机械设计基础第三章凸轮机构课件.ppt

《机械设计基础第三章凸轮机构课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械设计基础第三章凸轮机构课件.ppt（60页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、2022年11月12日星期六,机械设计基础第三章凸轮机构,24 九月 2022机械设计基础第三章凸轮机构,使用教材：杨可桢，程光蕴主编。机械设计基础，高等教育出版社，2005.10参考教材：1.黄平主编，机械设计基础， 华南理工大学出版社，2003.42.朱家诚主编，机械设计基础， 合肥工业大学出版社，2003.23.吴克坚等主编。机械设计，高等教育出版社，2003 .3 4.孙桓，陈作模主编。机械原理（第 6 版）。高等教育出版社， 2001,使用教材：杨可桢，程光蕴主编。机械设计基础，高等教,第三章 凸轮机构（4学时）,本章要求：掌握凸轮机构的应用和类型，从动件的常用运动规律及凸轮机构的压

2、力角。了解凸轮机构的轮廓的设计。本章重点：凸轮机构从动件的常用运动规律。本章难点：凸轮机构的压力角。,第三章 凸轮机构（4学时）本章要求：,31 凸轮机构的应用和类型,32 从动件常用的运动规律,34 图解法设计凸轮轮廓曲线,33 凸轮机构压力角,教学内容：,31 凸轮机构的应用和类型 32 从动件,3-1 凸轮机构的应用和分类,一、凸轮机构的应用,二、凸轮机构的分类,3-1 凸轮机构的应用和分类一、凸轮机构的应用二、凸,1、凸轮机构组成：凸轮是一个具有曲线轮廓的构件。含有凸轮的机构称为凸轮机构。它由凸轮、从动件和机架组成。,一、凸轮机构的应用,1、凸轮机构组成：凸轮是一个具有曲线轮廓的构件。

3、含有凸轮的机,2、凸轮机构的应用,凸轮机构是机械中的一种常用机构，在自动化和半自动化机械中应用十分广泛。主要用于：受力不大的控制机构或调节机构。,工程实例：,2、凸轮机构的应用 凸轮机构是机械中的一种常用机构，在,实例：,实例：,机械设计基础第三章凸轮机构课件,机械设计基础第三章凸轮机构课件,捣碎机,捣碎机,内燃机配气凸轮机构,内燃机配气凸轮机构,剪切机,剪切机,凸轮机构的优点：,只需确定适当的凸轮轮廓曲线，即可实现从动件复杂的运动规律；结构简单，运动可靠。,缺点：,从动件与凸轮轮廓为点接触或线接触，接触应力大，易磨损,用途：常用于传力不大的控制机构。,凸轮机构的优点： 只需确定适当的凸轮轮廓

4、曲线,二、凸轮机构的分类,1、按凸轮的形状分,（1）盘形凸轮,（2）移动凸轮,（3）圆柱凸轮,绕固定轴线转动并具有半径变化的盘形零件。,回转中心趋于无穷远，凸轮沿机架作直线运动。,将移动凸轮卷成圆柱。,二、凸轮机构的分类1、按凸轮的形状分（1）盘形凸轮（2）移动,2、按从动件的型式分,1、尖顶从动件 2、滚子从动件 3、平底从动件,能与复杂凸轮轮廓保持接触，能实现任意预期的运动规律，但点接触，磨损快。,尖顶处安装一滚子，接触处为滚动摩擦，耐磨损。,接触处为一平面，但不能与凹陷的凸轮轮廓接触。,2、按从动件的型式分 1、尖顶从动件,一、基本概念二、从动件常用运动规律三、组合运动规律简介,32从动

5、件常用运动规律,一、基本概念32从动件常用运动规律,尖底直动从动件盘形凸轮机构,1、基圆：,凸轮理论轮廓上最小向径为半径所画的圆。,一、基本概念,2、偏距e：,从动件导路偏离凸轮回转中心的距离。,w,O,rmin,w,rmin,O,尖底直动从动件盘形凸轮机构1、基圆： 凸轮理论轮廓上最小向径,3、推程：,4、升程：,从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定的运动规律由离回转中心最近位置A到达最远位置B的过程。,从动件在推程中所走过的距离h。,5、推程运动角：,6、远休止角：,t = AOB（升程角）,与推程相应的凸轮转角t。,S = BOC,从动件在最远位置停止不动所对应的凸轮转角s。,3、推程： 4

6、、升程： 从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定的从,9、近休止角：,8、回程运动角：,h =COD,s =AOD,7、回程：,从动件在弹簧力或重力作用下，以一定的运动规律回到起始位置的过程。,与回程相应的凸轮转角h。,从动件在最近位置停止不动所对应的凸轮转角s。,9、近休止角：8、回程运动角：h =CODs =A,以纵坐标代表从动件位移s2 ，横坐标代表凸轮转角1或t，所画出的位移与转角之间的关系曲线。,10、从动件位移线图：,上升停降停,从动件位移线图决定于凸轮轮廓曲线的形状。,以纵坐标代表从动件位移s2 ，横坐标代表凸轮,1、推程：,2、升程：,3、 推程运动角：,4、 远休止角：,7、近休止

7、角：,6、 回程运动角：,5、 回程：,偏置尖顶直动从动件盘形凸轮,h,t,s,h,s,1、推程： 2、升程： 3、 推程运动角：4、 远休止角：7,二、从动件常用运动规律,1、匀速运动规律（推程段）,刚性冲击：由于加速度发生无穷大突度而引起的冲击称为刚性冲击。,二、从动件常用运动规律1、匀速运动规律（推程段）s2h1,2、等加速等减速运动规律,a,j,v,O,1,2,j,t,j,t,j,t,s,h,3,4,5,6,1,9,4,1,0,4,A,0,a,B,C,柔性冲击 ：加速度发生有限值的突变 （适用于中速场合）,2、等加速等减速运动规律ajvO12j,tj,tj,tsh3,3、简谐运动,运动

8、特征：若s 、s 为零，无冲击。若s 、s 不为零，有冲击。,三、组合运动规律简介,为了获得更好的运动特征，可以把上述几种运动规律组合起来应用，组合时，两条曲线在拼接处必须保持连续。,3、简谐运动avjj,tj,tj,tsh1O23456123,运动规律：推杆在推程或回程时，其位移S2、速度V2、加速度a2 随时间t 的变化规律。,形式：多项式、三角函数。,S2=S2(t)V2=V2(t)a2=a2(t),hhot1s2rminh 1Assss,边界条件： 凸轮转过推程运动角t从动件上升h,一、多项式运动规律,一般表达式：s2=C0+ C11+ C221+Cnn1 (1),求一阶导数得速度方程

9、： v2 = ds2/dt,求二阶导数得加速度方程： a2 =dv2/dt =2 C221+ 6C3211+n(n-1)Cn21n-21,其中：1凸轮转角，d1/dt=1凸轮角速度, Ci待定系数。,= C11+ 2C211+nCn1n-11,凸轮转过回程运动角h从动件下降h,边界条件：一、多项式运动规律一般表达式：s2=C0+ C1,在推程起始点：1=0， s2=0,代入得：C00， C1h/t,推程运动方程： s2 h1/t,v2 h1 /t,t,h,在推程终止点：1=t ，s2=h,刚性冲击,s2 = C0+ C11+ C221+Cnn1,v2 = C1+ 2C21+nCn1n-11,a

10、2 = 2 C221+ 6C3211+n(n-1)Cn21n-21,同理得回程运动方程： s2h(1-1/h ),v2-h1 /h,a20,a2 0,1.等速运动（一次多项式）运动规律,在推程起始点：1=0， s2=0代入得：C00， C1,2. 等加等减速（二次多项式）运动规律,位移曲线为一抛物线。加、减速各占一半。,推程加速上升段边界条件：,起始点：1=0， s2=0， v20,中间点：1=t /2，s2=h/2,求得：C00， C10，C22h/2t,加速段推程运动方程为：,s2 2h21 /2t,v2 4h11 /2t,a2 4h21 /2t,2. 等加等减速（二次多项式）运动规律位移

11、曲线为一抛物线。加,推程减速上升段边界条件：,终止点：1=t ，s2=h，v20,中间点：1=t/2，s2=h/2,求得：C0h， C14h/t ， C2-2h/2t,减速段推程运动方程为：,s2 h-2h(t 1)2/2t,1,v2 -4h1(t-1)/2t,a2 -4h21 /2t,2,3,5,4,6,2h/t,柔性冲击,4h2/2t,1a2h/2th/2推程减速上升段边界条件：终止点：1,同理可得回程等加速段的运动方程为：s2 h-2h21/,3.五次多项式运动规律,位移方程： s2=10h(1/t)315h (1/t)4+6h (1/t)5,1,s2,v2,a2,无冲击，适用于高速凸轮

12、。,3.五次多项式运动规律位移方程：1s2v2a2ht无冲击,二、三角函数运动规律,1.余弦加速度(简谐)运动规律,推程： s2h1-cos(1/t)/2,v2 h1sin(1/t)1/2t,a2 2h21 cos(1/t)/22t,回程： s2h1cos(1/h)/2,v2-h1sin(1/h)1/2h,a2-2h21 cos(1/h)/22h,Vmax=1.57h/20,在起始和终止处理论上a2为有限值，产生柔性冲击。,ht1 s21a2二、三角函数运动规律1.余弦加速度(,2.正弦加速度（摆线）运动规律,无冲击,s211a21v2ht2.正弦加速度（摆线）运动规,正弦改进等速,三、改进型

13、运动规律,将几种运动规律组合，以改善运动特性。,v2s 2a 2111hooot正弦改进等速三、改进,33 凸轮机构压力角,一、压力角与作用力的关系二、压力角与凸轮机构尺寸的关系,33 凸轮机构压力角一、压力角与作用力的关系,一、压力角与作用力的关系,压力角:,从动件上的驱动力与该力作用点绝对速度之间所夹的锐角。,凸轮机构的压力角：,接触点法线与从动件上作用点速度方向所夹的锐角。,一、压力角与作用力的关系压力角: 从动件上的驱动,F,P,力 F 分解为沿从动件运动方向的有用分力 F 和使从动件紧压导路的有害分力 F 。,F F tg ,1、 F一定时， 压力角越大 ，有害分力 F越大，机构的效

14、率越低。,上式表明：,2、 自锁：当增大到一定程度，使有害分力F在导路中所引起的摩擦阻力大于F 时， 无论凸轮加给从动件的作用力有多大 ，从动件都不能运动，这种现象称为自锁。,CBS2eOvrmin1213nnFFF P,压力角的大小反映了机构传力性能的好坏，是机构设计的重要参数。为使凸轮机构工作可靠，受力情况良好，必须对压力角加以限制。 在设计凸轮机构时，应使最大压力角max不超过许用值。根据工程实践的经验，许用压力角的数值推荐如下： 推程时，对移动从动件，=3038；对摆动从动件，=4550。回程时，由于通常受力较小且一般无自锁问题，故许用压力角可取的大一些，通常取=7080。当采用滚子从

15、动件、润滑良好及支撑刚度较大或受力不大而要求结构紧凑时，可取上述数据较大值，否则取较小值。,压力角的大小反映了机构传力性能的好坏，是机构,由于凸轮机构在工作过程中，从动件与凸轮轮廓的接触点是变化的，各接触点处的公法线方向不同，使得凸轮对从动件的作用力的方向也不同。因此，凸轮轮廓上各点处的压力角是不同的。设计凸轮机构时，基圆半径rb选得越小，所设计的机构越紧凑。但基圆半径的减小会使压力角增大，对机构运动不利。 图4-1所示的偏置移动滚子从动件盘形凸轮机构，凸轮作逆时针方向转动，从动件偏置于凸轮轴心的右侧。过滚子中心点B作凸轮理论轮廓的法线，与过O的从动件导路垂线交于P，根据平面运动速度分析理论，

16、该点就是凸轮与导杆在此刻的速度瞬心或（同速点），即凸轮在P点速度的大小和方向等于移动从动件在此刻速度的大小和方向。,由于凸轮机构在工作过程中，从动件与凸轮轮廓的接,图4-1 凸轮机构压力角的几何关系,图4-1 凸轮机构压力角的几何关系,由图中DPB,考虑到，凸轮机构的压力角计算公式为,（3-1）,由图中DPB 考虑到，凸轮机构的压力角计算公式为 （3,式中： 任意位置时的压力角； rb理论轮廓线的基圆半径；s 从动件位移；e 偏距； ds/d 位移曲线的斜率， 推程时为正， 回程时为负。,当导路与瞬心在凸轮轴心的同侧时，取负号，可使压力角减小；当导路和瞬心在凸轮轴心异侧时，取加号，压力角增大。

17、,（3-1）,以上公式反映了rb及ds/d对机构压力角的影响。 ,式中： 任意位置时的压力角； 当导路,二、压力角与凸轮机构尺寸的关系,直动从动件盘形凸轮压力角为：,公式说明：,在其它条件不变的情况下，基圆半径越小，压力角越大，机构越紧凑。,式中：任意位置时的压力角； rmin理论轮廓线的基圆半径；S从动件位移；e 偏距；ds/d -位移曲线的斜率，推程时为正， 回程为负。,二、压力角与凸轮机构尺寸的关系 CBS2eOvrmin12,e为从动件导路偏离凸轮回转中心的距离，称为偏距。当导路和瞬心p在凸轮轴心o的同侧时，式中“-”号，可使压力角减小；反之，当导路和瞬心p在凸轮轴心o的异侧时，取“+

18、”号，压力角增大。为了减小推程压力角，应将从动件导路向推程相对速度瞬心的同侧偏置，即e为负值。但同时会产生使回程压力角增大的现象，所以e不能过大。,e为从动件导路偏离凸轮回转中心的距离，称为偏距。当导路和瞬心,一、直动从动件盘形凸轮轮廓绘制二、摆动从动件盘形凸轮轮廓绘制,34 图解法设计凸轮轮廓曲线,一、直动从动件盘形凸轮轮廓绘制34 图解法设计凸轮,凸轮设计的基本原理采用的是“反转法”，即凸轮轮廓设计中，是认为凸轮静止不动，从动件相对于凸轮轴心做反方向（反转）运动，并令从动件相对其导路按给定的运动规律运动。,一、直动从动件盘形凸轮轮廓绘制,凸轮设计的基本原理采用的是“反转法”，即凸轮轮廓设,

19、2、再按空间尺寸要求决定凸轮的基圆半径。,1、根据工作要求先确定从动件运动规律。,步骤：,3、绘制出凸轮轮廓。,2、再按空间尺寸要求决定凸轮的基圆半径。1、根据工作要求先确,已知凸轮的基圆半径r0，角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,设计步骤小结：,选比例尺l作基圆r0。,反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。,确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。,将各尖顶点连接成一条光滑曲线。,1.对心直动尖顶从动件盘形凸轮,二、直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制,60r0120-1已知凸轮的基圆半径r0，角速度,2)对心直动滚子推杆盘形凸轮,理论轮廓,实际轮廓,作各位置滚子圆的内(外)包络线。,已

20、知凸轮的基圆半径r0，角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,2)对心直动滚子推杆盘形凸轮s 91113151357,3)对心直动平底推杆盘形凸轮,已知凸轮的基圆半径r0，角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,作平底直线族的内包络线。,8,7,6,5,4,3,2,1,9,10,11,12,13,14,3)对心直动平底推杆盘形凸轮s 9111315135,已知凸轮的基圆半径r0，角速度和从动件的运动规律和偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。,4)偏置直动尖顶从动件盘形凸轮,911131513578OeA已知凸轮的基圆半径r0，角速度,5)摆动尖顶推杆盘形凸轮机构,已知凸轮的基圆半径r

21、0，角速度，摆杆长度l以及摆杆回转中心与凸轮回转中心的距离d，摆杆角位移方程，设计该凸轮轮廓曲线。,B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7,B8,d,5)摆动尖顶推杆盘形凸轮机构120B11r0 601,设计凸轮机构时应注意滚子半径的问题：（P47）,1. 当minrT时，0，实际轮廓为平滑曲线；,设理论轮廓外凸部分的最小曲率半径用min表示，滚子半径用rT表示，则相应位置实际轮廓的曲率半径 minrT。,设计凸轮机构时应注意滚子半径的问题：（P47）1. 当mi,2. min=rT时， =0，实际轮廓为一个尖点；,3. minrT时， 0，实际轮廓发生相交，无法实现该运动规律。,2. mi

22、n=rT时， =0，实际轮廓为一个尖点；3.,为了使凸轮轮廓既不变尖，又不相交，滚子半径必须小于理论轮廓外凸部分的最小曲率半径min。,为了使凸轮轮廓既不变尖，又不相交，滚子半径必,35 解析法设计凸轮的轮廓,结果：求出轮廓曲线的解析表达式-,已知条件：e、rmin、rT、S=S()、及其方向。,理论轮廓的极坐标参数方程：,原理：反转法。,=+0,tg0 = e/ S0,tg = e/(S + S0),即B点的极坐标, (+0),(+),=,参数方程。,BB0OS0S35 解析法设计凸轮的轮廓结果：求出轮,其中： tg=,实际轮廓方程是理论轮廓的等距曲线。由高等数学可知：等距线对应点具有公共的

23、法线。,T =+,实际轮廓上对应点的 T 位置：,位于理论轮廓 B 点法线 n-n 与滚子圆的交线上。,T点的极坐标参数方程为：,由图有： =+,rT sin , - rT cos ,直接引用前面的结论,其中： tg=B0BO1-111n,本章重点：,常用从动件运动规律：特性及作图法；,理论轮廓与实际轮廓的关系；,凸轮压力角与基圆半径rmin的关系；,掌握用图解法设计凸轮轮廓曲线的步骤与方法；,掌握解析法在凸轮轮廓设计中的应用。,直角坐标参数方程为：,x = T cos T,y = T sin T,本章重点：常用从动件运动规律：特性及作图法；理论轮廓与实,作业：P52：3-33-4,本章结束,作业：本章结束,