机械设计基础 第5章 凸轮及间歇运动机构

2023/9/10第五章凸轮及间歇运动机构第一节凸轮机构凸轮机构的应用及分类从动件常用的运动规律从动件的压力角和凸轮的基圆半径按给定运动规律设计盘形凸轮轮廓第二节间歇机构习题2023/9/10第一节凸轮机构一、凸轮机构的应用及分类1、凸轮机构的应用内燃机配气机构动画演示驱动动力头在机架上移动的凸轮机构2023/9/104、特点优点：实现各种复杂的运动要求、结构简单、紧凑、设计方便缺点：点、线接触，易磨损，不适合高速、重载仿形车削机构动画演示缝纫机挑线机构2、结构：三个构件（机架、凸轮、从动件）。3、作用：将连续回转=>从动件直线移动或摆动。2023/9/103、凸轮的分类(1)按凸轮的形状分盘形凸轮移动凸轮圆柱凸轮：可看成是移动凸轮卷在圆柱体上推杆凸轮推杆凸轮动画演示动画演示一动画演示二2023/9/10(2)按从动件的型式分尖顶推杆滚子推杆平底推杆能与任意凸轮轮廓保持接触，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耐磨、承载大，较常用动画演示动画演示动画演示动画演示2023/9/10(3)按从动件的运动形式分直动摆动(4)一般凸轮机构的命名原则布置形式＋运动形式＋推杆形状＋凸轮形状对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构摆动平底推杆盘形凸轮机构2023/9/10回程，回程运动角

h

休止，休止角

s、

s’行程（升程），h位移线图：从动件的位移s、速度v、加速度a等随时间t或凸轮转角d变化的关系图。

t推程

s远休止

h回程

s’近休止hA’BCDAr1

t

s

h

s’

二、从动件常用的运动规律从动件的运动规律是指从动件的位移、速度、加速度等随时间t或凸轮转角d变化的规律。t

s0基圆，基圆半径r1推程，推程运动角

t动画演示2023/9/101、等速运动规律推程（0≤

≤

t）位移方程：速度方程：加速度方程：运动线图冲击特性：始点、末点刚性冲击适用场合：低速轻载hs

0v

0a

0-

位移速度加速度+

回程（0≤

≤

t’）位移方程：速度方程：加速度方程：+

t

t’-

2023/9/102、等加速等减速运动规律推程运动线图冲击特性：起、中、末点柔性冲击适用场合：低速轻载s

0

tv

0a

0h/2h/2

t/2

t/2h(0≤

≤

t/2)(

t/2≤

≤

t)加速段减速段位移方程速度方程加速度方程运动方程2023/9/103、余弦加速度运动规律推程（0≤

≤

t）运动方程：运动线图冲击特性：始、末点有软性冲击适用场合：中低速、中轻载δsδa123456δv12345hδt2023/9/104、正弦加速度运动规律advd012345678hA2ph

t推程（0≤

≤

t）运动方程：运动线图冲击特性：无冲击适用场合：高速轻载

t

tsd2023/9/10三、从动件的压力角和凸轮的基圆半径1、从动件的压力角FxnnFnmmaFfFn的两个分力：Ff为导路对从动件的磨擦力Fn一定时，a↑，

Fx↑，

Ff↑当Ff＞Fy时，机构发生自锁！推程[a]为：移动从动件a≤30°

摆动从动件a≤45°回程[a]为：a≤70o~80°建议Fy

2023/9/10r1a

s2r2、凸轮的基圆半径vmmvB1avB2vmmvB1vB2nnv2当v2、ω1和s2

一定时，r1↓，a↑

故确定凸轮基圆半径时，应保证从动件在任何位置的压力角均不大于许用值。2023/9/10四、按给定运动规律设计盘形凸轮轮廓

凸轮轮廓线设计基本原理：反转法。AAAAAAAAAAAAAAA

-

r0r0动画演示2023/9/10作图步骤：根据从动件的运动规律：作出位移线图S2-δt，并等分角度；定基圆；作出推杆在反转运动中依次占据的位置；据运动规律，求出从动件在预期运动中依次占据的位置；将两种运动复合，就求出了从动件尖端在复合运动中依次占据的位置点；将各位置点联接成光滑的曲线；在理论轮廓上再作出凸轮的实际轮廓。

作图法设计凸轮廓线1

对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构2

对心直动滚子推杆盘形凸轮机构3

对心直动平底推杆盘形凸轮机构4

偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构2023/9/101、对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构已知：r1，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动。设计：凸轮廓线s

0h定比例尺

初始位置及推杆位移曲线确定推杆反转运动占据的各位置确定推杆预期运动占据的各位置推杆高副元素族推杆高副元素的包络线求解步骤：2023/9/102、对心直动滚子推杆盘形凸轮机构已知：r1，推杆运动规律，滚子半径rk,凸轮逆时针方向转动设计：凸轮廓线s

0h理论轮廓实际轮廓求解步骤：定比例尺

初始位置及推杆位移曲线注：两条廓线，理论／实际廓线实际廓线基圆rmin理论廓线基圆r1确定推杆反转运动占据的各位置确定推杆预期运动占据的各位置推杆高副元素族推杆高副元素的包络线2023/9/10滚子半径的选择：实际廓线曲率半径：r

理论廓线曲率半径：滚子半径：rk内凹凸轮廓线r

=+rk理论廓线最小结论：无论滚子半径多大，总能由理论廓线得到实际廓线rk理论实际r

r

=+rk2023/9/10r

=-rk＝0rk

r

=-rk<0rk

=rk

<rk外凸凸轮廓线r

=-rk

>rk，r

>0，实际廓线平滑

=rk，r

=0，实际廓线变尖

<rk，r

<0，实际廓线出现交叉，切割，运动失真r

rk

>rkr

=-rk>02023/9/103、对心直动平底推杆盘形凸轮机构已知：r1，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动设计：凸轮廓线求解步骤：

定比例尺

初始位置及推杆位移曲线确定推杆反转运动占据的各位置确定推杆预期运动占据的各位置推杆高副元素族推杆高副元素的包络线s

0h实际轮廓2023/9/104、偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构了解已知：r1，偏置圆半径e，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动设计：凸轮廓线s

0h定比例尺

初始位置及推杆位移曲线偏距圆、基圆确定推杆反转运动占据的各位置确定推杆预期运动占据的各位置推杆高副元素族推杆高副元素的包络线求解步骤：2023/9/10第二节间歇运动机构一、棘轮机构组成：摆杆、棘爪、棘轮、止动爪。工作原理：摆杆往复摆动，棘爪推动棘轮间歇转动。优点：结构简单、制造方便、运动可靠、转角可调。缺点：工作时有较大的冲击和噪音，运动精度较差。适用性：速度较低和载荷不大的场合。动画演示摆杆棘轮棘爪止动爪2023/9/10AB’B动画演示动画演示2023/9/10o2ω1ω2锁止弧槽轮拨盘圆销o1二、槽轮机构组成：带圆销的拨盘、带有径向槽的槽轮。拨盘和槽轮上都有锁止弧：槽轮上的凹圆弧、拨盘上的凸圆弧，起锁定作用。作用：将连续回转变换为间歇转动。特点：结构简单、制造容易、工作可靠、机械效率高，能平稳地、间歇地进行转位。因槽轮运动过程中角速度有变化，不适合高速运动场合。动画演示2023/9/10习题试比较尖顶、滚子和平底从动件凸轮机构的优缺点及其应用场合。选择从动件运动规律时，应考虑那些主要问题？什么叫压力角？压力角的大小对机构有何影响？反转法原理是怎样的？用图解法来设计凸轮轮廓时如何运用反转法原理？为什么要校核机构的压力角？校核时应满足什么条件？常用那些方法校核？常用的间歇机构有哪些？各有何特点？2023/9/10已知一凸轮以等角速度w=10rad/s

顺时针转动，直动推杆的运动规律及其对应的凸轮转角如表所示。要求：

（1）作出s-d、v-d和a-d

线图；

（2）求出当d为90°、180°和270°时，推杆的s、v和a值。d（°）h(mm)推杆运动规律0→12040简谐运动120→1500休止150→210-20简谐运动210→2400休止240→300-20等速运动300→3600休止2023/9/10图1为一对心尖顶推杆单圆弧凸轮（偏心轮），其几何中心O′距离凸轮转轴O为lOO’=15mm，偏心轮半径R=30mm，凸轮以等角速度w

顺时针转动，试作出推杆的位移线图s-d。设计一对心滚子直动推杆盘形凸轮。已知凸轮的基圆半径r1=35mm，凸轮以等角速度w逆时针转动，推杆行程h=20mm，滚子半径rk=10mm以及位移线图s-d

如图2所示。图1图22023/9/10设计一偏置滚子直动推杆盘形凸轮。已知凸轮以等角速度ω顺时针转动，凸轮转轴O偏于推杆中心线的右方10mm处，基圆半径r1=35mm，推杆行程h=32mm，滚子半径rk=10mm，其位移线图s-d

如图3所示。设计一平底直动推杆盘形凸轮。已知凸轮以等角速度w顺时针转动，基圆半径r1=40mm，推杆导路与平底垂直，推杆的位移线图s-d如图4所示。图4图32023/9/10设计一摆动滚子推杆盘形凸轮。如图5所示，已知中心距lOA=50mm，推杆长度lAB=35mm，滚子半径rk=8mm，并知推杆在最低位置时，与连心线OA之间的夹角j

0=30°；当凸轮以等角速度w

逆时针转过150°时，推杆以等加速等减速运动规律（等加、等减速度绝对值相等，推杆