与其相应的凸轮轮廓曲线。

推杆的运动线图二、从动件常用运动规律◆多项式运动规律

★一次多项式运动规律——等速运动

★二次多项式运动规律——等加速等减速运动

★五次多项式运动规律◆三角函数运动规律★余弦加速度运动规律——简谐运动规律★正弦加速度运动——摆线运动规律◆组合运动规律重点：掌握各种运动规律的运动特性说明：

凸轮一般为等速运动，有推杆运动规律常表示为推杆运动参数随凸轮转角δ变化的规律。二、从动件常用运动规律◆多项式运动规律重点：说明：◆多项式运动规律1.一次多项式运动规律——等速运动★运动方程式一般表达式：★推程运动方程：运动始点：d=0,s=0运动终点：推程运动方程式：边界条件推程运动线图

在起始和终止点速度有突变，使瞬时加速度趋于无穷大，从而产生无穷大惯性力，引起刚性冲击。◆多项式运动规律1.一次多项式运动规律——等速运动★运动★回程运动方程回程运动方程式：运动始点：d=0,s=h运动终点：边界条件一次多项式一般表达式：回程运动角δ是从回程起始位置计量的★等速运动规律运动特性推杆在运动起始和终止点会产生刚性冲击。1.一次多项式运动规律——等速运动★回程运动方程回程运动方程式：运动始点：d=0,s=h运动

为保证凸轮机构运动平稳性，常使推杆在一个行程h中的前半段作等加速运动，后半段作等减速运动，且加速度和减速度的绝对值相等。2.二次多项式运动规律——等加速等减速运动规律★运动方程式一般表达式：推杆的等加速等减速运动规律★注意：为保证凸轮机构运动平稳性，常使推杆在一个行程等减速段运动方程为：2.等加速等减速运动规律推程等加速段边界条件：加速段运动方程式为：运动始点：d=0,s=0，v=0运动终点：运动方程式一般表达式：推程等减速段边界条件：运动始点：运动终点：d=d0,s=h，v=0★推程运动方程等减速段运动方程为：2.等加速等减速运动规律推程等加速段

在起点、中点和终点时，因加速度有突变而引起推杆惯性力的突变，且突变为有限值，在凸轮机构中由此会引起柔性冲击。★等加速等减速运动规律——回程运动方程★等加速等减速运动规律运动特性：

回程加速段运动方程式：

回程减速段运动方程式：d：0~d0/2d：d0/2~d02.等加速等减速运动规律在起点、中点和终点时，因加速度有突变而引起3.五次多项式运动规律★五次多项式的一般表达式为★推程边界条件在始点处：d1=0,s1=0,v1=0,a1=0；在终点处：d2=d0,s2=h,v2=0,a2=0；★位移方程式为★解得待定系数为3.五次多项式运动规律★五次多项式的一般表达式为★推程边★五次多项式运动规律的运动线图★五次多项式运动规律的运动特性

即无刚性冲击也无柔性冲击3.五次多项式运动规律★五次多项式运动规律的运动线图★五次多项式运动规律的运动特性◆三角函数运动规律1.余弦加速度运动规律——简谐运动规律简谐运动：当一点在圆周上等速运动时，其在直径上的投影的运动即为简谐运动。推杆推程运动方程式：推杆回程运动方程式：◆三角函数运动规律1.余弦加速度运动规律——简谐运动规律余弦加速度运动规律的运动特性：推杆加速度在起点和终点有突变，且数值有限，故有柔性冲击。余弦加速度运动规律推程运动线图1.余弦加速度运动规律——简谐运动规律余弦加速度运动规律的运动特性：余弦加速度运动规律推程运动线图推程运动方程式为2.正弦加速度运动规律——摆线运动规律回程运动方程为摆线运动：一圆在直线上作纯滚动时，其上任一点在直线上的投影运动为摆线运动。推程运动方程式为2.正弦加速度运动规律——摆线运动规律回正弦加速度运动规律运动特性：推杆作正弦加速度运动时，其加速度没有突变，因而将不产生冲击。适用于高速凸轮机构，推程运动线图2.正弦加速度运动规律——摆线运动规律正弦加速度运动规律运动特性：推程运动线图2.正弦加速度运★采用组合运动规律的目的：避免有些运动规律引起的冲击，改善推杆其运动特性。★构造组合运动规律的原则：

◆组合运动规律★组合运动规律示例主运动：等加等减运动规律组合运动：在加速度突变处以正弦加速度曲线过渡。例1：改进梯形加速度运动规律Ⅰ、根据工作要求选择主体运动规律，然后用其它运动规律组合；Ⅱ、保证各段运动规律在衔接点上的运动参数是连续的；Ⅲ、在运动始点和终点处，运动参数要满足边界条件。★采用组合运动规律的目的：◆组合运动规律★组合运动规律示例主组合方式：主运动：等速运动规律组合运动：等速运动的行程两端与正弦加速度运动规律组合起来。组合运动规律示例2：◆组合运动规律组合方式：组合运动规律示例2：◆组合运动规律三、推杆运动规律的选择◆只对推杆工作行程有要求，而对运动规律无特殊要求推杆运动规律选取应从便于加工和动力特性来考虑。低速轻载凸轮机构：采用圆弧、直线等易于加工的曲线作为凸轮轮廓曲线。高速凸轮机构：首先考虑动力特性，以避免产生过大的冲击。1.选择推杆运动规律的基本要求◆满足机器的工作要求；◆使凸轮机构具有良好的动力特性；◆使所设计的凸轮便于加工。2.根据工作条件确定推杆运动规律几种常见情况三、推杆运动规律的选择◆只对推杆工作行程有要求，而对运动规◆机器工作过程对从动件的的运动规律有特殊要求凸轮转速不高，按工作要求选择运动规律；凸轮转速较高时，选定主运动规律后，进行组合改进。2.根据工作条件确定推杆运动规律几种常见情况小结：等速运动规律：有刚性冲击低速轻载等加速等减速运动：柔性冲击中速轻载余弦加速度运动规律：柔性冲击中低速重载正弦加速度运动规律：无冲击中高速轻载五次多项式运动规律：无冲击高速中载运动规律运动特性适用场合◆机器工作过程对从动件的的运动规律有特殊要求2.根据9-3凸轮轮廓曲线的设计二、凸轮廓线设计方法的基本原理

假想给整个机构加一公共角速度-w,则凸轮相对静止不动，而推杆一方面随导轨以-w绕凸轮轴心转动，另一方面又沿导轨作预期的往复移动。推杆尖顶在这种复合运动中的运动轨迹即为凸轮轮廓曲线。一、凸轮廓线的设计方法◆图解法◆解析法反转法原理：动画9-3凸轮轮廓曲线的设计二、凸轮廓线设计方法的基本原理9-3凸轮轮廓曲线的设计三、图解法设计凸轮轮廓曲线1.对心尖顶直动推杆盘形凸轮机构已知:凸轮基圆半径r0,凸轮以等角速度ω逆时针回转。推杆运动规律为：d01：0~120°，推杆等速上升h；d02：120°~180°，推杆在最高位置静止不动；d03时：180°~270°，推杆以正弦加速度运动回到最低位置；d03时：180°~270°，推杆在最低位置静止不动。作图步骤：动画演示9-3凸轮轮廓曲线的设计三、图解法设计凸轮轮廓曲线1.2.偏置直动尖端推杆盘形凸轮机构作图步骤：动画演示应注意的不同点：★先作出基圆和偏距圆，根据推杆偏置方向确定其起始位置。设计步骤与对心直动相同。偏距圆：以凸轮轴心O为圆心，以偏距e为半径作的圆。★偏距圆与位移线图对应等分★推杆在反转运动中依次占据的位置都是偏距圆的切线；2.偏置直动尖端推杆盘形凸轮机构作图步骤：应注意的不同点设计说明：1)将滚子中心看作尖顶，然后按尖顶推杆凸轮廓线的设计方法确定滚子中心的轨迹，称其为凸轮的理论廓线；3.直动滚子推杆盘形凸轮机构作图步骤：动画演示注意：凸轮基圆半径指理论廓线的最小半径2)以理论廓线上各点为圆心，以滚子半径rr为半径，作一系列圆；3)再作此圆族的包络线，即为凸轮工作廓线（实际廓线）。

设计说明：3.直动滚子推杆盘形凸轮机构作图步骤：动画演示设计说明：1)将平底与推杆导路与推杆的交点A视为推杆尖顶,然后确定出点A在反转中各位置1’、2’、…。2)过1’、2’、…作一系列代表推杆平底的直线；3)作出该直线族的包络线，即为凸轮的实际轮廓曲线。4.直动平底推杆盘形凸轮机构设计步骤：动画演示设计说明：4.直动平底推杆盘形凸轮机构设计步骤：动画演示5.摆动推杆盘形凸轮机构设计要求：运动规律与直动推杆的运动规律相同，所不同的是将从动件的位移改为角位移。作图步骤：演示动画5.摆动推杆盘形凸轮机构设计要求：作图步骤：演示动画将圆柱凸轮的外表面展在平面上,则得到一个移动凸轮；根据反转法作出推杆滚子中心在复合运动中轨迹，即为凸轮的理论廓线；据此再作实际廓线；6.直动推杆圆柱凸轮机构将圆柱凸轮的外表面展在平面上,则得到一个移动凸轮；6.直1）确定基圆和推杆的起始位置；2）作出推杆在反转运动中依次占据的各位置线；3）根据推杆运动规律，确定推杆在反转所占据的各位置线中的尖顶位置，即复合运动后的位置；4）在所占据的各尖顶位置作出推杆高副元素所形成的曲线族；5）作推杆高副元素所形成的曲线族的包络线，即是所求的凸轮轮廓曲线。用图解法设计凸轮轮廓曲线小结：1）确定基圆和推杆的起始位置；用图解法设计凸轮轮廓曲线小结：

四、

用解析法设计凸轮廓线

作图法的缺点繁琐、误差较大。解析法的优点计算精度高、速度快，适合凸轮在数控机床上加工。解析法的设计结果

根据凸轮机构的运动学参数和基本尺寸的设计结果，求出凸轮轮廓曲线的方程，利用计算机精确地计算出凸轮轮廓曲线上各点的坐标值。四、用解析法设计凸轮廓线★凸轮理论廓线方程式：滚子中心在初始点B0处：坐标为：(e,s0)此式即为凸轮理论廓线方程式。四、用解析法设计凸轮的轮廓曲线1.偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构滚子中心到达B点时：凸轮转过d，推杆产生位移s理论廓线上B点坐标为★凸轮理论廓线方程式：此式即为凸轮理论廓线方程式。四、用解析★凸轮工作廓线方程式：分析：实际廓线与理论廓线在法线方向的距离处处相等，且等于滚子半径rr。已知理论廓线任一点B(x,y)工作廓线上相应点沿理论廓线取该点法向距离rr凸轮工作廓线方程式式中：“－”号用于内等距曲线，“+”号为外等距曲线。注意：凸轮逆时针转，推杆右偏置时e值为正，反之为负；凸轮顺时针转时则相反。★凸轮工作廓线方程式：分析：实际廓线与理论廓线在法线方向的距分析：取坐标系的y轴与推杆轴线重合；推杆反转与凸轮在B点相切：凸轮转过d，推杆产生位移s2.对心平底推杆(平底与推杆轴线垂直)盘形凸轮机构P点为凸轮与推杆相对瞬心推杆的速度为B点坐标为凸轮工作廓线方程式分析：取坐标系的y轴与推杆轴线重合；2.对心平底推杆(平设计分析：取摆动推杆轴心A0与凸轮轴心O之连线为y轴；推杆反转处于AB位置：凸轮转过d角，推杆角位移为f。3.摆动滚子推杆盘形凸轮机构则Ｂ点之坐标为为理论廓线方程式凸轮工作廓线方程式设计分析：取摆动推杆轴心A0与凸轮轴心O之连线为y轴；3.一、凸轮机构中的作用力与凸轮机构的压力角§9-4凸轮机构基本尺寸的确定1、压力角：指推杆沿凸轮廓线接触点的法线方向与推杆速度方向之间所夹的锐角。根据力的平衡条件可得消去R1、R2压力角a力P无穷大机构发生自锁临界压力角ac一、凸轮机构中的作用力与凸轮机构的压力角§9-4凸轮机构基本凸轮机构要正常运转：amax〈ac

2.临界压力角增大导轨长度l，减少悬臂尺寸b，可以提高临界压力角ac3.许用压力角[a]推程时：对于直动推杆取[a]＝300；对于摆动推杆[a]＝350～450；回程时：通常取700～800。amax〈[a]凸轮机构要正常运转：amax〈ac2.临界压力角增大导1.基圆半径和压力角的关系：二、凸轮基圆半径的确定P——机构在该位置的相对瞬心a——机构在该位置的压力角△BCPa≤[a]r0增大α减小偏置方向“±”规定：凸轮逆时针转，推杆右偏置或凸轮顺时针转，推杆左偏置取“－”；反之取“＋”号。1.基圆半径和压力角的关系：二、凸轮基圆半径的确定P——3.从动件偏置方向的选择2.凸轮基圆半径的确定：r0在满足amax〈[a]条件下，要满足结构和强度要求。基圆半径和压力角的关系：为获得较小的推程压力角，可适当选取推杆偏置方向：当凸轮逆时针转，推杆右偏置；当凸轮顺时针转，推杆左偏置。正偏置3.从动件偏置方向的选择2.凸轮基圆半径的确定：r0外凸轮廓：

ra=r-rr。三、滚子推杆的滚子半径的选择★实际廓线的曲率半径ra与滚子半径的关系rr

：r＝rr，则ra为零，实际廓线将出现尖点现象r<rr，ra<0实际廓线出现交叉，加工时交叉部分将被切去，使推杆不能准确实现预期运动规律，出现运动失真现象。内凹轮廓：ra=r+rrr>rr，ra>0外凸轮廓：三、滚子推杆