機械原理課件（清華大學(xué)）第三章 凸輪機構(gòu)

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1、機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)第第3 3章章 凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu) 凸輪機構(gòu)的組成與類型凸輪機構(gòu)的組成與類型 從動件運動規(guī)律設(shè)計從動件運動規(guī)律設(shè)計 凸輪輪廓的設(shè)計凸輪輪廓的設(shè)計 凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定 凸輪機構(gòu)的計算機輔助設(shè)計凸輪機構(gòu)的計算機輔助設(shè)計機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)3.1 3.1 凸輪機構(gòu)的組成與類型凸輪機構(gòu)的組成與類型3.1.1 3.1.1 凸輪機構(gòu)的組成凸輪機構(gòu)的組成 1 1 凸輪凸輪 2 2 從動件從動件 3 3 機架機架 高副機構(gòu)機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)3.1.2 3.1.2 凸輪機構(gòu)的類型凸輪機構(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)簡單，應(yīng)用最為廣泛最基本的形式，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用最為廣泛移動凸輪移動凸輪：凸輪相對機架做直線運動：凸輪相對機架做直線運動圓柱凸輪圓柱凸輪：空間凸輪機構(gòu)：空間凸輪機構(gòu)盤形凸輪 移動凸輪 圓柱凸輪機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)2. 2. 按從動件的形狀分類按從動件的形狀分類尖端從動件曲面從動件尖端能以任意復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，從而使從動件實現(xiàn)任意的運動規(guī)律。但尖端處極易磨損，只適用于低速場合。磨損比尖端從動件小。機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu) 滾子從動件滾子從動件 平底從動件平底從動件凸輪與從動件之間為滾動凸輪與從動件之間為滾動摩擦，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力。可用于傳遞較大的動力。從動件與凸輪之間易形從動件與凸輪之間易形成油膜，潤滑狀況好，成油膜，潤滑狀況好，受力平穩(wěn)，傳動效率高，受力平穩(wěn)，傳動效率高，常用于高速場合。但與常用于高速場合。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。機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)3. 3. 按從動件的運動形式分類按從動件的運動形式分類移動從動件移動從動件 擺動從動件擺動從動件移動從動件：從動件作往復(fù)移動，其運動從動件作往復(fù)移動，其運動軌跡為一段直線；軌跡為一段直線；擺動從動件：從動件作往復(fù)擺動，其運動從動件作往復(fù)擺動，其運動軌跡為一段圓弧。軌跡為一段

4、圓弧。機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)4.4.按凸輪與從動件維持高副接觸的方法分類按凸輪與從動件維持高副接觸的方法分類(1) (1) 力鎖合力鎖合彈簧力、從動件重力或其它外力彈簧力、從動件重力或其它外力(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械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)槽凸輪機構(gòu)槽凸輪機構(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)點優(yōu)點：鎖和方式結(jié)構(gòu)簡單：鎖和方式結(jié)構(gòu)簡單缺點缺點：加大了凸輪的尺寸和重量：加大了凸輪的尺寸和重量機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)等寬凸輪機構(gòu)等寬凸輪機構(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：從動件的運動規(guī)律的選擇受到一定的限制，從動件的運動規(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)從動件運動規(guī)律確定范圍內(nèi)的凸輪廓線根據(jù)從動件運動規(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械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)等徑凸輪機構(gòu)等徑凸輪機構(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：缺點：從動件運動規(guī)律的選擇受到一定的限制從動件運動規(guī)律的選擇受到一定的限制機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)主回凸輪機構(gòu)主回凸輪機構(gòu)( (共軛凸輪機構(gòu)共軛

6、凸輪機構(gòu)) )優(yōu)點：克服了等寬、等徑凸輪的缺點克服了等寬、等徑凸輪的缺點缺點：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 一個凸輪推動從一個凸輪推動從動件完成正行程運動，動件完成正行程運動，另一個凸輪推動從動另一個凸輪推動從動件完成反行程的運動件完成反行程的運動機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)5. 5. 反凸輪機構(gòu)反凸輪機構(gòu)擺桿為主動件，凸輪為從動件擺桿為主動件，凸輪為從動件機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)3.1.3 3.1.3 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用凸輪機構(gòu)的應(yīng)用例例1 1：實現(xiàn)變速操縱：實現(xiàn)變速操縱機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)例例2 2：實現(xiàn)自動進刀、退刀：實現(xiàn)自動進刀、退刀機械原理機械

7、原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)例例3 3：控制閥門的啟閉：控制閥門的啟閉機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)例例4 4：印刷機的吸紙吸頭：印刷機的吸紙吸頭機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)3.2 3.2 從動件運動規(guī)律設(shè)計從動件運動規(guī)律設(shè)計3.2.1 3.2.1 凸輪機構(gòu)的工作情況凸輪機構(gòu)的工作情況機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu) 回程運動角回程運動角 近休止角近休止角 從動件運動規(guī)律（從動件位移線圖）從動件運動規(guī)律（從動件位移線圖） 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 升程升程從動件上升的最從動件上升的最大距離大距離h h 推程運動角推程運動角0 0 遠休止角遠休止

8、角s s0s機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)3.2.2 3.2.2 從動件常用運動規(guī)律從動件常用運動規(guī)律1.1.等速運動等速運動特點：特點：速度有突變，加速速度有突變，加速度理論上由零至無窮大，度理論上由零至無窮大，從而使從動件產(chǎn)生巨大的從而使從動件產(chǎn)生巨大的慣性力，機構(gòu)受到強烈沖慣性力，機構(gòu)受到強烈沖擊擊剛性沖擊剛性沖擊適應(yīng)場合：適應(yīng)場合：低速輕載低速輕載機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)2.2.等加速等減速等加速等減速( (拋物線拋物線) )運動運動特點：特點：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)在這些位置為無窮大在這些位置為無窮大柔性沖擊柔性沖

9、擊適應(yīng)場合：適應(yīng)場合：中速輕載中速輕載機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)3.3.簡諧運動簡諧運動( (余弦加速度運動余弦加速度運動) ) 當(dāng)質(zhì)點在圓周上作勻速運動時，它在該圓直徑上的投影所構(gòu)成的運動規(guī)律簡諧運動 cos12hs特點：有柔性沖擊適用場合：中速輕載(當(dāng)從動件作連續(xù)運動時，可用于高速)機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)4.4.擺線運動擺線運動( (簡介簡介) ) 半徑R=h/2的滾圓沿縱座標(biāo)作純滾動，圓上最初位于座標(biāo)原點的點其位移隨時間變化的規(guī)律擺線運動特點：無剛性、柔性沖擊適用場合：適于高速機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)5. 3-4-55. 3-4-5多項式運動多項式運動( (簡介簡

10、介) ) 54361510hs特點：無剛性沖擊、柔性沖擊適用場合：高速、中載機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)3.2.3 3.2.3 從動件運動規(guī)律的選擇從動件運動規(guī)律的選擇1. 1. 常用運動規(guī)律性能比較常用運動規(guī)律性能比較機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)2.2.從動件運動規(guī)律的選擇原則從動件運動規(guī)律的選擇原則考慮因素：考慮因素：對運動規(guī)律的要求對運動規(guī)律的要求凸輪的轉(zhuǎn)速（動力特性和便于加工）凸輪的轉(zhuǎn)速（動力特性和便于加工）3.2.4 3.2.4 從動件運動規(guī)律的組合從動件運動規(guī)律的組合1.1.滿足工作對運動規(guī)律的特殊要求；滿足工作對運動規(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。機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)3.3 3.3 凸輪輪廓的設(shè)計凸輪輪廓的設(shè)計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，從動件尖端的運動軌跡就是凸輪的輪廓曲線。機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)3.3.2 3.3.2 圖解法設(shè)計凸輪輪廓圖解法設(shè)計凸輪輪廓1. 1. 移動從動件盤形凸輪移動從動件盤形凸輪(1)(1)尖底從動件尖底從動件旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。逆逆時時針針，

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，從從動動件件偏偏，已已知知：基基圓圓半半徑徑)(e-srb 機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)（2 2）滾子從動件）滾子從動件曲曲線線。，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)法機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu) 作內(nèi)包絡(luò)線，得到凸輪的實際廓線； 若同時作外包絡(luò)線，可形成槽凸輪廓線。機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)（3 3）平底從動件）平底從動件 取平底從動件表面上的點B0作為假想的尖端從動件的尖

13、端。機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)包絡(luò)線包絡(luò)線 為了保證在所有位置從動件平底都能與凸輪輪廓曲線相切，凸輪廓線必須是外凸的。機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)2. 2. 擺動從動件盤形凸輪擺動從動件盤形凸輪機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)3.3.3 3.3.3 解析法解析法( (略略) )3.4 3.4 凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定3.4.1 3.4.1 移動滾子從動件盤形凸輪移動滾子從動件盤形凸輪機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(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，移動推程：機械原理機械原理凸

14、輪機構(gòu)凸輪機構(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 機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)(3) 從從動件偏置方向的選擇動件偏置方向的選擇22berseddstg 凸輪逆時針回轉(zhuǎn)，從動件右偏置凸輪順時針回轉(zhuǎn)，從動件左偏置機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(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 機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu) 0rr0minmin0min實際廓線出現(xiàn)尖點機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu) 0rr0m

15、inmin0min實際廓線出現(xiàn)交叉，從動件不能準(zhǔn)確地實現(xiàn)預(yù)期的運動規(guī)律運動失真機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu) 內(nèi)凹凸輪廓線內(nèi)凹凸輪廓線 無論滾子半徑多大，總能由理論輪廓求出實際輪廓。機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu) 運動失真運動失真原因：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)、強度與運動規(guī)律等因素考慮結(jié)構(gòu)、強度與運動規(guī)律等因素rmin0min0min0大大)8 . 0(減小滾子半徑brrr機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)3.4.2 3.4.2 移動平底從動件盤形凸輪移動平底從動件盤形凸輪 凸輪出現(xiàn)過度切割的現(xiàn)象，從動件無法完全實現(xiàn)預(yù)期的運動規(guī)律。原因？機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)減小升程h增大基圓rb增大偏心e機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu) 運動失真運動失真 基圓半徑的確定基圓半徑的確定 避免運動失真避免運動失真基圓半徑過小基圓半徑過小從動件升程過大從動件升程過大機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu) 從動件偏置方向的選擇從動件偏置方向的選擇 從動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件在推程階段所受的彎曲應(yīng)力。機械原理機械原理凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu) 平地寬度的確定平地寬度的確定3.5 3.5 凸輪機構(gòu)的計算機輔助設(shè)計凸輪機構(gòu)的計算機輔助設(shè)計( (略略) )