机械设计基础第3章凸轮机构设计

第3章凸轮机构设计3.1凸轮机构的应用和分类3.2从动件常用运动规律3.3盘形凸轮轮廓的设计：图解法3.4设计凸轮设计应注意的问题一、凸轮机构的组成与应用3.1凸轮机构的应用和分类凸轮机构的优点:结构简单、紧凑，通过适当设计凸轮廓线可以使推杆实现各种预期运动规律，同时还可以实现间歇运动。凸轮机构的缺点：高副，易磨损，多用于传力不大的场合。凸轮机构的组成：凸轮、推杆(从动件)、机架内燃机配汽机构自动机床的进刀机构凸轮机构的应用领域凸轮机构广泛用于自动机械、自动控制装置和装配生产线中。等径凸轮机构在机械加工中的应用利用分度凸轮机构实现转位盘形凸轮机构在印刷机中的应用圆柱凸轮机构在机械加工中的应用1.按凸轮形状分：二、凸轮机构的分类盘形凸轮机构移动凸轮机构圆柱凸轮机构2.按从动件的形状分尖顶推杆滚子推杆平底推杆其优点是凸轮与平底接触面间容易形成油膜，润滑较好，所以常用于高速传动中。由于滚子与凸轮之间为滚动摩擦，所以磨损较小，故可用来传递较大的动力。构造简单，但易于磨损，所以只适用于作用力不大和速度较低的场合。3.按从动件的运动方式分摆动从动件：从动件绕某一固定轴摆动。直动从动件：从动件只能沿某一导路做往复移动；对心直动推杆偏置直动从动件4.按凸轮与从动件保持接触的方法分◆力封闭方法：利用推杆的重力、弹簧力或其它外力使推杆始终与凸轮保持接触；动画◆形封闭法：利用凸轮与推杆构成的高副元素的特殊几何结构使凸轮与推杆始终保持接触。4.按凸轮与从动件保持接触的方法分槽凸轮机构等宽凸轮机构等径凸轮共轭凸轮对心直动尖顶从动件凸轮机构偏心直动尖顶从动件凸轮机构对心直动滚子从动件凸轮机构对心直动平底从动件凸轮机构摆动平底从动件凸轮机构摆动尖顶从动件凸轮机构摆动滚子从动件凸轮机构圆柱凸轮机构常用的有如下几种：四、凸轮机构设计的主要问题★根据设计任务的要求选择凸轮的类型和从动件运动规律。★确定凸轮的基圆半径。★确定凸轮的轮廓。★进行必要的分析，如凸轮机构的静力分析、效率计算等。对于高速凸轮机构，有时需进行动力分析。3.2从动件运动规律★推杆的运动规律：推杆在运动过程中，其位移、速度和加速度随凸轮(时间)变化的规律。一、从动件运动规律与凸轮机构的关系δ=ωts=s(δ)v=v(δ)a=a(δ)三、凸轮机构设计的基本名词术语★基圆：以凸轮最小半径r0所作的圆，r0称为凸轮的基圆半径。★推程、推程运动角:★远休、远休止角:s★回程、回程运动角:’★近休、近休止角:’s★行程：h★迹点：从动件上一点，用于生成凸轮理论轮廓。基圆rmin行程回程运动角远休止角回程推程近休止角从动件位移线图二、几种常用的从动件运动规律1、等速运动v2=const=h/Ts2=h/v2=hω1/a2=0推程时s2=h(1-/’)v2=-hω1/’a2=0回程时a2|t=0=∞a2|t=T=－∞有刚性冲击2、等加速等减速运动a2=const=4h/(ω1/)2前半行程：等加速运动后半行程：等减速运动a2|t=0=定值a2|t=T=定值有柔性冲击360030015001200600h/2h/2例题2：已知从动件升程h=50mm，推程运动角=150o，远休止角s=30o，回程运动角’=120o，近休止角s’=60o。从动件的运动规律是，以等加速等减速运动规律上升，以等速运动规律下降。试绘制从动件的位移线图。3.简谐运动规律——余弦加速度运动规律简谐运动：当一点在圆周上等速运动时，其在直径上的投影的运动即为简谐运动。加速度按余弦曲线变化。s2=h(1-cosθ)/2a2|t=0=定值a2|t=T=定值有柔性冲击θ=/1200h/2h/2s小结等速运动规律：有刚性冲击低速轻载等加速等减速运动：柔性冲击中低速轻载简谐运动规律：柔性冲击中低速轻载运动规律运动特性适用场合二、凸轮廓线设计方法的基本原理假想给整个机构加一公共角速度-ω,则凸轮相对静止不动，而推杆一方面随导轨以-ω绕凸轮轴心转动，另一方面又沿导轨作预期的往复移动。推杆尖顶在这种复合运动中的运动轨迹即为凸轮轮廓曲线。一、凸轮廓线的设计方法◆图解法◆解析法反转法原理：3.3盘形凸轮轮廓的设计1、直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制已知：从动件位移线图，凸轮的基圆半径rmin,凸轮角速度ω1三、图解法设计凸轮轮廓曲线偏心圆2.尖顶偏置动从动件盘形凸轮机构★先作出基圆和偏距圆，根据推杆偏置方向确定其起始位置。★偏距圆与位移线图对应等分★推杆在反转运动中依次占据的位置都是偏距圆的切线；设计说明：1)将滚子中心看作尖顶，然后按尖顶推杆凸轮廓线的设计方法确定滚子中心的轨迹，称其为凸轮的理论廓线；3.直动滚子推杆盘形凸轮机构作图步骤：注意：凸轮基圆半径指理论廓线的最小半径2)以理论廓线上各点为圆心，以滚子半径rr为半径，作一系列圆；3)再作此圆族的包络线，即为凸轮工作廓线(实际廓线)。设计说明：1)将平底与推杆导路与推杆的交点A视为推杆尖顶,然后确定出点A在反转中各位置1’、2’、…。2)过1’、2’、…作一系列代表推杆平底的直线；3)作出该直线族的包络线，即为凸轮的实际轮廓曲线。4.直动平底推杆盘形凸轮机构设计步骤：一、凸轮机构中的作用力与凸轮机构的压力角1、压力角：推杆沿凸轮廓线接触点的法线方向与推杆速度方向之间所夹的锐角。压力角α机构发生自锁临界压力角αc3.4设计凸轮设计应注意的问题受力分析：有害力：F”=F’tgα当F’一定时，α↑，F”↑;当α增大到一定程度时，由F’’引起的摩擦力将大于F’，此时机构发生“自锁”现象。因此，需控制α。直动从动件[α]max=30°摆动从动件[α]max=45°常用加大凸轮基圆半径的方法减小αmax2、基圆半径对凸轮机构的影响减小基圆半径，则凸轮的尺寸随之减小，机构紧凑；压力角将增大。设计时遵循：在保证αmax=<[α]的前提下，缩小凸轮尺寸。二、滚子半径和平板尺寸的选择滚子半径rT的选择从减小凸轮与滚子间的接触应力来看,rT越大越好；但增大rT对凸轮的实际轮廓曲线有很大影响。实际轮廓的最小曲率半径ρamin=ρmin-rT为完全实现从动件的运动规律，必须满足：凸轮理论轮廓外凸部分的最小曲率半径大于滚子半径。即：ρmin>rT对于外凸廓线：rr<ρmin★滚子半径的选择：★出现尖点或失真应采取的措施适当减少滚子半径或增大基圆半径；修改推杆的运动规律，以廓线尖点处代以合适的曲线。rT=(0.1~0.5)rb1.推杆平底长度L★经验公式：mm)~(lLmax752四、平底推杆平底尺寸的确定lmax:推杆上点B至推杆平底与凸轮廓线的切点间的最大距离第三章凸轮机构温故知新◆凸轮机构的应用◆凸轮机构的分类◆推杆的常用运动规律★等速运动★等加速等减速运动★余弦加速度运动规律◆凸轮轮廓曲线的设计★设计方法所依据的基本原理——反转法★设计方法：图解法、解析法◆凸轮机构基本尺寸的确定基圆半径、滚子半径、平底尺寸、压力角3-8例题1，试画出滚子对心直动从动件凸轮机构的基圆、理论轮廓曲线、推程最大位移h、压力角。ha基圆实际轮廓曲线Fn理论轮廓曲线推程最大位移例题2：已知从动件升程h=50mm，推程运动角=150o，远休止角s=30o，回程运动角’=120o，近休止角s’=60o。从动件的运动规律是，以等加速等减速运动规律上升，以等速运动规律下降。试绘制从动件的位移线图。360030015001200600h/2h/2例题3，设计一尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构，凸轮匀速转动，基圆半径40mm。运动规律如图。例题四.设计一偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构。如图，已知e=10mm,rb=40mm,rT=10mm,升程h=30mm,推程运动角=180o，远休止角s=30o，回程运动角’=120o，近休止角s’=60o。从动件的运动规律为：推程以等加速等减速运动规律上升，回程以简谐运动规律下降。从动件位移曲线360030018001200300h/2h/2凸轮轮廓设计