机械基础 课件 项目四 凸轮机构及间歇运动机构

项目四凸轮机构及间歇运动机构学习导航知识目标：能力目标：了解凸轮机构的类型、特点及应用场合。了解凸轮机构的常用运动规律及位移曲线绘制方法。掌握反转法设计凸轮轮廓曲线的绘制方法。会分析凸轮机构的类型及应用。会绘制从动件运动规律曲线。会用图解法设计凸轮轮廓。项目四凸轮机构及间歇运动机构任务一凸轮机构的组成与分类任务二凸轮机构从动件的运动规律任务三凸轮轮廓曲线的绘制任务四常见的间歇运动机构任务一凸轮机构的组成与分类学习要点了解凸轮机构的组成、分类方法和在工程实际中的应用。4.1.1凸轮机构的应用和组成4.1.2凸轮机构的分类4.1.1凸轮机构的应用和组成凸轮机构广泛地应用在各种机械和自动控制装置中。如图所示为内燃机配气机构。其中构件3为机架，凸轮1以等角速度转动，并用其曲线轮廓驱动从动件气阀2做上下往复移动，从而有规律地开启或关闭气阀。内燃机配气机构动画4.1.1凸轮机构的应用和组成冲床送料机构绕线机的凸轮机构动画动画4.1.1凸轮机构的应用和组成综上所述，凸轮机构由凸轮、从动件和机架组成。凸轮是具有变化向径或曲线轮廓的构件，凸轮与从动件通过高副连接，故凸轮机构属于高副机构。凸轮机构的主要作用是将主动凸轮的连续转动或移动转化为从动件的往复移动或摆动。凸轮机构结构简单、紧凑，设计方便，只需设计适当的凸轮轮廓，便可以使从动件实现预期运动规律。缺点是凸轮轮廓与从动件之间是点或线接触，易磨损，通常用于传力不大的控制机械中。4.1.2凸轮机构的分类按凸轮形状分类1(1)盘形凸轮具有变化向径的盘状构件称为盘形凸轮。它是凸轮的基本形式。内燃机配气机构绕线机的凸轮机构4.1.2凸轮机构的分类按凸轮形状分类1

(2)移动凸轮

做移动的平面凸轮。可看作是当转动中心在无穷远处时盘形凸轮的演化形式。冲床送料机构4.1.2凸轮机构的分类按凸轮形状分类1

(3)圆柱凸轮

圆柱体的表面上具有曲线凹槽或端面上具有曲线轮廓，称为圆柱凸轮。属于空间凸轮机构。圆柱凸轮机构动画4.1.2凸轮机构的分类按从动件的端部结构分类2(1)尖顶从动件从动件端部以尖顶与凸轮轮廓接触，如图所示。这种从动件结构最简单，尖顶能与复杂的凸轮轮廓保持接触，因此理论上可以实现任意预期的运动规律。尖顶从动件是研究其他类型从动件凸轮机构的基础。由于尖顶与凸轮是点接触，易磨损，故仅适用于低速轻载的凸轮机构中。动画4.1.2凸轮机构的分类按从动件的端部结构分类2

(2)滚子从动件从动件端部装有可以自山转动的滚子，滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，耐磨损，可以承受较大的载荷，故应用广泛，如图所示。动画4.1.2凸轮机构的分类按从动件的端部结构分类2

(3)平底从动件从动件的端部是一平底，这种从动件与凸轮轮廓接触处在一定条件下易形成油膜，利于润滑，传动效率较高，且能传动较大的作用力，故常用于高速凸轮机构中，如图所示。动画4.1.2凸轮机构的分类按从动件的运动方式分类3

(1)移动从动件，从动件做往复直线移动。

(2)摆动从动件，从动件做往复摆动。按锁合方式分类4使从动件与凸轮轮廓始终保持接触的特性称为锁合。

(1)力锁合利用重力、弹簧力或其他力锁合。凸轮机构利用弹簧力锁合。

(2)形锁合利用凸轮和从动件的特殊几何形状锁合。任务二凸轮机构从动件的运动规律学习要点了解等速运动、等加速等减速运动和简谐运动规律的运动

线图的绘制方法、运动特性和适用范围。4.2.1凸轮机构运动分析的基本概念4.2.2从动件的常用运动规律4.2.1凸轮机构运动分析的基本概念在凸轮机构中，从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线的形状。结合凸轮轮廓，分析从动件的位移、速度、加速度的运动规律，称为凸轮机构的运动分析。

升—停—降—停运动过程是凸轮机构典型的运动过程。对心尖顶直动从动件盘形凸轮机构4.2.1凸轮机构运动分析的基本概念综上所述，从动件的运动取决于凸轮轮廓曲线的形状，即凸轮轮廓决定了从动件的运动规律。因此，设计凸轮轮廓曲线时，首先根据工作要求选定从动件的运动规律，然后再按从动件的位移曲线设计出相应的凸轮轮廓曲线。4.2.2从动件的常用运动规律从动件在运动过程中，运动速度为定值的运动规律，称为等速运动规律。当凸轮以等角速度ω1转动时，从动件在推程或回程中的速度为常数。凸轮转角θ与时间t的关系为θ=ω1t。推程时，从动件位移s与时间t的关系为s=vt。等速运动规律1等速运动规律的位移、速度、加速度线图4.2.2从动件的常用运动规律从动件在运动过程的前半程做等加速运动，后半程做等减速运动，两部分加速度的绝对值相等，这种运动规律称为等加速等减速运动规律。等加速等减速运动规律2等加速等减速运动规律的位移、速度、加速度线图4.2.2从动件的常用运动规律从动件的加速度按余弦规律变化的运动规律称为简谐运动规律。加速度曲线为半个周期的余弦曲线，位移曲线为简谐运动曲线。图所示为简谐运动规律的位移、速度、加速度线图。简谐运动规律3简谐运动规律的位移、速度、加速度线图任务三凸轮轮廓曲线的绘制学习要点掌握反转法原理，能够利用图解法设计对心尖顶直动从动

件、对心滚子直动从动件和对心平底直动从动件盘形凸轮

轮廓。4.3.1用图解法设计盘形凸轮轮廓4.3.2用解析法设计圆形凸轮轮廓根据工作条件要求，确定从动件的运动规律，选定凸轮的转动方向、基圆半径等，进而可以对凸轮轮廓曲线进行设计。凸轮轮廓曲线的设计方法有图解法和解析法。图解法简便易行、直观，但精度较低，可用于设计一般精度要求的凸轮机构。解析法精度高，但计算量大，多用于设计精度要求较高的凸轮机构。任务三凸轮轮廓曲线的绘制4.3.1用图解法设计盘形凸轮轮廓如图所示，凸轮机构工作时，主动凸轮以等角速度ω1转动。用图解法设计盘形凸轮轮廓时，给整个凸轮机构加上一个公共的角速度—ω1。根据相对运动原理，凸轮静止不动;从动件一方面随导路(即机架)以角速度—ω1，绕轴O转动，另一方面又在导路中按预期的运动规律做往复移动。此时，凸轮机构中各构件间的相对运动并没有改变。反转法原理4.3.1用图解法设计盘形凸轮轮廓对心尖顶直动从动件盘形凸轮1对心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的画法4.3.1用图解法设计盘形凸轮轮廓对心直动滚子从动件盘形凸轮2对心滚子直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的画法

(1)将滚子的中心看做是尖顶从动件的尖顶，按前述方法绘制尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓曲线，该曲线称为凸轮的理论轮廓曲线。

(2)以理论轮廓曲线上各点为圆心、以滚子半径rT为半径作一系列的滚子圆，然后作这些滚子圆的内包络线，此包络线即为所求的对心滚子直动从动件盘形凸轮轮廓曲线，称为凸轮的实际轮廓曲线。4.3.1用图解法设计盘形凸轮轮廓对心平底直动从动件盘形凸轮3对心平底直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的画法对心平底直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制与对心滚子直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制类似。如图所示，将平底从动件的轴线与平底的交点A。看成尖顶从动件的尖端，按尖顶从动件凸轮轮廓曲线的绘制方法求得理论轮廓线上的各点，然后过这些点画出一系列平底线这些平底线形成的包络线就是凸轮的实际轮廓曲线。4.3.2用解析法设计盘形凸轮轮廓凸轮理论轮廓曲线方程式1偏置滚子直动从动件盘形凸轮轮廓曲线方程式推导如图所示为一偏置滚子直动从动件盘形凸轮轮廓曲线方程式推导。在直角坐标系中，B点为滚子从动件中心在凸轮理论轮廓曲线上的一个位置，由图中的几何关系可知，该点的直角坐标为4.3.2用解析法设计盘形凸轮轮廓凸轮实际轮廓曲线方程式2由前述可知，在滚子直动从动件盘形凸轮机构中，凸轮的实际轮廓曲线与理论轮廓曲线为法向等距曲线，两者在法线方向上相距滚子半径rT。任务四常见的间歇运动机构学习要点了解间歇机构的组成、分类方法和在工程实际中的应用。4.4.1螺旋机构4.4.2棘轮机构4.4.3槽轮机构4.4.4不完全齿轮机构

4.4.1螺旋机构螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成。它主要用于将旋转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。螺纹按其功用可分为两种:一种是利用螺纹连接件如螺钉、螺栓和螺母等将需要相对固定在一起的零件连接起来，称为螺纹连接。

另一种是由螺杆、螺母和机架组成的螺旋机构，其工作原理是将旋转运动转化为直线运动，同时传递运动与动力。螺纹的形成1螺纹的形成

4.4.1螺旋机构螺纹的类型2

(1)按螺旋线的绕行方向，可将螺纹分为左旋螺纹和右旋螺纹，规定将外螺纹轴线直立时螺旋线向右上升为右旋螺纹，向左上升为左旋螺纹。一般采用右旋螺纹，有特殊要求时才采用左旋螺纹。

(2)按螺旋线的数目，可将螺纹分为单线螺纹和等距排列的多线螺纹。为了制造方便，螺纹线数一般不超过4线。

4.4.1螺旋机构螺纹的类型2螺纹的牙型

(3)按平面图形的形状(即牙型)，可将螺纹分为二角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹等，如图所示。二角形螺纹多用于连接，其余螺纹多用于传动。

4.4.1螺旋机构螺纹的主要儿何参数

4.4.1螺旋机构

(1)大径d与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱体直径，在有关螺纹的标准中规定为公称直径。

(2)小径d1与外螺纹牙底相重合的假想圆柱体直径，在强度计算中作为危险剖面的计算直径。

(3)中径d2在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱体直径，近似等于螺纹的平均直径。d2≈0.5（d+d1）

(4)螺距P相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离。

4.4.1螺旋机构螺纹的参数3

(5)线数n

螺纹螺旋线的数目，一般为便于制造取n≤4。

(6)导程S

同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离。螺距、导程、线数之间的关系为S=nP

(7)螺旋升角ψ

在中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面之间的夹角。

(8)牙型角α及牙型斜角β

在轴向剖面内螺纹牙型两侧边的夹角称为牙型角α；牙型斜角β是指螺纹牙型的侧边与螺纹轴线的垂直平面的夹角。若牙型角对称，则β=α/2。

4.4.1螺旋机构螺纹的应用4普通螺纹即三角形米制螺纹，牙型角α=60°，大径d为公称直径，单位为mm。同一公称直径按螺距的大小，可分为粗牙螺纹和细牙螺纹，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余都称为细牙螺纹。一般连接多用粗牙螺纹。细牙螺纹的螺距小、小径大、螺旋升角小，因而自锁性能较好、强度高，但不耐磨、容易滑扣，适用于薄壁零件、受动载荷的连接中，也可作为微调机构的调整螺纹。

4.4.1螺旋机构管螺纹的牙型角α=55°，牙顶呈圆弧形，内外螺纹旋合后无径向间隙，紧密性好。管螺纹为英制螺纹，公称直径近似为管子的内径。按螺纹是分布在圆柱上还是圆锥上，将管螺纹分为圆柱管螺纹和圆锥管螺纹，如图所示。管螺纹

4.4.1螺旋机构矩形螺纹牙型为正方形，牙型角α=0°，牙厚为螺距的一半。其传动效率较其他螺纹高，但牙根强度较低，精加工较困难，且螺纹磨损后轴向间隙难以补偿。梯形螺纹牙型为等腰梯形，牙型角α=30°。其传动效率比矩形螺纹低，但工艺性较好，牙根强度高，对中性好。锯齿形螺纹工作面的牙型斜角为3°，非工作面的牙型斜角为30°。这种螺纹兼有矩形螺纹传动效率高和梯形螺纹牙根强度高的优点。

4.4.1螺旋机构螺旋机构可以用来把回转运动变为直线移动，在各种机械设备和仪器中得到广泛的应用。机床手摇进给机构

4.4.1螺旋机构单速式螺旋机构台虎钳

4.4.1螺旋机构差速式螺旋机构差速式螺旋机构如图所示为差速式螺旋机构(也称差动螺旋机构)简图。这种螺旋机构的优点是既能得到极小的位移，其螺纹的导程又无须太小，因而便于加工制造。差速式螺旋机构常用于较精密的机械或仪器中，如测微器、分度机构及机床刀具的微调机构等。

4.4.1螺旋机构增速式螺旋机构增速式螺旋机构

4.4.1螺旋机构滚动螺旋机构普通的螺旋机构，由于齿面之间存在相对滑动摩擦，所以传动效率低。为了提高效率并减轻磨损，可采用以滚动摩擦代替滑动摩擦的滚动螺旋机构。

4.4.1螺旋机构

4.4.2棘轮机构学习要点认识和了解棘轮机构及其应用场合。棘轮机构动画

4.4.2棘轮机构棘轮机构按其工作原理可分为齿式棘轮机构和摩擦式棘轮机构两大类。按啮合的情况，又分为外齿啮合式棘轮机构和内齿啮合式棘轮机构。齿式棘轮机构的棘轮外缘、内缘或端面上具有刚性的轮齿，按照其运动形式又分为以下几类：

4.4.2棘轮机构这种机构的特点是摇杆正向摆动时棘爪驱动棘轮沿同一方向转过某一角度;摇杆反向摆动时，棘轮静止。单动式棘轮机构1双动式棘轮机构2动画双动式棘轮机构

4.4.2棘轮机构可变向棘轮机构3可变向棘轮机构动画动画

4.4.2棘轮机构摩擦式棘轮机构4齿式棘轮机构的棘轮转角都是相邻两齿所夹中心角的倍数，也就是说，棘轮的转角是有级性改变的。如果需要无级性改变转角，可采用摩擦式棘轮机构。如图所示，它山摩擦轮3和摇杆1及其铰接的驱动偏心楔块2、止动楔块4和机架5组成。当摇杆1逆时针方向摆动时，通过驱动偏心楔块2与摩擦轮3之间的摩擦力，使摩擦轮沿逆时针方向运动。摩擦式棘轮机构动画

4.4.2棘轮机构摩擦式棘轮机构4棘轮机构的结构简单，制造方便，运动可靠。齿式棘轮机构传动平稳、转角准确，但运动只能有级调节，且噪声、冲击和磨损都较大。摩擦式棘轮机构传动平稳、无噪声，可实现运动的无级调节，但其运动准确性较差。