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1、5.1 概述 5.2 常用從動件的運動規(guī)律 5.3 盤形凸輪輪廓的設(shè)計方法與加工方法 5.4 凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定,第5章 凸輪機構(gòu),5.1 概述,凸輪機構(gòu)由凸輪、從動件和機架三部分組成。,凸輪是一種具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，他通過與從動件的高副接觸，在運動時可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期運動。,凸輪機構(gòu)是高副機構(gòu)，易于磨損，因此只適用于傳遞動力不大的場合。,凸輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是： 只要適當?shù)卦O(shè)計出凸輪的輪廓曲線，就可以使從動件得到各種預(yù)期的運動規(guī)律； 結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，運動可靠。 凸輪結(jié)構(gòu)的缺點是： 由于凸輪輪廓與從動件之間為點接觸或線接觸，故壓強較大，容易磨損，而且凸輪輪廓曲線的加工比
2、較困難。,5.1 概述,示例一,5.1.1 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用,內(nèi)燃機配氣機構(gòu),示例二,5.1 概述,靠模車削機構(gòu),5.1 概述,示例三,分度轉(zhuǎn)位機構(gòu),5.1 概述,5.1.2 凸輪機構(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,按照從動件的結(jié)構(gòu)型式分： 尖頂從動件,滾子從動件,平底從動件,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蝕。,對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度 凸輪芯部有較強的韌性,常用的凸輪材料： 40Cr、 20
3、Cr、 40CrMnTi,常用的滾子材料： 20Cr或者滾動軸承,從動件的位移、速度和加速度的變化規(guī)律，全面地反映了從動件的運動特性及其變化的規(guī)律性，稱為從動件的運動規(guī)律。 凸輪的輪廓形狀決定了從動件的運動規(guī)律。反之，從動桿不同的運動規(guī)律，要求凸輪具有不同形狀的輪廓曲線。 所以在設(shè)計凸輪時，重要的問題之一，就是根據(jù)工作要求和條件選擇從動件的運動規(guī)律。下面簡單地討論一下從動桿常用的運動規(guī)律及其選擇。,5.2 常用的從動件運動規(guī)律,5.2.1 平面凸輪機構(gòu)的基本尺寸和運動規(guī)律,一、凸輪機構(gòu)的基本參數(shù),圖示為一對心直動尖頂從動件盤形凸輪機構(gòu)。 基本概念： 基 圓：以凸輪回轉(zhuǎn)中心O1為圓心，以凸輪輪廓
4、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 常用的從動件運動規(guī)律,推程：尖頂與凸輪輪廓上的A點（基圓與輪廓AB的連接點）相接觸，該點為從動件上升的起點。當凸輪以等角速度沿逆時針方向回轉(zhuǎn)角時，從動件被凸輪輪廓推動，以一定的運動規(guī)律由離O1點最近位置A上升到最遠位置B點，此過程稱為推程。,5.2 常用的從動件運動規(guī)律,推程運動角：從動件被凸輪推動，以一定運動規(guī)律，從最近位置到達最遠位置，從動件在這過程中經(jīng)過的距離h稱為升程，對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角稱為推程運動角。 遠休止角：當凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn)s時，以O(shè)1為中心的圓弧BC與尖頂相作用，從動件在最遠位置B點停留不動。此時凸輪轉(zhuǎn)過的這個角度S
5、，稱為遠休止角。,5.2 常用的從動件運動規(guī)律,回程運動角： 凸輪再繼續(xù)回轉(zhuǎn)角，從動件在彈力或重力作用下，以一定運動規(guī)律從最遠位置回到起點，這段行程稱為回程，對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角稱為回程運動角。 近休止角：當凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn)s時，從動件在最低位置停留不動。此時凸輪轉(zhuǎn)過的角度s 稱為近休止角。 凸輪連續(xù)回轉(zhuǎn)時，從動件重復上述過程。,5.2 常用的從動件運動規(guī)律,5.2 常用的從動件運動規(guī)律,5.2.1 平面凸輪機構(gòu)的基本尺寸和運動參數(shù),圖為對心尖頂從動件盤形凸輪機構(gòu)，凸輪回轉(zhuǎn)時，從動件重復升停降停的運動循環(huán)。,從動件的位移s與凸輪轉(zhuǎn)角a的關(guān)系可以用從動件的位移線圖來表示，如右圖所示。,從動件的運動規(guī)律是指
6、從動件的位移s、速度v和加速度a的變化規(guī)律。 從動件的運動規(guī)律取決于凸輪輪廓的曲線形狀。,尖頂對心移動從動件盤形凸輪機構(gòu),5.2 常用的從動件運動規(guī)律, 等速運動規(guī)律,等速運動規(guī)律,5.2 常用的從動件運動規(guī)律,5.2.2 常用的從動件運動規(guī)律,運動特性：由于速度為一常數(shù)，所以從動件的速度線圖為一平行于橫軸的直線，慣性力等于零。但在運動開始，由于速度突變，此時理論上的加速度值為+和-（由于材料的彈性等因素的存在，實際上并不能達到無窮大）。由牛頓第二定律可知：從動件所受慣性力F=ma（其中m為從動件的質(zhì)量）。理論上無窮大的慣性力F致使凸輪受到很大的沖擊，即剛性沖擊(俗稱硬沖），故等速運動只適用于
7、小功率、低速及從動件質(zhì)量不大的場合。, 等速運動規(guī)律,注:等速運動規(guī)律是一種基本的運動規(guī)律。在實際應(yīng)用中，為了避免等速運動規(guī)律在推程的起點和終點的剛性沖擊，通?？捎镁哂羞^渡曲線的改進型的等速運動規(guī)律，如圖所示，對位移曲線進行修改。運動規(guī)律經(jīng)過這樣的改進后，在BC段內(nèi)，速度均勻不變，在AB、CD段內(nèi)，速度是個漸變過程，但在A、B、C、D點的加速度是個有限數(shù)值，所以沖擊要小得多。, 等速運動規(guī)律, 等加速-等減速運動規(guī)律,等加速運動方程,等減速運動方程,運動特性：當采用等加速等減速運動規(guī)律時，在起點、中點和終點時，加速度有突變，因而推桿的慣性力也將有突變，不過這一突變?yōu)橛邢拗?，所以，凸輪機構(gòu)中由此
8、而引起的沖擊稱為柔性沖擊。 適用場合：中速、輕載的凸輪機構(gòu)。, 等加速-等減速運動規(guī)律, 余弦加速運動規(guī)律,運動特性及應(yīng)用：按這種運動規(guī)律運動的整個過程，速度和加速度都是連續(xù)的，但在始、末兩點加速度有有限突變，故也有柔性沖擊。 故一般只適用于中速、中載場合。, 余弦加速運動規(guī)律, 正弦加速運動規(guī)律,運動特性及應(yīng)用：按這種運動規(guī)律運動的整個過程，從動件無速度和加速度的突變，因此不產(chǎn)生沖擊。 故可用于高速場合。, 正弦加速運動規(guī)律,5.2.3 從動件運動規(guī)律的選擇,5.2 常用的從動件運動規(guī)律,在選擇從動件的運動規(guī)律時，應(yīng)根據(jù)機器工作時的運動要求來確定。,對無一定運動要求，只需要從動件有一定位移量
9、的凸輪機構(gòu)。,對于高速機構(gòu)，應(yīng)減小慣性力、改善動力性能，可選用正弦加速度運動規(guī)律或其他改進型的運動規(guī)律。,根據(jù)工作要求合理地選擇了從動桿的運動規(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)計凸輪的輪廓。凸輪的輪廓曲線設(shè)計方法一般有兩種：圖解法（作圖法）和解析法。 圖解法直觀簡單、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構(gòu)中。 “反轉(zhuǎn)法”：當凸輪機構(gòu)工作時，凸輪是運動的，而繪制凸輪輪廓時，卻需凸輪與圖紙相對靜止。所以用圖解法繪制凸輪輪廓曲線要利用相對運動原理。,5.3 盤形凸輪輪廓的設(shè)計方法與
10、加工方法,5.3 盤形凸輪輪廓的設(shè)計方法與加工方法,5.3.1 反轉(zhuǎn)法原理,條件：凸輪加角速度w,從動件與導路繞角速度-w (大小相等、方向相反)繞凸輪轉(zhuǎn)動,凸輪靜止不動,從動件尖頂?shù)倪\動軌跡就是凸輪輪廓曲線,從動件相對導路移動,對于滾子從動件，則滾子中心可看作是從動件的尖頂，其運動軌跡就是凸輪的理論輪廓曲線，凸輪的實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,對心直動尖頂推桿凸輪機構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑r0，角速度和推桿的運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。,設(shè)計步驟小結(jié)：,選比例尺l作基圓r0。,反向等分各運動角。原則是：陡密緩疏。,確定反轉(zhuǎn)后，從動件尖頂在各等分點的位置。
11、,將各尖頂點連接成一條光滑曲線。,1)對心直動尖頂推桿盤形凸輪,對心直動滾子推桿凸輪機構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑r0，角速度和推桿的運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。,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)對心直動滾子推桿盤形凸輪,理論輪廓,實際輪廓,對心直動平底推桿凸輪機構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑r0，角速度和推桿的運動規(guī)律，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。,作平底直線族的內(nèi)包絡(luò)線。,3)對心直動平底推桿盤形凸輪,偏置直動尖頂推桿凸輪機構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑r0，角速度和推桿的運動規(guī)律和偏心距e，設(shè)計該凸輪輪廓曲線。,4)偏置直動尖頂推桿盤形凸輪,擺動尖頂推桿凸輪機構(gòu)中，已知凸輪的基圓半
12、徑r0，角速度，擺動推桿長度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)計該凸輪輪廓曲線。,5)擺動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu),5.3 盤形凸輪輪廓的設(shè)計方法與加工方法,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,對用于低速、輕載場合的凸輪，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。必要時可進行淬火處理，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)控線切割機床對淬火凸輪進行加工，這是目前最常用的一種凸輪加工方法。加工時應(yīng)用解析法，求出凸輪輪廓曲線的x,y坐標，并將xOy坐標系的原點換算
13、成切割時的起點，而滾子半徑相當于鉬絲半徑再加上放電間隙。,5.4 凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定,5.4.1 凸輪機構(gòu)的壓力角,從動件的運動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a角大到某一數(shù)值時，必將會出現(xiàn)FyFx的情況。這時，不論施加多大的Fn力，都不能使從動件運動，這種現(xiàn)象稱為自鎖。因此，為了保證凸輪機構(gòu)的正常工作，必須對凸輪機構(gòu)的壓力角進行限制。,推薦壓力角數(shù)值,移動從動件a=30,擺動從動件a=45,回程中，一般不會有自鎖現(xiàn)象，壓力角取值為,a=7080,5.4凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定,5.4.2 基圓半徑
14、的確定,設(shè)計凸輪時，基圓半徑取值較小時，可使凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，但基圓半徑取得過小時凸輪的壓力角會增大。,A點:,即,在ABD中,導路在凸輪軸的左邊時，式中分子部分取“”，凸輪順時針轉(zhuǎn)動時，符號取法與上述相反,5.4 凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定,在給定運動規(guī)律時，合理設(shè)計偏距可減小壓力角，增大基圓半徑也可以減小壓力角。,在設(shè)計凸輪時，先根據(jù)條件確定基圓半徑r0。制作凸輪軸時，r0略大于軸的半徑；單獨制造凸輪時，r0=(1.62)r。,5.4 凸輪機構(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,當理論廓線內(nèi)凹時,此時，無論滾子半徑大小，凸輪工作輪
15、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,arr0,輪廓正常,輪廓正常,輪廓變尖,外凸,對于外凸輪廓，要保證正常工作，應(yīng)使： min rr,5.4 凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定,5.4.3 滾子半徑的確定,當理論廓線外凸時(可分為三種情況),r = r - rr,1) r rr時 r 0這時所得的凸輪實際輪廓為光滑的曲線(如圖b),2) r = rr 時r = 0，實際輪廓線變尖，極易磨損，不能使用(如圖c)。,3) r rr 時r 0， ，即實際曲線出現(xiàn)交叉會出現(xiàn)失真(如圖d)。,5.4 凸輪機構(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件的運動規(guī)律。,
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