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1、第 三 章,凸轮机构及其设计,3-1凸轮机构的应用及分类,凸轮机构：由凸轮、推杆和机架三个主要构件所组成的高副机构。,凸轮（cam） ：具有某种曲线和凹槽的构件。,凸轮1,3-1凸轮机构的应用及分类,一、凸轮机构的应用(Application of Cams),内燃机,凸轮组合机构,一、凸轮机构的应用,盘型凸轮的应用,3-1凸轮机构的应用及分类,一、凸轮机构的应用,等径凸轮的应用,3-1凸轮机构的应用及分类,一、凸轮机构的应用,3-1凸轮机构的应用及分类,圆柱凸轮机构的应用,3-1凸轮机构的应用及分类,一、凸轮机构的应用,利用凸轮机构转位,一、凸轮机构的应用,3-1凸轮机构的应用及分类, 靠模
2、,一、凸轮机构的应用,1）移动料斗4至型腔上方，并使料斗振 动， 将粉料装入型腔。,2）下冲头6下沉，以防止上冲头12下压时将 型腔内粉料抖出。,3）上、下冲头对粉料加压，并保压一 定时间。,4）上冲头退出，下冲头顶出药片。,3-1凸轮机构的应用及分类,3-1凸轮机构的应用及分类,二、凸轮机构的分类 (Classification of Cams),1）按凸轮的形状分：,盘形凸轮(Disk Cam),移动凸轮(Translating Cam),平面凸轮,平面凸轮,二、凸轮机构的分类,1）按凸轮的形状分：,圆柱凸轮,（空间凸轮）(Spatial Cam),3-1凸轮机构的应用及分类,3-1凸轮机
3、构的应用及分类,二、凸轮机构的分类,2）按从动件的形状分：,尖顶从动件(Tip Follower),滚子从动件(Roller Follower),平底从动件(Flat-faced Follower)。,2）按从动件的形状分：,3-1凸轮机构的应用及分类,3）按从动件的运动形式分：,移动从动件(Translating Follower),偏置移动从动件,对心移动从动件,3-1凸轮机构的应用及分类,3-1凸轮机构的应用及分类,3）按从动件的运动形式分：,摆动从动件(Oscillating Follower),力锁合 (Force Closure),4）按凸轮高副的锁合方式分：,3-1凸轮机构的应用
4、及分类,3-1凸轮机构的应用及分类,沟槽凸轮,等宽凸轮,4）按凸轮高副的锁合方式分：,形锁合(Profile Closure)。,等径凸轮,力锁合,形锁合,尖顶从动件,滚子从动件,平底从动件,摆动从动件,偏置移动从动件,对心移动从动件,盘形凸轮,移动凸轮,圆柱凸轮,小结：,优点：,3-1凸轮机构的应用及分类,三、凸轮机构的优缺点,构件少，运动链短，结构简单紧凑；,点、线接触，易磨损；,易使从动件得到各种预期的运动规律。,缺点：,所以凸轮机构多用在传递动力不大的场合。,凸轮的基圆以凸轮理论廓线上的最小向径r0所作的圆称为基圆。,推程从动件从距离凸轮回转中心最近位置到距离凸轮回转中心最远位置的过程
5、，称为推程。相应移动的距离h称为行程。对应凸轮转角称为推程运动角。,远休止角s推杆在最高位置静止不动，此过程称为远休，凸轮相应的转角。,回程 从动件从距离凸轮回转中心最远位置到起始位置，从动件移向凸轮回转中心的行程，称为回程。对应凸轮转角称为回程运动角。,近休止角 s 推杆在最低位置静止不动，此过程称为近休，凸轮相应的转角。,3-2 从动件常用运动规律及其选择,一、凸轮机构的基本名词术语,运动规律,摆动从动件凸轮机构,最大摆角,一、凸轮机构的基本名词术语,凸轮机构的设计任务：,为满足凸轮机构的输出件提出的运动要求、动力要求等，凸轮机构的设计大致可分成以下四步：,（1）从动件运动规律的设计,（2
6、）凸轮机构基本尺寸的设计,（3）凸轮机构轮廓曲线的设计,（4）绘制凸轮机构工作图,一、凸轮机构的基本名词术语,二、从动件运动规律的设计,（1）升-停-回-停型（RDRD型）,（2）升-回-停型（RRD型）,（3）升-停-回型（RDR型）,（4）升-回型（RR型）,按照从动见件在一个循环中是否需要停歇及停在何处等，可将凸轮机构从动件的位移曲线分成如下四种类型：,三、从动件常用运动规律(Law of Motion of Follower ),3-2 从动件常用运动规律及其选择,（一）多项式运动规律,其位移方程的一般形式为：,式中， 为凸轮的转角（rad )；c0，c1，c2，.cn为n+1个待定系
7、数。,1. n=1的运动规律（等速运动规律）,推程的运动方程：,其推程的边界条件为：,三、从动件常用运动规律,（一）多项式运动规律,则得：C0 = 0 ，C1 = h/,从动件在运动起始位置和终止两瞬时的加速度在理论上由零值突变为无穷大，惯性力也为无穷大。由此的冲击称为刚性冲击。适用于低速场合。,1. n=1的运动规律（等速运动规律）,三、从动件常用运动规律,（一）多项式运动规律,2. n = 2的运动规律,（等加速等减速运动规律）,推程等加速运动的方程式为：,推程等加速运动的边界条件为：,三、从动件常用运动规律,（一）多项式运动规律,得：C0 = -h，C1 =4 h/，C2 =-2 h/,
8、在运动规律推程的始末点和前后半程的交接处，加速度虽为有限值，但加速度对时间的变化率理论上为无穷大。由此引起的冲击称为柔性冲击。,适当增加多项式的幂次，就有可能获得性能良好的运动规律。但幂次越高，要求的加工精度也愈高。,3. n3 的高次多项式运动规律,三、从动件常用运动规律,（一）多项式运动规律,等加速等减速运动规律从动件位移曲线绘制方法一,等加速等减速运动规律从动件位移曲线绘制方法二,三、从动件常用运动规律,（二）三角函数类基本运动规律,1.余弦加速度运动规律（推程）,对RDRD型运动循环，该运动规律在推程的起、止瞬时，从动件的加速度有突变，故存在柔性冲击。适用于中、低速场合。,对RR型运动
9、，若推程、回程均为余弦加速度规律，加速度曲线无突变，因而无冲击，可用于高速凸轮。,（二）三角函数类基本运动规律,1.余弦加速度运动规律,三、从动件常用运动规律,（二）三角函数类基本运动规律,2. 正弦加速度运动规律（推程）,3-3 平面凸轮轮廓曲线的设计,一、基本原理,假想给正在运动着的整个凸轮机构加上一个与凸轮角速度大小相等、方向相反的公共角速度（- ），这样，各构件的相对运动关系并不改变，但原来以角速度转动的凸轮将处于静止状态；机架（从动件的导路）则以（ - ）的角速度围绕凸轮原来的转动轴线转动；而从动件一方面随机架转动，另一方面又按照给定的运动规律相对机架作往复运动。反转法,一、基本原理
10、（反转法）,3-3 平面凸轮轮廓曲线的设计,（一）直动从动件盘型凸轮机构凸轮廓线的设计,1. 尖顶从动件 (Tip Follower),已知：基圆半径；凸轮逆时针转动；,推杆的运动规律为：,凸轮转过推程角900时，推杆等速上升h；,凸轮转过推程角1500时，推杆静止不动；,凸轮转过推程角1200时，推杆等加速等减速下降h。,设计此凸轮轮廓曲线。,3-3 平面凸轮轮廓曲线的设计,二、用图解法设计凸轮轮廓曲线,（1）取l ，作出推杆运动规律 位移线图；,（2）取l ，作出基圆、并标 出凸轮机构的初始位置；,步骤：,（3）按- 方向作出推杆在反转中占据的位置。（按横坐标相应的区间和等份，在基圆上划分
11、 1、2、3等分点；并过这 些点作射线，即为反转导路线）；,（4）作出推杆在反转中按自身运动规律运动所占据的位置。（在各反转导路线上量取与位移图相应的位移，得B1、B2、 ）；,（5）光滑连接B1、B2、 各点，即为凸轮轮廓曲线。,B8,（1）对心直动尖顶从动件,3-3 平面凸轮轮廓曲线的设计,（2）偏置直动尖顶从动件（已知偏距e）,（1）取l ，作出推杆运动规律 位移线图；,（2）取l ，作出基圆、偏置圆，并标出凸轮机构的初始位置；,步骤：,（3）按- 方向作出推杆在反转中占据的位置。（按横坐标相应的区间和等份，在划分偏距圆上得 c0、c1、c2等点；并过这 些点作 偏距圆的切线，即为反转导
12、路线）；,（4）作出推杆在反转中按自身运动规律运动所占据的位置。（在各反转导路线上量取与位移图相应的位移，得B1、B2、 ）；,（5）光滑连接B1、B2、 各点，即为凸轮轮廓曲线。,3-3 平面凸轮轮廓曲线的设计,（）滚子从动件 (Roller Follower),步骤：,（2）以理论廓线各点为圆心，滚子半径为半径作圆族；,（3）作圆族的内包络线，既为所求凸轮轮廓曲线。,（1）将滚子中心视为推杆的尖顶，按上述方法作出理论廓线；,3-3 平面凸轮轮廓曲线的设计,（）平底移动从动件 (Flat-faced Follower),60,（2）作一系列代表推杆平底的直线族；,（3）作直线族的内包络线，既
13、为所求凸轮轮廓曲线。,（1）将推杆导路中心视为推杆的尖顶，按上述方法作出理论廓线；,步骤：,3-3 平面凸轮轮廓曲线的设计,对于平底移动从动件盘型凸轮，只要运动规律相同，偏置从动件和对心从动件具有相同的轮廓。,为了保证在所有位置从动件平底都能与凸轮轮廓曲线相切，凸轮廓线必须是外凸的。,（）平底移动从动件 (Flat-faced Follower),3-3 平面凸轮轮廓曲线的设计,(二）摆动从动件(Oscillating)盘型凸轮轮廓曲线的设计,步骤：,（1）取l ，作出摆杆运动规律位移线图；,（2）取l ，作出基圆及初始位置，标出凸轮机构的转向；,（3）作出摆杆在反转中依次占据的位置，（按-
14、方向划分圆R，得A0、A1、A2等点；即机架反转的一系列位置）；,（4）作出从动件反转后按自身运动规律运动所占据的一系列位置，（在各反转导路线上量取与位移图相应的位移，得 C1、C2、 等点），,（5）光滑连接各点即为凸轮轮廓曲线。,3-4 凸轮机构设计时应注意的事项,一、凸轮机构中的压力角和自锁,根据力的平衡条件，可得：,经过整理后得：,分析：,1）在其他条件相同的情况下，压力角 愈大，则分母愈小，因而凸轮机构中 的作用力 P 将愈大；如果压力角大 到使上式中的分母为零，则作用力将 增至无穷大，此时机构将发生自锁， 而此时的压力角称为临界压力角C 。,3-4 凸轮机构设计时应注意的事项,2）
15、为保证凸轮机构能正常运转，设计时应使最大压力 角max小于临界压力角C。即 max。,工作行程：,移动从动件， =3038；,摆动从动件， =4045,非工作行程：, = 7080,3）增大导轨b，减少悬臂l，可以使临界压力角的数值得 以提高，可减少自锁的性能。但临界压力角不能太大， 否则将影响机构的传 动性能。因此，一般规定：,3-4 凸轮机构设计时应注意的事项,二、压力角和机构尺寸的关系,P 为构件1、2 的瞬心,v2= vP=op . ；,op = v2 / ；,注意：“+”、“-”,“ - ”：偏距 e 与瞬心 P 在 O 点同侧；,“ +”：偏距 e 与瞬心 P 在 O 点两侧；,3
16、-4 凸轮机构设计时应注意的事项,二、压力角和机构尺寸的关系,分析：,1）rb ，则；从而改善机构的传力特性。但这时机 构 的尺寸将会增大。,2） rb ，则；尺寸减小，结构紧凑。但若 ， 则 。,基圆半径随压力角的增加而减少。若使机构具有良好的传力性能，小好，若使机构结构紧凑，则大好，两者互相制约。故在满足max的条件下，合理选择基圆半径。,3-4 凸轮机构设计时应注意的事项,二、压力角和机构尺寸的关系,从动件偏置目的：减小推程的压力角。,由公式可知： e，则； e；这取决于凸轮的转向和从动件的偏置方向。在设计凸轮机构时，若 ，而机械的结构空间又不允许基圆半径增大，则可以调整偏距 来使下降。
17、,凸轮逆时针转动，则推杆右偏置；凸轮顺时针转动，则推杆左偏置。,3-4 凸轮机构设计时应注意的事项,二、压力角和机构尺寸的关系,3-4 凸轮机构设计时应注意的事项,三、基圆半径的确定,1）受力不大，而要求结构紧凑时，,2）经验公式： rb =r（1. 6 2）；r 凸轮轴半径。,3-4 凸轮机构设计时应注意的事项,1. 内凹凸轮轮廓曲线,amin = min +rr 0,不论滚子半径大小如何，凸轮的工作曲线总是能平滑地作出来。,四、滚子半径的选择,3-4 凸轮机构设计时应注意的事项,2. 外凸凸轮轮廓曲线,四、滚子半径的选择,amin = min - rr 0,=, 0； min rr ；,=
18、0； min = rr ；, 0； min rr ；,3-4 凸轮机构设计时应注意的事项,minrr ，工作齿廓出现交叉失真现象。,min=rr，工作齿廓出现尖点尖顶现象。,2. 外凸凸轮轮廓曲线,四、滚子半径的选择,设计时应注意的事项,rr min,min,rr,2. 外凸凸轮轮廓曲线,四、滚子半径的选择,3-4 凸轮机构设计时应注意的事项,2. 外凸凸轮轮廓曲线,四、滚子半径的选择,为避免运动失真，则： amin =min-rr3mm。,建议：rr0.8min，或rr （0.10.5rb,滚子的尺寸还受其强度、结构的限制，因此也不能太小，一般取：,3-4 凸轮机构设计时应注意的事项,五、平底宽度的确定,1）由于P为构件1、2的瞬心,3-4 凸轮机构设计时应注意的事项,五、平底宽度的确定,2）由作图法可得平底总长：, 10）mm,3-4 凸轮机构设计时应注意的事项,谢谢,
