《机械设计基础》教案九

浙江工业职业技术学院日期：2009.10NO9课题§5.1凸轮机构概述§5.2常用从动件的运动规律目的要求1、了解凸轮机构的应用和分类；2、熟悉凸轮和滚子的材料；3、熟悉凸轮机构的运动分析；重点、难点凸轮机构分类应用及特点、从动件的运动规律分析是本次课的重点，而从动件的运动规律分析的是本次课的难点。复习提问要点：1、按从动件的形状和运动，凸轮机构可分为哪几类？2、从动件端部与凸轮轮廓接触的方式有哪两种？3、凸轮和滚子的常用材料有哪些？4、何谓凸轮机构的运动分析？5、从动件常用的运动规律有哪些？教具、实验及教学手段教材、教案、教参等。老师讲解为主（举例、介绍经验），举一反三，课后小结，布置作业。作业布置1、P72：思考题：5-42、P73：5-2教学反映上课和作业情况较正常。课后分析凸轮机构在自动仪表和自动机床中应用很广，本次课主要是让学生熟悉凸轮机构的类型及凸轮机构的特性分析，通过凸轮轮廓分析从动件的位于移、速度和加速度，并了解从动件的运动规律。1复习提问：1、按给定的连杆位置设计四杆机构2、按给定的连加杆的位置设计四杆机构3、按给定的的K设计四杆机构在某些机械中，为获得比较复杂的运动规律，常应用凸轮机构，凸轮机构结构简单、紧凑能方便地设计凸轮轮廓以实现从动件预期的运动，广泛地应用于自动化和半自化机械中作为控制机构。§5.1凸轮机构一、凸轮机构的应用和分类1、凸轮机构的组成：凸轮、从动件和机架三个基本构成。凸轮与从动件间的运动副为高副，由此可将主动件的连续转动或移动转换为从动件的移动或摆动。2、凸轮机构的类型（1）按凸轮和从动件的形状、运动形式分类1）盘状凸轮它绕固定轴转动且向变化向径的盘形零件，是凸轮的基本形式。2）移动凸轮外形通常呈平板状，可视作回转中心趋于无穷远时的盘形凸轮。3）圆柱凸轮将移动凸轮卷成圆柱状即成圆柱凸轮。图9-1盘状凸轮图9-2移动凸轮图9-3圆柱凸轮（2）按从动件端部结构分类1）尖端从动件从动件的端部为尖顶，这种从动件构造最简单，其尖顶能与外凸或内凹轮廓接触，可以实现复杂的运动规律。但尖顶易磨损。作于低速、轻载场合。2）滚子从动件从动件的端部装有可自由转动的滚子，它与凸轮相对运动时为滚动摩擦，因此阻力较小。可以承受较大的载荷，应用较广。3）平底从动件从动件底部为一平底。这种从动件与凸轮轮廓接触处在一定条2件下可形成油膜得于润滑，传动效率高。（3）按从动件运动形式分类可分为直动从动件和摆动从动件两种。一般情况下，从动件始终要与凸轮轮廓接触。凸轮机构中，采用重力和弹簧力使从动件端部始终与凸轮相接触的方式为力锁合；采用特殊几何形状实现从动件端部与凸轮相接触的方式称为形锁合。凸轮机构的应用特点：凸轮机构结构简单、紧凑能方便地设计凸轮轮廓以实现从动件预期的运动，广泛地应用于自动化和半自化机械中作为控制机构。但因凸轮轮廓与从动件间为点接触和线接触而易磨损，因此不宜承受重载或冲击载荷。二、凸轮和滚子的材料凸轮机构的主要失效形式是磨损和疲劳点蚀，要求凸轮和滚子的工作表面硬度高、耐磨损并且有足够的表面接触强度，对于经常受到冲击的凸轮机构要求凸轮芯部有足够的韧性。低速和中小载荷的场合，凸轮一般采用45钢、40Cr表面淬火，表面硬度可达40-50HRC；亦可采用15、20Cr、20CrMnTi，经渗碳表面淬火，表面硬度可达56-62HRC。滚子材料可20Cr经渗碳表面淬火，表面硬度可达56-62HRC。三、凸轮结构与安装在结构设计时，应考虑到安装凸轮时便于调整凸轮与轴之间的相对位置。凸轮常用的结构：凸轮轴、整体式、镶块式和组合式。凸轮在轴上的固定，除采用键联接外，也可用紧定螺钉和圆锥销固定，初调时用紧定螺钉定位，然后用圆锥销固定。采用开槽锥形套固定，调整灵活，但传递转矩不能过大。图9-5整体式凸轮图9-6组合式凸轮§5.2凸轮机构的特性分析一、凸轮机构的运动分析凸轮机构中，从动件的运动由凸轮轮廓决定。根据凸轮轮廓分析从动件的位移、3速度、加速度，称为凸轮机构的运动分析。下图为对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构。当凸轮以等角速度逆时针回转01时，从动件被凸轮推动到达最高位置B，从动件经过的距离h称为推程，对应的01称为推程角。当凸轮继续转过fd，从动件在最高位置静止不动，fd远程推角。当凸轮继续转过02，从动件按一定的运动规律下降，这个过程称为回程，对应的转角02称为回程角。当凸轮继续，从动件此时停留不动，对应的转角nd称为近程停角。（1）位移线图（s）：凸轮转过1，从动件上移111s，凸轮转过2，从动件上移221s凸轮转过6，从动件上移666s等。依此规律可以逐点画出从动件的位移曲线。图9-74（2）速度线图v凸轮加速度为常数，推程位移线图为一斜直线，所以从动件的速度为恒定值，这一运动规律称为等速运动规律。同理回程亦为等速运动规律，只是速度相反。停程时速度为零。（3）加速度线图a。加速度是速度的导数，由于速度v为常数，因此等速运动过程中加速度0a，但在运动起动和终止时，理论上加速度趋于无穷大，从而引起较大的冲击。加速度趋于无穷大时引起的冲击称为刚性冲击。速度、位移、加速度线图称为运动线图，它们是凸轮机构运动分析的简明表达形式。是凸轮轮廓曲线设计和深入进行凸轮机构动力分析的依据。二、从动件的常用运动规律从动件运动规律指推程和回程中从动件位移s、速度v、加速度a随凸轮转角变化的规律。1、等速运动规律凸轮角速度为常数时，从动件速度v不变，称为等速运动规律。位移表达式为0hs等速运动规律，运动起点和终点瞬时从动件的加速度无穷大，将产生刚性冲击，因此应用于中、小功率和低速场合。为了避免刚性冲击，实际应用时常用圆弧或其他曲线修正位移线图的始末两端。使刚性冲击改为有限冲击或柔性冲击。2、等加速、等减速运动规律对于等加速、等减速运动规律，通常是指从动件在一个选行程中，前半程作等加速运动，后半和作等减速运动，两部分加速度绝对值相等，前半程位移方程为2202hs。从等加速、等减速运动规律的位移、速度、加速度线图可以看出，等加速、等减速运动规律的加速度在运动起点、中点和终点时变为有限值，产生的冲击为柔性冲击，用于中速场合。图9-95图9-10等加速、等减速运动规律图图9-11余弦加速度运动规律图a）位移线图b）速度线图c）加速度线图a）位移线图b）速度线图c）加速度线图3、余弦加速度运动规律余弦加速度运动规律的加速度曲线为1/2个周期余弦曲线，位移曲线为简谐运动曲线，方程为0cos12hs。余弦加速度曲线运动规律在运动起始和终止位置，加速度曲线不连续，存在柔性冲击，用于中速场合。但对升降升型运动的凸轮机构，加速度曲线变成连续曲线，则无柔性冲击，可用于较高速场合。三、压力角当不考虑从动件与凸轮接触处的摩擦是凸轮对从动件的作用力F沿接触点A的法向nn方向，直动从动件的速度v沿导路方向。与连杆机构一样，从动件所受作用力F所受力点速度v间的夹角称为凸轮机构的压力角，用表示。为了保证良好的传力性能，必须限制最大压力角，设计时应使max＜。一般图9-12凸轮机构的压力角6推程时，对于直动从动件，取=030，对于摆动从动件，取=045；回程时，从动件通常受重力和弹簧的作用力，不会引起自锁，可不校验压力角。压力角大小一般可简单地用量角器测取。最大压力角一般出现在从动件上升的起始位置、从动件具有最大速度的位置或在凸轮轮廓上比较陡的地方。从动件运动规律相同时，对应点的压力角与基圆半径br等因素有关，基圆半径较大的凸轮对应点的压力角较小，传力性能好，但结构尺寸较大；基圆半径小时，压力角较大，容易引起自锁，但凸轮的结构比较紧凑。图9-13基圆半径与压力角的关系图9-14偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构课后小结：1、凸轮机构的应用和分类2、凸轮和滚子的材料3、凸轮结构与安装4、凸轮机构的特性分析