机械原理教程--凸轮

第3章凸轮机构3-1凸轮机构的应用及分类3-2推杆的运动规律3-3凸轮轮廓曲线的设计3-4凸轮机构基本尺寸的确定基本要求:了解凸轮机构的类型及特点掌握从动件常用运动规律的特点掌握凸轮机构基本尺寸确定的原则熟练掌握反转法原理并进行凸轮机构设计机械设计基础——凸轮机构3-1凸轮机构的组成及分类一、组成二、特点三、分类四、应用机械设计基础——凸轮机构一、组成动画１、动画2由三个构件组成的一种高副机构凸轮cam：具有曲线轮廓或凹槽的构件推杆/从动件follower，运动规律由凸轮廓线和运动尺寸决定机架frame推杆凸轮机械设计基础——凸轮机构二、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、重载推杆凸轮机械设计基础——凸轮机构三、分类1按凸轮的形状分2按从动件的形状分3按从动件的运动形式分4按从动件的布置形式分5小结推杆凸轮机械设计基础——凸轮机构1按凸轮的形状分盘形凸轮,实例凸轮呈向径变化的盘形结构简单,应用最广泛移动凸轮,实例凸轮呈板型,直线移动圆柱凸轮,实例空间凸轮机构凸轮轮廓做在圆柱体上空间运动推杆凸轮凸轮推杆推杆凸轮机械设计基础——凸轮机构2按从动件的形状分尖顶推杆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、低速滚子推杆耐磨、承载大，较常用平底推杆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尖顶推杆滚子推杆平底推杆平底推杆机械设计基础——凸轮机构3按从动件的运动形式分直动推杆往复移动轨迹为直线摆动推杆往复摆动轨迹为圆弧尖顶推杆滚子推杆平底推杆直动推杆摆动推杆机械设计基础——凸轮机构4按从动件的布置形式分对心直动推杆偏置直动推杆尖顶推杆滚子推杆机械设计基础——凸轮机构5小结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机械设计基础——凸轮机构四、应用1实现无特定运动规律要求的工作行程例：车床床头箱中利用凸轮机构实现变速操纵2实现无特定运动规律要求的工作行程例：自动机床中利用凸轮机构实现进刀、退刀3实现对运动和动力特性有特殊要求的工作行程例：船用柴油机中利用凸轮机构控制阀门的启闭4实现复杂的运动轨迹例：印刷机中利用凸轮机构适当组合实现吸纸吸头的复杂运动轨迹机械设计基础——凸轮机构3-2推杆的运动规律一、凸轮机构的运动过程二、推杆常用运动规律三、选择运动规律应注意的问题机械设计基础——凸轮机构A一、凸轮机构的运动过程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j变化的规律基圆(以凸轮轮廓最小向径所组成的圆)，基圆半径r0推程，推程运动角0远休止，远休止角01回程，回程运动角0’近休止，近休止角02行程（升程），h运动线图:从动件的位移、速度、加速度等随时间t或凸轮转角j变化关系图0010’02r00推程01远休止0’回程02近休止ts0BCDhA’机械设计基础——凸轮机构二、推杆常用运动规律1等速运动2等加速等减速运动3摆线运动注意：为便于理解各种运动规律特性,本章将运动规律单独应用于推程或回程机械设计基础——凸轮机构1等速运动——一次多项式运动规律推程(00)运动方程：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00v0a0-DisplacementVelocityAcceleration0/hs0/hv0a+机械设计基础——凸轮机构等速运动（续）回程(0’0)运动方程：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01/hs'/0hv0as0v0a00’-++-0hDisplacementVelocityAcceleration机械设计基础——凸轮机构2等加速等减速运动—二次多项式运动规律推程运动方程:运动线图冲击特性：起、中、末点柔性冲击适用场合：低速轻载2022hs20202)(hhss00v0a0h/2h/20/20/2h204hv2024ha2004)(hv2024ha(00/2)(0/20)加速段减速段位移方程速度方程加速度方程机械设计基础——凸轮机构3摆线运动——正弦加速度运动推程运动方程：运动线图冲击特性：无冲击适用场合：高速轻载avj0j0012345678shA2phj000221ppsinhs0021pcoshv020222ppsinha机械设计基础——凸轮机构三、选择运动规律应注意的问题实际使用时,推程或回程的运动规律可采用单一运动规律,也可以将几种运动规律复合使用1.当机械的工作过程只要求推杆实现一定的工作行程，而对运动规律无特殊要求时，主要考虑动力特性和便于加工低速轻载时，便于加工优先；速度较高时，动力特性优先。2.当机械的工作过程对推杆运动规律有特殊要求时：转速较低时，首先满足运动规律，其次再考虑动力特性和加工转速较高时，兼顾运动规律和动力特性，采用组合运动机械设计基础——凸轮机构3-3凸轮轮廓曲线的设计一、凸轮廓线设计的基本原理二、作图法设计凸轮廓线机械设计基础——凸轮机构AAAAAAAAAAAAA一、凸轮廓线设计的基本原理解析法、作图法相对运动原理法:(也称反转法):对整个系统施加-运动此时，凸轮保持不动推杆作复合运动=反转运动(-)+预期运动(s)AAr0-r0机械设计基础——凸轮机构二、作图法设计凸轮廓线作图步骤：1根据从动件的运动规律：作出位移线图S2-δ1，并等分角度2定基圆3作出推杆在反转运动中依次占据的位置4据运动规律，求出从动件在预期运动中依次占据的位置5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6将各位置点联接成光滑的曲线7在理论轮廓上再作出凸轮的实际轮廓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5摆动推杆盘形凸轮机构6小结机械设计基础——凸轮机构1对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构已知：r0，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动设计：凸轮廓线解：1.定比例尺l2.初始位置及推杆位移曲线3.确定推杆反转运动占据的各位置4.确定推杆预期运动占据的各位置5.推杆高副元素族6.推杆高副元素的包络线s0h120060090090机械设计基础——凸轮机构2对心直动滚子推杆盘形凸轮机构已知：r0，推杆运动规律，滚子半径rr,凸轮逆时针方向转动设计：凸轮廓线解：1.定比例尺l2.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r03.确定推杆反转运动占据的各位置4.确定推杆预期运动占据的各位置5.推杆高副元素族6.推杆高副元素的包络线s0h120060090090理论轮廓实际轮廓机械设计基础——凸轮机构s0h1200600900903对心直动平底推杆盘形凸轮机构已知：r0，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动设计：凸轮廓线解：1.定比例尺l2.初始位置及推杆位移曲线3.确定推杆反转运动占据的各位置4.确定推杆预期运动占据的各位置5.推杆高副元素族6.推杆高副元素的包络线机械设计基础——凸轮机构了解实际轮廓s0h1200600900904偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构已知：r0，偏置圆半径e，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动设计：凸轮廓线解：1.定比例尺l2.初始位置及推杆位移曲线偏距圆、基圆3.确定推杆反转运动占据的各位置4.确定推杆预期运动占据的各位置5.推杆高副元素族6.推杆高副元素的包络线机械设计基础——凸轮机构了解5摆动推杆盘形凸轮机构r0r0分析：机械设计基础——凸轮机构摆动推杆盘形凸轮机构设计已知：r0，机架长度，推杆运动规律，凸轮逆时针方向转动设计：凸轮廓线解：1.定比例尺l2.初始位置及推杆位移曲线3.确定推杆反转运动占据的各位置4.确定推杆预期运动占据的各位置5.推杆高副元素族6.推杆高副元素的包络线f210F120060090090f21f22f23f24f25f26f27f28f29f210f211f212机械设计基础——凸轮机构6小结应用反转法时应注意：要能正确理解凸轮实际廓线和理论廓线的关系要正确确定推杆的反转方向正确确定推杆在反转运动中占据的位置直动推杆：推杆在反转前后两位置线的夹角应等于凸轮的转角摆动推杆：反转前后推杆摆动中心和凸轮轴心的两连线之间的夹角应等于凸轮的转角正确确定推杆的位移或摆角直动推杆：位移等于推杆所在位置与理论廓线的交点和与基圆交点之间的距离摆动推杆：角位移等于推杆所在位置与推杆起始位置之间的夹角机械设计基础——凸轮机构3-4凸轮机构基本尺寸的确定一、滚子半径的选择二、基圆半径的确定机械设计基础——凸轮机构实际廓线曲率半径：a理论廓线曲率半径：滚子半径：rr1内凹凸轮廓线a=+rr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一、滚子半径的选择2外凸凸轮廓线a=-rrrr，a0，实际廓线平滑=rr，a=0，实际廓线变尖rr，a0，实际廓线出现交叉，切割，运动失真a=-rr＝0arr理论实际a=+rrrrrrrra=-rr0rr=rra=-rr0rr机械设计基础——凸轮机构结论:内凹凸轮廓线：滚子半径无限制外凸凸轮廓线：理论轮廓的最小曲率半径大于滚子半径,即minrr实际设计时，应保证amin=min-rr[a]=3~5mm机械设计基础——凸轮机构基圆半径选择的前提：max[]基圆越大，凸轮推程廓线越平缓；基圆越小，凸轮推程廓线越陡峭(磨损加剧，甚至引起机构自锁)二、基圆半径的确定基圆r0越小结构紧凑设计原则：r0r0minhh机械设计基础——凸轮机构220eseddsrtan/习题例题1已知:凸轮逆时针转动,求:凸轮的基圆半径,转动90之后的压力角解：机械设计基础——凸轮机构理论轮廓基圆基圆习题例题2已知:凸轮逆时针转动,求:凸轮的基圆半径,转动90之后的压力角解：机械设计基础——凸轮机构基圆速度方向？理论轮廓基圆