机械设计基础重点.ppt

2021/9/2315.1 概述概述适用：传递动力不大的场合。适用：传递动力不大的场合。高副高副凸轮机构凸轮机构组成组成凸轮凸轮从动件从动件机架机架2021/9/232配气机构配气机构5.1.1 凸轮机构的应用凸轮机构的应用(1)(1)盘形回转凸轮盘形回转凸轮2021/9/233靠模车削机构靠模车削机构（2）平板移动凸轮）平板移动凸轮 2021/9/234(3)(3)圆柱回转凸轮圆柱回转凸轮 2021/9/235(4)(4)蜗杆凸轮蜗杆凸轮 2021/9/2365.1.2 凸轮机构的分类凸轮机构的分类（1 1）盘形凸轮）盘形凸轮1.按凸轮的形状分按凸轮的形状分（2 2）移动凸轮）移动凸轮（3 3）圆柱凸轮）圆柱凸轮（4 4）曲面凸轮）曲面凸轮（1 1）盘形凸轮）盘形凸轮2021/9/237（2 2）移动凸轮）移动凸轮2021/9/238（3 3）圆柱凸轮）圆柱凸轮（4 4）曲面凸轮）曲面凸轮2021/9/2392.按锁合（从动件与凸轮保持接触）分类：按锁合（从动件与凸轮保持接触）分类：（1 1）力锁合凸轮机构）力锁合凸轮机构如：重力、弹簧力锁合等。如：重力、弹簧力锁合等。2021/9/2310（2 2）几何（形）锁合凸轮机构）几何（形）锁合凸轮机构如：沟槽凸轮、等径及等宽凸轮、共轭凸轮等。如：沟槽凸轮、等径及等宽凸轮、共轭凸轮等。2021/9/2311等径凸轮等径凸轮-任何方向上任何方向上直径直径长度不变的凸轮。长度不变的凸轮。2021/9/2312等宽凸轮等宽凸轮-任何方向上有一定任何方向上有一定宽度宽度的凸轮。的凸轮。2021/9/2313共轭凸轮共轭凸轮-用两个固结在一起的凸轮控制一个用两个固结在一起的凸轮控制一个 从动件，其中一个驱使从动件朝某从动件，其中一个驱使从动件朝某 一方向运动，而另一个驱使从动件一方向运动，而另一个驱使从动件 朝反方向运动。朝反方向运动。2021/9/23143.按从动件形状分类：按从动件形状分类：(1)(1)尖顶从动件尖顶从动件优点：接触性好，实现任意预期的运动规律。优点：接触性好，实现任意预期的运动规律。缺点：点或线接触，易磨损。缺点：点或线接触，易磨损。适用：受力较小、低速。适用：受力较小、低速。2021/9/2315优点：滚动摩擦，磨损小，承受较大的载荷。优点：滚动摩擦，磨损小，承受较大的载荷。缺点：凸轮上凹陷的轮廓未必能很好地与滚子接触，缺点：凸轮上凹陷的轮廓未必能很好地与滚子接触，影响预期运动规律。影响预期运动规律。(2)(2)滚子从动件滚子从动件应用：广泛。应用：广泛。2021/9/2316优点：易形成油膜，利于润滑。驱动力优点：易形成油膜，利于润滑。驱动力平底，传动效率高平底，传动效率高。缺点：凸轮上凹陷的轮廓未必能很好地与平底接触，影响预期缺点：凸轮上凹陷的轮廓未必能很好地与平底接触，影响预期 运动规律。运动规律。(3)(3)平底从动件平底从动件 适用：高速。适用：高速。2021/9/23174.按从动件的运动形式分类：按从动件的运动形式分类：(1)(1)直动从动件直动从动件对心对心偏置偏置2021/9/2318(2)(2)摆动从动件摆动从动件对心对心偏置偏置2021/9/2319不同型式的从动件不同型式的从动件不同型式的凸轮不同型式的凸轮组合组合各种不同类型的凸轮机构各种不同类型的凸轮机构对心直动滚子从动件对心直动滚子从动件盘形凸轮盘形凸轮偏置摆动平底从动件偏置摆动平底从动件盘形凸轮盘形凸轮2021/9/23205.1.3 凸轮和滚子的材料凸轮和滚子的材料凸轮机构的主要失效形式：磨损和疲劳点蚀。凸轮机构的主要失效形式：磨损和疲劳点蚀。凸轮和滚子的工作表面要求：硬度高凸轮和滚子的工作表面要求：硬度高 耐磨耐磨 有足够接触强度有足够接触强度经常受冲击的：凸轮芯部有较强的韧性。经常受冲击的：凸轮芯部有较强的韧性。凸轮材料：凸轮材料：40Cr40Cr钢（表面淬火，钢（表面淬火，HRC40HRC4045)45)20Cr 20Cr、20CrMnTi20CrMnTi（表面淬火（表面淬火,HRC56,HRC5662)62)滚子材料：滚子材料：20Cr20Cr钢（渗碳淬火，钢（渗碳淬火，HRC56HRC5662)62)用滚子轴承作为滚子。用滚子轴承作为滚子。2021/9/23215.2 常用从动件运动规律常用从动件运动规律5.2.1 平面凸轮机构的基本尺寸和运动参数平面凸轮机构的基本尺寸和运动参数基圆基圆以凸轮轮廓曲线的最小向径以凸轮轮廓曲线的最小向径r0 为半径所作的圆。为半径所作的圆。r0-基圆半径。基圆半径。2021/9/2322凸轮回转一周，从动件：凸轮回转一周，从动件：升升停停降降停停。推程推程从动件尖顶从最近位置从动件尖顶从最近位置A到达最远位置到达最远位置B的的过程过程。推程运动角推程运动角-行程（升程）行程（升程）h远程休止角远程休止角s-2021/9/2323回程回程从动件尖顶从达最远位置从动件尖顶从达最远位置C到最近位置到最近位置D 的的过程过程。回程运动角回程运动角 -对应回程凸轮转角。对应回程凸轮转角。近程休止角近程休止角 -从动件在最近位置停留不动所对应相从动件在最近位置停留不动所对应相 应的凸应的凸 轮转角。轮转角。2021/9/23242021/9/23252021/9/23265.2.2 常用的从动件运动规律常用的从动件运动规律1.从动件运动规律从动件运动规律 等速运动规律等速运动规律 等加速等加速-等减速运动规律等减速运动规律 简谐运动规律（余弦加速度运动规律）简谐运动规律（余弦加速度运动规律）正弦加速度运动规律正弦加速度运动规律 摆线运动规律摆线运动规律2021/9/23272.运动线图运动线图a).a).等速运动规律等速运动规律 运运动动特特性性：当当采采用用匀匀速速运运动动规规律律时时，推推杆杆在在运运动动的的起起始始点点和和终终止止点点因因速速度度有有突突变变，在在理理论论上上加加速速度度值值为为瞬瞬时时无无穷穷大大，使使推推杆杆产产生生非非常常大大的的惯惯性性力力，致致使使凸凸轮轮受受到到很很大大的的冲冲击击，称为称为刚性冲击刚性冲击。适用场合：低速、轻载。适用场合：低速、轻载。2021/9/23282021/9/2329b).b).等加速等加速等减速运动规律等减速运动规律 适用场合适用场合：中速、轻载。：中速、轻载。运动特性运动特性：当采用等加速等：当采用等加速等减速运动规律时，在起点、中点减速运动规律时，在起点、中点和终点时，加速度有突变，因而和终点时，加速度有突变，因而推杆的惯性力也将有突变，不过推杆的惯性力也将有突变，不过这一这一突变突变为为有限值有限值，所以，凸轮，所以，凸轮机构中由此而引起的冲击称为机构中由此而引起的冲击称为柔柔性冲击。性冲击。2021/9/23302021/9/23312021/9/23322021/9/2333c).c).简谐运动规律（余弦加速度运动规律）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简谐运动：当一点在圆周上等速 运动时，它在直径上运动时，它在直径上 的投影的运动的投影的运动.运动特性运动特性：这种运动：这种运动规律的加速度在起点和终规律的加速度在起点和终点时有有限数值的突变，点时有有限数值的突变，故也有故也有柔性冲击。柔性冲击。适用场合：中速、中载。适用场合：中速、中载。2021/9/23342021/9/2335d).d).正弦加速度运动规律正弦加速度运动规律 摆线运动规律摆线运动规律适用场合：高速、轻载。适用场合：高速、轻载。无冲击无冲击2021/9/2336小结：小结：等速运动规律：等速运动规律：有刚性冲击有刚性冲击 低速、轻载低速、轻载等加速等减速运动：等加速等减速运动：柔性冲击柔性冲击 中速、轻载中速、轻载余弦加速度运动规律：余弦加速度运动规律：柔性冲击柔性冲击 中速、中载中速、中载正弦加速度运动规律：正弦加速度运动规律：无冲击无冲击 高速、轻载高速、轻载运动规律运动规律 运动特性运动特性 适用场合适用场合2021/9/23375.2.3 5.2.3 从动件运动规律的选择从动件运动规律的选择1.1.选择推杆运动规律的基本要求选择推杆运动规律的基本要求 满足机器的工作要求；满足机器的工作要求；使凸轮机构具有良好的动力特性；使凸轮机构具有良好的动力特性；使所设计的凸轮便于加工。使所设计的凸轮便于加工。(1)(1)对无一定运动要求对无一定运动要求,只需对从动件工作行程有要求。只需对从动件工作行程有要求。2.2.根据工作条件确定从动件运动规律根据工作条件确定从动件运动规律 推杆运动规律选取：从便于加工和动力特性来考虑。推杆运动规律选取：从便于加工和动力特性来考虑。低速轻载凸轮机构：采用圆弧、直线等易于加工的低速轻载凸轮机构：采用圆弧、直线等易于加工的 曲线作为凸轮轮廓曲线。曲线作为凸轮轮廓曲线。2021/9/2338 高速凸轮机构：首先考虑动力特性，以避免产生过高速凸轮机构：首先考虑动力特性，以避免产生过 大的冲击。大的冲击。大质量从动件：不宜选用大质量从动件：不宜选用maxmax太大的运动规律。太大的运动规律。高速度从动件：不宜选用高速度从动件：不宜选用a amaxmax太大的运动规律。太大的运动规律。(2)(2)机器工作过程对从动件的的运动规律有特殊要求机器工作过程对从动件的的运动规律有特殊要求 凸轮转速不高：按工作要求选择运动规律。凸轮转速不高：按工作要求选择运动规律。凸轮转速较高：选定主运动规律后，进行凸轮转速较高：选定主运动规律后，进行组合组合改进。改进。2021/9/2339设计设计5.3 盘形凸轮轮廓设计与加工方法盘形凸轮轮廓设计与加工方法从动件运动规律从动件运动规律凸轮的基圆半径凸轮的基圆半径凸轮轮廓凸轮轮廓设计方法设计方法 图解法图解法解析法解析法2021/9/23405.3.1 反转法原理反转法原理 凸轮：相对静止不动。凸轮：相对静止不动。推杆：一方面随导轨以推杆：一方面随导轨以-绕凸轮轴心转动，绕凸轮轴心转动，另一方面又沿导轨作预期的往复移动。另一方面又沿导轨作预期的往复移动。假想在整个机构上加一等角速度假想在整个机构上加一等角速度-推杆尖顶在这种复合运动中的运动轨迹推杆尖顶在这种复合运动中的运动轨迹-凸轮轮廓曲线。凸轮轮廓曲线。2021/9/23412021/9/23425.3.2 作图法设计盘形凸轮轮廓曲线作图法设计盘形凸轮轮廓曲线1.1.对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构 已知：基圆半径为已知：基圆半径为r r0 0,逆时针，推杆的逆时针，推杆的运动规律如图所示。运动规律如图所示。设计：对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。设计：对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。2021/9/23432021/9/23442021/9/23452.2.对心直动滚子从动件盘形凸轮机构对心直动滚子从动件盘形凸轮机构 已知已知:基圆半径为基圆半径为r r0 0,滚子半径滚子半径r rT T,逆时针。逆时针。推杆的运动规律如图所示。推杆的运动规律如图所示。设计：对心直动滚子从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。设计：对心直动滚子从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。2021/9/23462021/9/23473.3.对心直动平底从动件盘形凸轮机构对心直动平底从动件盘形凸轮机构 已知已知:基圆半径为基圆半径为r r0 0,逆时针。推杆的运动规律如图所示。逆时针。推杆的运动规律如图所示。设计：对心直动平底从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。设计：对心直动平底从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。2021/9/23482021/9/23494.4.偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构 已知已知:偏距偏距e e，基圆半径为，基圆半径为r r0 0,逆时针，推杆的运动规律。逆时针，推杆的运动规律。设计：偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构设计：偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构 。2021/9/23505.5.偏置摆动尖顶从动件盘形凸轮机构偏置摆动尖顶从动件盘形凸轮机构 已知已知:基圆半径为基圆半径为r r0 0,凸轮转动方向。凸轮转动中心与从动件摆动凸轮转动方向。凸轮转动中心与从动件摆动 中心的距离，摆动从动件的长度。从动件的运动规律。中心的距离，摆动从动件的长度。从动件的运动规律。设计设计:偏置摆动尖顶从动件盘形凸轮机构（从动件的位移是角位移）偏置摆动尖顶从动件盘形凸轮机构（从动件的位移是角位移）2021/9/23515.3.3 解析法设计凸轮轮廓曲线解析法设计凸轮轮廓曲线已知已知:滚子半径为滚子半径为r rT T，基圆半径为，基圆半径为r r0 0,偏距偏距e,e,1 1顺时针。顺时针。推杆的运动规律推杆的运动规律s=s(s=s(）。凸轮回转中心就是极）。凸轮回转中心就是极 坐标的极点。坐标的极点。设计：凸轮轮廓曲线。设计：凸轮轮廓曲线。2021/9/2352从动件滚子中心点从动件滚子中心点B B的极坐标：的极坐标：式中：式中：实际轮廓线上对应点实际轮廓线上对应点T T的极坐标：的极坐标：式中：式中：2021/9/23535.3.4 凸轮轮廓的加工方法凸轮轮廓的加工方法1.1.铣、锉削加工铣、锉削加工适用：低速、轻载适用：低速、轻载凸轮轮坯凸轮轮坯铣床加工铣床加工或手工或手工锉削锉削反转法作图反转法作图绘制出轮廓绘制出轮廓淬淬 火火（必要时（必要时）2.2.数控加工数控加工-采用数控线切割机床对淬火凸轮进行加工。采用数控线切割机床对淬火凸轮进行加工。适用：高速、重载适用：高速、重载解析法求出解析法求出凸轮轮廓曲线凸轮轮廓曲线的极坐标值（的极坐标值（、）应用专用应用专用编程软件切割编程软件切割2021/9/23545.4 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定5.4.1 凸轮机构的压力角凸轮机构的压力角1.1.压力角压力角-从动件在接触点所受力从动件在接触点所受力 的方向与该点的速度的方向与该点的速度 方向之间所夹的锐角。方向之间所夹的锐角。-有效有效分力分力-有害分力有害分力3.3.压力角压力角对运动的影响对运动的影响2021/9/23552021/9/23562021/9/23574.4.许用压力角许用压力角推程：直动从动件凸轮机构推程：直动从动件凸轮机构 =30 =300 0 摆动从动件凸轮机构摆动从动件凸轮机构 =40 =400 050500 0回程：回程：一般不会发生自锁一般不会发生自锁 =70 =700 080800 05.5.传动效率与压力角的关系传动效率与压力角的关系 传动效率传动效率 凸轮尺寸凸轮尺寸要权衡两者关系。要权衡两者关系。2021/9/23582021/9/23595.4.2 基圆半径的确定基圆半径的确定r r0 0，凸轮机构紧凑，凸轮机构紧凑，会造成会造成 maxmax ，所以所以r r0 0不能过小。不能过小。r0，凸轮机构传力性能越好，凸轮机构传力性能越好，但机构不紧凑。但机构不紧凑。可通过增大基圆半径可通过增大基圆半径r0来获得较小的压力角来获得较小的压力角。根据结构条件根据结构条件基圆半径基圆半径r02021/9/23602021/9/23615.4.3 滚子半径的确定滚子半径的确定设：滚子半径为设：滚子半径为r rT T，理论廓线的曲率半径为，理论廓线的曲率半径为，实际廓线的曲率半径为实际廓线的曲率半径为。1.1.当理论轮廓线内凹时：当理论轮廓线内凹时：2021/9/23622.2.当理论轮廓线外凸时：当理论轮廓线外凸时：2021/9/23632021/9/2364为了避免失真并减少磨损，滚子半径为了避免失真并减少磨损，滚子半径r rT T应满足应满足：若满足不了上述要求，可增大基圆半径若满足不了上述要求，可增大基圆半径r r0 0或修改从或修改从动件的运动规律。动件的运动规律。minmin-理论廓线的最小曲率半径理论廓线的最小曲率半径-实际廓线的最小曲率半径实际廓线的最小曲率半径2021/9/2365理论轮廓曲线最小曲率半径的近似求法：理论轮廓曲线最小曲率半径的近似求法：在理论轮廓曲线上选择在理论轮廓曲线上选择曲率最大曲率最大的一点的一点B，以，以B为圆为圆心作心作任意半径任意半径的小圆，再以的小圆，再以该圆与理论廓线的两个交点该圆与理论廓线的两个交点B1和和B2为圆心，以相同的半为圆心，以相同的半径作两个小圆，连接三个小径作两个小圆，连接三个小圆的交点得交点圆的交点得交点O，BO即为即为最小曲率半径。最小曲率半径。2021/9/23665.5 凸轮机构的结构和精度凸轮机构的结构和精度5.5.1 凸轮机构的结构凸轮机构的结构1.1.凸轮的结构凸轮的结构（1 1）尺寸较小：凸轮与轴制成一体；）尺寸较小：凸轮与轴制成一体；（2 2）尺寸较大：凸轮与轴分开制造。）尺寸较大：凸轮与轴分开制造。在凸轮上刻出在凸轮上刻出起始起始位置，作为加工和装配的依据。位置，作为加工和装配的依据。凸轮轴凸轮轴整体式整体式组合式组合式2021/9/2367凸轮在轴上的固定形式：凸轮在轴上的固定形式：2021/9/23682.2.从动件的端部结构从动件的端部结构2021/9/23695.5.2 凸轮精度凸轮精度凸轮凸轮精度精度极限偏差极限偏差表面粗糙度表面粗糙度Ra/mRa/m向径向径/mm/mm槽式凸槽式凸轮槽宽轮槽宽基准孔基准孔盘形凸轮盘形凸轮槽式凸轮槽式凸轮高高精度精度(0.050.1)(0.050.1)H8(H7 H8(H7)H7H70.320.32Ra0.63Ra0.630.630.63Ra1.25Ra1.25一般一般精度精度(0.10.2)(0.10.2)H8H8H7(H8H7(H8)0.630.63Ra1.25Ra1.251.251.25Ra2.5Ra2.5低低精度精度(0.20.5)(0.20.5)H9H9（H1H10 0）H8H80.630.63Ra1.25Ra1.251.251.25Ra2.5Ra2.52021/9/2370