机械设计基础3.ppt
3凸轮机构,3.1 凸轮机构的应用和类型,3.3 凸轮机构的压力角,3.2 从动件的常用运动规律,3.4 图解法设计凸轮轮轮廓,3.5解析法设计凸轮轮轮廓,凸轮机构是一种由凸轮、从动件和机架所组成的传动机构。,3.1 凸轮机构的应用和类型,凸轮机构能实现预期的运动规律，在自动化和半自动化机械中应用非常广泛。内燃机的配气用的是凸轮机构，当凸轮转动时，移动从动件2作间歇的上下运动，从而实现气门在规定的时间的开启与闭合。,一、凸轮机构的应用,一、凸轮机构的类型1按凸轮的形状分(1)盘形凸轮 是一个绕固定轴线转动并且具有变化半径的盘形零件。(2)移动凸轮 当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架作直线运动。(3)圆柱凸轮 将移动凸轮卷成圆柱体即成为圆柱凸轮。,在对开印刷机中的应用,在胶印机中的应用,在内燃机中的应用,圆柱凸轮的应用,2、按照从动件形状分:(1)尖顶从动件 尖顶能与复杂的凸轮轮廓保持接触，能实现任意预期的运动规律。但尖顶与凸轮是点接触，磨损快，只宜用于受力不大的低速凸轮机构。(2)滚子从动件 为了克服尖顶从动件的缺点，在从动件的尖顶处安装一个滚子，即成为滚子从动件。滚子和凸轮轮廓之间为滚动摩擦，耐磨损，可承受较大载荷。,(3)平底从动件 这种从动件与凸轮轮廓表面接触的端面为一平面。显然不能与凹陷的凸轮轮廓相接触。这种从动件的优点是：当不考虑摩擦时，凸轮与从动件之间的作用力始终与从动件的平底相垂直，压力角始终为零，传动效率较高，且接触面间易形成油膜，利于润滑，故常高速凸轮机构。以上三种从动件都可以相对机架作往复直线运动或摆动。,对心移动盘形凸轮机构,偏心移动盘形凸轮机构,摆动盘形凸轮机构,移动凸轮机构,圆柱凸轮机构,3.1.2 凸轮机构的类型,(a)平面图,(1)偏置直动尖底从动件盘形凸轮机构,(b)三维图,图3.1.2F2偏置直动尖底从动件盘形凸轮机构,二维动画,(2)摆动滚子从动件盘形凸轮机构,图3.1.2F6摆动滚子从动件盘形凸轮机构,三维动画,(3)摆动平底从动件盘形凸轮机构,图3.1.2F7摆动平底从动件盘形凸轮机构,弹簧力,利用弹簧力或凸轮上的凹槽来使凸轮与从动件始终保触。,等宽凸轮机构,凹槽,三种特殊的凸轮机构,等径凸轮机构,共轭凸轮机构,凸轮机构的优点为：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到所需的复杂的运动规律，并且结构简单、紧凑，设计方便，在自动化和半自动化机械中应用非常广泛。它的缺点是凸轮轮廓与从动件之间为点接触或线接触，易磨损，所以通常多用于传力不大的控制机构。,3.2 从动件的常用运动规律,图3.5对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构,r0,0,01,0,02,A,D,C,B,1,B,O,t,S,3.2.1 凸轮机构的名词术语,0称为推程运动角。01称为远休止角。0称为回程运动角。02称为近休止角。,3.2.1 凸轮机构的名词术语,图3.5对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构,r0,0,01,0,02,A,D,C,B,1,B,O,t,S,推程或回程时，从动件的位移 S(或角位移)、速度V(或角速度2)、加速度a(或角加速度2)随时间t的变化规律由设计任务规定。,S=S()=S(t)(位移规律)V=V()=V(t)(速度规律)a=a()=a(t)(加速度规律),(1)多项式运动（等速运动、等加速等减速等）规律的一般表达式为,下面介绍多项式运动规律、三角函数运动规律的函数形式以及传动特征。,(2)余弦加速度运动（简谐运动）规律为,(3)正弦加速度运动规律为,3.2.2 从动件的常用运动规律,重点：如何根据从动件的运动规律（2 与1 函数 关系）作运动线图有几种？特点？,等速运动、等加速等减速、简谐运动、正弦加速度运动,等速运动 1.分析:图3-6,凸轮作等速运动从动件也作等速运动V2=C,启动瞬间:终止瞬间:,刚性冲击,a 由0,速度由V20,a 由0,速度由0 V2,V2,推程：S=h/0,回程：S=h(1/0),速度 V=h/0,速度 V=h/0,加速度 a=0,加速度 a=0 开始终止点加速度无穷大，称刚性冲击,图 等速运动运动曲线,10mm,2.作运动线图:推程运动时间,在启动与终止段用其它运动规律过渡 适于低速、轻载、从动杆质量不大，有匀速要求。,h,例：已知从动件作等速运动,20mm，t120,S40,h120,s80,作运动线图。,取作图比例l,二、等加速等减速 p.41 图3-7,每一行程（推程或回程）的前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动,a有有限值的突变无速度突变，无刚性冲击,柔性冲击中低速凸轮机构,推程:前半行程等加速 后半行程等减速,回程:前半行程等加速 后半行程等减速,从动件位移函数关系：(V0=0,等加速等减速),位移1:4:9,推程前半行程取=3,1,4,9,推程后半段等减速(取=3)对应的2X为9:4:1,当时间为 1:2:3:4位移为 1:4:9:16,V0=0,等加速等减速,作图:(推程)前半行程(h/2)等加速后半行程(h/2)等减速,将每半行程时 间分为(4)份,位 1:4:9:16 移 16:9:4:1,S=2h220,S=h(122/2 0),V=4h/20,V=4 h/20,a=4h 2/20,，02,，02,S=h 12(0)2/20,0/2,0,S=2 h(0)2/20,0/2,0,，02,，02,V=4h(0)/20,V=4h(0)/20,a=-4h 2/20,a=-4h 2/20,a=4h 2/20,推程,回程,(2)二次多项式运动规律,图3.2.2F2 二次多项式运动曲线,(2)二次多项式运动规律,开始终止点加速度为有限值，称柔性冲击,(3)余弦加速度运动(简谐运动)规律,图3.2.2F4 简谐运动规律曲线,开始终止点加速度为有限值，称柔性冲击,组合运动 运动线图是由等速和正弦加速度两种运动规律组合。既使从动件大部分行程保持匀速运动，又能避免起始和终止阶段产生冲击。,3.3凸轮机构的压力角,压力角是作用在从动件上的驱动力与该力作用点绝对速度之间所夹的锐角。在不计摩擦时，高副中沿法线的作用力方向（轮廓法线）与从动件速度方向所夹的锐角。在设计凸轮机构时，除了要求从动件能实现预期运动规律之外，还要求受力好和小的尺寸，为此，需要讨论压力角对机构的受力及尺寸的影响。,一、压力角与作用力的关系,从动件是在弹簧或重力作用下返回的，回程不会出现自锁，只需校核推程压力角。,二、压力角与凸轮机构尺寸的关系,由三心定理求瞬心并推导直动从动件盘形凸轮机构的压力角计算公式为,基圆r0越小，压力角越大。基圆半径过小，压力角就会超过许用值。因此，实际设计中应在保证凸轮轮廓的最大压力角不超过许用值的前提下，考虑缩小凸轮的尺寸。下面讨论公式中号的问题,偏距e为从动件导路偏离凸轮回转轴心的距离。当导路和瞬心P在轴心的同侧时，式中取“一”号，可使压力角减小；反之，当导路和瞬心P在轴心的异侧时，取“+”号，压力角将增大。为了减小推程压力角，应将导路向推程相对速度瞬心的同侧偏置。但须注意，用导路偏置法虽可使推程压力角减小，但同时却使回程压力角增大，所以偏距e不宜过大。,偏距对压力角的影响,3.4图解法设计凸轮轮廓,图解法设计凸轮轮廓的原理是使用“反转法”。,一、直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制,二.直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制三.摆动从动件盘形凸轮轮廓的绘制四.设计凸轮注意事项,3-4 图解法设计凸轮轮廓 p.44,相对运动原理（解析法、作图法）,反转法：给整个机构加-运动凸轮不动，机架反转，推杆作复合运动,一.设计方法的原理,按给定从动件运动规律设计凸轮轮廓,二、摆动从动件盘形 凸轮轮廓线绘制,四.设计凸轮注意事项P.46,r 0,要求 r 0,r：滚子半径;0：理论轮廓的曲率半径；：实际轮廓的曲率半径。=0-r,r=r0-r,变尖,失真,r 过小滚子及滚子销的强度会不够,一般:r=0.10.5rmin,且 r 0.8 r0min并使rmin 15 mm,r 过大凸轮工作廓线变尖或失真,1.合理选择滚子的半径,基圆半径,2.合理选用基圆半径,消除运动失真,消除运动失真：减小滚子半径或加大基圆半径,图3.6F04滚子的结构型式,滚子的结构设计,
