机械基础第四章课件

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1、第一节第一节 凸轮机构概述凸轮机构概述一、凸轮机构的组成及应用特点 在某些机械中，当要求从动件的运动按预定的规律变化时，如果采用平面连杆机构，一般只能近似地按规定的运动规律运动，难以满足实际需要，并且机构设计也较为复杂。而采用凸轮机构则可精确实现所要求的运动规律。第一节第一节 凸轮机构概述凸轮机构概述 图 4-1凸轮机构 1凸轮2从动件3机架 如图4-1所示，凸轮机构是由凸轮1、从动件2和机架3三个基本构件组成的高副机构。凸轮是具有曲线轮廓或凹槽的构件。通常凸轮为主动件并做等速回转，由凸轮轮廓驱动从动件做往复直线运动或往复摆动。由此可见，从动件的运动规律完全取决于凸轮轮廓线的形状。因此只要合理

2、设计凸轮的轮廓就可以使从动件的运动按预定的规律变化。 第一节第一节 凸轮机构概述凸轮机构概述二、凸轮机构的分类 1按照凸轮的形状分类 按照凸轮轮廓曲线的形状，凸轮可以分为盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮。 （1）盘形凸轮 绕固定轴线转动并具有变化向径的盘形构件，是凸轮的最基本形式。 （2）移动凸轮 当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架做直线移动，这种凸轮称为移动凸轮。 （3）圆柱凸轮 圆柱凸轮可以看成是由移动凸轮卷绕而成的圆柱体，在圆柱体的顶端有曲线轮廓或在圆柱表面上开有曲线沟槽。第一节第一节 凸轮机构概述凸轮机构概述 图4-4移动凸轮第一节第一节 凸轮机构概述凸轮机构概述 2按从动件的

3、形式分类 （1）尖底从动件 如图4-5a所示，尖底从动件可以与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，因而能实现任意预期的运动规律。它的优点是运动副少，结构简单、紧凑，但由于尖底容易磨损，故只适用于轻载、低速的场合，如仪表机构中。 （2）滚子从动件 如图4-5b所示。它克服了尖底从动件易磨损的缺点，阻力小，转动灵活，因而也不易磨损。滚子从动件可以承受较大的载荷，是应用较广的一种从动件。 （3）平底从动件 如图 4-5c所示。这种从动件形式的结构简单，在凸轮轮廓与从动件底面之间易于形成油膜，有利于润滑，所以磨损小，传动效率较高。常用于高速场合。第一节第一节 凸轮机构概述凸轮机构概述 图4-5从动件的形式 a

4、)尖底从动件b)滚子从动件c)平底从动件第一节第一节 凸轮机构概述凸轮机构概述3按从动件的运动形式分类 从动件相对于机架的运动形式可以分为移动和摆动两种。因此，按从动件的运动形式分类，凸轮机构可以分成移动从动件凸轮机构和摆动从动件凸轮机构。第二节第二节 凸轮机构的运动特性和常用运动规律凸轮机构的运动特性和常用运动规律一、凸轮机构的运动特性 在凸轮机构中，从动件的运动规律是由凸轮的轮廓形状决定的。而从动件的运动规律取决于机器的工作需求，在生产中从动件常用的运动规律有等速运动规律、等加速等减速运动规律和余弦加速度运动规律等。 如图 4-6a所示为一尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构。以凸轮轮廓上的最小

5、向径为半径所做的圆称为基圆。基圆半径用 表示。第二节第二节 凸轮机构的运动特性和常用运动规律凸轮机构的运动特性和常用运动规律 图 4-6尖顶对心直动从动件凸轮机构 a)机构简图b)位移线图 如果以直角坐标系的纵坐标代表从动件的位移s，横坐标表示凸轮转角，则从动件位移与凸轮转角之间的关系曲线称为从动件的位移线图，如图4-6b所示。第二节第二节 凸轮机构的运动特性和常用运动规律凸轮机构的运动特性和常用运动规律二、从动件常用运动规律 1.等速运动规律 当凸轮等角速度回转，从动件的运动速度为常数时，称为等速运动规律。 从动件做等速运动时，其位移线图为过原点的斜直线，速度线图为平行于横轴的一条直线。推程

6、时的位移方程可表示为 从图 4-7c可以看出，虽然在推程中速度为常数，加速度为零，但是从动件在运动开始和终止的瞬间，由于速度从零突变成v0或由v0突变为零。因而其惯性力将会产生强烈的突然撞击，这样的撞击称为刚性冲击。随着凸轮的回转，这会引起强烈的振动。因此等速运动规律只适用于低速轻载的场合。第二节第二节 凸轮机构的运动特性和常用运动规律凸轮机构的运动特性和常用运动规律 图 4-7等速运动规律 a)位移线图b)速度线图c)加速度线图第二节第二节 凸轮机构的运动特性和常用运动规律凸轮机构的运动特性和常用运动规律 2等加速、等减速运动规律 在这种运动规律中，通常将整个行程h分为两段，前半个行程（h/

7、2）以等加速运动，后半个行程（h/2）以等减速运动，在这两段时间内加速度的绝对值相等（根据需要也可以不相等），因此称为等加速等减速运动规律。因为加速度a是一常数，所以其加速度线图是两段平行于横轴的直线，如图4-8c所示。速度线图为斜直线，位移线图呈抛物线形。 其位移方程可以表示为 前一半行程： 后一半行程：第二节第二节 凸轮机构的运动特性和常用运动规律凸轮机构的运动特性和常用运动规律 等加速、等减速运动位移线图的作图方法如下： 1）在纵坐标轴做出从动件的行程h，并将其分成两等分。 2）在横坐标轴上做出凸轮的推程角，也分成两等分。 3）将凸轮前半个推程角（/2）分成n等分（n一般取偶数），如图4

8、8a中n = 4，得分点1、2、3、4，并过这些分点分别作垂线。同时将从动件行程的一半（h/2）也分成同样的n等分，得到等分点1、2、3、4。将这些分点分别与坐标原点相连，各连线与相应的垂线分别交于 1、2、3、4等点。将原点1、2、3、4连成光滑曲线便得到前半行程等加速运动位移线图。 4）按同样方法可以绘出后半个行程等减速运动线图，只是所绘出的抛物线开口方向向下。第二节第二节 凸轮机构的运动特性和常用运动规律凸轮机构的运动特性和常用运动规律 图 4-8等加速、等减速运动规律 a)位移线图b)速度线图c)加速度线图第二节第二节 凸轮机构的运动特性和常用运动规律凸轮机构的运动特性和常用运动规律

9、（2）等加速、等减速运动的凸轮机构工作特点 从图4-8c中可以看出，从动件在开始、中间和终止位置处，加速度有突变，因而惯性力也会有突变，不过这种突变的值是有限的，所以由此而产生的冲击也是有限的。这种有限值的冲击称为柔性冲击。这种运动规律只适用于凸轮中、低转速和轻载的场合。第二节第二节 凸轮机构的运动特性和常用运动规律凸轮机构的运动特性和常用运动规律三、凸轮轮廓曲线的设计 设计凸轮轮廓曲线的方法有解析法和图解法两种：解析法计算准确，但较复杂，多用于精密或高速凸轮机构的设计；图解法简明直观，容易掌握，但有较大的作图误差，可用于精度要求不高的一般机械设计。这里只介绍用图解法进行对心尖顶从动件盘状凸轮

10、的轮廓设计。 由已知从动件运动规律绘制凸轮轮廓曲线的常用方法是反转法。所谓反转法，即假设给整个机构加上一个同凸轮角速度大小相等、方向相反的角速度“-”，使得凸轮相对静止。由于凸轮与从动件之间的相对运动关系保持不变，故从动件及机架都将以角速度“-”绕O点反向转动，同时从动件仍相对于机架按给定的运动规律做直线往复的移动，从动件的尖顶将会形成一条连续的曲线。这条曲线就是凸轮的轮廓曲线。第二节第二节 凸轮机构的运动特性和常用运动规律凸轮机构的运动特性和常用运动规律 例4-1已知从动件的导路中心通过凸轮的回转中心（尖顶对心），凸轮的基圆半径rb，凸轮以等角速度做逆时针方向转动，从动件的位移线图如图4-9

11、b所示，求作凸轮轮廓曲线。 作图步骤： 图4-9 反转法设计凸轮 a)凸轮机构b)位移线图第二节第二节 凸轮机构的运动特性和常用运动规律凸轮机构的运动特性和常用运动规律 1）如图4-9a所示，任选点O为圆心，rb为半径作出基圆（为方便绘图，机构比例尺和位移线图的比例尺相同），取A0点为轮廓曲线的起点，并画出从动件的起始位置。 2）等分从动件的运动规律s曲线（图4-9中分为12等份），并过各等份点作直线平行于纵轴，交位移曲线于1、2、3、。 3）在基圆上自A0点起，沿着与凸轮转向相反的方向（-方向），将基圆也等分成与s-曲线相同的等份，得各等分点1、2、3、12。 4）自圆心O连接基圆上的各等分

12、点1、2、3、12，并延长得一系列射线。在各射线上依次截取1A1=11、2A2=22，得A1、A2、A3、A12诸点。将A1、A2、A3、A12各点连成光滑的曲线，即为所求凸轮的轮廓曲线。第三节第三节 间歇运动机构间歇运动机构 将主动件的等速连续转动转变为从动件周期性的时停时动的间歇运动。机构称为间歇运动机构。 间歇运动的机构很多，本节将介绍棘轮机构和槽轮机构。一、棘轮机构1工作原理 典型的棘轮机构如图 4-10所示，它由棘轮1、棘爪2、摇杆3、曲柄4、止回棘爪5等组成。棘轮1固定在回转轴上，摇杆3空套在回转轴上，并可绕棘轮轴自由摆动。回棘爪5与棘轮保持经常接触，以防止棘轮反向旋转。 当曲柄做

13、连续回转时，棘轮便做单向的间歇运动。第三节第三节 间歇运动机构间歇运动机构 2棘轮机构的类型及应用 在图4-10中的棘轮只能做单向间歇运动，如果要使棘轮实现双向的间歇运动，可以采用双向式对称棘爪的棘轮机构。 图4-10中的棘轮机构在摇杆摆角一定的条件下，棘轮每次的转角是不变的。为了使棘轮的转角可以调节，可以采用下面两种常用方法： （1）调节摇杆的摆角 将曲柄长度做成可以调节的类型，利用改变曲柄长度实现摇杆摆角的变化，从而调节棘轮的转角。 （2）调节棘轮转角 如图4-12所示，在棘轮上罩上一块带有缺口的棘轮罩。通过改变棘轮罩的位置，从而改变所遮住棘爪行程内棘齿的数量，以达到调节棘轮转角的目的。第

14、三节第三节 间歇运动机构间歇运动机构 图 4-13摩擦式棘轮机构 1棘爪2棘轮3止回棘爪 棘轮机构具有机构简单、转角可调的优点。但棘爪式棘轮机构中的棘轮每次在运动开始和终止时都会和棘爪发生冲击，由此会产生噪声和造成轮齿的磨损，因此棘爪式棘轮机构多用于低速、轻载的场合。而摩擦式棘轮机构是靠摩擦力来传动的，因此工作时无噪声，传动也相对平稳。故传动的准确性和可靠性不如前一种棘轮机构。第三节第三节 间歇运动机构间歇运动机构二、槽轮机构 1槽轮机构的工作原理 槽轮机构也是一种间歇运动机构。如图 4-16所示为单圆销外啮合槽轮机构，它由带有圆销的拨盘1、具有径向槽的槽轮2及机架所组成。 槽轮机构工作时，当

15、拨盘1为主动件，并以等角速度1做逆时针连续回转时，从动件槽轮2可做反方向时转时静的间歇运动。图4-16单圆销外啮合槽轮机构a) 圆销进入径向槽b)圆销脱出径向槽1拨盘2槽轮第三节第三节 间歇运动机构间歇运动机构 2槽轮机构的类型和应用 槽轮机构按啮合情况可以分成外啮合和内啮合两种类型。外啮合时，拨盘与槽轮的转向相反；内啮合时，拨盘与槽轮的转动方向相同。 槽轮机构结构简单，制造容易，工作可靠，机械效率高，能平稳地实现间歇运动且无刚性冲击。但是与棘轮机构不同，槽轮机构的转角无法调节，一旦槽轮上的径向槽数确定之后，槽轮转角也就随之确定。因此槽轮机构一般多在转速要求不高，且角度不需调节的自动机械中用作转位和分度机构。