機(jī)械原理課件（清華大學(xué)）第三章 凸輪機(jī)構(gòu)

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1、機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)第第3 3章章 凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu) 凸輪機(jī)構(gòu)的組成與類型凸輪機(jī)構(gòu)的組成與類型 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì) 凸輪輪廓的設(shè)計(jì)凸輪輪廓的設(shè)計(jì) 凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定 凸輪機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)3.1 3.1 凸輪機(jī)構(gòu)的組成與類型凸輪機(jī)構(gòu)的組成與類型3.1.1 3.1.1 凸輪機(jī)構(gòu)的組成凸輪機(jī)構(gòu)的組成 1 1 凸輪凸輪 2 2 從動(dòng)件從動(dòng)件 3 3 機(jī)架機(jī)架 高副機(jī)構(gòu)機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)3.1.2 3.1.2 凸輪機(jī)構(gòu)的類型凸輪機(jī)構(gòu)的類型1. 1. 按凸輪的形狀分類按凸輪的形

2、狀分類盤形凸輪盤形凸輪：最基本的形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用最為廣泛最基本的形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用最為廣泛移動(dòng)凸輪移動(dòng)凸輪：凸輪相對(duì)機(jī)架做直線運(yùn)動(dòng)：凸輪相對(duì)機(jī)架做直線運(yùn)動(dòng)圓柱凸輪圓柱凸輪：空間凸輪機(jī)構(gòu)：空間凸輪機(jī)構(gòu)盤形凸輪 移動(dòng)凸輪 圓柱凸輪機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)2. 2. 按從動(dòng)件的形狀分類按從動(dòng)件的形狀分類尖端從動(dòng)件曲面從動(dòng)件尖端能以任意復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，從而使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)任意的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但尖端處極易磨損，只適用于低速場(chǎng)合。磨損比尖端從動(dòng)件小。機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu) 滾子從動(dòng)件滾子從動(dòng)件 平底從動(dòng)件平底從動(dòng)件凸輪與從動(dòng)件之間為滾動(dòng)凸輪與從動(dòng)件之間為滾動(dòng)摩擦，因此摩擦磨損較小，

3、摩擦，因此摩擦磨損較小，可用于傳遞較大的動(dòng)力。可用于傳遞較大的動(dòng)力。從動(dòng)件與凸輪之間易形從動(dòng)件與凸輪之間易形成油膜，潤(rùn)滑狀況好，成油膜，潤(rùn)滑狀況好，受力平穩(wěn)，傳動(dòng)效率高，受力平穩(wěn)，傳動(dòng)效率高，常用于高速場(chǎng)合。但與常用于高速場(chǎng)合。但與之相配合的凸輪輪廓須之相配合的凸輪輪廓須全部外凸。全部外凸。機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)3. 3. 按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式分類按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式分類移動(dòng)從動(dòng)件移動(dòng)從動(dòng)件 擺動(dòng)從動(dòng)件擺動(dòng)從動(dòng)件移動(dòng)從動(dòng)件：從動(dòng)件作往復(fù)移動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件作往復(fù)移動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為一段直線；軌跡為一段直線；擺動(dòng)從動(dòng)件：從動(dòng)件作往復(fù)擺動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件作往復(fù)擺動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為一段圓弧。軌跡為一段

4、圓弧。機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)4.4.按凸輪與從動(dòng)件維持高副接觸的方法分類按凸輪與從動(dòng)件維持高副接觸的方法分類(1) (1) 力鎖合力鎖合彈簧力、從動(dòng)件重力或其它外力彈簧力、從動(dòng)件重力或其它外力(2) (2) 型鎖合型鎖合利用高副元素本身的幾何形狀利用高副元素本身的幾何形狀機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)槽凸輪機(jī)構(gòu)槽凸輪機(jī)構(gòu) 槽兩側(cè)面的距離槽兩側(cè)面的距離等于滾子直徑。等于滾子直徑。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：鎖和方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：鎖和方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)缺點(diǎn)：加大了凸輪的尺寸和重量：加大了凸輪的尺寸和重量機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)等寬凸輪機(jī)構(gòu)等寬凸輪機(jī)構(gòu) 凸輪廓線上任意兩條凸輪廓線上任意兩條平行切線間的距

5、離都等于平行切線間的距離都等于框架內(nèi)側(cè)的寬度?？蚣軆?nèi)側(cè)的寬度。缺點(diǎn)：從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇受到一定的限制，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇受到一定的限制，當(dāng)當(dāng)180180范圍內(nèi)的凸輪廓線根據(jù)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定范圍內(nèi)的凸輪廓線根據(jù)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定后，其余后，其余180180內(nèi)的凸輪廓線必須符合等寬原則內(nèi)的凸輪廓線必須符合等寬原則機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)等徑凸輪機(jī)構(gòu)等徑凸輪機(jī)構(gòu) 兩滾子中心間的兩滾子中心間的距離始終保持不變。距離始終保持不變。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇受到一定的限制從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇受到一定的限制機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)主回凸輪機(jī)構(gòu)主回凸輪機(jī)構(gòu)( (共軛凸輪機(jī)構(gòu)共軛

6、凸輪機(jī)構(gòu)) )優(yōu)點(diǎn)：克服了等寬、等徑凸輪的缺點(diǎn)克服了等寬、等徑凸輪的缺點(diǎn)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高 一個(gè)凸輪推動(dòng)從一個(gè)凸輪推動(dòng)從動(dòng)件完成正行程運(yùn)動(dòng)，動(dòng)件完成正行程運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)凸輪推動(dòng)從動(dòng)另一個(gè)凸輪推動(dòng)從動(dòng)件完成反行程的運(yùn)動(dòng)件完成反行程的運(yùn)動(dòng)機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)5. 5. 反凸輪機(jī)構(gòu)反凸輪機(jī)構(gòu)擺桿為主動(dòng)件，凸輪為從動(dòng)件擺桿為主動(dòng)件，凸輪為從動(dòng)件機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)3.1.3 3.1.3 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用例例1 1：實(shí)現(xiàn)變速操縱：實(shí)現(xiàn)變速操縱機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)例例2 2：實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)刀、退刀：實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)刀、退刀機(jī)械原理機(jī)械

7、原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)例例3 3：控制閥門的啟閉：控制閥門的啟閉機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)例例4 4：印刷機(jī)的吸紙吸頭：印刷機(jī)的吸紙吸頭機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)3.2 3.2 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)3.2.1 3.2.1 凸輪機(jī)構(gòu)的工作情況凸輪機(jī)構(gòu)的工作情況機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu) 回程運(yùn)動(dòng)角回程運(yùn)動(dòng)角 近休止角近休止角 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律（從動(dòng)件位移線圖）從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律（從動(dòng)件位移線圖） 基圓基圓以凸輪輪廓的最以凸輪輪廓的最小向徑小向徑r rb b所作的圓所作的圓 升程升程從動(dòng)件上升的最從動(dòng)件上升的最大距離大距離h h 推程運(yùn)動(dòng)角推程運(yùn)動(dòng)角0 0 遠(yuǎn)休止角遠(yuǎn)休止

8、角s s0s機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)3.2.2 3.2.2 從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律1.1.等速運(yùn)動(dòng)等速運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：特點(diǎn)：速度有突變，加速速度有突變，加速度理論上由零至無(wú)窮大，度理論上由零至無(wú)窮大，從而使從動(dòng)件產(chǎn)生巨大的從而使從動(dòng)件產(chǎn)生巨大的慣性力，機(jī)構(gòu)受到強(qiáng)烈沖慣性力，機(jī)構(gòu)受到強(qiáng)烈沖擊擊剛性沖擊剛性沖擊適應(yīng)場(chǎng)合：適應(yīng)場(chǎng)合：低速輕載低速輕載機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)2.2.等加速等減速等加速等減速( (拋物線拋物線) )運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：特點(diǎn)：加速度曲線有突變，加速度曲線有突變，加速度的變化率加速度的變化率(即躍度即躍度j)在這些位置為無(wú)窮大在這些位置為無(wú)窮大柔性沖擊柔性沖

9、擊適應(yīng)場(chǎng)合：適應(yīng)場(chǎng)合：中速輕載中速輕載機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)3.3.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)( (余弦加速度運(yùn)動(dòng)余弦加速度運(yùn)動(dòng)) ) 當(dāng)質(zhì)點(diǎn)在圓周上作勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，它在該圓直徑上的投影所構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng) cos12hs特點(diǎn)：有柔性沖擊適用場(chǎng)合：中速輕載(當(dāng)從動(dòng)件作連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可用于高速)機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)4.4.擺線運(yùn)動(dòng)擺線運(yùn)動(dòng)( (簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介) ) 半徑R=h/2的滾圓沿縱座標(biāo)作純滾動(dòng)，圓上最初位于座標(biāo)原點(diǎn)的點(diǎn)其位移隨時(shí)間變化的規(guī)律擺線運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：無(wú)剛性、柔性沖擊適用場(chǎng)合：適于高速機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)5. 3-4-55. 3-4-5多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)( (簡(jiǎn)介簡(jiǎn)

10、介) ) 54361510hs特點(diǎn)：無(wú)剛性沖擊、柔性沖擊適用場(chǎng)合：高速、中載機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)3.2.3 3.2.3 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇1. 1. 常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律性能比較常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律性能比較機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)2.2.從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇原則從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇原則考慮因素：考慮因素：對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求凸輪的轉(zhuǎn)速（動(dòng)力特性和便于加工）凸輪的轉(zhuǎn)速（動(dòng)力特性和便于加工）3.2.4 3.2.4 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的組合從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的組合1.1.滿足工作對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特殊要求；滿足工作對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特殊要求；2.2.為避免剛性沖擊，位移曲線和速度曲

11、線必須連續(xù)；為避免剛性沖擊，位移曲線和速度曲線必須連續(xù)；而為避免柔性沖擊，加速度曲線也必須連續(xù)。而為避免柔性沖擊，加速度曲線也必須連續(xù)。3. 3. 盡量減小速度和加速度的最大值。盡量減小速度和加速度的最大值。機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)3.3 3.3 凸輪輪廓的設(shè)計(jì)凸輪輪廓的設(shè)計(jì)3.3.1 3.3.1 基本原理（反轉(zhuǎn)法）基本原理（反轉(zhuǎn)法）反轉(zhuǎn)法反轉(zhuǎn)法反轉(zhuǎn)后，從動(dòng)件尖端的運(yùn)動(dòng)軌跡就是凸輪的輪廓曲線。機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)3.3.2 3.3.2 圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓1. 1. 移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪(1)(1)尖底從動(dòng)件尖底從動(dòng)件旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。逆逆時(shí)時(shí)針針，

12、等等角角速速度度偏偏距距為為置置于于凸凸輪輪軸軸心心右右側(cè)側(cè)，曲曲線線，從從動(dòng)動(dòng)件件偏偏，已已知知：基基圓圓半半徑徑)(e-srb 機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)（2 2）滾子從動(dòng)件）滾子從動(dòng)件曲曲線線。，滾滾子子半半徑徑，已已知知： -sr, e,rrb滾子中心將描繪一條與凸輪廓線法向等距的曲線理論廓線。Rb指的是理論廓線的基圓。反轉(zhuǎn)法反轉(zhuǎn)法機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu) 作內(nèi)包絡(luò)線，得到凸輪的實(shí)際廓線； 若同時(shí)作外包絡(luò)線，可形成槽凸輪廓線。機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)（3 3）平底從動(dòng)件）平底從動(dòng)件 取平底從動(dòng)件表面上的點(diǎn)B0作為假想的尖端從動(dòng)件的尖

13、端。機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)包絡(luò)線包絡(luò)線 為了保證在所有位置從動(dòng)件平底都能與凸輪輪廓曲線相切，凸輪廓線必須是外凸的。機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)2. 2. 擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)3.3.3 3.3.3 解析法解析法( (略略) )3.4 3.4 凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定3.4.1 3.4.1 移動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪移動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)(1) 壓力角與許用值壓力角與許用值sincos FFFFF1max1 ftgfFF即：自鎖80)(45)(30回程：擺動(dòng)，移動(dòng)推程：機(jī)械原理機(jī)械原理凸

14、輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)(2) 凸凸輪基圓半徑的確定輪基圓半徑的確定 基圓半徑越大，壓基圓半徑越大，壓力角越小，但結(jié)構(gòu)尺寸力角越小，但結(jié)構(gòu)尺寸較大較大22berseddstg 機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)(3) 從從動(dòng)件偏置方向的選擇動(dòng)件偏置方向的選擇22berseddstg 凸輪逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，從動(dòng)件右偏置凸輪順時(shí)針回轉(zhuǎn)，從動(dòng)件左偏置機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)(4)凸輪輪廓形狀與滾子半徑的關(guān)系凸輪輪廓形狀與滾子半徑的關(guān)系 外凸凸輪廓線外凸凸輪廓線0rr0minmin0min 機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu) 0rr0minmin0min實(shí)際廓線出現(xiàn)尖點(diǎn)機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu) 0rr0m

15、inmin0min實(shí)際廓線出現(xiàn)交叉，從動(dòng)件不能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)失真機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu) 內(nèi)凹凸輪廓線內(nèi)凹凸輪廓線 無(wú)論滾子半徑多大，總能由理論輪廓求出實(shí)際輪廓。機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)失真運(yùn)動(dòng)失真原因：原因：避免方法：避免方法： 滾子半徑的選擇滾子半徑的選擇考慮結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度與運(yùn)動(dòng)規(guī)律等因素考慮結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度與運(yùn)動(dòng)規(guī)律等因素rmin0min0min0大大)8 . 0(減小滾子半徑brrr機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)3.4.2 3.4.2 移動(dòng)平底從動(dòng)件盤形凸輪移動(dòng)平底從動(dòng)件盤形凸輪 凸輪出現(xiàn)過(guò)度切割的現(xiàn)象，從動(dòng)件無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。原因？機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)減小升程h增大基圓rb增大偏心e機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)失真運(yùn)動(dòng)失真 基圓半徑的確定基圓半徑的確定 避免運(yùn)動(dòng)失真避免運(yùn)動(dòng)失真基圓半徑過(guò)小基圓半徑過(guò)小從動(dòng)件升程過(guò)大從動(dòng)件升程過(guò)大機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu) 從動(dòng)件偏置方向的選擇從動(dòng)件偏置方向的選擇 從動(dòng)件偏置并不影響凸輪廓線的形狀，選擇偏置的主要目的是為了減小從動(dòng)件在推程階段所受的彎曲應(yīng)力。機(jī)械原理機(jī)械原理凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu) 平地寬度的確定平地寬度的確定3.5 3.5 凸輪機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)( (略略) )