机械基础 课件 模块三任务 压力机送料机构中凸轮机构的设计

教学目标知识目标1.了解凸轮机构的应用与特点、组成与分类；2.掌握从动件常用的运动规律；3.掌握反转法原理。能力目标1.能根据选定的凸轮类型和从动件运动规律设计凸轮的轮廓曲线。2.能正确选择凸轮机构的材料。素养目标1.培养学生标准意识和规范意识；2.培养学生严谨细心、爱岗敬业、精益求精的工匠精神。模块三凸轮机构任务

压力机送料机构中凸轮机构的设计【学习重点与难点】1.从动件常用的运动规律；2.反转法原理；3.尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计；4.滚子对心直动从动件盘形凸轮廓线设计；5.凸轮压力角的校核与基圆半径的选择；6.凸轮机构的材料与结构。【相关知识】一、凸轮机构的应用与特点、组成与分类（一）凸轮机构的应用与特点

凸轮机构结构简单、紧凑，在机械工业中应用广泛，如图所示。

凸轮机构的特点如下：

（1）凸轮机构结构简单、紧凑。

（2）改变凸轮的轮廓曲线，可实现从动件各种复杂的运动规律。

（3）凸轮机构可作高速运动，且动作准确、可靠。

（4）凸轮机构属于高副机构，在接触处润滑不良，容易磨损。内燃机的配气机构图自动机床进给机构（二）凸轮机构的组成与分类

1.凸轮机构的组成

如图所示，凸轮机构由凸轮1、从动件2和机架3三个构件组成。凸轮为主动件，作等速转动，从动件随凸轮轮廓的变化作相应的运动。凸轮机构的组成2.凸轮机构的分类（1）按凸轮形状分

按凸轮的形状可分为盘形凸轮、圆柱凸轮和移动凸轮。（a）盘形凸轮（b）圆柱凸轮（c）移动凸轮靠模车削凸轮机构（2）按从动件末端形状分

按从动件末端形状可分为尖顶从动件、平底从动件、滚子从动件三种。（a）尖顶从动件（b）平底从动件（c）滚子从动件（3）按从动件运动形式分

按从动件运动形式可分为直动从动件、摆动从动件。（a）直动从动件（b）摆动从动件凸轮机构运动过程二、从动件常用的运动规律（一）凸轮机构运动过程及有关名称

如图所示的凸轮机构运动过程图中，从动件在最低位置时尖顶在A点。1.基圆

以凸轮最小向径作的圆称为基圆，其半径称为基圆半径，用

表示。2.推程、推程运动角

凸轮连续转动，从动件尖端被凸轮轮廓由最低点推至最高点的过程，称为推程。在推程过程中，凸轮所转过的角度，称为推程运动角，用

表示。3.行程

从动件由最低点上升到最高点的距离，用h表示。4.远休止、远休止角

凸轮连续转动，从动件尖端在最高点位置不动的过程，称为远休止。在远休止过程时，凸轮所转过的角度，称为远休止角，用

表示。5.回程、回程运动角

凸轮连续转动，从动件尖端由最高点回到最低点的过程，称为回程。在回程过程中，凸轮所转过的角度，称为回程运动角，用

表示。6.近休止、近休止角

凸轮连续转动，从动件尖端在最低点位置不动的过程，称为近休止。在近休止过程时，凸轮所转过的角度，称为近休止角，用

表示。凸轮机构运动过程（二）位移线图

从动件的运动过程，可用位移线图表示，如图所示。凸轮轮廓与从动件位移曲线（三）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S、速度v以及加速度a随凸轮转角δ的变化规律。常见的运动规律有等速运动规律、等加速等减速运动规律、简谐运动规律等。1.等速运动规律

当凸轮以等角速度ω转动时，从动件在推程或回程中的速度保持不变的运动规律，称为等速运动规律。（2）运动线图

运动线图如图所示。位移线图为－斜直线，速度线图为一水平线，加速度线图与水平坐标轴重合。（a）推程

（b）回程运动线图（3）运动特性分析

刚性冲击：从动件的瞬时加速度趋于无穷大时，惯性力也趋于无穷大，致使机构产生强烈的冲击，这种冲击称为刚性冲击。（4）适用范围：由于产生刚性冲击，故只适用低速、轻载的凸轮机构。2.等加速等减速运动规律

当凸轮以等角速度转动时，从动件在推程或回程中，前半程为等加速运动，后半程为等减速运动，且加速度的绝对值相等的运动规律，称为等加速等减速运动规律。（2）运动线图（a）推程

（b）回程运动线图（3）运动特性分析

柔性冲击：从动件的瞬时加速度发生有限值变化，惯性力也发生有限值变化，机构由此受到的冲击称为柔性冲击。（4）适用范围：由于存在柔性冲击，故仅适用中、低速场合。三、盘形凸轮轮廓的设计

凸轮轮廓曲线的设计方法有解析法和图解法。本节只介绍图解法。（一）图解法设计凸轮的原理

图解法设计凸轮轮廓采用反转法。反转法（二）图解法设计对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线例：

已知凸轮基圆半径rb=30mm，当凸轮转动时，在0°～120°范围内从动件匀速上升20mm，在120°～180°范围内从动件停止不动，在180°～270°范围内从动件匀速下降至半径为30mm处，继续转动至原处。试绘制此凸轮轮廓曲线。答案：凸轮轮廓曲线运动线图（三）图解法设计对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线

对于如图所示的对心移动滚子从动件盘形凸轮机构，可以将从动件上滚子中心点假想为尖顶从动件的尖顶，先依据反转法原理，作出从动件做复合运动时滚子中心(假想尖顶)的轨迹，即图中的点画线曲线，此曲线称为凸轮的理论轮廓曲线。以理论轮廓曲线上各点为圆心，以滚子半径rr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滚子从动件凸轮轮廓曲线，称为凸轮的实际轮廓曲线。（a）（b）对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线设计四、凸轮机构基本尺寸的确定

凸轮机构的基本尺寸有：基圆半径r0、滚子半径rr、偏距e、移动从动件导路长度、摆动从动件的摆杆长度l和中心距a。1.凸轮机构的压力角

如图所示，为尖顶直动从动件盘形凸轮机构在推程的一个位置，不计摩擦时，凸轮与从动件在某瞬时接触点处的公法线方向与从动件运动方向之间所夹的锐角α称为凸轮机构在该位置的压力角。F1是沿着从动件运动方向的有效分力，F2只是使从动件与导路间的正压力增大，从而使摩擦力增大，因而是有害分力。上式表明，在驱动力F一定的条件下，压力角α越大，有害分力越大，机构的效率就越低。当压力角α增大到某一值时，有害分力F2所引起的摩擦阻力将大于有效分力F1，这时无论凸轮给从动件的作用力F有多大，都不能推动从动件运动，即机构发生自锁（卡死）现象，而此时的压力角称为临界压力角。为了提高机构效率、改善传力性能，确定凸轮机构基本尺寸时务必使其最大压力角αmax小于或等于许用压力角[α]。根据理论力学分析和实际经验，压力角的许用值如下:对于移动从动件，在推程时[a]=30°～38°；对于摆动从动件，在推程时[a]=40°～45°；对于靠弹簧力复位的移动或摆动从动件，在回程时可取[a]=70°～80°。2.凸轮基圆半径的确定设计凸轮机构时，除了应使机构具有良好的传动性能外，还希望机构紧凑。在其它条件都不变的情况下，若把基圆半径增大，则凸轮的尺寸也将随之增大，因此，要使机构紧凑就应当选用较小的基圆半径。但是，基圆半径减小会引起压力角增大。在实际设计工作中，还需根据结构和强度的需要确定凸轮的基圆半径r0。如果安装凸轮的轴的半径已确定，则凸轮安装到轴上时，其实际轮廓的最小半径必须大于轮毂半径。如果凸轮与轴做成一体，则其实际轮廓的最小半径必须大于轴的半径，通常取r0=(1.6～2.0)rs，rs为轴的半径。3.滚子半径的确定设计滚子从动件时若从强度和耐用性考虑，滚子的半径应取大些。滚子半径取大时，对凸轮的实际轮廓曲线影响很大，有时甚至使从动件不能完成预期的运动规律。（a）（b）（c）（d）（1）凸轮理论轮廓的内凹部分(2)凸轮理论轮廓的外凸部分当ρa＞ρ-rr时，则有ρa＞0，实际轮廓曲线为一平滑的曲线。这种情况属于正常。

当ρa=ρ-rr时，则有ρa=0

，凸轮实际轮廓曲线出现了尖点。这种尖点极易磨损，磨损后就会改变从动件预定的运动规律，从而影响凸轮机构的工作寿命。当ρa＜ρ-rr时，则有ρa＜0，凸轮实际轮廓曲线不仅出现尖点，而且相交，图中阴影部分的轮廓在实际加工中被切去，使从动件工作时不能到达预定的工作位置，无法实现预期的运动规律。这种现象称为运动失真。

结论：滚子半径rr不宜过大，否则产生运动失真；但滚子半径也不宜过小，否则凸轮与滚子接触应力过大且难以装在轴上。

因此，一般推荐rr≤0.8ρmin，若从结构上考虑，可使rr=(0.1～0.15)r0,为了避免出现尖点，一般要求ρa＞3～5mm。五、凸轮机构的材料与结构

当载荷不大、低速时可选用HT250、HT300、