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机械设计基础课件第三章凸轮机构机械设计基础课件第三章凸轮机构你现在浏览的是第一页，共28页第一节第一节 凸轮机构的应用和类型凸轮机构的应用和类型l l一、凸轮机构的应用一、凸轮机构的应用一、凸轮机构的应用一、凸轮机构的应用l l低副机构一般只能近似的地给定低副机构一般只能近似的地给定低副机构一般只能近似的地给定低副机构一般只能近似的地给定运动规律，且设计较复杂，当从动运动规律，且设计较复杂，当从动运动规律，且设计较复杂，当从动运动规律，且设计较复杂，当从动件的位移、速度、加速度必须严格件的位移、速度、加速度必须严格按预定规律变化，特别是当原动件按预定规律变化，特别是当原动件按预定规律变化，特别是当原动件按预定规律变化，特别是当原动件作连续运动时从动件必须作间歇运作连续运动时从动件必须作间歇运动下，采用凸轮机构设计最为简便。动下，采用凸轮机构设计最为简便。图图图图3-13-1为内燃机配气机构，气阀为内燃机配气机构，气阀2 2的的的的运动规律规定了凸轮的外形。当凸运动规律规定了凸轮的外形。当凸运动规律规定了凸轮的外形。当凸运动规律规定了凸轮的外形。当凸轮向径变化时，气阀产生往复运动，轮向径变化时，气阀产生往复运动，而当凸轮回转中心为圆心的圆弧轮廓而当凸轮回转中心为圆心的圆弧轮廓与气阀平底接触时，气阀静止不动。与气阀平底接触时，气阀静止不动。与气阀平底接触时，气阀静止不动。与气阀平底接触时，气阀静止不动。你现在浏览的是第二页，共28页第一节第一节 凸轮机构的应用和类型凸轮机构的应用和类型 图图图图3-23-2为绕线机中用于排线的为绕线机中用于排线的为绕线机中用于排线的为绕线机中用于排线的l l凸轮机构，当绕线轴凸轮机构，当绕线轴凸轮机构，当绕线轴凸轮机构，当绕线轴3 3快速转快速转快速转快速转l l动时，经齿轮带动凸轮动时，经齿轮带动凸轮动时，经齿轮带动凸轮动时，经齿轮带动凸轮1缓慢缓慢l l转动，通过凸轮轮廓与尖顶转动，通过凸轮轮廓与尖顶转动，通过凸轮轮廓与尖顶转动，通过凸轮轮廓与尖顶A Al l之间的作用，驱动从动件之间的作用，驱动从动件之间的作用，驱动从动件之间的作用，驱动从动件2 2往往l l复摆动，从而使线均匀的缠绕复摆动，从而使线均匀的缠绕l l在绕线轴上。在绕线轴上。你现在浏览的是第三页，共28页第一节第一节 凸轮机构的应用和类型凸轮机构的应用和类型你现在浏览的是第四页，共28页第一节第一节 凸轮机构的应用和类型凸轮机构的应用和类型 图图3-43-4为自动上料机构。为自动上料机构。为自动上料机构。为自动上料机构。l l凸轮是一个具有曲线轮廓或凸轮是一个具有曲线轮廓或凸轮是一个具有曲线轮廓或凸轮是一个具有曲线轮廓或l l凹槽的构件。它运动时，通凹槽的构件。它运动时，通凹槽的构件。它运动时，通凹槽的构件。它运动时，通l l过高副接触可以使从动件获过高副接触可以使从动件获过高副接触可以使从动件获过高副接触可以使从动件获l l得连续或不连续的任意预期得连续或不连续的任意预期l l运动。运动。运动。运动。l l优点：结构简单、紧凑、设优点：结构简单、紧凑、设优点：结构简单、紧凑、设优点：结构简单、紧凑、设l l计方便。计方便。计方便。计方便。l l缺点：高副接触易磨损。缺点：高副接触易磨损。缺点：高副接触易磨损。缺点：高副接触易磨损。l l凸轮机构主要由凸轮、从动件和机架三个基本构凸轮机构主要由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。件组成。你现在浏览的是第五页，共28页第一节第一节 凸轮机构的应用和类型凸轮机构的应用和类型l l二、凸轮机构的分类二、凸轮机构的分类l l按凸轮的形状分：盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮。按凸轮的形状分：盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮。l l按从动件的形式分：尖底、滚子、平底。按从动件的形式分：尖底、滚子、平底。l l按从动件的运动形式分：直动从动件（对心、偏心）、按从动件的运动形式分：直动从动件（对心、偏心）、摆动从动件。摆动从动件。l l按凸轮与从动件维持接触的方式分：外力锁合（重力、按凸轮与从动件维持接触的方式分：外力锁合（重力、弹簧力、其他力）、几何锁合（通过几何形状来锁合）弹簧力、其他力）、几何锁合（通过几何形状来锁合）你现在浏览的是第六页，共28页第二节第二节 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律 从动件的运动规律取决于凸轮的形状，而设计从动件的运动规律取决于凸轮的形状，而设计时，要按从动件的工作要求和条件设计凸轮曲线。时，要按从动件的工作要求和条件设计凸轮曲线。时，要按从动件的工作要求和条件设计凸轮曲线。时，要按从动件的工作要求和条件设计凸轮曲线。即凸轮要按从动件运动即凸轮要按从动件运动即凸轮要按从动件运动即凸轮要按从动件运动规律进行设计。规律进行设计。规律进行设计。规律进行设计。图图3-5a3-5a所示为一尖所示为一尖所示为一尖所示为一尖底直动从动件盘形凸轮底直动从动件盘形凸轮机构。其中以凸轮轮廓机构。其中以凸轮轮廓机构。其中以凸轮轮廓机构。其中以凸轮轮廓最小向径最小向径最小向径最小向径r rminmin为半径所为半径所为半径所为半径所作的圆称为该凸轮的基作的圆称为该凸轮的基圆。圆。圆。圆。你现在浏览的是第七页，共28页第二节第二节 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律l l一、凸轮的运动一、凸轮的运动l l推程：从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定运动推程：从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定运动 规律由离回转中心规律由离回转中心o最近的位置到达最远位置的过最近的位置到达最远位置的过程。程。l l从动件的升程：从动件沿导路方向上升的距离从动件的升程：从动件沿导路方向上升的距离h。l l推程运动角：推程对应凸轮的转角推程运动角：推程对应凸轮的转角t t。l l停程：凸停程：凸轮轮廓上两个廓上两个圆弧段弧段BC、DA与尖与尖顶相相接触接触时，从，从动件静止不件静止不动。l l回程：从回程：从动件由离件由离回转中心回转中心o最远的位置回到最近最远的位置回到最近位置的过程。位置的过程。你现在浏览的是第八页，共28页第二节第二节 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律l ls s远休止角、休止角、s s 近休止角、近休止角、hh回程运回程运动角角l l推程推程停程停程回程回程停程停程l lt t s s h h s sl l图3-5b所示，所示，为从从动件位移件位移线图。它反映了从。它反映了从动件位移件位移s与与转角角之之间的关系。所的关系。所谓从从动件运件运动规律，是指从律，是指从动件在运件在运动过程中，其位移程中，其位移s、速度、速度v、加速度加速度a随凸随凸轮转角角的的变化化规律。律。你现在浏览的是第九页，共28页第二节第二节 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律l l二、从动件常用运动规律二、从动件常用运动规律二、从动件常用运动规律二、从动件常用运动规律l l等速运动等速运动等速运动等速运动l l凸轮等速转动时，从动件在运动过程中的速度是常凸轮等速转动时，从动件在运动过程中的速度是常凸轮等速转动时，从动件在运动过程中的速度是常凸轮等速转动时，从动件在运动过程中的速度是常数。数。数。数。l l推程推程推程推程l l位移线图位移线图l l运动方程运动方程运动方程运动方程你现在浏览的是第十页，共28页第二节第二节 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律l l在始末两端加速度在始末两端加速度在始末两端加速度在始末两端加速度a a为正负无穷大，意味着凸轮为正负无穷大，意味着凸轮为正负无穷大，意味着凸轮为正负无穷大，意味着凸轮机构极大的刚性冲击，因此此运动规律用在低速、机构极大的刚性冲击，因此此运动规律用在低速、机构极大的刚性冲击，因此此运动规律用在低速、机构极大的刚性冲击，因此此运动规律用在低速、从动件质量较小的机构中。（实际上由于材料的从动件质量较小的机构中。（实际上由于材料的从动件质量较小的机构中。（实际上由于材料的从动件质量较小的机构中。（实际上由于材料的弹性变形，加速度和惯性力不会达到无穷大）弹性变形，加速度和惯性力不会达到无穷大）弹性变形，加速度和惯性力不会达到无穷大）弹性变形，加速度和惯性力不会达到无穷大）l l为避免刚性冲击，实用中在始末两段采用圆弧或抛为避免刚性冲击，实用中在始末两段采用圆弧或抛为避免刚性冲击，实用中在始末两段采用圆弧或抛为避免刚性冲击，实用中在始末两段采用圆弧或抛物线代替直线物线代替直线物线代替直线物线代替直线组合运动。组合运动。组合运动。组合运动。你现在浏览的是第十一页，共28页第二节第二节 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律l l回程回程回程回程l l运动方程运动方程你现在浏览的是第十二页，共28页第二节第二节 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律l l等加速等减速运动规律等加速等减速运动规律等加速等减速运动规律等加速等减速运动规律l l是指从动件再一个行程中是指从动件再一个行程中是指从动件再一个行程中是指从动件再一个行程中h h，先作等加速运动，后，先作等加速运动，后，先作等加速运动，后，先作等加速运动，后作等减速运动，通常加、减速度的绝对值相等。作等减速运动，通常加、减速度的绝对值相等。作等减速运动，通常加、减速度的绝对值相等。作等减速运动，通常加、减速度的绝对值相等。l l从动件推程的前半程，运动时间从动件推程的前半程，运动时间从动件推程的前半程，运动时间从动件推程的前半程，运动时间t/2t/2，对应转角，对应转角，对应转角，对应转角 t/2t/2。若初速度为零，由公式：若初速度为零，由公式：若初速度为零，由公式：若初速度为零，由公式：你现在浏览的是第十三页，共28页第二节第二节 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律你现在浏览的是第十四页，共28页第二节第二节 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律 由位移方程可知，当由位移方程可知，当=1=1；2 2 2 2；l l3 3 3 3时，时，时，时，s s分别为分别为1 1；4；9 9所所l l以其位移线图可用于作图法方以其位移线图可用于作图法方以其位移线图可用于作图法方以其位移线图可用于作图法方l l便画出。便画出。便画出。便画出。l l由运动线图可见，这种运动规由运动线图可见，这种运动规由运动线图可见，这种运动规由运动线图可见，这种运动规l l律的速度曲线是连续的，不会律的速度曲线是连续的，不会律的速度曲线是连续的，不会律的速度曲线是连续的，不会l l出现刚性冲击。但在出现刚性冲击。但在出现刚性冲击。但在出现刚性冲击。但在A A、B B、C Cl l三处加速度曲线有突变，有限三处加速度曲线有突变，有限l l值的惯性力也发生突变而导致值的惯性力也发生突变而导致值的惯性力也发生突变而导致值的惯性力也发生突变而导致l l柔性冲击。因此这种运动规律柔性冲击。因此这种运动规律柔性冲击。因此这种运动规律柔性冲击。因此这种运动规律l l也只适用于中速的场合。也只适用于中速的场合。你现在浏览的是第十五页，共28页第二节第二节 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律你现在浏览的是第十六页，共28页第二节第二节 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律l l简谐运动（余弦加速运动）简谐运动（余弦加速运动）l l质点在圆周上作匀速运动时，质点在圆周上作匀速运动时，质点在圆周上作匀速运动时，质点在圆周上作匀速运动时，l l它在这个圆的直径上的投影所它在这个圆的直径上的投影所l l构成的运动称为简谐运动。构成的运动称为简谐运动。l l其位移曲线方程：其位移曲线方程：其位移曲线方程：其位移曲线方程：你现在浏览的是第十七页，共28页第二节第二节 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律1 1、推程、推程、推程、推程 2 2、回程、回程、回程、回程你现在浏览的是第十八页，共28页第三节第三节 凸轮机构的压力角凸轮机构的压力角l l一、压力角与作用力的关系一、压力角与作用力的关系一、压力角与作用力的关系一、压力角与作用力的关系l l压力角（压力角（压力角（压力角（）：忽略摩擦力，）：忽略摩擦力，）：忽略摩擦力，）：忽略摩擦力，l l接触点公法线与从动件在运接触点公法线与从动件在运l l动方向的夹角。动方向的夹角。l l越大，有效分力越小，效率越大，有效分力越小，效率越大，有效分力越小，效率越大，有效分力越小，效率l l越低，摩擦阻力越大。越低，摩擦阻力越大。越低，摩擦阻力越大。越低，摩擦阻力越大。l l当当超过一定值时，机构自锁。超过一定值时，机构自锁。超过一定值时，机构自锁。超过一定值时，机构自锁。你现在浏览的是第十九页，共28页第三节第三节 凸轮机构的压力角凸轮机构的压力角通常直动从动件推程许用压力角通常直动从动件推程许用压力角通常直动从动件推程许用压力角通常直动从动件推程许用压力角 =30=30摆动从动件许用压力角摆动从动件许用压力角摆动从动件许用压力角摆动从动件许用压力角 =35=35=35=35 45 45 外力维持接触的凸轮，回程外力维持接触的凸轮，回程 =70 80=70 80=70 80=70 80二、压力角与基圆半径的关系二、压力角与基圆半径的关系二、压力角与基圆半径的关系二、压力角与基圆半径的关系 由图由图由图由图3-93-93-93-9可以看出，在其他条件不变的情况下，可以看出，在其他条件不变的情况下，可以看出，在其他条件不变的情况下，可以看出，在其他条件不变的情况下，若把基圆增大，则凸轮的尺寸也随之增大，因此，若把基圆增大，则凸轮的尺寸也随之增大，因此，欲使机构紧凑就应当采用较小的基圆半径。但基圆欲使机构紧凑就应当采用较小的基圆半径。但基圆欲使机构紧凑就应当采用较小的基圆半径。但基圆欲使机构紧凑就应当采用较小的基圆半径。但基圆半径减小会引起压力角增大。因此在实际设计中，半径减小会引起压力角增大。因此在实际设计中，半径减小会引起压力角增大。因此在实际设计中，半径减小会引起压力角增大。因此在实际设计中，只能在保证凸轮轮廓的最大压力角不超过许用值的只能在保证凸轮轮廓的最大压力角不超过许用值的只能在保证凸轮轮廓的最大压力角不超过许用值的只能在保证凸轮轮廓的最大压力角不超过许用值的前提下，考虑缩小凸轮的尺寸。前提下，考虑缩小凸轮的尺寸。你现在浏览的是第二十页，共28页第四节第四节 图解法设计凸轮轮廓图解法设计凸轮轮廓l l当从动件的运动规律已经选定并作出位移线图以当从动件的运动规律已经选定并作出位移线图以后，各种平面凸轮的轮廓曲线都可以用图解法作后，各种平面凸轮的轮廓曲线都可以用图解法作出。出。l l已知：已知：s-曲线，基圆半径曲线，基圆半径rminmin，转向。转向。l l方法：反转法，如图，设想将整个机构以角速度方法：反转法，如图，设想将整个机构以角速度（-）绕轴心）绕轴心o o转动，此时凸轮将静止，从动件转动，此时凸轮将静止，从动件尖点的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。尖点的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。l l一、直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制一、直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制l l尖顶直动从动件盘形凸轮尖顶直动从动件盘形凸轮你现在浏览的是第二十一页，共28页第四节第四节 图解法设计凸轮图解法设计凸轮你现在浏览的是第二十二页，共28页第四节第四节 图解法设计凸轮图解法设计凸轮l l偏置尖顶直动从动件盘形凸偏置尖顶直动从动件盘形凸轮轮l l图图图图3-113-11中，存在偏距中，存在偏距中，存在偏距中，存在偏距e，则，则为偏置尖顶直动从动件从动为偏置尖顶直动从动件从动件在反转运动中，其导路始件在反转运动中，其导路始终与凸轮轴心终与凸轮轴心o保持偏距保持偏距e e e e。设计这种凸轮轮廓时，首先设计这种凸轮轮廓时，首先设计这种凸轮轮廓时，首先设计这种凸轮轮廓时，首先以以以以o o o o为圆心及偏距为圆心及偏距为圆心及偏距为圆心及偏距e e e e为半径作为半径作偏距圆，再以偏距圆，再以r r r rminminminmin为半径作基为半径作基为半径作基为半径作基圆，基圆与导路的交点圆，基圆与导路的交点圆，基圆与导路的交点圆，基圆与导路的交点A A0 0 0 0即为即为即为即为从动件的起始位置。从动件的起始位置。从动件的起始位置。从动件的起始位置。你现在浏览的是第二十三页，共28页第四节第四节 图解法设计凸轮图解法设计凸轮 滚子直动从动件盘形凸轮滚子直动从动件盘形凸轮滚子直动从动件盘形凸轮滚子直动从动件盘形凸轮 为减少磨损可将尖顶改成滚子，为减少磨损可将尖顶改成滚子，为减少磨损可将尖顶改成滚子，为减少磨损可将尖顶改成滚子，如图如图如图如图3-123-12所示。首先，把滚子中心所示。首先，把滚子中心所示。首先，把滚子中心所示。首先，把滚子中心看作凸轮的尖顶，按上述方法求出看作凸轮的尖顶，按上述方法求出看作凸轮的尖顶，按上述方法求出看作凸轮的尖顶，按上述方法求出一条轮廓曲线一条轮廓曲线一条轮廓曲线一条轮廓曲线0 0 0 0；再以；再以；再以；再以0 0 0 0上各点为上各点为中心，以滚子半径为半径作一系列中心，以滚子半径为半径作一系列中心，以滚子半径为半径作一系列中心，以滚子半径为半径作一系列圆；最后作这些圆的包络线圆；最后作这些圆的包络线圆；最后作这些圆的包络线圆；最后作这些圆的包络线，包，包，包，包络线络线络线络线便是便是便是便是滚子直动从动件盘形凸滚子直动从动件盘形凸轮的实际轮廓，而曲线轮的实际轮廓，而曲线0 0 0 0称为此凸称为此凸称为此凸称为此凸的理论轮廓。的理论轮廓。的理论轮廓。的理论轮廓。你现在浏览的是第二十四页，共28页第四节第四节 图解法设计凸轮图解法设计凸轮l l注意：理论阔线半径注意：理论阔线半径注意：理论阔线半径注意：理论阔线半径、实际阔线曲率半径、实际阔线曲率半径和滚和滚和滚和滚子半径子半径子半径子半径r rg g之间的关系。之间的关系。之间的关系。之间的关系。l l =+rg g min min min min r rg g 曲线光滑曲线光滑l l =-r rg g minminminmin=r rg g 尖点尖点尖点尖点l l必须必须必须必须r rg g minminminmin，一般，一般，一般，一般r rg g min min min min。min min min min 15mm,15mm,常取常取rg g 0.4r0.4r0.4r0.4rminminminmin你现在浏览的是第二十五页，共28页第四节第四节 图解法设计凸轮图解法设计凸轮l l平底直动从动件盘形凸轮平底直动从动件盘形凸轮平底直动从动件盘形凸轮平底直动从动件盘形凸轮l l如图如图如图如图3-14所示，设计平底从动所示，设计平底从动所示，设计平底从动所示，设计平底从动件盘形凸轮时，首先在平底上选件盘形凸轮时，首先在平底上选件盘形凸轮时，首先在平底上选件盘形凸轮时，首先在平底上选一固定点一固定点A A0 0视为尖顶，按照尖顶视为尖顶，按照尖顶视为尖顶，按照尖顶视为尖顶，按照尖顶从动件凸轮轮廓的绘制方法，求从动件凸轮轮廓的绘制方法，求出理论轮廓上一系列点出理论轮廓上一系列点出理论轮廓上一系列点出理论轮廓上一系列点A A1 1、A A2 2、A3 3，其次，过这些点画出一系，其次，过这些点画出一系，其次，过这些点画出一系，其次，过这些点画出一系列平底列平底列平底列平底A A1 1B B、A2 2B B、A A3 3B B，然后，然后，然后，然后作这些平底的包络线，便得到凸作这些平底的包络线，便得到凸作这些平底的包络线，便得到凸作这些平底的包络线，便得到凸轮的实际轮廓曲线。轮的实际轮廓曲线。轮的实际轮廓曲线。轮的实际轮廓曲线。你现在浏览的是第二十六页，共28页第四节第四节 图解法设计凸轮图解法设计凸轮二、摆动从动件盘形凸轮轮廓的绘制二、摆动从动件盘形凸轮轮廓的绘制二、摆动从动件盘形凸轮轮廓的绘制二、摆动从动件盘形凸轮轮廓的绘制已知：从动件的角位移线图、已知：从动件的角位移线图、已知：从动件的角位移线图、已知：从动件的角位移线图、凸轮与摆动从动件的中心距凸轮与摆动从动件的中心距凸轮与摆动从动件的中心距凸轮与摆动从动件的中心距lOAOA，摆动从动件长度，摆动从动件长度，摆动从动件长度，摆动从动件长度l lABAB，凸轮，凸轮，凸轮，凸轮的基圆半径的基圆半径的基圆半径的基圆半径r rminmin，凸轮角速度，凸轮角速度，凸轮角速度，凸轮角速度1 1 1 1及转向。及转向。及转向。及转向。你现在浏览的是第二十七页，共28页第四节第四节 图解法设计凸轮图解法设计凸轮四、图解法设计凸轮轮廓四、图解法设计凸轮轮廓四、图解法设计凸轮轮廓四、图解法设计凸轮轮廓你现在浏览的是第二十八页，共28页