05凸轮机构与工程材料.pptx
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1、1 1基基 本本 要要 求求 1.1.了解了解凸轮机构凸轮机构的基本类型和应用。的基本类型和应用。2.2.了解凸轮机构从动件的常用运动规律。了解凸轮机构从动件的常用运动规律。3.3.掌握用图解法设计盘形凸轮轮廓的方法。掌握用图解法设计盘形凸轮轮廓的方法。4.4.掌握凸轮机构的掌握凸轮机构的压力角压力角与基圆半径的概念与基圆半径的概念与应用。与应用。5.5.了解棘轮机构和槽轮机构的工作原理、特了解棘轮机构和槽轮机构的工作原理、特点和应用。点和应用。6.6.了解不完全齿轮机构的工作原理。了解不完全齿轮机构的工作原理。2 2 10.1 10.1 凸轮机构的应用与分类凸轮机构的应用与分类 10.1.1
2、 10.1.1 凸轮机构的组成凸轮机构的组成 凸轮机构凸轮机构是由是由凸轮、凸轮、从动件从动件和和机架机架三个三个基本构件基本构件组成的组成的高高副机构副机构。内内 燃燃 机机配气机构配气机构 3 3 凸凸轮轮是是该该机机构构的的主主动动件件,具具有有曲曲线线工工作作表表面面(即即曲曲线线轮轮廓廓和和凹凹槽槽)。通通常常作作连连续续等等速速转转动动(有有时时,作作往往复复直直线线移移动动)。从从动动件件的的运运动动是是由由凸凸轮轮给给予予的的,在在极极限限范范围围内内,按按要要求求作作一一定定规规律律的的运运动动。例例如如连连续续往往复复运运动动、间间歇歇运运动动、摆摆动动等等,即即可可使使从
3、从动动件件作作连连续续的的或或不不连连续的任意预期运动续的任意预期运动。内燃机配气内燃机配气机构简图机构简图 4 4 10.1.2 10.1.2 凸轮机构的应用凸轮机构的应用 凸凸轮轮机机构构是是一一种种结结构构简简单单且且容容易易实实现现任任意意复复杂杂的运动规律的运动规律的的常用机构常用机构。利利用用凸凸轮轮轮轮廓廓曲曲线线可可使使从从动动件件实实现现各各种种给给定定的的运运动动规规律律。因因此此,凸凸轮轮机机构构在在多多种种机机械械,特特别别是是在在自动化和半自动化机械中自动化和半自动化机械中得到了广泛的应用。得到了广泛的应用。6.1.3 6.1.3 凸轮机构的分类凸轮机构的分类 1.1
4、.按凸轮型式分按凸轮型式分 盘盘形形凸凸轮轮是是一一个个绕绕固固定定轴轴回回转转、工工作作轮轮廓廓具具有有不不同同曲率半径的盘形零件。是凸轮的最基本型式。曲率半径的盘形零件。是凸轮的最基本型式。移移动动凸凸轮轮是是相相对对于于机机架架作作往往复复直直线线运运动动。当当凸凸轮轮1 1在在其其他他机机构构带带动动下下左左右右移移动动时时,凸凸轮轮上上的的沟沟槽槽通通过过滚滚子子推推动从动件上下运动。动从动件上下运动。5 5 圆圆柱柱凸凸轮轮是是在在圆圆柱柱面面上上加加工工出出曲曲线线工工作作表表面面的的凸凸轮轮,也也可可视视为为将将移移动动凸凸轮轮卷卷成成圆圆柱柱体体而而绕绕一固定轴回转而构成的。
5、一固定轴回转而构成的。移动凸轮机构移动凸轮机构 圆柱凸轮机构圆柱凸轮机构 6 6 2 2按从动件型式分按从动件型式分直动直动摆动摆动凸轮机构凸轮机构盘形凸轮盘形凸轮移动凸轮移动凸轮圆柱凸轮圆柱凸轮 运动形式运动形式工作端工作端 按凸轮型式分按凸轮型式分从动件型式分从动件型式分尖端尖端曲面曲面 滚子滚子平底平底 按按从从动动件件的的运运动动形形式式和和工工作作端端形形式式区区分分,从从动动件件可可直直动动或或摆摆动动,其其工工作作端端可可为为尖尖端端、滚滚子子、平平底和其他曲面。底和其他曲面。7 7 10.1.4 10.1.4 凸轮机构的特点凸轮机构的特点 1 1优优点点:从从动动件件可可实实现
6、现任任意意的的运运动动规规律律;而而且且结构简单、紧凑结构简单、紧凑。2 2缺缺点点:由由于于是是高高副副接接触触,产产生生高高接接触触应应力力,易易磨磨损损;不不宜宜传传递递很很大大的的力力。此此外外,凸凸轮轮制制造造较较复复杂杂,精度要求高时需用数控机床加工。,精度要求高时需用数控机床加工。10.2 10.2 从动件常用的运动规律从动件常用的运动规律 10.2.1 10.2.1从动件的位移图线从动件的位移图线 分分析析机机凸凸轮轮构构的的工工作作原原理理可可知知,由由凸凸轮轮轮轮廓廓的的形形状状决决定定从从动动件件的的运运动动规规律律;而而设设计计凸凸轮轮机机构构时时,则则是是根根据据从从
7、动动件件的的运运动动规规律律去去确确定定凸凸轮轮的的工工作作轮轮廓廓。8 8 从从动动件件位位移移图图线线是是指指从从动动件件的的位位移移S S和和凸凸轮轮转转角角的关系曲线。它是设计凸轮轮廓曲线的依据。的关系曲线。它是设计凸轮轮廓曲线的依据。9 9基基 本本 术术 语语 基圆:基圆:以凸轮轮廓的最小向径以凸轮轮廓的最小向径r rb b为半径绘制的圆。为半径绘制的圆。推推程程:当当凸凸轮轮以以匀匀速速角角速速度度逆逆时时针针转转过过0 0角角时时,从从动动件件被被凸凸轮轮推推动动,以以一一定定规规律律由由距距离离回回转转中中心心最最近近位置到达最远位置的过程。位置到达最远位置的过程。推程运动角
8、:推程运动角:与推程对应的凸轮转角与推程对应的凸轮转角0 0。升程:升程:在推程中,从动件上升的距离在推程中,从动件上升的距离h h。远远休休止止角角:当当凸凸轮轮继继续续回回转转s s角角时时,从从动动件件在在最最远位置停留不动,远位置停留不动,s s称为远休止角。称为远休止角。回回程程:从从动动件件在在弹弹簧簧或或重重力力作作用用下下,以以一一定定运运动动规规律律(沿沿凸凸轮轮上上相相应应轮轮廓廓)由由最最远远位位置置回回到到最最近近位位置置的的过程。是推程的逆向运动。过程。是推程的逆向运动。近近休休止止角角:当当凸凸轮轮继继续续回回转转 s s角角时时,从从动动件件在在最最近位置停留不动
9、,近位置停留不动,s s称为近休止角。称为近休止角。1010 凸凸轮轮轮轮廓廓形形状状决决定定了了从从动动件件的的位位移移图图线线。反反之之,从从动动件件不不同同的的运运动动规规律律要要求求凸凸轮轮具具有有不不同同形形状的轮廓曲线。状的轮廓曲线。1111 10.2.2 10.2.2 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律 从从动动件件常常用用的的运运动动规规律律有有匀匀速速、匀匀加加速速匀匀减减速速、简简谐谐运运动动规规律律等等几几种种。以以简简谐谐运运动动规规律律为为主主介绍从动件的运动规律。介绍从动件的运动规律。1 1简谐运动(余弦加速度运动)简谐运动(余弦加速度运动)质质点点在在圆圆周
10、周上上作作匀匀速速运运动动时时,它它在在该该圆圆直直径径上的投影所构成的运动称为上的投影所构成的运动称为简谐运动简谐运动。为为了了便便于于设设计计和和制制造造,通通常常把把从从动动件件的的运运动动规规律表示为凸轮转角律表示为凸轮转角的函数。的函数。1212 以以从从动动件件升升程程h h为为直直径径画画半半圆圆,将将该该半半圆圆分分成成n n等等分分(n6)(n6),得得1 1、2 2、3 3、n n点。点。将将凸凸轮轮推推程程运运动动角角0 0也分成相应的等分。也分成相应的等分。从从圆圆周周上上各各分分点点作作水水平平线线,分分别别与与0 0角角各各对对应应分分点点的的垂垂线线相相交交,得得
11、1 1、点。点。光光滑滑连连线线。把把上上述述交交点点连连成成的的光光滑滑曲曲线线便便是是从从动动件的位移图线。件的位移图线。由由加加速速度度图图线线可可知知,从从动动件件在在行行程程的的始始末末两两点点,加加速速度度出出现现有有限限值值的的突突变变,因因而而产产生生有有限限的的惯惯性性力力,引引起起所谓的所谓的“柔性冲击柔性冲击”。1313 2 2匀速运动匀速运动 当当凸凸轮轮等等速速运运动动时时,从从动动件件上上升升或或下下降降的的速速度度为为一一常常数数,这种运动规律称为这种运动规律称为匀速运动规律匀速运动规律。由由图图可可知知,从从动动件件在在运运动动开开始始和和终终止止时时的的瞬瞬时
12、时速速度度有有突突变变,所所以以这这时时的的加加速速度度及及其其产产生生的的惯惯性性力力在在理理论论上上为为无无穷穷大大(由由于于材材料料有有弹弹性性变变形形,虽虽然然加加速速度度和和惯惯性性力力不不会会达达到到无无穷穷大大,但但仍仍很很大大),从从而而产产生生强强烈烈的的冲冲击击、噪噪声声、高高应应力力和和磨磨损损。这这种种冲冲击击称称为为“刚刚性性冲冲击击”。因因此此,匀匀速速运运动动规规律律只只适适用用于于低低速速轻载。轻载。1414 3 3匀加速匀减速运动(抛物线运动)匀加速匀减速运动(抛物线运动)这这种种运运动动规规律律在在一一个个行行程程中中,常常取取前前半半程程作作匀匀加加速速运
13、运动动,后后半半程程作作匀匀减减速速运运动动,并并取取两两加加速速度度的的绝绝对对值值相相等等。采采用用此此运运动动规规律律可可使使凸凸轮轮机机构构的的动动力力特性有一定的改善特性有一定的改善。由由于于从从动动件件的的位位移移s s与与凸凸轮轮转转角角的的平平方方成成正正比比,其其位位移移曲曲线线为为一一抛抛物物线线,如如图图所所示示,当当转转角角为为1 1、2 2、3 3、4 4个个单单位位时时,位位移移的的比值为比值为1 1:4 4:9 9:1616。1515 由由图图可可知知,这这种种运运动动规规律律在在O O、A A和和B B各各点点处处加加速速度度出出现现有有限限值值的的突突变变,因
14、因而而产产生生有有限限的的惯惯性性力力,引引起起“柔柔性性冲冲击击”。所所以以匀匀加加速速匀匀减减速速运运动动规规律律只只使使用用于于低、中速低、中速情况。情况。1616此此外外,为为了了使使加加速速度度曲曲线线保保持持连连续续而而避避免免冲冲击击,特特别别对对于于高高速速凸凸轮轮机机构构,工工程程中中还还采采用用正正弦弦加加速速度度(摆摆线运动)、线运动)、高次多项式高次多项式等运动规律。等运动规律。1717 10.3 10.3 图解法设计盘形凸轮轮廓曲线图解法设计盘形凸轮轮廓曲线 10.3.1 10.3.1反转法原理反转法原理凸轮机构工作时,若凸轮以角速度凸轮机构工作时,若凸轮以角速度回转
15、。回转。在在设设计计凸凸轮轮时时,则则需需要要凸凸轮轮相相对对固固定定。根根据据相相对对运运动动原原理理,若若给给整整个个机机构构加加上上绕绕凸凸轮轮轴轴心心的的公公共共角角速速度度(-),机机构构各各构构件件间间的的相相对对运运动动不不变变。于于是是,凸凸轮轮变变成成不不动动,而而从从动动件件一一方方面面和和机机架架以以角角速速度度(-)绕绕轴轴心心转转动动,另另一一方方面面仍仍按按给给定定运运动动规规律律相相对对于于机机架架导导路路作作往往复复运运动动。由由于于尖尖端端始始终终与与凸凸轮轮轮轮廓廓保保持持接接触触,所所以以反反转转后后尖尖底底的的运运动动轨轨迹迹就就是是凸凸轮轮轮轮廓廓。这
16、这种种设设计计凸凸轮轮轮轮廓廓曲曲线线的的方方法法称称为为反反转转法法,又又称称相相对对运运动法动法。1818 10.3.2 10.3.2对心直动尖底从动件盘形凸轮对心直动尖底从动件盘形凸轮 其其理理论论根根据据是是相相对对运运动动原原理理,在在整整个个机机构构上上附附加加公公共共角角速速度度后后,机机构构中中各各构构件件之之间间的的相相对对运运动关系仍保持不变。动关系仍保持不变。建建立立在在“反反转转法法原原理理”基基础础上上,根根据据从从动动件件的的位位移移图图线线和和所所确确定定(或或已已知知)的的基基圆圆半半径径绘绘制制凸轮轮廓的方法称为凸轮轮廓的方法称为“图解法图解法”。当当凸凸轮轮
17、机机构构中中的的凸凸轮轮以以等等角角速速度度逆逆时时针针转转动动,凸凸轮轮基基圆圆半半径径为为r rb b;从从动动件件运运动动规规律律为为:推推程程运运动动角角120120o o,从从动动件件等等速速上上升升一一个个行行程程h h,远远休休止止角角6060o o,回回程程运运动动角角9090o o ,从从动动件件等等速速下下降降回回到到最最低低位位置置,近近休休止止角角9090o o,此此时时凸凸轮轮转转动动一一周周。试试设计凸轮的轮廓曲线。设计凸轮的轮廓曲线。1919 .根根据据已已知知条条件件(从从动动件件的的运运动动规规律律),选选取取长长度度比比例例尺尺和和角角度度比比例例尺尺(实实
18、际际角角度度/图图样样线线性性尺尺寸寸)作作出出位位移图线。移图线。.将位移图线的推程和回程所对应的转角等分为若干将位移图线的推程和回程所对应的转角等分为若干等分(图中推程为四等分,回程为三等分)。等分(图中推程为四等分,回程为三等分)。2020 .用同样的比例尺,以用同样的比例尺,以O O为圆心,以为圆心,以 为半径作基圆。从动件导路与基圆的交点为半径作基圆。从动件导路与基圆的交点C C0 0(B B0 0)即为从)即为从动件尖底的起始位置。动件尖底的起始位置。2121 .确定从动件在反转运动中依次占据的各个位置。自确定从动件在反转运动中依次占据的各个位置。自OBOB0 0开始沿开始沿-方向
19、量取凸轮各运动阶段的角度,并将转角与位方向量取凸轮各运动阶段的角度,并将转角与位移图线相同的等分。等分线与基圆相交移图线相同的等分。等分线与基圆相交C C1 1、C C2 2、C C3 3等点。等点。等分线表示从动件在反转运动中依次占据的位置线。等分线表示从动件在反转运动中依次占据的位置线。2222 ,点,点B B1 1、B B2 2、B B3 3,就是从动件尖底作复合运动,就是从动件尖底作复合运动时各点的位置,光滑连接各点即为所求凸轮轮廓曲线。时各点的位置,光滑连接各点即为所求凸轮轮廓曲线。.在等分线上,过在等分线上,过C C1 1、C C2 2、C C3 3各点分别向外按位移各点分别向外按
20、位移曲线量对应的位移,得点曲线量对应的位移,得点B B1 1、B B2 2、B B3 3;即;即 232310.3.3 10.3.3 对心直动滚子从动件盘形凸轮对心直动滚子从动件盘形凸轮 滚滚子子中中心心的的运运动动规规律律与与尖尖底底从从动动件件尖尖底底处处的的运运动动规规律律相相同同,故故可可把把滚滚子子中中心心看看成成从从动动件件的的尖尖底底,按按上上述述方方法法先先求求得得尖尖底底从从动动件件的的凸凸轮轮轮轮廓廓线线,再再以以该该曲曲线线上上各各点点为为圆圆心心,用用滚滚子子半半径径r r为为半半径径作作一一系系列列圆圆,这这些些圆圆的的内内包包络络线线为为与与滚滚子子从从动动件件直直
21、接接接接触触的的凸凸轮轮轮轮廓廓,称称为为凸凸轮轮工工作作轮轮廓廓。相相应应尖尖底底从从动动件件的的凸凸轮轮轮轮廓廓线线在在凸凸轮轮工工作作时时并并不不直直接接,而而与与滚滚子子接接触触,故故称为称为凸轮理论轮廓凸轮理论轮廓。2424 滚滚子子从从动动件件凸凸轮轮的的基基圆圆半半径径r rb b是是指指理理论论轮轮廓廓的最小向径。的最小向径。设设计计滚滚子子从从动动件件凸凸轮工作轮廓的步骤:轮工作轮廓的步骤:先先按按尖尖底底从从动动件件凸凸轮轮的的设设计计方方法法作作出出其其理理论轮廓论轮廓,再再根根据据滚滚子子半半径径作作出出理理论论轮轮廓廓的的法法向向等等距距曲曲线线,即即为为滚滚子子从从
22、动动件件的凸轮的的凸轮的工作轮廓工作轮廓线。线。2525 滚子半径大小对凸轮实际轮廓线的形状的影响滚子半径大小对凸轮实际轮廓线的形状的影响 如如图图所所示示的的外外凸凸凸凸轮轮轮轮廓廓线线,工工作作轮轮廓廓的的曲曲率率半半径径a a等等于于理理论论轮轮廓廓曲曲线线曲曲率率半半径径与与滚滚子子半半径径之差之差,即,即a a=-r=-r。在在设设计计中中,若若rr,则则a a 00,工工作作轮轮廓廓为为一一光滑曲线光滑曲线,即下图所示。,即下图所示。2626 若若=r=r,则则a a =0=0,工工作作轮轮廓廓线线将将出出现现尖尖点点,如图如图b b,这种轮廓极易磨损,不能使用。,这种轮廓极易磨损
23、,不能使用。若若rr,则则a a 00 0 2828 10.4 10.4 凸轮机构的压力角和基圆半径凸轮机构的压力角和基圆半径 基基圆圆半半径径r rb b是是凸凸轮轮轮轮廓廓设设计计中中的的一一个个重重要要参参数数,它它对对凸凸轮轮机机构构的的尺尺寸寸、受受力力、磨磨损损和和效效率率等等都都有有着着重重要要的的影影响响。基基圆圆半半径径是是预预先先选选定定的的,其其大小取决于凸轮轴的直径和许用压力角。大小取决于凸轮轴的直径和许用压力角。10.4.1 10.4.1压力角及其许用值压力角及其许用值 凸凸轮轮机机构构的的压压力力角角是是指指在在不不计计摩摩擦擦的的情情况况下下,凸凸轮轮对对从从动动
24、件件的的作作用用力力方方向向(即即接接触触点点轮轮廓廓法法线线方向)与从动件运动方向之间所夹的锐角方向)与从动件运动方向之间所夹的锐角。压压力力角角是是衡衡量量凸凸轮轮机机构构传传力力特特性性好好坏坏的的一一个个重要参数。重要参数。2929 凸凸轮轮给给从从动动件件的的驱驱动动力力F Fn n将将沿沿法法线线nnnn方方向向,F Fn n可可分分解解为为沿沿从从动动件件运运动动方方向向的的有有用用分分力力F Fy y和和使使从从动动件件对对导导路路产产生生侧侧向向压压力力的的有有害分力害分力F Fx x 3030 当当F Fn n一一定定时时,压压力力角角越越大大,机机构构的的效效率率越越低低
25、。当当F Fx x增增大大到到一一定定程程度度,致致使使它它产产生生的的摩摩擦擦阻阻力力F Ff f等等于于或或大大于于有有用用分分力力F Fy y时时,无无论论凸凸轮轮给给从从动动件件的的驱驱动力有多大,也不能使从动件运动。动力有多大,也不能使从动件运动。仅仅在在驱驱动动力力或或驱驱动动力力矩矩作作用用下下,所所引引起起的的摩摩擦擦使机构不能产生运动的现象称为使机构不能产生运动的现象称为自锁自锁。机构开始自锁时的压力角称为机构开始自锁时的压力角称为极限压力角极限压力角。为为了了保保证证凸凸轮轮机机构构能能顺顺利利地地工工作作,并并且且有有一一定定的的传传动动效效率率,必必须须对对压压力力角角
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