凸轮机构名及其设计课件

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1、凸轮机构及其设计,凸轮机构的应用和分类,推杆的运动规律,凸轮轮廓曲线的设计,凸轮机构基本尺寸的确定,3机架,2从动件,h,1凸轮,高副,凸轮机构 由凸轮，从动件和机架构成的三杆高副机构。,h,凸轮机构的应用和分类,1)按凸轮形状分：盘形、 移动、圆柱凸轮 (端面) 。,应用：内燃机 、牙膏生产等自动线、补鞋机、配钥匙机等。,分类：,2)按推杆形状分：尖顶、 滚子、平底从动件。,3).按推杆运动分：直动(对心、偏置)、 摆动,特点：尖顶构造简单、易磨损、用于仪表机构；,滚子磨损小，应用广；,平底受力好、润滑好，用于高速传动。,4).按保持接触方式分：力封闭（重力、弹簧等） 几何形状封闭(凹槽、等

2、宽、等径、主回凸轮),滚子从动件凸轮机构,e,e,尖顶从动件凸轮机构,平底从动件凸轮机构,按从动件的形状分类,尖顶,平底,滚子,按凸轮的形状分类,按凸轮的形状分类,凸轮机构的分类,总结,等宽凸轮机构,等径凸轮机构,主回凸轮机构,槽凸轮机构,形封闭凸轮机构的型式,主回凸轮,r1+r2 =const,凹槽凸轮,主回凸轮,等宽凸轮,等径凸轮,内燃机气门机构 靠弹簧力封闭,机床进给机构 几何形状封闭,应用,凸轮机构的应用,内燃机中的配气机构,点击图面动画演示,绕线机中的排线机构,点击图面动画演示,凸轮机构的应用,点击图动画演示,凸轮机构的应用,自动机床的进刀机构,仿形加工机构,点击图动画演示,凸轮机构

3、的应用,推杆的运动规律,凸轮机构设计的基本任务是根据工作要求选定凸轮机构的形式、推杆运动规律、合理确定结构尺寸、设计轮廓曲线。而根据工作要求选定推杆运动规律，是设计凸轮轮廓曲线的前提。,名词术语：,运动规律：推杆在推程或回程时，其位移S、速度V、和加速度a 随时间t 的变化规律。,S=S(t) V=V(t) a=a(t),一、推杆的常用运动规律,基圆、,推程运动角、,基圆半径、,推程、,远休止角、,回程运动角、,回程、,近休止角、,行程。,0，,1)基圆：以凸轮轮廓的最小向 径rb为半径所作的圆,2)推程: 当凸轮以等角速度逆时 针转过0角时，从动件 由最低位置A被到最高位 置B的运动过程.

4、相应的凸轮转角0称为推程角,凸轮机构的工作过程分析,名词术语及符号,1)基圆rb 2)推程、推程角0,3)远停程：当凸轮继续转过01角时，从动 件处于最高位置静止不动的过程，相应的凸轮转角01称为远休止角,凸轮机构的工作过程分析,1)基圆rb 2)推程、推程角0 3)远停程、远休止角01,4)回程：当凸轮继续转过0角时，从动件由最高位置C回到最低位置D的运动过程,相应的凸轮转角0 称为回程角,凸轮机构的工作过程分析,1)基圆rb 2)推程、推程角0 3)远停程、远休止角01 4)回程、回程角0,5)近停程：当凸轮继续转过02 角时，从动件处于最低位置静止不动的过程 ，相应的凸轮转角02称为近休

5、止角,凸轮机构的工作过程分析,a) 等速运动,刚性冲击,从动件在推程（上升）或回程（下降）的速度V为一常数,特点：,适用于低速轻载的场合,从动件在运动的开始和终止的瞬时有刚性冲击,b) 等加等减速运动规律,位移曲线为一抛物线。加、减速各占一半。,柔性冲击,50分,从动件在运动过程的前半程匀加速运动，后半程作匀减速运动，两部分加速度的绝对值相等的运动规律,特点：,从动件在运动的始中末三个瞬时，加速度有突变，引起柔性冲击,适用于中低速轻载的场合,a)余弦加速度（简谐）运动规律,余弦加速度运动规律又称简谐运动规律。当一点在圆周上等速运动时，其在直径上投影的运动即简谐运动,特点,当从动件只作升降升（休

6、止角为零）运动时，其加速度为一连续的光滑曲线，运动中消除了柔性冲击，这种情况适用于高速。,速度和加速度都是连续曲线,在推程和回程的起点、终点加速度有突变，要产生柔性冲击。,适用于中、低速中载的场合,b)正弦加速度（摆线）运动规律,无冲击，但amax 较大。,其加速度曲线光滑、连续，所以工作时振动、噪音都比较小，可以用于高速、轻载的场合。,为了获得无冲击的运动规律，可采用正弦加速度运动规律。,将几种运动规律组合，以改善运动特性。,正弦改进等速,二、选择运动规律,选择原则：,1.机器的工作过程只要求凸轮转过一角度0时，推杆完成一行程h（直动推杆）或（摆动推杆），对运动规律并无严格要求。则应选择直线

7、或圆弧等易加工曲线作为凸轮的轮廓曲线。如夹紧凸轮。,2. 机器的工作过程对推杆运动有要求，则应严格按工作要求的运动规律来设计凸轮廓线。如刀架进给凸轮。,3. 对高速凸轮，要求有较好的动力特性，除了避免出现刚性或柔性冲击外，还应当考虑Vmax和 amax。,高速重载凸轮要选Vmax和amax比较小的理由：,amax,等加等减速 2.0 4.0 柔性 中速轻载,五次多项式 1.88 5.77 无 高速中载,余弦加速度 1.57 4.93 柔性 中速中载,正弦加速度 2.0 6.28 无 高速轻载,改进正弦加速度 1.76 5.53 无 高速重载100分钟,动量mv,若机构突然被卡住，则冲击力将很大

8、,（F=mv/t）。,对重载凸轮，则适合选用Vmax 较小的运动规律。,惯性力F=-ma,对强度和耐磨性要求。,对高速凸轮，希望amax 愈小愈好。,Vmax, Pn,1.凸轮廓线设计方法的基本原理,凸轮轮廓曲线的设计,2.用作图法设计凸轮廓线,1)对心直动尖顶推杆盘形凸轮,2)对心直动滚子推杆盘形凸轮,3)对心直动平底推杆盘形凸轮,4)偏置直动尖顶推杆盘形凸轮,5)摆动尖顶推杆盘形凸轮机构,6)直动推杆圆柱凸轮机构,7)摆动推杆圆柱凸轮机构,反转法原理,给整个凸轮机构加上一个与凸轮转动的角速度大 小相等、方向相反的角速度，此时凸轮不动，从动件一方面随导路以绕轴转动，另一方面又在导路中按预定的

9、运动规律作往复移动。由于从动件的尖顶始终与凸轮轮廓相接触，其尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线,依据此原理可以用几何作图的方法 设计凸轮的轮廓曲线，例如：,2.用作图法设计凸轮廓线,尖顶凸轮绘制动画,滚子凸轮绘制动画,1.凸轮廓线设计方法的基本原理,凸轮轮廓曲线的设计,反转原理：,给整个凸轮机构施以-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。,A,对心直动尖顶推杆凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径r0，角速度和推杆的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,设计步骤小结：,选比例尺l作基圆r0。,反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。,确定反转后，从动件尖顶在各

10、等份点的位置。,将各尖顶点连接成一条光滑曲线。,1)对心直动尖顶推杆盘形凸轮,对心直动滚子推杆凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径r0，角速度和推杆的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,作各位置滚子圆的内(外)包络线(中心轨迹的等距曲线)。,2)对心直动滚子推杆盘形凸轮,理论轮廓,实际轮廓,对心直动平底推杆凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径r0，角速度和推杆的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,作平底直线族的内包络线。,3)对心直动平底推杆盘形凸轮,偏置直动尖顶推杆凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径r0，角速度和推杆的运动规律和偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。,4)偏置直动尖顶推杆盘形凸轮,摆动尖顶推杆凸轮机构中，已

11、知凸轮的基圆半径r0，角速度，摆动推杆长度l以及摆杆回转中心与凸轮回转中心的距离d，摆杆角位移方程，设计该凸轮轮廓曲线。,5)摆动尖顶推杆盘形凸轮机构,对凸轮机构的要求,实现从动件给定的运动规律,传力性能好,结构紧凑,具体要求,（2）选择基圆半径时应考虑它对凸轮机构的尺寸、受力性能、磨损和传动效率等有重要的影响。,（1）选择从动件滚子半径时，应考虑其对凸轮轮廓的影响 。,凸轮机构基本尺寸的确定,上述设计廓线时的凸轮结构参数r0、e、rr等，是预先给定的。 实际上，这些参数也是根据机构的受力情况是否良好、动作 是否灵活、尺寸是否紧凑等因素由设计者确定的。,1.凸轮机构的压力角,2.凸轮基圆半径的

12、确定,3.滚子半径的确定,4.平底尺寸l 的确定,凸轮机构的压力角及其校核,1.压力角,F,F2=Fn sin 有害分力,F1=Fn cos有效分力,从动件上一点驱动力方向与速度方向所夹锐角,rmin,A,B,1,s,s0,n,P,F,F,F,将F分解为两个分力,其中F为有用力，F为有害力。 故愈小传力愈好。,位置确定后，用作图法作出压力角： 若max ，传力性能良好 若max ，则通过适当增大基圆半径，或采用 偏置从动件，或用平底从动件等方 法减小max,max一般出现的位置,推程的起始位置 理论轮廓线比较陡的位置 从动件最大速度的轮廓附近,F1F2运转轻快，传力性能好 F2F1使从动件导路

13、中的侧压力增加，凸轮运转沉重,当 到一定程度，以致F2大于 F1时，无论凸轮给从动件多大的驱动力从动件都不能运动的现象,自锁,增大导轨长度l或减小悬臂尺寸b可提高c,工程上要求：max ,直动推杆：30,摆动推杆：3545,回程：7080,提问：平底推杆？,0,2.凸轮基圆半径的确定,ds/d,运动规律确定之后，凸轮机构的压力角与基圆半径r0直接相关。,设计时要求：,提问：在设计一对心凸轮机构设计时， 当出现 的情况，在不改变运动规律的 前提下，可采取哪些措施来进行改进？,确定上述极值r0min不方便，工程上常根据诺模图来确定r0,1)加大基圆半径r0,2)将对心改为偏置，,3)采用平底从动件

14、。,有：,基圆半径的确定,盘形凸轮的最小基圆半径主要受到三个条件的限制： 凸轮的基圆半径应大于凸轮轴的半径 max rT,基圆半径的确定办法,诺模图法,根据凸轮的结构确定,当凸轮与轴分开制造时，,当凸轮与轴做成一个凸轮轴时，,式中：r 制作凸轮处轴的半径，mm； rn 凸轮轮毂外圆半径，mm，一般； rT滚子半径，mm。若从动件不带滚子，则。,诺模图法确定基圆半径,根据从动件的运动规律、最大压力角和推程角确定h/rb值，再计算基圆半径rb值.,图中上半圆的标尺代表凸轮的推程角，下半圆标尺代表最大压力角，直径标尺代表从动件运动规律的h/rb值.,例题,设计一尖顶式直动从动件盘形凸轮机构，要求凸轮

15、推程角t= 175 ，从动件在推程中以等加速等减速规律运动，其升程h=18mm，最大压力角max=16 。试确定其凸轮的基圆半径。,解,根据已知条件将位于圆周上推程角为175和最大压力角为16 的两点连一直线，如图,读取虚线与直径上等加速等减速运动规律标尺的交点得：h/rb=0.6,由此计算得最小基圆半径为：rb=h/0.6=18/0.6=30mm。 因此机构设计时，基圆半径按30mm选取。,诺模图,应用实例：一对心直动滚子推杆盘形凸轮机构，045，h=13 mm, 推杆以正弦加速度运动，要求max 30，试确定凸轮的基圆半径r0 。,作图得：h/r00.26,r0 50 mm,3.滚子半径的确定,a工作轮廓的曲率半径，理论轮廓的曲率半径， rr滚子半径,arr, rr,arr,rr,arr0,rr,arr0,轮廓正常,轮廓正常,轮廓变尖,外凸,对于外凸轮廓，要保证正常工作，应使： min rr,4.平底尺寸l 的确定,a) 作图法确定：,l