《凸輪機(jī)構(gòu)》PPT課件.ppt

5.1 概述 5.2 常用從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 5.3 盤形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)方法與加工方法 5.4 凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定,第5章 凸輪機(jī)構(gòu),5.1 概述,凸輪機(jī)構(gòu)由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架三部分組成。,凸輪是一種具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，他通過(guò)與從動(dòng)件的高副接觸，在運(yùn)動(dòng)時(shí)可以使從動(dòng)件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期運(yùn)動(dòng)。,凸輪機(jī)構(gòu)是高副機(jī)構(gòu)，易于磨損，因此只適用于傳遞動(dòng)力不大的場(chǎng)合。,凸輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是： 只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲線，就可以使從動(dòng)件得到各種預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，運(yùn)動(dòng)可靠。 凸輪結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是： 由于凸輪輪廓與從動(dòng)件之間為點(diǎn)接觸或線接觸，故壓強(qiáng)較大，容易磨損，而且凸輪輪廓曲線的加工比較困難。,5.1 概述,示例一,5.1.1 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用,內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu),示例二,5.1 概述,靠模車削機(jī)構(gòu),5.1 概述,示例三,分度轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu),5.1 概述,5.1.2 凸輪機(jī)構(gòu)的分類,按照凸輪的形狀不同可把凸輪分為以下幾種：,盤形凸輪,移動(dòng)凸輪,圓柱凸輪,曲面凸輪,按照凸輪的鎖合方式可把凸輪分為以下幾種：,力鎖合,形鎖合,按照從動(dòng)件的結(jié)構(gòu)型式分： 尖頂從動(dòng)件,滾子從動(dòng)件,平底從動(dòng)件,5.1 概述,5.1.3 凸輪和滾子的材料,凸輪的主要失效形式為磨損和疲勞點(diǎn)蝕。,對(duì)凸輪和滾子的材料要求：,工作表面硬度高 耐磨 有足夠的表面接觸強(qiáng)度 凸輪芯部有較強(qiáng)的韌性,常用的凸輪材料： 40Cr、 20Cr、 40CrMnTi,常用的滾子材料： 20Cr或者滾動(dòng)軸承,從動(dòng)件的位移、速度和加速度的變化規(guī)律，全面地反映了從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)特性及其變化的規(guī)律性，稱為從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 凸輪的輪廓形狀決定了從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。反之，從動(dòng)桿不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，要求凸輪具有不同形狀的輪廓曲線。 所以在設(shè)計(jì)凸輪時(shí)，重要的問(wèn)題之一，就是根據(jù)工作要求和條件選擇從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。下面簡(jiǎn)單地討論一下從動(dòng)桿常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其選擇。,5.2 常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律,5.2.1 平面凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸和運(yùn)動(dòng)規(guī)律,一、凸輪機(jī)構(gòu)的基本參數(shù),圖示為一對(duì)心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)。 基本概念： 基 圓：以凸輪回轉(zhuǎn)中心O1為圓心，以凸輪輪廓的最小向徑r0為半徑所作的圓稱為基圓，基圓半徑用r0表示。,5.2 常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律,推程：尖頂與凸輪輪廓上的A點(diǎn)（基圓與輪廓AB的連接點(diǎn)）相接觸，該點(diǎn)為從動(dòng)件上升的起點(diǎn)。當(dāng)凸輪以等角速度沿逆時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)角時(shí)，從動(dòng)件被凸輪輪廓推動(dòng)，以一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律由離O1點(diǎn)最近位置A上升到最遠(yuǎn)位置B點(diǎn)，此過(guò)程稱為推程。,5.2 常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律,推程運(yùn)動(dòng)角：從動(dòng)件被凸輪推動(dòng)，以一定運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從最近位置到達(dá)最遠(yuǎn)位置，從動(dòng)件在這過(guò)程中經(jīng)過(guò)的距離h稱為升程，對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角稱為推程運(yùn)動(dòng)角。 遠(yuǎn)休止角：當(dāng)凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn)s時(shí)，以O(shè)1為中心的圓弧BC與尖頂相作用，從動(dòng)件在最遠(yuǎn)位置B點(diǎn)停留不動(dòng)。此時(shí)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)的這個(gè)角度S，稱為遠(yuǎn)休止角。,5.2 常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律,回程運(yùn)動(dòng)角： 凸輪再繼續(xù)回轉(zhuǎn)角，從動(dòng)件在彈力或重力作用下，以一定運(yùn)動(dòng)規(guī)律從最遠(yuǎn)位置回到起點(diǎn)，這段行程稱為回程，對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角稱為回程運(yùn)動(dòng)角。 近休止角：當(dāng)凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn)s時(shí)，從動(dòng)件在最低位置停留不動(dòng)。此時(shí)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度s 稱為近休止角。 凸輪連續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)件重復(fù)上述過(guò)程。,5.2 常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律,5.2 常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律,5.2.1 平面凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸和運(yùn)動(dòng)參數(shù),圖為對(duì)心尖頂從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪回轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)件重復(fù)升停降停的運(yùn)動(dòng)循環(huán)。,從動(dòng)件的位移s與凸輪轉(zhuǎn)角a的關(guān)系可以用從動(dòng)件的位移線圖來(lái)表示，如右圖所示。,從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是指從動(dòng)件的位移s、速度v和加速度a的變化規(guī)律。 從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于凸輪輪廓的曲線形狀。,尖頂對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu),5.2 常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,5.2 常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律,5.2.2 常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律,運(yùn)動(dòng)特性：由于速度為一常數(shù)，所以從動(dòng)件的速度線圖為一平行于橫軸的直線，慣性力等于零。但在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始，由于速度突變，此時(shí)理論上的加速度值為+和-（由于材料的彈性等因素的存在，實(shí)際上并不能達(dá)到無(wú)窮大）。由牛頓第二定律可知：從動(dòng)件所受慣性力F=ma（其中m為從動(dòng)件的質(zhì)量）。理論上無(wú)窮大的慣性力F致使凸輪受到很大的沖擊，即剛性沖擊(俗稱硬沖），故等速運(yùn)動(dòng)只適用于小功率、低速及從動(dòng)件質(zhì)量不大的場(chǎng)合。, 等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,注:等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律是一種基本的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律在推程的起點(diǎn)和終點(diǎn)的剛性沖擊，通常可用具有過(guò)渡曲線的改進(jìn)型的等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如圖所示，對(duì)位移曲線進(jìn)行修改。運(yùn)動(dòng)規(guī)律經(jīng)過(guò)這樣的改進(jìn)后，在BC段內(nèi)，速度均勻不變，在AB、CD段內(nèi)，速度是個(gè)漸變過(guò)程，但在A、B、C、D點(diǎn)的加速度是個(gè)有限數(shù)值，所以沖擊要小得多。, 等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 等加速-等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,等加速運(yùn)動(dòng)方程,等減速運(yùn)動(dòng)方程,運(yùn)動(dòng)特性：當(dāng)采用等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，在起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)，加速度有突變，因而推桿的慣性力也將有突變，不過(guò)這一突變?yōu)橛邢拗?，所以，凸輪機(jī)構(gòu)中由此而引起的沖擊稱為柔性沖擊。 適用場(chǎng)合：中速、輕載的凸輪機(jī)構(gòu)。, 等加速-等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 余弦加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,運(yùn)動(dòng)特性及應(yīng)用：按這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程，速度和加速度都是連續(xù)的，但在始、末兩點(diǎn)加速度有有限突變，故也有柔性沖擊。 故一般只適用于中速、中載場(chǎng)合。, 余弦加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 正弦加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,運(yùn)動(dòng)特性及應(yīng)用：按這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程，從動(dòng)件無(wú)速度和加速度的突變，因此不產(chǎn)生沖擊。 故可用于高速場(chǎng)合。, 正弦加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,5.2.3 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇,5.2 常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律,在選擇從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)器工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)要求來(lái)確定。,對(duì)無(wú)一定運(yùn)動(dòng)要求，只需要從動(dòng)件有一定位移量的凸輪機(jī)構(gòu)。,對(duì)于高速機(jī)構(gòu)，應(yīng)減小慣性力、改善動(dòng)力性能，可選用正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律或其他改進(jìn)型的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。,根據(jù)工作要求合理地選擇了從動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律之后，可以按照所允許的空間和具體要求，初步確定凸輪的基圓半徑，然后設(shè)計(jì)凸輪的輪廓。凸輪的輪廓曲線設(shè)計(jì)方法一般有兩種：圖解法（作圖法）和解析法。 圖解法直觀簡(jiǎn)單、可直接得出凸輪的輪廓；但是精度低，有一定的誤差，但是能夠滿足一般工程的需要，采用較多。 解析法一般用于精密或高速凸輪機(jī)構(gòu)中。 “反轉(zhuǎn)法”：當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)，凸輪是運(yùn)動(dòng)的，而繪制凸輪輪廓時(shí)，卻需凸輪與圖紙相對(duì)靜止。所以用圖解法繪制凸輪輪廓曲線要利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理。,5.3 盤形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)方法與加工方法,5.3 盤形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)方法與加工方法,5.3.1 反轉(zhuǎn)法原理,條件：凸輪加角速度w,從動(dòng)件與導(dǎo)路繞角速度-w (大小相等、方向相反)繞凸輪轉(zhuǎn)動(dòng),凸輪靜止不動(dòng),從動(dòng)件尖頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡就是凸輪輪廓曲線,從動(dòng)件相對(duì)導(dǎo)路移動(dòng),對(duì)于滾子從動(dòng)件，則滾子中心可看作是從動(dòng)件的尖頂，其運(yùn)動(dòng)軌跡就是凸輪的理論輪廓曲線，凸輪的實(shí)際輪廓曲線是與理論輪廓曲線相距滾子半徑rT的一條等距曲線。,A,對(duì)心直動(dòng)尖頂推桿凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑r0，角速度和推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。,設(shè)計(jì)步驟小結(jié)：,選比例尺l作基圓r0。,反向等分各運(yùn)動(dòng)角。原則是：陡密緩疏。,確定反轉(zhuǎn)后，從動(dòng)件尖頂在各等分點(diǎn)的位置。,將各尖頂點(diǎn)連接成一條光滑曲線。,1)對(duì)心直動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪,對(duì)心直動(dòng)滾子推桿凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑r0，角速度和推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。,作各位置滾子圓的內(nèi)(外)包絡(luò)線(中心軌跡的等距曲線)。,2)對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪,理論輪廓,實(shí)際輪廓,對(duì)心直動(dòng)平底推桿凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑r0，角速度和推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。,作平底直線族的內(nèi)包絡(luò)線。,3)對(duì)心直動(dòng)平底推桿盤形凸輪,偏置直動(dòng)尖頂推桿凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑r0，角速度和推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和偏心距e，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。,4)偏置直動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪,擺動(dòng)尖頂推桿凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑r0，角速度，擺動(dòng)推桿長(zhǎng)度l以及擺桿回轉(zhuǎn)中心與凸輪回轉(zhuǎn)中心的距離d，擺桿角位移方程，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。,5)擺動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu),5.3 盤形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)方法與加工方法,5.3.4 凸輪輪廓的加工,凸輪輪廓的加工方法通常有兩種,1.銑、銼削加工,對(duì)用于低速、輕載場(chǎng)合的凸輪，可以應(yīng)用反轉(zhuǎn)法原理在未淬火凸輪輪坯上通過(guò)作圖法繪制輪廓曲線，采用銑床或用手工銼削辦法加工而成。必要時(shí)可進(jìn)行淬火處理，但用這種方法則凸輪的變形難以得到修正。,2.數(shù)控加工,采用數(shù)控線切割機(jī)床對(duì)淬火凸輪進(jìn)行加工，這是目前最常用的一種凸輪加工方法。加工時(shí)應(yīng)用解析法，求出凸輪輪廓曲線的x,y坐標(biāo)，并將xOy坐標(biāo)系的原點(diǎn)換算成切割時(shí)的起點(diǎn)，而滾子半徑相當(dāng)于鉬絲半徑再加上放電間隙。,5.4 凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定,5.4.1 凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角,從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)方向和凸輪作用于它的法向力Fn方向之間所夾的角a稱為壓力角。,由上述關(guān)系式知，壓力角a愈大，有效分力y愈小，有害分力x愈大。當(dāng)a角大到某一數(shù)值時(shí)，必將會(huì)出現(xiàn)Fy<Fx的情況。這時(shí)，不論施加多大的Fn力，都不能使從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為自鎖。因此，為了保證凸輪機(jī)構(gòu)的正常工作，必須對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角進(jìn)行限制。,推薦壓力角數(shù)值,移動(dòng)從動(dòng)件a=30,擺動(dòng)從動(dòng)件a=45,回程中，一般不會(huì)有自鎖現(xiàn)象，壓力角取值為,a=7080,5.4凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定,5.4.2 基圓半徑的確定,設(shè)計(jì)凸輪時(shí)，基圓半徑取值較小時(shí)，可使凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，但基圓半徑取得過(guò)小時(shí)凸輪的壓力角會(huì)增大。,A點(diǎn):,即,在ABD中,導(dǎo)路在凸輪軸的左邊時(shí)，式中分子部分取“”，凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，符號(hào)取法與上述相反,5.4 凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定,在給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，合理設(shè)計(jì)偏距可減小壓力角，增大基圓半徑也可以減小壓力角。,在設(shè)計(jì)凸輪時(shí)，先根據(jù)條件確定基圓半徑r0。制作凸輪軸時(shí)，r0略大于軸的半徑；單獨(dú)制造凸輪時(shí)，r0=(1.62)r。,5.4 凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定,5.4.3 滾子半徑的確定,凸輪輪廓曲線形狀與滾子半徑的關(guān)系,r = r + rr,當(dāng)理論廓線內(nèi)凹時(shí),此時(shí)，無(wú)論滾子半徑大小，凸輪工作輪廓總是光滑曲線(如圖a),a工作輪廓的曲率半徑，理論輪廓的曲率半徑， rr滾子半徑,arr, rr,arr,rr,arr0,<rr,arr<0,輪廓正常,輪廓正常,輪廓變尖,外凸,對(duì)于外凸輪廓，要保證正常工作，應(yīng)使： min rr,5.4 凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定,5.4.3 滾子半徑的確定,當(dāng)理論廓線外凸時(shí)(可分為三種情況),r = r - rr,1) r rr時(shí) r 0這時(shí)所得的凸輪實(shí)際輪廓為光滑的曲線(如圖b),2) r = rr 時(shí)r = 0，實(shí)際輪廓線變尖，極易磨損，不能使用(如圖c)。,3) r < rr 時(shí)r < 0， ，即實(shí)際曲線出現(xiàn)交叉會(huì)出現(xiàn)失真(如圖d)。,5.4 凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定,5.4.3 滾子半徑的確定,為了避免失真并減小磨損，要求滾子半徑rT 與理論輪廓線最小曲率半徑r min滿足rT 0.8 r min ，并使實(shí)際輪廓線的最小半徑r min (35)mm。若滿足不了該要求，可增大基圓半徑或修改從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。,