凸轮机构及其他常用机构

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1、第第4 4章章 凸轮机构凸轮机构4.1 凸轮机构的类型及应用4.2 凸轮机构的从动件常用运动规律 4.3 盘形凸轮的设计方法4.4 凸轮机构设计中应注意的几个问题 4.5 凸轮机构的常用材料和结构本章知识导读本章知识导读 1.1.主要内容主要内容 凸轮机构的类型、特点和适用场合，从动件常见运动规律及位移曲线的绘制，凸轮机构的设计计算，凸轮机构的常用材料及结构。 2.2.重点、难点的提示重点、难点的提示 本章的重点是从动件的常用运动规律，尖顶、滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计等问题。难点是利用解析法设计凸轮的轮廓。4.1 4.1 凸轮机构的类型及应用凸轮机构的类型及应用 凸轮机凸轮机构广泛应用构

2、广泛应用在各种机械在各种机械和自动控制和自动控制装置中。装置中。 内燃机配气机构内燃机配气机构11凸轮凸轮22气阀杆气阀杆33机架机架4.1.1 4.1.1 凸轮机构的应用和组成凸轮机构的应用和组成4.1.1 4.1.1 凸轮机构的应用和组成凸轮机构的应用和组成冲床送料机构冲床送料机构 1 1凸轮凸轮 2 2送料杆送料杆 3 3机架机架 绕线机的凸轮机构绕线机的凸轮机构11凸轮凸轮 2 2布线杆布线杆 3 3绕线轴绕线轴4.1.1 4.1.1 凸轮机构的应用和组成凸轮机构的应用和组成 综上所述，凸轮机构由凸轮、从动件和机综上所述，凸轮机构由凸轮、从动件和机架组成。架组成。 凸轮是具有变化向径或

3、曲线轮廓的构件，凸轮与从动件通过高副连接，故凸轮机构属于高副机构。凸轮机构的主要作用是将主动凸轮的连续转动或移动转化为从动件的往复移动或摆动。 凸轮机构特点凸轮机构特点 凸轮机构结构简单、紧凑，设计方便，只需设计适当的凸轮轮廓，便可以使从动件实现预期运动规律。缺点是凸轮轮廓与从动件之间是点或线接触，易磨损，通常用于传力不大的控制机械中。 例如，自动机床进刀机构、上料机构，内燃机配气机构，印刷机、纺织机和各种电气开关中的凸轮机构等。 4.1.2 4.1.2 凸轮机构的分类凸轮机构的分类 (1)盘形凸轮 具有变化向径的盘状构件称为盘形凸轮。它是凸轮的基本形式。常用凸轮机构可按下列方法分类常用凸轮机

4、构可按下列方法分类: :1.1.按凸轮形状分类按凸轮形状分类4.1.2 4.1.2 凸轮机构的分类凸轮机构的分类 (2)(2)移动凸轮移动凸轮 做移动的平面凸轮。可看作做移动的平面凸轮。可看作是当转动中心在无穷远处时盘形凸轮的演化是当转动中心在无穷远处时盘形凸轮的演化形式。形式。4.1.2 4.1.2 凸轮机构的分类凸轮机构的分类 (3)(3)圆柱凸轮圆柱凸轮 圆柱体的表面上具圆柱体的表面上具有曲线凹槽或端面有曲线凹槽或端面上具有曲线轮廓，上具有曲线轮廓，称为圆柱凸轮。属称为圆柱凸轮。属于空间凸轮机构。于空间凸轮机构。 圆柱凸轮机构（进刀机构）圆柱凸轮机构（进刀机构）4.1.2 4.1.2 凸

5、轮机构的分类凸轮机构的分类2.2.按从动件的端部结构分类按从动件的端部结构分类 从动件端部以尖顶与凸轮轮廓接触，这种从动件结构最简单，尖顶能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触。 从动件的端部结构形式从动件的端部结构形式 (1)(1)尖顶从动件尖顶从动件4.1.2 4.1.2 凸轮机构的分类凸轮机构的分类(2)(2)滚子从动件滚子从动件(3)(3)平底从动件平底从动件 从动件端部装有可以自由转动的滚子，滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，借以减小与凸轮轮廓接触表面的磨损。 从动件的端部是一平底，这种从动件与凸轮轮廓接触处在一定条件下易形成油膜，利于润滑，能传动较大的作用力。 4.1.2 4.1.2 凸轮机构

6、的分类凸轮机构的分类 3. 3.按从动件的运动方式分类按从动件的运动方式分类 (1)(1)移动从动件，从动件做往复直线移动。移动从动件，从动件做往复直线移动。 (2) (2)摆动从动件，从动件做往复摆动。摆动从动件，从动件做往复摆动。 4.4.按锁合方式分类按锁合方式分类 使从动件与凸轮轮廓始终保持接触的特性称为锁合。 (1)(1)力锁合力锁合 利用重力、弹簧力或其他力锁合。利用重力、弹簧力或其他力锁合。凸轮机构利用弹簧力锁合。凸轮机构利用弹簧力锁合。 (2) (2)形锁合形锁合 利用凸轮和从动件的特殊几何形状利用凸轮和从动件的特殊几何形状锁合。锁合。4.2 4.2 凸轮机构的从动件凸轮机构的

7、从动件 常用运动规律常用运动规律 在凸轮机构中，从动件的运动规律取决于凸在凸轮机构中，从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线的形状。结合凸轮轮廓，分析从动件轮轮廓曲线的形状。结合凸轮轮廓，分析从动件的位移、速度、加速度的运动规律，称为凸轮机的位移、速度、加速度的运动规律，称为凸轮机构的运动分析。构的运动分析。4.2.1 4.2.1 凸轮机构运动分析的基本概念凸轮机构运动分析的基本概念 升升停停降降停运动过程是停运动过程是凸轮机构典型的凸轮机构典型的运动过程。运动过程。4.2.1 4.2.1 凸轮机构运动分析的基本概念凸轮机构运动分析的基本概念 综上所述，从动件的运动取决于凸轮轮廓曲线的形状，即凸轮

8、轮廓决定了从动件的运动规律。 因此，设计凸轮轮廓曲线时，首先根据工作要求选定从动件的运动规律，然后再按从动件的位移曲线设计出相应的凸轮轮廓曲线。4.2.2 4.2.2 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律 1.1.等速运动规律等速运动规律 从动件在运动过程中，运动速度为定值的运动规律，称为等速运动规律。当凸轮以等角速度1转动时，从动件在推程或回程中的速度为常数。 凸轮转角与时间t的关系为=1t。 推程时，从动件位移s与时间t的关系为s=vt。 等速运动规律的位移、等速运动规律的位移、 速度、加速度线图速度、加速度线图 4.2.2 4.2.2 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律2.2.

9、等加速等减速运动规律等加速等减速运动规律 从动件在运动过程的前半程做等加速运动，后半程做等减速运动，两部分加速度的绝对值相等，这种运动规律称为等加速等减速运动规律。等加速等减速运动规律的等加速等减速运动规律的位移、速度、加速度线图位移、速度、加速度线图4.2.2 4.2.2 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律3.3.简谐运动规律简谐运动规律 质点在圆周上做等速运动时，它在这个圆的直径上的投影所构成的运动称为简谐运动。简谐运动规律的位移简谐运动规律的位移速度、加速度线图速度、加速度线图4.3 4.3 盘形凸轮的设计方法盘形凸轮的设计方法 根据工作条件要求，确定从动件的运动规律，选定凸轮的转

10、动方向、基圆半径等，进而可以对凸轮轮廓曲线进行设计。 凸轮轮廓曲线的设计方法有图解法和解析法。图解法简便易行、直观，但精度较低，可用于设计一般精度要求的凸轮机构。解析法精度高，但计算量大，多用于设计精度要求较高的凸轮机构。4.3.1 4.3.1 图解法设计盘形凸轮轮廓曲线图解法设计盘形凸轮轮廓曲线 利用与凸利用与凸轮转向相反的轮转向相反的方向逐点按位方向逐点按位移曲线绘制出移曲线绘制出凸轮轮廓曲线凸轮轮廓曲线的方法称为反的方法称为反转法。转法。 反转法原理反转法原理4.3.1 4.3.1 图解法设计盘形凸轮轮廓曲线图解法设计盘形凸轮轮廓曲线1.1.对心尖顶直动从动件盘形凸轮对心尖顶直动从动件盘

11、形凸轮2.2.对心直动滚子从动件盘形凸轮对心直动滚子从动件盘形凸轮实际轮廓实际轮廓理论轮廓理论轮廓 4.3.1 4.3.1 图解法设计盘形凸轮轮廓曲线图解法设计盘形凸轮轮廓曲线3.3.对心平底直动从动件盘形凸轮对心平底直动从动件盘形凸轮4.3.1 4.3.1 图解法设计盘形凸轮轮廓曲线图解法设计盘形凸轮轮廓曲线4.4 4.4 凸轮机构设计中应注意的凸轮机构设计中应注意的 几个问题几个问题 设计滚子从动件时若从强度和耐用性考虑，滚子的半径应取大些。滚子半径取大时，对凸轮的实际轮廓曲线影响很大，有时甚至使从动件不能完成预期的运动规律。4.4.1 4.4.1 滚子半径的选择滚子半径的选择滚子半径的选

12、择滚子半径的选择4.4.1 4.4.1 滚子半径的选择滚子半径的选择1.1.凸轮理论轮廓的内凹部分凸轮理论轮廓的内凹部分 由图(a)可得 a=min+rT 实际轮廓曲线曲率半径总大于理论轮廓曲线曲率半径。因此，不论选择多大的滚子，都能作出实际轮廓曲线。 由图(b)图(d)可得 a=min-rT4.4.1 4.4.1 滚子半径的选择滚子半径的选择 当minrT时，则有a0，实际轮廓曲线为一平滑的曲线。这种情况属于正常。 当min=rT时，则有a=0，凸轮实际轮廓曲线出现了尖点。 当minrT时，则有a35mm。理论轮廓曲线最小理论轮廓曲线最小曲率半径的求法曲率半径的求法 4.4.2 4.4.2

13、压力角的校核压力角的校核 凸轮加给从动件凸轮加给从动件的作用力的作用力F F沿凸轮轮沿凸轮轮廓的法线廓的法线n n- -n n方向传方向传递。从动件上受到递。从动件上受到的力的力F F的方向与该力的方向与该力作用点的线速度作用点的线速度v v的的方向之间所夹锐角方向之间所夹锐角称为凸轮机构在称为凸轮机构在该位置的压力角。该位置的压力角。 1.1.压力角与作用力的关系压力角与作用力的关系凸轮机构压力角凸轮机构压力角 4.4.3 4.4.3 基圆半径的确定基圆半径的确定 基圆半径一般可根据经验公式选择 即 r0ds+（79）mm 依据选定的r0设计出凸轮轮廓后，应进行压力角的检验，若发现max，则

14、应适当增大凸轮基圆半径，重新设计。4.5 4.5 凸轮机构的常用材料和结构凸轮机构的常用材料和结构 凸轮机构主要的失效形式是磨损和疲劳点蚀，这就要求凸轮和滚子的工作表面硬度高、耐磨并且有足够的表面接触强度。 低速、中小载荷的一般场合，凸轮采用45钢、40Cr表面淬火(硬度4050HRC)，亦可采用15钢、20Cr、20CrMnTi经渗碳淬火，硬度达5662HRC。 滚子材料可采用20Cr，经渗碳淬火，表面硬度达5662HRC。也可用滚动轴承作为滚子。4.5.1 4.5.1 凸轮常用材料凸轮常用材料4.5.2 4.5.2 凸轮的结构凸轮的结构1.1.凸轮轴凸轮轴2.2.整体式整体式4.5.2 4

15、.5.2 凸轮的结构凸轮的结构3.3.镶块式镶块式 4.4.组合式组合式 4.5.2 4.5.2 凸轮的结构凸轮的结构 除采用键联接将凸轮固定在轴上外，也可以除采用键联接将凸轮固定在轴上外，也可以采用紧定螺钉和锥面固定。采用紧定螺钉和锥面固定。 4.6 4.6 其他常用结构其他常用结构n4.6.1 棘轮机构工作原理：工作原理：棘轮机构主要由棘轮棘轮机构主要由棘轮2 2、棘爪棘爪3 3和机架和机架4 4三个基三个基本构件组成。本构件组成。图4-24 棘轮机构卷扬机提升机构卷扬机提升机构自行车飞轮自行车飞轮4.6.1 4.6.1 棘轮机构棘轮机构应用实例：应用实例：1.1.工作原理工作原理槽轮机构由具有径向槽的槽轮、槽轮机构由具有径向槽的槽轮、带有圆柱销带有圆柱销A A的拨盘和机架三个的拨盘和机架三个基本构件组成。基本构件组成。2.2.特点和应用特点和应用槽轮机构的结构简单，工作可靠，在进入和退出啮槽轮机构的结构简单，工作可靠，在进入和退出啮合时，槽轮的运动要比棘轮平稳，但由于槽轮每次合时，槽轮的运动要比棘轮平稳，但由于槽轮每次转过的角度与槽数有关，若想改变其转角大小，必转过的角度与槽数有关，若想改变其转角大小，必须更换具有相应槽数的槽轮，使用不方便。须更换具有相应槽数的槽轮，使用不方便。图4-27 槽轮机构4.6.2 4.6.2 槽轮机构槽轮机构