【PPT课件】《机械设计基础》第六章：凸轮机构

第6章凸轮机构主要内容§6-1凸轮机构的特点和类型§6-2凸轮从动件常用运动规律§6-3盘形凸轮轮廓曲线的设计§6-4凸轮机构基本参数的确定§6-5凸轮的失效及承载能力§6-6凸轮机构的结构设计基本要求了解凸轮机构的分类及应用了解推杆常用的运动规律及推杆运动规律的选择原则掌握在确定凸轮机构的基本尺寸时应考虑的主要问题（包括压力角对尺寸的影响，压力角对凸轮受力的情况、效率和自锁的影响及“失真”等问题）能根据选定的凸轮类型和推杆的运动规律设计凸轮的轮廓曲线§6-1凸轮机构的特点和类型内燃机内燃机配气凸轮机构自动机床进刀凸轮机构冲床凸轮机构绕线机凸轮机构自动车床凸轮机构圆柱凸轮输送机凸轮机构的组成凸轮、从动件和机架。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。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。•从动件行程不能过大,否则会使凸轮变得笨重。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;•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，只宜用于传力不大的场合;•凸轮轮廓加工比较困难;(一)按凸轮的形状分盘形凸轮移动凸轮二．凸轮机构的分类圆柱凸轮(二)按从动件运动副元素的形状分尖顶从动件滚子从动件平底从动件(三)按从动件的运动形式分摆动从动件直动从动件（对心、偏置）(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弹簧力封闭重力封闭形封闭型凸轮机构凹槽凸轮机构等宽凸轮机构形封闭型凸轮机构等径凸轮机构共轭凸轮机构§6-2凸轮从动件常用运动规律基本概念从动件的运动规律在凸轮廓线的推动下，从动件的位移、速度、加速度随时间变化的规律，常以图线表示，又称为从动件运动曲线。一般假定凸轮轴作等速运转，故凸轮转角与时间成正比，因此凸轮机构从动件的运动规律通常又可以表示为凸轮转角的函数。rmin一．凸轮机构的运动过程与基本参数hδs’δs’δsδSδtδt1δhδhDD0B0BsOδ1,t360º基圆基圆半径rmin推程推程运动角δt行程h远休止程远休止角δs回程回程运动角δh近休止程近休止角δs’B位移曲线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。从动件的运动线图位移线图—反映了动件的位移s随时间t或凸轮转角δ变化的规律.速度线图—反映从动件的速度v随时间t或凸轮转角δ变化的规律.加速度线图—反映从动件的加速度a随时间t或凸轮转角δ变化的规律.222ddddddddddddddddsssvttvvsatt二、从动件运动规律设计从动件的运动规律由凸轮轮廓曲线形状决定。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。从动件运动规律的表示运动线图数学方程式位移方程s=f(δ)sC0C1δC2δ2C3δ3Cnδnvω(C12C2δ3C3δ2nCnδn-1)aω2[2C26C3δn(n-1)Cnδn-2]从动件的常用运动规律(一)基本运动规律基本运动规律包括多项式类运动规律和三角函数类运动规律。1.多项式类运动规律2.三角函数类运动规律主要有余弦加速度运动规律和正弦加速度运动规律⑴余弦加速度运动规律⑵正弦加速度运动规律1cos()actT1cos()ac或12sin()actT12sin()ac或0hshva推程s,tv,ta,th位移线图加速度线图速度线图3.几种常用运动规律的特点⑴等速运动规律速度曲线不连续，机构将产生刚性冲击。等速运动规律适用于低速轻载场合。h2h2⑵等加速等减速运动规律加速度曲线不连续，机构将产生柔性冲击。,ta,ts4h22,tv2h推程22222244hshvha222222()4()4hshhvha后半程前半程等加速等减速运动规律适用于中速轻载场合。⑶余弦加速度运动规律,ts,ta,tvvmax1.57h推程2221cos2sin2cos2hshvha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Φ2⑷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2sin22cos12sin2122hahvhs⑸3–4–5次多项式运动规律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。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。正弦加速度曲线与直线组合(二)组合运动规律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。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。vsaδδδhoooδ0+∞-∞vsaδδδhoooδ0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。刀架进给凸轮机构(三)选择或设计从动件运动规律时应考虑的问题h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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。§6-3盘形凸轮轮廓曲线的设计一、凸轮廓线设计的基本原理——反转法依据此原理可以用几何作图的方法设计凸轮的轮廓曲线。给整个凸轮机构施以-ω时，不影响各构件之间的相对运动，此时，凸轮将静止，而从动件尖顶复合运动的轨迹即凸轮的轮廓曲线。O-ω3’1’2’331122ωOs1357860º120º90º90ºA91113151357891113121410二、用作图法设计凸轮廓线1.对心尖顶移动从动件盘形凸轮廓线的设计已知凸轮的基圆半径rmin，凸轮角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。①选比例尺l，作位移曲线和基圆rb。②等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。11③确定反转后从动件尖顶在各等分点占据的位置。设计步骤④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。OA2.对心滚子移动从动件盘形凸轮廓线的设计已知凸轮的基圆半径rmin，滚子半径rr、凸轮角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。①选比例尺l，作位移曲线和基圆rb。②等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。理论轮廓曲线实际轮廓曲线s1357860º120º90º90º9111315135789111312141011③确定反转后从动件滚子中心在各等分点占据的位置。④将各点连接成一条光滑曲线。⑤作滚子圆族及滚子圆族的内(外)包络线。设计步骤OA3.对心平底移动从动件盘形凸轮廓线的设计已知凸轮的基圆半径rmin，角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。①选比例尺l，作位移曲线和基圆rb。设计步骤②等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。s1357860º120º90º90º9111315135789111312141011③确定反转后平底与导路中心线的交点A在各等分点占据的位置。④作平底直线族及平底直线族的内包络线。eA4.偏置尖顶移动从动件盘形凸轮廓线的设计已知凸轮的基圆半径rmin，角速度和从动件的运动规律及偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。①选比例尺l，作位移曲线、基圆rb和偏距圆e。②等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。O14131211109s1357860º120º90º90º91113151357891113121410③确定反转后从动件尖顶在各等分点占据的位置。④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。设计步骤k1k2k3k5k4k6k7k8k9k10k11k12k13k14k159101112131415rbO1234567860º120º90º90º5.尖顶摆动从动件盘形凸轮廓线的设计已知凸轮的基圆半径rmin，角速度，摆杆长度l以及摆杆回转中心与凸轮回转中心的距离L，摆杆角位移曲线，设计该凸轮轮廓曲线。1234567120ºB11B1B2B3B4B5B6B7B860º90ºdB22B33B44B55B66B77A1A2A3A4A5A6A7A8ABl①选比例尺，作位移曲线，作基圆rb和转轴圆OA。②等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的转轴A的位置。③确定反转后从动件尖顶在各等分点占据的位置。设计步骤④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。根据凸轮机构的运动学参数和基本尺寸的设计结果，求出凸轮轮廓曲线的方程，利用计算机精确地计算出凸轮轮廓曲线上各点的坐标值。三、用解析法设计凸轮廓线作图法的缺点:繁琐、误差较大。解析法的优点:计算精度高、速度快，适合凸轮在数控机床上加工。解析法的设计结果滚子移动从动件盘形凸轮机构已知参数rb、rr、e、、ss()分析滚子中心B的运动规律就是从动件的运动规律。将滚子中心视为尖顶从动件的尖顶，建立凸轮轮廓曲线方程。理论轮廓曲线凸轮的基圆半径rb、压力角定义在理论轮廓曲线上。sincos)(cossin)(0B0Bessyessxrbs0ss0eBxByBxyB0Orr⑴理论轮廓曲线(Pitchcurve)方程rbs0ss0eBxByBxyB0Orr⑵实际轮廓曲线(Camprofile)方程cossinddddddtanBBBByxyx曲线在B点的法线nn的斜率2B2BBddddddsinyxx2B2BBddddddcosyxyrrnnABsincosrBArBAryyrxxAnnrcrrrcrrrc刀具中心轨迹理论轮廓曲线实际轮廓曲线b)刀具直径小于滚子直径刀具中心轨迹实际轮廓曲线a)刀具直径大于滚子直径(3)刀具中心轨迹计算滚子从动件盘形凸轮机构用数控机床加工凸轮以及在凸轮磨床上磨削凸轮时，通常需要给出刀具中心的直角坐标值。rr理论轮廓曲线rcrr刀具中心直角坐标方程