机械设计基础,第四章 凸轮机构,第四章 凸轮机构,4.1,凸轮机构的应用和分类,1,4.2,从动件的常用运动规律,2,4.3,凸轮轮廓曲线设计,3,4.4,凸轮机构设计中应注意的问题,4,6,课后习题答案,第四章 凸轮机构,教学要求,（,1,）了解凸轮机构的应用及分类方法；,（,2,）对从动件常用的运动规律及其选择原则、机构压力角等有明确的概念；,（,3,）掌握用图解法设计盘形凸轮轮廓的方法和确定基本尺寸的主要原则。,重点与难点,重点,：,从动件的常用运动规律，盘形凸轮轮廓曲线的设计，凸轮的基圆半径与压力角及自锁问题。,难点,：,盘形凸轮轮廓曲线的设计、凸轮基本尺寸的确定。,4.1 凸轮机构的应用和分类,凸轮机构由主动凸轮、从动件（也称推杆）和机架组成。,（,1,）凸轮:原动件，可作等速转动，也可作往复移动。,（,2,）从动件:被凸轮直接推动的构件，可作往复直线运动，也可作往复摆动，并通过重力、弹簧力或凹槽始终保持与凸轮接触。,（,3,）机架:支承凸轮和从动件的固定构件。,4.1 凸轮机构的应用和分类,4.1.1应用举例,内燃机气阀机构图,造型机凸轮机构,1凸轮；2气阀,1凸轮；2滚子；3工作台,动态演示,4.1 凸轮机构的应用和分类,变速操纵机构,1圆柱齿轮；2拨叉；,3三联滑移齿轮,横刀架进给机构,1凸轮；2摆杆；,3扇形齿轮；4横刀架,4.1 凸轮机构的应用和分类,绕线机构,1盘形凸轮；2引线杆；3绕线轴,4.1 凸轮机构的应用和分类,由以上的例子可知，凸轮机构有如下基本特性：,当凸轮转动时，借助于本身的曲线轮廓或凹槽迫使从动杆作一定规律的运动，即从动杆的运动规律取决于凸轮轮廓曲线或凹槽曲线的形状。,优点：,只需设计出适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，且结构简单、紧凑、设计方便。,缺点：,凸轮与从动件间为点或线接触，易磨损，只可用于传力不大的场合；凸轮轮廓精度要求较高，需用数控机床进行加工；从动件的行程不能过大，否则会使凸轮变得笨重。,4.1 凸轮机构的应用和分类,4.1.2凸轮机构的分类,1按凸轮形状,（1）盘形凸轮,（2）移动凸轮,（3）圆柱凸轮,移动凸轮机构,圆柱凸轮机构,平面凸轮机构,空间凸轮机构,盘形凸轮机构,动态演示,动态演示,动态演示,4.1 凸轮机构的应用和分类,2按从动件端部形状,（1）尖顶从动件,（2）滚子从动件,（3）平底从动件,尖顶从动件 滚子从动件 平底从动件,4.1 凸轮机构的应用和分类,3按从动件运动方式,（1）直动从动件,（2）摆动从动件,4按对心方式,（1）对心凸轮机构,（2）偏置凸轮机构,直动从动件,摆动从动件,对心凸轮机构,偏置凸轮机构,动态演示,4.1 凸轮机构的应用和分类,5按凸轮与从动件保持高副接触的方法,（1）力锁合,（,2,）形锁合,力锁合凸轮 形锁合凸轮,动态演示,动态演示,4.2 从动件的常用运动规律,4.2.1凸轮机构的工作过程,（1）基圆（,r,b,）,（2）推程、推程角（,t,）,（3）行程（,h,）,（4）远停程、远停程角（,s,）,（5）回程、回程角（,h,）,（6）近停程、近停程角（,s,）,名词术语及符号,4.2 从动件的常用运动规律,从动件的运动线图,（1）位移线图：反映了从动件的位移,s,随时间,t,或凸轮转角,变化的规律。,（2）速度线图：反映了从动件的速度,v,随时间,t,或凸轮转角,变化的规律。,（3）加速度线图：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。,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。,4.2 从动件的常用运动规律,4.2.2从动件的常用运动规律,1等速运动规律（直线运动规律）,（1）运动规律：,当凸轮以等角速度,转动时，从动件上升或下降过程中速度保持不变,。,（2）运动方程：,4.2 从动件的常用运动规律,（3）动力特性：,在从动件推程开始位置和终止位置处，速度发生突变，瞬时加速度在理论上趋于无穷大，产生极大的惯性力，存在刚性冲击。,（4）,适用场合：,一般只用于低速和从动件质量较小的凸轮机构中。,4.2 从动件的常用运动规律,2等加速等减速运动规律（抛物线运动规律）,（1）运动规律：,当凸轮以等角速度,转动时，从动件在推程或回程的前半行程作等加速，后半行程作等减速的运动规律。,（2）运动方程：,等加速段的运动方程为:,4.2 从动件的常用运动规律,根据运动线图的对称性，可得等减速段的运动方程为,（3）动力特性：,在运动规律的起始点、等加速等减速的转折点和终止点，从动件的加速度有限值的突然变化，从而产生有限的惯性力引起柔性冲击。,（4）适用场合：,适用于中速、轻载的场合。,4.2 从动件的常用运动规律,3简谐运动规律（余弦加速度运动规律）,（1）运动规律：,质点在圆周上作等速运动时，它在该圆直径上的投影所构成的运动。,（2）运动方程：,4.2 从动件的常用运动规律,（3）动力特性：,从动件作简谐运动时，在行程的始点和终点也产生有限值的变化，故有柔性冲击，但减少了冲击次数。,（4）适用场合：,适用于中速、中载场合。,只有当从动件作无停留区间的升降升连续往复运动时，才能避免冲击，从而可用于高速运动。,4.2 从动件的常用运动规律,4.2.3从动件运动规律的选择,工作要求,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。,加工工艺,当机器的工作过程只需要从动件有一定位移，而对其无一定运动要求时，如夹紧、送料等凸轮机构，可只考虑加工方便，一般采用圆弧、直线等组成的凸轮轮廓。,运动性能,当机器对从动件运动性能有特殊要求，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，可考虑采用满足要求的组合运动规律。,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,v,max,和最大加速度,a,max,。,4.3 凸轮轮廓曲线设计,设计方法：,（1）,图解法:简单、直观，但精度有限，适用于低速或精度要求不高的场合。,（2）,解析法:精确度高，适用于高速或精度要求较高的场合，如高速凸轮、靠模凸轮、仪表中的凸轮等。,本节主要介绍采用图解法绘制盘形凸轮轮廓的基本原理和方法。,4.3 凸轮轮廓曲线设计,反转法：,给整个凸轮机构加以绕凸轮轴心并与凸轮角速度,等值反向的角速度,-,，根据相对运动原理，机构中各构件间的相对运动并不改变，但凸轮已视为静止。而从动件则被看成一方面随机架和导路以角速度,-,绕,O,点转动，另一方面又在导路中按一定运动规律往复运动。由于从动件的尖顶始终与凸轮廓线相接触，所以反转后从动件尖顶的运动轨迹即为凸轮轮廓。,4.3.1绘制原理,动态演示,4.3 凸轮轮廓曲线设计,1对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓设计,已知某对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构的凸轮按顺时针转动，升程,h,=20mm，,r,b,=30mm；,t,=90，从动件匀速上升；,s,=90；,h,=180；从动件匀速下降。试绘制此凸轮轮廓曲线。,4.3.2直动从动件盘形凸轮轮廓的设计,根据“反转法”原理，设计步骤如下：,（1）选取比例尺,L,，绘制位移线图。,（2）画基圆并确定从动件尖顶的起始位置。,（3）画反转过程中从动件的导路位置。,（4）画凸轮轮廓。,4.3 凸轮轮廓曲线设计,2对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓设计,由于凸轮转动时滚子与凸轮的相切点不一定在从动件的位置线上，但滚子中心位置始终处在该线，从动件的运动规律与滚子中心一致，设计步骤如下：,（1）把从动件滚子中心作为从动件的尖顶，按照尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制方法，绘制出凸轮轮廓曲线。,（2）以理论轮廓曲线上的各点为圆心，以已知滚子半径,r,T,为半径作一系列圆，然后作这些圆的光滑内切曲线，即得该滚子从动件盘形凸轮的实际轮廓曲线。,4.3 凸轮轮廓曲线设计,3.对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓设计,从动件端部为平底时，凸轮轮廓的绘制方法也与尖顶从动件时的绘制方法类似，设计步骤如下：,（1）将从动件的平底与导路中心线的交点,B,看做从动件的尖顶，,用尖顶从动件设计凸轮轮廓的方法，求出尖顶从动件反转后的一系列位置,B,1、,B,2、。,（2）,过这些点作这些射线的垂线（即一系列“平底”），得一直线族,。,（3）,作此直线族的包络线，便可得到凸轮的轮廓曲线。,4.3 凸轮轮廓曲线设计,4.偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓设计,若已知该凸轮机构的从动件运动规律，凸轮基圆半径,r,b,、偏距,e,=,l,OA1,。凸轮以等角速度,1,回转，试绘出此凸轮机构的轮廓曲线。,设计步骤如下：,（1）绘制位移线图。,（2）画基圆并确定从动件尖顶的起始位置。,（3）画反转过程中从动件的导路位置。,（4）画凸轮轮廓。,4.4 凸轮机构设计中应注意的问题,4.4.1滚子半径的选取,0,：,理论轮廓曲率半径；,r,T,：滚子半径；,：,实际轮廓的曲率半径。,（1）,当理论轮廓曲线内凹时：,=,0,+,r,T,无论,r,T,取何值，凸轮工作轮廓总是光滑曲线，即,r,T,的大小可不受,0,的限制。,4.4 凸轮机构设计中应注意的问题,（2）,当理论轮廓曲线外凸时:,=,0,-,r,T,：,r,T,0,0，实际轮廓为一平滑曲线,r,T,=,0,=0，实际轮廓曲线在该处将出现尖点，极易磨损，磨损后就会改变其运动规律，不能使用,r,T,0,0，实际轮廓曲线相交，相交部分的轮廓曲线在实际加工时将被切去，运动失真,4.4 凸轮机构设计中应注意的问题,为了使,凸轮轮廓在任何位置既不变尖也不相交，滚子半径,r,T,必须小于理论轮廓外凸部分的最小曲率半径,0min,。,一般取：,r,T,0.8,0min,。,为防止凸轮过快磨损，可使凸轮实际轮廓曲线上的最小曲率半径,min,15mm。,此外，由于凸轮基圆半径越大，则凸轮廓线的最小曲率半径,min,也越大，所以也可按凸轮的基圆半径,r,b,选取,r,T,，根据经验，常取,r,T,0.4,r,b,。,由此可见：,4.4 凸轮机构设计中应注意的问题,4.4.2凸轮机构的压力角,1,压力角及允许值,若忽略摩擦力，把凸轮作用于从动件的法向力,F,n,与它的运动方向之间所夹的锐角,，称为凸轮机构的压力角。,F,n,F,n,cos,F,n,sin,:,有用分力,:,有害分力,压力角越大，有,用,分力就越小，有害分力就越大，机构的效率就越低。当压力角增大到一定程度，以致使有害分力,F,n,sin,引起的摩擦阻力大于有用分力,F,n,cos,时，无论凸轮加给从动件的作用力有多大，从动件都不能运动，这种现象称为自锁。,压力角,动态演示,4.4 凸轮机构设计中应注意的问题,（1）压力角选择原则：,max,压力角,允许值,直动从动件凸轮机构：,30,摆动从动件凸轮机构：,3045,推程：,回程：,=7080,（2）压力角许用值,4.4 凸轮机构设计中应注意的问题,2压力角的校核,校核目的:,确保良好的运动特性,。,压力角的简易测量法,max,：传力性能良好,增大基圆半径,采用偏置从动件,max,：,减小,max,采取措施,校核方法:,max,常出现在从动件位移曲线上斜率最大的位置，测量时，可在理论轮廓曲线较陡的地方取若干点，作出过这些点的法线和从动件在这些点的运动方向线，求出它们之间所夹的锐角即压力角，看其中最大值是否超过许用的压力角值。,校核结果:,目的,4.4 凸轮机构设计中应注意的问题,在相同运动规律的条件下，凸轮的基圆越小，则凸轮的尺寸越小，但其压力角会越大。,增大基圆半径,偏置与对心从动件的比较,从动件要偏置在与凸轮转向相反的一则，可使压力角减小。,4.4 凸轮机构设计中应注意的问题,直动平底从动件的凸轮机构，由于从动件的受力方向和运动方向一致，压力角始终为零，故传力性能最好。,4.4 凸轮机构设计中应注意的问题,4.4.3基圆半径的确定,原则:,方法:,（1）,当凸轮与轴做成一体时：,r,b,r,+,r,