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1、机械设计基础 何俊 冯鉴 范志勇西南交通大学机械工程系凸轮机构 第四章 机械设计基础4-1 概述4-2 从动件常用运动规律4-3 图解法设计盘形凸轮轮廓4-4 凸轮机构的解析法设计4-5 凸轮机构设计中的几个问题4-6 凸轮常用材料和结构第一节 概述机械设计基础第一节 概述在机械装置中，尤其是在自动控制机械中，为实现某些特殊或复杂的运动规律，广泛地应用着各种凸轮机构动画演示1动画演示2机械设计基础第一节 概述2、凸轮机构的特点优点：只要正确地设计和制造出凸轮的轮廓曲线，就能把凸轮的回转运动准确可靠地转变为从动件所预期的复杂运动规律的运动，而且设计简单;凸轮机构结构简单、紧凑、运动可靠。缺点：点
2、、线接触易磨损(所以通常多用于传力不大的控制机构)；凸轮轮廓加工困难；行程不大。机械设计基础二、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第一节 概述机械设计基础 力封闭的凸轮机构 几何封闭的凸轮机构根据在运动中凸轮与推杆保持接触的方式不同，凸轮机构可分为：第一节 概述力封闭的凸轮机构是利用推杆的重力、弹簧力或其它外力使推杆与凸轮保持接触。如内燃气配气系统。在这类机构中，利用凸轮或推杆的特殊几何结构使凸轮与推杆保持接触。如；等宽凸轮机构。机械设计基础确定从动件的运动规律是凸轮设计的前提1推程、2远休止、3回程、4近休止当凸轮连续转动时，从动件将重复上
3、述运动过程。 1234一、凸轮机构的工作过程第二节 从动件常用运动规律机械设计基础二、从动件常用运动规律等速运动（刚性冲击）等加速等减速运动（柔性冲击）余弦加速度运动（起停有柔性冲击）正弦加速度运动等速运动等加速等减速运动余弦加速度运动正弦加速度运动第二节 从动件常用运动规律基圆r0d01d0d02SHd0推程、推程角、上停程角（远休）下停程角 (近休) 回程、回程角转角、位移、升程2 推杆的运动规律d0偏置、偏距 e 、偏距圆偏置凸轮的转角、从动杆的相对位置理论廓线、工作廓线基圆半径指的是理论廓线上的最小向径 .工理d01d0d0ewddw1一、等速运动规律 (直线位移运动规律、 一次多项式
4、运动规律)Sdd0HVdd0adHwd0d0特点：设计简单、匀速进给、amax 最小。 始点、末点有刚性冲击。 适于低速、轻载、从动杆质量不大，以及要求匀速的情况。二、等加速等减速运动规律 (抛物线位移运动规律、二次多项式运动规律)Sdd0HVdd0ad2Hwd0d04Hw2d0d0H特点: amax 最小 惯性力小。 起、中、末点有软性冲击.适于中低速、中轻载.Sdad三、余弦加速度运动规律 (简谐运动位移运动规律)d0H0 1 2 3 4 5 6 7 812345678SdVd0 1 2 3 4 5 6 7 8d0pHw2d0012345678p2Hw22d020123456特点: 加速度
5、变化连续平缓. 始、末点有软性冲击.适于中低速、中轻载.0 1 2 3 4 5 6 7 8d078add0pHw2d0201246780 1 2 3 4 5 6 7 83四、正弦加速度运动规律 Vd2Hwd00123468d00 1 2 3 4 5 6 7 8557Hp特点： 加速度变化连续. amax 最大. 对加工误差敏感.适于高中速、轻载. (摆线投影位移运动规律)d01 2 3 4 5 6 7 8dH123456S700ad五、几种常用运动规律的比较H等速余弦d0等加正弦等速的 amax 最小, 省力.正弦的 amax 最大.a等速的 Vmax 最小, 安全.d0等加的 amax 最小
6、，惯性小.等速的 a .正弦的 a 连续.(动量 mVmax 最小, SdVd即冲力 F = mV/t 最小.)机械设计基础三、从动件运动规律的选择1、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。2、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。3、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。第二节 从动件常用运动规律机械设计基础绕线机构312A线应用实例：第二节 从动件常用运动规律机械设计基础3皮带轮5卷带轮录音机卷带机构1放音键2摩擦轮4第二节 从动件常用运动规律机械设计基础图解法绘制凸轮轮廓曲线是利用反转法原理完成
7、的。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第三节 图解法设计盘形凸轮轮廓机械设计基础基圆半径R b1.选与位移线图一致的比例作凸轮的基圆 2.将基圆分成与位移线图中相对应的等份3.分别自基圆圆周向外量取从动件位移线图中相应的位移量 4.光滑连接各点即为所求的凸轮轮廓 已知，如图：对心尖顶移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计第三节 图解法设计盘形凸轮轮廓机械设计基础对心直动滚子从动件盘形凸轮s 911 13 151 3 5 7 8r0A120-1设计步骤小结：选比例尺l作基圆r0。反向等分各运
8、动角。原则是：陡密缓疏。确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。将各尖顶点连接成一条光滑曲线。135789111312142345 67 8910111213146090901876543214131211109理论轮廓实际轮廓作各位置滚子圆的内(外)包络线。已知凸轮的基圆半径r0，角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。 601209090第三节 图解法设计盘形凸轮轮廓机械设计基础摆动尖顶从动件盘形凸轮机构120B11r0 601209090s 已知凸轮的基圆半径r0，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d，摆杆角位移方程，设计该凸轮轮廓曲线。12345 6 7 85
9、678B1B2B3B4B5B6B7B860 90 -dABl1 2 3 4B22B33B44B55B66B77A1A2A3A4A5A6A7A8第三节 图解法设计盘形凸轮轮廓机械设计基础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，则推出式中取“”号时为内等距曲线，取“”号时为外等距曲线第四节 凸轮机构的解析法设计简介机械设计基础一、 凸轮轮廓的加工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
10、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。第五节 凸轮机构设计中的几个问题机械设计基础二、 滚子半径的确定 凸轮轮廓曲线形状与滚子半径的关系r = r + rr当理论廓线内凹时此时，无论滚子半径大小，凸轮工作轮廓总是光滑曲线(如图a)当理论廓线外凸时(可分为三种情况)r = r - rr1) r rr时 r 0这时所得的凸轮实际轮廓为光滑的
11、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)。第五节 凸轮机构设计中的几个问题机械设计基础rT arT rT arT 轮廓正常外凸rTa对于外凸轮廓，要保证正常工作，应使： rT min第五节 凸轮机构设计中的几个问题机械设计基础压力角：不计摩擦时，凸轮对从动件的作用力（法向力）与从动件上受力点速度方向所夹的锐角。该力可分解为两个分力 ： 有效分力有害分力压力角越小，有效分力越大，机构传力越好。=aasincosnxnyFFFF三、压力角及校核许用压力角：凸轮机构在运转中的压力
12、角是变化的，为避免机构发生自锁并具有较高的传动效率，必须对最大压力角加以限制，其许用值应远低于临界压力角，即 ： 对移动从动件的推程，取a=30 对摆动从动件的推程，取a=3545回程时，可取a=70 第五节 凸轮机构设计中的几个问题机械设计基础低速、轻载：凸轮材料可选HT250、QT800-2、QT9002等，用球墨铸铁时，轮廓表面可进行淬火处理，以提高其耐磨性。从动件受弯曲应力大，不用脆性材料，可选中碳结构钢，高副端表面淬火至4050HRC。为减小冲击，也可选用质量小的尼龙作为从动件材料。中速、中载：凸轮常用45、45Cr、20Cr、20CrMn等材料，从动件可用20CR等低碳合金钢，并经
13、表面淬火，低碳合金钢应渗碳淬火，渗碳层深0.8-1.5mm，使硬度达5662HRC。高速、重载：凸轮可用40CR等中碳合金钢。表面高频淬火至5660HRC，或用38CrMoAl，经渗氮处理至6067HRC，但渗氮表层脆而不宜受冲击。从动件则可用T8、T10等碳素工具钢，经表面淬火处理。常用材料及热处理第六节 凸轮常用材料和结构机械设计基础凸轮结构凸轮与轮毂可调整组成凸轮的部分可调整第六节 凸轮常用材料和结构机械设计基础滚子从动件结构专门制造的圆柱体滚动轴承销轴联接第六节 凸轮常用材料和结构机械设计基础计算机辅助设计凸轮轮廓简介提出要求设计从动件运动规律确定凸轮机构类型确定凸轮基本尺寸解析法设计凸轮廓线满足压力角要求是否存在运动失真结束YNYN第七节 凸轮机构的计算机辅助设计机械设计基础凸轮机构设计流程提出要求设计从动件运动规律确定凸轮机构类型确定凸轮基本尺寸图解法设计凸轮廓线解析法设计凸轮廓线满足压力角要求是否存在运动失真结束YNYN第七节 凸轮机构的计算机辅助设计机械设计基础The End
