西南科技大学机械原理王忠教授第4章

《机械原理》讲义第四章凸轮机构及其设计本章教学目的1、了解凸轮机构应用与分类2、掌握凸轮廓线曲线的设计3、掌握凸轮机构基本尺寸的确定《机械原理》讲义本章教学内容◆几种常用运动规律的特点和应用◆压力角与机构尺寸◆盘形凸轮廓线曲线的设计1、应用与分类2、从动件的运动规律3、凸轮廓线曲线的设计4、凸轮机构基本尺寸的确定重点和难点：《机械原理》讲义§4-1概述内燃机配气凸轮机构自动机床进刀凸轮机构一．凸轮机构的概述《机械原理》讲义冲床凸轮机构绕线机凸轮机构《机械原理》讲义自动车床凸轮机构圆柱凸轮输送机《机械原理》讲义凸轮机构的组成凸轮、从动件和机架。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。凸轮机构的优点结构简单、紧凑、工作可靠，可以使从动件准确实现各种预期的运动规律，还易于实现多个运动的相互协调配合。凸轮机构的缺点凸轮轮廓与从动件之间是高副接触，易于磨损。《机械原理》讲义二．凸轮机构的分类(一)按凸轮的形状分盘形凸轮Platecam移动凸轮Wedgecam《机械原理》讲义圆柱凸轮Cylindricalcam《机械原理》讲义(二)按从动件运动副元素的形状分尖顶从动件Knife-edgefollower滚子从动件Rollerfollower《机械原理》讲义平底从动件Flat-facefollower《机械原理》讲义(三)按从动件的运动形式分摆动从动件Oscillatingfollower移动从动件Reciprocatingfollower《机械原理》讲义(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Force-closedcams弹簧力封闭Force-closedbypreloadedspring重力封闭Force-closedbygravity《机械原理》讲义形封闭型凸轮机构Form-closedcams凹槽凸轮机构Plate-groovecammechanism等宽凸轮机构Constant-breadthcammechanism《机械原理》讲义形封闭型凸轮机构Form-closedcammechanism等径凸轮机构Conjugateyokeradialcammechanism共轭凸轮机构Conjugatecammechanism《机械原理》讲义rb三．凸轮机构的工作循环与运动学设计参数hSSSSDD0B0BsO,t360º基圆基圆半径rb推程推程角升距h远停远停角s回程回程角近停近停角sB位移曲线《机械原理》讲义从动件的运动线图(Diagramofmotion)位移线图(Displacementdiagram)—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(Velocitydiagram)—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(Accelerationdiagram)—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。跃度线图线(Jerkdiagram)—反映了从动件的跃度j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。《机械原理》讲义凸轮机构的运动学设计参数推程角(Camangleforrise)远停角(Camangleforouterdwell)S回程角(Camangleforreturn)近停角(Camangleforinnerdwell)S从动件的位移s、速度v、加速度a、跃度j凸轮机构的基本尺寸基圆(Basecircle)半径rb移动从动件凸轮机构的偏距(Offsetdistance)e摆动从动件的杆长(Followerarm)l中心距(Centerdistance)L《机械原理》讲义Bdtt第二节凸轮机构的传力特性传力特性分析目的确定构件之间相互的作用力，为解决磨损及强度尺寸设计提供可靠的数据。FR2FR1122vGF压力角—不计摩擦时，凸轮对从动件作用力方向线nn与从动件上力作用点的速度方向之间所夹的锐角。lbnn《机械原理》讲义传力特性分析0cos)()sin(02211RRxFFFF0sin)()cos(02211RRyFFGFF0coscos)(02122bFblFMRRB211tan)sin()21()cos(lbGF载荷G不变时，压力角增大，使上式分母变小，作用力F将增大。压力角增大到时分母为零，则F→，机构发生自锁。BdttFR2FR1122vGFlbnn《机械原理》讲义凸轮机构的瞬时效率costan)sin()21()cos(211lb12tan)21(1arctanlbc机构刚好发生自锁时的压力角为临界压力角c凸轮机构能正常工作的重要条件max[]c推程移动从动件[]30º40º；摆动从动件[]40º45º。回程[]70º80º。《机械原理》讲义第三节凸轮机构的设计过程凸轮机构的设计内容机构运动分配设计凸轮机构选型凸轮机构的动力学分析与设计凸轮机构结构设计刀具中心轨迹坐标计算凸轮轮廓曲线设计凸轮机构基本尺寸设计确定凸轮各个转角计算从动件位移参数从动件运动规律设计凸轮机构运动学尺度设计《机械原理》讲义第四节凸轮机构运动学参数和基本尺寸的设计一、工作循环图与凸轮工作转角的确定凸轮的工作转角应当根据机器中各个执行机构动作之间的配合关系，由工作循环图(Workingcyclediagram)来确定。《机械原理》讲义工艺过程电阻体上料电阻体夹紧送帽压帽电阻自动压帽机传动系统图送帽压帽机构凸轮电阻坯件电阻送料机构凸轮电阻帽夹紧机构凸轮送帽压帽机构凸轮《机械原理》讲义回程等待夹紧电阻自动压帽机工作循环图从动件位移曲线图凸轮轮廓图凸轮名称序号90º240º0º150º送电阻体135º342º0º252º60º送帽压帽0º120º285º45º回程夹紧0º90º180º270º360º电阻体上料凸轮电阻体夹紧凸轮送、压帽凸轮132回程等待压帽《机械原理》讲义二、从动件运动规律设计从动件的运动规律(Lawofmotion)，由凸轮轮廓曲线(Camprofile)形状决定。从动件不同的运动规律，要求凸轮具有不同形状的轮廓曲线。正确选择和设计从动件的运动规律，是凸轮机构设计的重要环节。常用运动规律—工程实际中经常用到的运动规律。333222ddddddddddddddddddddddddstatajstvtvaststsv数学方程式位移方程s=f()从动件运动规律的表示运动线图《机械原理》讲义从动件的常用运动规律(一)基本运动规律基本运动规律(Fundamentallaw)包括多项式类运动规律(Lawofpolynomialmotion)和三角函数类运动规律。1.多项式类运动规律基本运动规律中，n3。2.三角函数类运动规律(Lawoftrigonometricfunction)主要有余弦加速度运动规律(Lawofcosineaccelerationmotion)和正弦加速度运动规律(Lawofsineaccelerationmotion)sc0c1c22c33cnn《机械原理》讲义⑴余弦加速度运动规律⑵正弦加速度运动规律)2cos(1tTca)cos(1ca或)2sin(1tTca)2sin(1ca或《机械原理》讲义3.几种常用运动规律的特点⑴等速运动规律(Lawofconstantvelocity)0ahvhs推程速度曲线不连续，机构将产生刚性冲击(Rigidimpulse)。等速运动规律适用于低速轻载场合。s,tv,ta,th位移线图加速度线图速度线图《机械原理》讲义h2h2⑵等加速等减速运动规律(Lawofconstantaccelerationanddeceleration)加速度曲线不连续，机构将产生柔性冲击(Softimpulse)。等加速等减速运动规律适用于中速轻载场合。,ta,ts4h22,tv2h推程22222442hahvhs222224)(4)(2hahvhhs后半程前半程《机械原理》讲义⑶余弦加速度运动规律,ts,ta,tvvmax1.57h推程cos2sin2cos12222hahvhs加速度曲线不连续，存在柔性冲击。余弦加速度运动规律适用于中速中载场合。hamax4.93h2Φ2《机械原理》讲义⑷正弦加速度运动规律速度曲线和加速度曲线连续，无刚性冲击和柔性冲击。正弦加速度运动规律适用于高速轻载场合。s,t,ta,tvhvmax2hamax6.28h22推程2sin22cos12sin2122hahvhs《机械原理》讲义⑸3–4–5次多项式运动规律(Lawofpolynomialmotion)32224325431201806030603061510hahvhs推程,tsvah速度曲线和加速度曲线连续，无刚性冲击和柔性冲击。3-4-5次运动规律适用于高速中载场合。《机械原理》讲义(二)组合运动规律为了克服单一运动规律的某些缺陷，获得更好的运动和动力特性，可以把几种运动规律拼接起来，构成组合运动规律(Lawofcombinedmotion)。组合原则位移曲线、速度曲线必须连续，高速凸轮机构加速度曲线也必须连续。各段运动规律的位移、速度和加速度曲线在连接点处其值应分别相等。vsa,t,t,thOOOvsa,t,t,thOOO正弦加速度曲线与直线组合《机械原理》讲义(三)选择或设计从动件运动规律时应考虑的问题⑴当机器的工作过程对从动件的运动规律有特殊要求，而凸轮的转速不太高时，应首先从满足工作需要出发来选择或设计从动件的运动规律，其次考虑动力特性和便于加工。h刀架进给凸轮机构《机械原理》讲义工件⑵当机器的工作过程只要求从动件实现一定的工作行程，而对其运动规律无特殊要求时，对于低速凸轮机构，主要考虑便于加工；对于高速凸轮机构，首先考虑动力特性。夹紧凸轮机构工件《机械原理》讲义⑶当机器对从动件的运动特性有特殊要求，而凸轮的转速又较高，并且只用一种基本运动规律又难于满足这些要求时，可以考虑采用满足要求的组合运动规律。⑷在设计从动件运动规律时，除了要考虑其冲击特性之外，还要考虑从动件的最大速度vmax、最大加速度amax以及最大跃度jmax，这一点对于高速凸轮机构尤其重要。《机械原理》讲义Cnn22bddtanersesOBes0sDrbdsd三、盘形凸轮机构基本尺寸的设计(一)移动从动件盘形凸轮机构基本尺寸的设计1.压力角与凸轮基圆的关系压力角对凸轮机构的受力状况有直接影响，在运动规律选定之后，它主要取决于凸轮机构的基本结构尺寸。P为相对瞬心dd/dd/ddsttsvOP由BCP得22b0ersvvP对心移动从动件盘形凸轮机构e0。结论移动从动件盘形凸轮机构的压力角与基圆半径rb、从动件偏置方位和偏距e有关。《机械原理》讲义2.偏置方位和偏距e的确定偏置方位的选择应有利于减小凸轮机构推程时的压力角。应当使从动件偏置在推程时瞬心