《凸轮机构》课件.ppt

1、5.1 概述5.2 常用从动件的运动规律5.3 盘形凸轮轮廓的设计方法与加工方法5.4 凸轮机构基本尺寸的确定第5章 凸轮机构5.1 概述凸轮机构由凸轮、从动件和机架三部分组成。凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，他通过与从动件的高副接触，在运动时可以使从动件获得连续或不连续的任意预期运动。凸轮机构是高副机构，易于磨损，因此只适用于传递动力不大的场合。凸轮结构的优点是凸轮结构的优点是：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使从动件得到各种预期的运动规律；结构简单、紧凑，运动可靠。凸轮结构的缺点是凸轮结构的缺点是：由于凸轮轮廓与从动件之间为点接触或线接触，故压强较大，容易磨损，而且凸轮轮廓曲线的

2、加工比较困难。5.1 概述示例一5.1.1 凸轮机构的应用内燃机配气机构示例二5.1 概述靠模车削机构5.1 概述示例三分度转位机构5.1 概述5.1.2 凸轮机构的分类按照凸轮的形状不同可把凸轮分为以下几种：盘形凸轮移动凸轮圆柱凸轮曲面凸轮按照凸轮的锁合方式可把凸轮分为以下几种：力锁合形锁合按照按照从动件的结构型从动件的结构型式分：式分：尖顶从动件尖顶从动件滚子从动件滚子从动件平底从动件平底从动件5.1 概述5.1.3 凸轮和滚子的材料凸轮的主要失效形式为磨损和疲劳点蚀。对凸轮和滚子的材料要求：工作表面硬度高耐磨有足够的表面接触强度凸轮芯部有较强的韧性常用的凸轮材料：40Cr、20Cr、40

3、CrMnTi常用的滚子材料：20Cr或者滚动轴承 从动件的位移、速度和加速度的变化规律，从动件的位移、速度和加速度的变化规律，全面地反映了从动件的运动特性及其变化的规全面地反映了从动件的运动特性及其变化的规律性，称为律性，称为从动件的运动规律从动件的运动规律。凸轮的轮廓形状决定了从动件的运动规律。凸轮的轮廓形状决定了从动件的运动规律。反之，从动杆不同的运动规律，要求凸轮具有反之，从动杆不同的运动规律，要求凸轮具有不同形状的轮廓曲线。不同形状的轮廓曲线。所以在设计凸轮时，重要的问题之一，就所以在设计凸轮时，重要的问题之一，就是根据工作要求和条件选择从动件的运动规律。是根据工作要求和条件选择从动件

4、的运动规律。下面简单地讨论一下从动杆常用的运动规律及下面简单地讨论一下从动杆常用的运动规律及其选择。其选择。5.2 常用的从动件运动规律5.2.1 平面凸轮机构的基本尺寸和运动规律一、一、凸轮机构的基本参数凸轮机构的基本参数5.2 常用的从动件运动规律 推程推程：尖顶与凸轮轮廓上的：尖顶与凸轮轮廓上的A A点（基圆与轮廓点（基圆与轮廓ABAB的连接点）的连接点）相接触，该点为从动件上升的起点。当凸轮以等角速度相接触，该点为从动件上升的起点。当凸轮以等角速度沿逆时针方向回转沿逆时针方向回转角时，从动件被凸轮轮廓推动，以一角时，从动件被凸轮轮廓推动，以一定的运动规律由离定的运动规律由离O O1 1

5、点最近位置点最近位置A A上升到最远位置上升到最远位置BB点，点，此过程称为此过程称为推程推程。5.2 常用的从动件运动规律5.2 常用的从动件运动规律 回程运动角回程运动角：凸轮再继续回转凸轮再继续回转角，从动件在弹力或角，从动件在弹力或重力作用下，以一定运动规律从最远位置回到起点，这重力作用下，以一定运动规律从最远位置回到起点，这段行程称为段行程称为回程回程，对应的凸轮转角，对应的凸轮转角称为称为回程运动角回程运动角。近休止角近休止角：当凸轮继续回转：当凸轮继续回转s s时，从动件在最低位置时，从动件在最低位置停留不动。此时凸轮转过的角度停留不动。此时凸轮转过的角度 s s 称为称为近休止

6、角近休止角。u凸轮连续回转时，从动件凸轮连续回转时，从动件重复上述过程。重复上述过程。5.2 常用的从动件运动规律5.2 常用的从动件运动规律5.2.1 平面凸轮机构的基本尺寸和运动参数 图为对心尖顶从动件盘形凸轮机构，凸轮回转时，从动件重复升停降停的运动循环。从动件的位移s与凸轮转角a的关系可以用从动件的位移线图来表示，如右图所示。从动件的运动规律从动件的运动规律是指从动件的位移是指从动件的位移s、速度、速度v和加速度和加速度a的变化规律。的变化规律。从动件的运动规律从动件的运动规律取决于取决于凸轮轮廓的曲线形状。凸轮轮廓的曲线形状。尖顶对心移动从动件盘形凸轮机构尖顶对心移动从动件盘形凸轮机

7、构5.2 常用的从动件运动规律 等速运动规律等速运动规律000ahvhs等速运动规律等速运动规律5.2 常用的从动件运动规律5.2.2 常用的从动件运动规律 运动特性运动特性：由于速度为一常数，所以从动件的速度线图为一：由于速度为一常数，所以从动件的速度线图为一平行于横轴的直线，惯性力等于零。但在运动开始，由于速平行于横轴的直线，惯性力等于零。但在运动开始，由于速度突变，此时理论上的加速度值为度突变，此时理论上的加速度值为+和和-（由于材料的弹（由于材料的弹性等因素的存在，实际上并不能达到无穷大）。由牛顿第二性等因素的存在，实际上并不能达到无穷大）。由牛顿第二定律可知：从动件所受惯性力定律可知

8、：从动件所受惯性力F=maF=ma（其中（其中m m为从动件的质量）。为从动件的质量）。理论上无穷大的惯性力理论上无穷大的惯性力F F致使凸轮受到很大的冲击，即致使凸轮受到很大的冲击，即刚性冲刚性冲击击(俗称俗称硬冲硬冲），故等速运动只适用于），故等速运动只适用于小功率、低速及从动件小功率、低速及从动件质量不大质量不大的场合。的场合。等速运动规律等速运动规律 注注:等速运动规律是一种基本的运动规律。在实际应用中，等速运动规律是一种基本的运动规律。在实际应用中，为了避免等速运动规律在推程的起点和终点的刚性冲击，通为了避免等速运动规律在推程的起点和终点的刚性冲击，通常可用具有过渡曲线的改进型的等速

9、运动规律，如图所示，常可用具有过渡曲线的改进型的等速运动规律，如图所示，对位移曲线进行修改。运动规律经过这样的改进后，在对位移曲线进行修改。运动规律经过这样的改进后，在BCBC段段内，速度均匀不变，在内，速度均匀不变，在ABAB、CDCD段内，速度是个渐变过程，但段内，速度是个渐变过程，但在在A A、B B、C C、D D点的加速度是个有限数值，所以冲击要小得多。点的加速度是个有限数值，所以冲击要小得多。等速运动规律等速运动规律 等加速等加速-等减速运动规律等减速运动规律22020220442hahvhs等加速运动方程等加速运动方程22002020204)(4)(2hahvhhs等减速运动方程

10、等减速运动方程运动特性运动特性：当采用等加速等减速运动：当采用等加速等减速运动规律时，在起点、中点和终点时，加速规律时，在起点、中点和终点时，加速度有突变，因而推杆的惯性力也将有突度有突变，因而推杆的惯性力也将有突变，不过这一突变为有限值，所以，凸变，不过这一突变为有限值，所以，凸轮机构中由此而引起的冲击称为轮机构中由此而引起的冲击称为柔性冲柔性冲击击。适用场合适用场合：中速、轻载的凸轮机构。：中速、轻载的凸轮机构。等加速等加速-等减速运动规律等减速运动规律 余弦加速运动规律余弦加速运动规律02022000cos2sin2cos12hahvhs 运动特性及应用运动特性及应用：按这种运动规律运：

11、按这种运动规律运动的整个过程，速度和加速度都是连动的整个过程，速度和加速度都是连续的，但在始、末两点加速度有有限续的，但在始、末两点加速度有有限突变，故也有柔性冲击。突变，故也有柔性冲击。故一般只适用于故一般只适用于中速、中载场合中速、中载场合。余弦加速运动规律余弦加速运动规律 正弦加速运动规律正弦加速运动规律020200002sin22cos12sin21hahvhs 运动特性及应用运动特性及应用：按这种运动规律运：按这种运动规律运动的整个过程，从动件无速度和加速动的整个过程，从动件无速度和加速度的突变，因此不产生冲击。度的突变，因此不产生冲击。故可用于故可用于高速场合高速场合。正弦加速运动

12、规律正弦加速运动规律5.2.3 从动件运动规律的选择5.2 常用的从动件运动规律在选择从动件的运动规律时，应根据机器工作时的运动要求来确定。对无一定运动要求，只需要从动件有一定位移量的凸轮机构。对于高速机构，应减小惯性力、改善动力性能，可选用正弦加速度运动规律或其他改进型的运动规律。根据工作要求合理地选择了从动杆的运动规律之后，可根据工作要求合理地选择了从动杆的运动规律之后，可以按照所允许的空间和具体要求，初步确定凸轮的基圆半径，以按照所允许的空间和具体要求，初步确定凸轮的基圆半径，然后设计凸轮的轮廓。凸轮的轮廓曲线设计方法一般有两种：然后设计凸轮的轮廓。凸轮的轮廓曲线设计方法一般有两种：图解

13、法图解法（作图法）和（作图法）和解析法解析法。图解法图解法直观简单、可直接得出凸轮的轮廓；但是精直观简单、可直接得出凸轮的轮廓；但是精度低，有一定的误差，但是能够满足一般工程的需要，采用度低，有一定的误差，但是能够满足一般工程的需要，采用较多。较多。解析法解析法一般用于精密或高速凸轮机构中。一般用于精密或高速凸轮机构中。“反转法反转法”：当凸轮机构工作时，凸轮是运动的，而绘制凸轮当凸轮机构工作时，凸轮是运动的，而绘制凸轮轮廓时，却需凸轮与图纸相对静止。所以用图解法绘制凸轮轮廓时，却需凸轮与图纸相对静止。所以用图解法绘制凸轮轮廓曲线要利用相对运动原理。轮廓曲线要利用相对运动原理。5.3 盘形凸轮

14、轮廓的设计方法与加工方法5.3 盘形凸轮轮廓的设计方法与加工方法5.3.1 反转法原理条件：凸轮加角速度从动件与导路绕角速度-(大小相等、方向相反)绕凸轮转动凸轮静止不动从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线从动件相对导路移动 对于滚子从动件，则滚子中心可看作是从动件的尖顶，其运动轨迹就是凸轮的理论轮廓曲线，凸轮的实际轮廓曲线是与理论轮廓曲线相距滚子半径rT的一条等距曲线。Ar0609090120-s12345 67 891011121314 601209090135781 3 5 7 8911 13 159111312141876543214131211109r0609090120-12345

15、67891011121314 As 601209090135781 3 5 7 8911 13 159111312141876543214131211109 123456788765432191011121314151413121110 9s 601209090135781 3 5 7 8911 13 15911131214eA A-O O s 601209090135781 3 5 7 8911 13 1591113121412345678k1k2k3k5k4k6k7k81514131211109k9k10k11k12k13k14k15123456781514131211109 A1A2A3

16、A4A5A6A7A8B1B2B3B4B5B6B7B812060 90 B11 1B22 2B33 3B44 4B55 5B66 6B77 7-r0ABld 60120909012341 2 3 45 67 857685.3 盘形凸轮轮廓的设计方法与加工方法5.3.4 凸轮轮廓的加工凸轮轮廓的加工方法通常有两种1.铣、锉削加工 对用于低速、轻载场合的凸轮，可以应用反转法原理在未淬火凸轮轮坯上通过作图法绘制轮廓曲线，采用铣床或用手工锉削办法加工而成。必要时可进行淬火处理，但用这种方法则凸轮的变形难以得到修正。2.数控加工 采用数控线切割机床对淬火凸轮进行加工，这是目前最常用的一种凸轮加工方法。加工

17、时应用解析法，求出凸轮轮廓曲线的x,y坐标，并将xOy坐标系的原点换算成切割时的起点，而滚子半径相当于钼丝半径再加上放电间隙。5.4 凸轮机构基本尺寸的确定5.4.1 凸轮机构的压力角 从动件的运动方向和凸轮作用于它的法向力Fn方向之间所夹的角a称为压力角。由上述关系式知，压力角a愈大，有效分力y愈小，有害分力x愈大。当a角大到某一数值时，必将会出现Fy rr arr rr arr0rr arr rr时 r 0这时所得的凸轮实际轮廓为光滑的曲线(如图b)2)r =rr 时r =0，实际轮廓线变尖，极易磨损，不能使用(如图c)。3)r rr 时r 0，即实际曲线出现交叉会出现失真(如图d)。5.4 凸轮机构基本尺寸的确定5.4.3 滚子半径的确定 为了避免失真并减小磨损，要求滚子半径rT 与理论轮廓线最小曲率半径r min满足rT 0.8 r min，并使实际轮廓线的最小半径r min(35)mm。若满足不了该要求，可增大基圆半径或修改从动件的运动规律。