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1、机械设计基础,机械与动力工程学院 机械工程基础部,第三章 凸轮机构设计,31 凸轮机构的应用和分类 32 从动件的常用运动规律 33 盘状凸轮轮廓的设计 34 设计凸轮机构应注意的问题,2007年10月,2,机械工程基础部,1凸轮机构,（1）实例,内燃机配气凸轮机构,自动机床进刀机构,自动机床凸轮机构,（2）定义,适当的设计凸轮廓线可实现各种预期的运动规律，结构简单，紧凑；但易磨损，传力不大。,凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，它通过与从动件的高副接触。凸轮的等速回转使从动件获得连续或不连续的一定规律的运动。由凸轮、从动件和机架三部分组成。,（3）特点,2007年10月,3,机械工程基础部,
2、二、 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,按照从动件的形式分为以下几种：,尖端从动件,滚子从动件,平底从动件,31 凸轮机构的应用和分类,2007年10月,4,机械工程基础部,2凸轮机构的分类,（1）按凸轮的形状分,1）盘形凸轮（移动凸轮）,2）圆柱凸轮,（2）按推杆形状及运动形式分,1）尖顶推杆、滚子推杆和平底推杆,2）对心直动推杆、偏置直动推杆和摆动推杆,（3）按保持高副接触方法分,1）力封闭的凸轮机构,2）几何封闭的凸轮机构,2007年10月,5,机械工程基础部,三、凸
3、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、 40CrMnTi,常用的滚子材料： 20Cr或者滚动轴承,31 凸轮机构的应用和分类,2007年10月,6,机械工程基础部,第三章 凸轮机构设计,31 凸轮机构的应用和分类 32 从动件的常用运动规律 33 盘状凸轮轮廓的设计 34 设计凸轮机构应注意的问题,2007年10月,7,机械工程基础部,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
4、求选定从动件（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。,分类：多项式、三角函数。,S=S(t) V=V(t) a=a(t),基圆、,推程运动角、,基圆半径r0、,推程、,远休止角、,回程运动角、,回程、,近休止角、,行程。,32 从动件的常用运动规律,2007年10月,8,机械工程基础部,基本术语,基圆：从凸轮轮廓的最小向径r0为半径的圆。,推程：从动件被凸轮推动，以一定运动规律由距离回转中心最近位置A到达最远位置B所走过的距离AB。与推程对应的凸轮转角t为推程运动角。,远休止角：当凸轮继续回转s
5、角，从动件在最远位置停止不动。,回程：当凸轮继续回转h角，从动件在弹簧或重力作用下，以一定运动规律回到起始位置所走过的距离。 h称为回程运动角。,近休止角：当凸轮继续回转s角，从动件在最近位置停止不动。,32 从动件的常用运动规律,2007年10月,9,机械工程基础部,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。,32 从动件的常用运动规律,2007年10月,10,机械工程基础部,一、从动件等速运动规律,特点：存在刚性冲击 位置：发生在运动的起始点和终止点,从动件的速度,从动件的位移,从动
6、件的加速度,开始或停止时,32 从动件的常用运动规律,2007年10月,11,机械工程基础部,特点：存在柔性冲击 位置：发生在运动的起始点、中间点和终止点,二、从动件等加速等减速运动规律,从动件的位移,从动件的加速度 a2=a0=常数,从动件的速度,32 从动件的常用运动规律,2007年10月,12,机械工程基础部,从动件等加速等减速运动规律,32 从动件的常用运动规律,2007年10月,13,机械工程基础部,三、余弦加速度运动规律（简谐运动）,32 从动件的常用运动规律,2007年10月,14,机械工程基础部,特点：既无柔性更无刚性冲击,摆线,四、正弦加速度运动规律（摆线运动）,32 从动件
7、的常用运动规律,由运动图可见，其速度和加速度曲线都是连续的，因此没有柔性冲击，故常用于高速凸轮机构。,2007年10月,15,机械工程基础部,在选择从动件的运动规律时，除要考虑刚性冲击与柔性冲击外，还应该考虑各种运动规律的速度幅值 vmax 、加速度幅值 amax及其影响加以分析和比较。,从动件动量mvmax,冲击过大,从动件惯性力mamax,动压力大,对于重载凸轮机构，应选择 vmax值较小的运动规律； 对于高速凸轮机构，宜选择 amax值较小的运动规律。,vmax,amax,五、从动件运动规律的选择,32 从动件的常用运动规律,2007年10月,16,机械工程基础部,若干种从动件运动规律特
8、性比较,32 从动件的常用运动规律,组合型运动规律,2007年10月,17,机械工程基础部,第三章 凸轮机构设计,31 凸轮机构的应用和分类 32 从动件的常用运动规律 33 盘状凸轮轮廓的设计 34 设计凸轮机构应注意的问题,2007年10月,18,机械工程基础部,一、反转法（相对运动法）,加角速度-w(与凸轮角速度大小相等、方向相反),从动件与导路绕角速度-w以凸轮转动,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。,
9、33 盘状凸轮轮廓的设计,2007年10月,19,机械工程基础部,33 盘状凸轮轮廓的设计,相对运动关系,2007年10月,20,机械工程基础部,设计步骤,已知条件：从动件运动规律、凸轮转向基圆半径,设计步骤：,rb,4,7,5,8,1,3,2,6,9,10,c.过位移线图中等分点作y轴平行线交位移线图于i 点，过基圆上等分点作射线；,d.在射线上度量出相应推杆的位移，得尖顶轨迹点i ；,f.光滑连接i 得凸轮廓线。,b.在基圆与位移线图共同将 和 进行n等分，并标注等分点；,1,2,3,33 盘状凸轮轮廓的设计,设计基本原理,2007年10月,21,机械工程基础部,滚子从动件 1) 分析,3
10、3 盘状凸轮轮廓的设计,2007年10月,22,机械工程基础部,实际廓线,理论廓线,2) 设计,注意：1. 基圆半径为理论廓线最小向径；2. 先求理论廓线，后作包络线，得实际廓线。,包络线,33 盘状凸轮轮廓的设计,基圆,2007年10月,23,机械工程基础部,2. 平底从动件 1) 分析,尖顶轨迹线,33 盘状凸轮轮廓的设计,2007年10月,24,机械工程基础部,2) 设计,理论廓线,33 盘状凸轮轮廓的设计,2007年10月,25,机械工程基础部,结论： a. 偏置式凸轮机构中从动件导路线始终切于偏置圆； b. 导路线与基圆交点为推杆尖顶最低点起始点。,二、偏置式凸轮廓线的设计 1. 尖
11、顶从动件 1) 相对运动分析,偏距圆,33 盘状凸轮轮廓的设计,基圆,2007年10月,26,机械工程基础部,2) 设计 已知条件：凸轮转向、基圆半径偏置圆半径。,导路线,设计步骤：,注意：也可在偏置圆上进行运动角等分，通过其等分点作偏置圆切线以获得导路线。,33 盘状凸轮轮廓的设计,2007年10月,27,机械工程基础部,作图法设计凸轮轮廓曲线,偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计,33 盘状凸轮轮廓的设计,2007年10月,28,机械工程基础部,滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计,33 盘状凸轮轮廓的设计,2007年10月,29,机械工程基础部,摆动推杆盘形凸轮廓线的设计,1）摆动尖顶推杆盘形凸
12、轮廓线的设计,2）摆动滚子推杆盘形凸轮廓线的设计,3）摆动平底推杆盘形凸轮廓线的设计,结论 摆动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计方法与直动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计方法基本类似，所不同的是推杆的预期运动规律及作图设计中都要用到推杆的角位移 表示，即将直动推杆的各位移方程中的位移s改为角位移 , 行程h改为角行程，就可用来求摆动推杆的角位移了。,2007年10月,30,机械工程基础部,解析法设计凸轮轮廓曲线,偏置直动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计,建立凸轮转轴中心的坐标系xOy,根据反转法原理，凸轮以w转过j角；,B点坐标为,上式即为凸轮理论廓线方程,实际廓线与理论廓线在法线上相距滚子半径rT，则推出,
13、式中取“”号时为内等距曲线，取“”号时为外等距曲线,33 盘状凸轮轮廓的设计,2007年10月,31,机械工程基础部,摆动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计,取摆杆的轴心A0与凸轮轴心O之连线为坐标系的y轴，Bo点是摆动杆的推程起始位置，摆动杆与y轴的夹角为初始角。根据反转法原理，得出B点坐标。,其中,33 盘状凸轮轮廓的设计,2007年10月,32,机械工程基础部,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
14、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。,33 盘状凸轮轮廓的设计,2007年10月,33,机械工程基础部,第三章 凸轮机构设计,31 凸轮机构的应用和分类 32 从动件的常用运动规律 33 盘状凸轮轮廓的设计 34 设计凸轮机构应注意的问题,2007年10月,34,机械工程基础部,一、 凸轮机构的压力角,由图知，压力角a愈大，有效分力y愈小，有害分力 愈大。当 角大到某一数值时，必将会出现FyFx的情况。这
15、时，不论施加多大的Fn力，都不能使从动件运动，这种现象称为自锁。因此，为了保证凸轮机构的正常工作，必须对凸轮机构的压力角进行限制。,推荐压力角数值,移动从动件 =30,摆动从动件 =45,回程中，一般不会有自锁现象，压力角取值为, =7080,34 设计凸轮机构应注意的问题,凸轮机构中的压力角图解,凸轮机构的压力角是指推杆所受正压力的方向与推杆上点 B 的速度方向之间所夹的锐角，,它是影响凸轮机构受 力情况的一个重要参数。,常以表示。,2007年10月,35,机械工程基础部,基圆半径的确定（P54）,从传动效率来看，压力角越小越好，但压力角减小将导致凸轮尺寸增加，因此在设计凸轮时要权衡两者的关系，使设计达到合理。,A点:,即,(式A),在ABD中,导路在凸轮轴的左边时，式中分子部分取“”，凸轮顺时针转动时，符号取法与上述相反,34 设计凸轮机构应注意的问题,2007年10月,36,机械工程基础部,在给定运动规律时，合理设计偏距可减小压力角，增大基圆半径也可以减小压力角。获取较小的基圆半径的同时，必须要保证aa,在设计凸轮时，先根据条件确定基圆半径r0。制作凸轮轴时，r0略大于轴的半径；单独制造凸轮时，r0=(1.6-2)r。,
