2022年高职《机械设计基础》凸轮机构教案 .pdf

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1、*职业技术学院教案第8 次课教学课型：理论课实验课习题课实践课技能课其它主要教学内容第 5 章 凸轮机构5.1 凸轮机构的应用与分类5.2 凸轮机构的工作过程及从动件常用的运动规律5.3 对心直动从动件盘形凸轮轮廓的设计重点、难点重点： 1. 推杆常用运动规律特点及选择原则；2. 盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线的设计；难点：“反转法原理”与压力角的概念。教学目的要求：1. 了解凸轮机构的分类及应用；2. 了解推杆常用运动规律的选择原则；教学方法和教学手段：多媒体讲授讨论、思考题、作业：1.滚子从动件盘形凸轮的基圆半径如何确定？2.工程上设计凸轮机构时，其基圆半径一般如何选取？参考资料：多媒体材料，网

2、络资料名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - 讲稿内容备注第 5 章凸轮机构5.1 凸轮机构的应用和分类凸轮机构是由凸轮、从动件、机架以及附属装置组成的一种高副机构。从动件的运动规律是由凸轮轮廓曲线决定的，只要凸轮轮廓设计得当，就可以使从动件实现任意给定的运动规律。凸轮机构的从动件是在凸轮控制下，按预定的运动规律运动的，这种机构具有结构简单、运动可靠等优点。但是，由于是高副机构，接触应力较大，易于磨损，因此，多用于小载荷

3、的控制或调节机构中。1.凸轮机构的分类按凸轮的形状分类盘形凸轮移动凸轮圆柱凸轮按从动件的形状分类尖顶从动件滚子推杆从动件平底推杆从动件按推杆的运动形式分类（对心、偏置）直动从动件摆动推杆按锁合方式分类力锁合几何锁合（利用动画举例让同学辨别凸轮的类型）2.凸轮机构的应用：（动画、图片说明）5.2 凸轮的工作过程机从动件常用运动规律1. 凸轮机构的工作过程相关概念 ：基圆、基圆半径、推程、推程运动角、远休止角、回程、回程运动角、近休止角、行程、位移线图。凸轮沿顺时针转动一周时，推杆的运动经历了四个阶段：静止、上升、静止、下降，其位移曲线如图所示。这是最常见、最典型的运动形式。注意 ：其运动过程的组

4、合是依据工作实际的需要，而不是必须经历四个阶段，可以没有静止阶段，也可以只有一个静止阶段。2. 从动件常用的运动规律从动件（推杆）的运动规律是指推杆在推程或回程中，从动件的位移s、速度 v 和加速度 a 随时间 t 变化的规律。又因为凸轮一般作等速运动，其转角与时间 t 成正比，所以从动件的运动规律通常表示成凸轮转角的函数，即：)(),(),( fafvfs从动件常用的运动规律有：等速运动、等加等减运动、正弦运动、余弦加速运动等。 等速运动：速度线图为一水平直线。加速度为零，但在从动件运动的开始位置和终点位置的瞬时速度方向会突然改变，其瞬时加速度趋于无穷大（理论上），在该瞬时作用在凸轮上的惯性

5、力也趋于无穷大（理论上），致使机构产生强烈的冲击，这种冲击称为刚性冲击 。所以这种运动规律只适合于低速场合使用。等加等减运动：其加速度有突变，因而推杆产生的惯性力对凸轮将会产生冲击。由于这种运动规律中，加速度的突变是有限的，所造成的冲击也是有限的，故称作柔性冲击。由于柔性冲击存在， 具有这种运动规律的凸轮机构就不适宜作高速运动，而只适用于中低速、轻载的场名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 合。 简谐运动：其速度曲线是

6、一条正弦曲线，而位移曲线是简谐运动曲线，所以这种运动也称为简谐运动规律。当推杆作停、升、停型运动时，推杆在O、A 两点位置加速度有突变，也有柔性冲击产生。但对降、升、降型运动规律，则无冲击出现。5.3 对心直动从动件盘形凸轮轮廓的设计1. 反转法设计 ：现在为了讨论凸轮廓线设计的基本原理，设想给整个凸轮机构加上一个公共角速度（） ，使其绕凸轮轴心O 转动。根据相对运动原理，我们知道凸轮与推杆间的相对运动关系并不发生改变，但此时凸轮将静止不动，而推杆则一方面和机架一起以角速度绕凸轮轴心O 转动，同时又在其导轨内按预期的运动规律运动。由图C 可见，推杆在复合运动中， 其尖顶的轨迹就是凸轮廓线。利用

7、这种方法进行凸轮设计的称为 反转法2. 对心直动从动件盘形凸轮轮廓的设计设计步骤： 选 比 例 尺 L,作基 圆rmin 。反向等分各运动角。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。3. 滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计对于这种类型的凸轮机构，由于凸轮转动时滚子（滚子半径Tr）与凸轮的相切点不一定在推杆的位置线上，但滚子中心位置始终处在该线，推杆的运动规律与滚子中心一致，所以其廓线的设计需要分两步进行。（1）将滚子中心看作尖顶推杆的尖顶，按前述方法设计出廓线0，这一廓线称为理论廓线。（2）以理论廓线上的各点为圆心、以滚子半径Tr为半径作一系列的圆，这些圆的内包络线即为

8、所求凸轮的实际廓线，如图 52 所示。4. 对心直动平底推杆盘形凸轮机构在设计这类凸轮机构的凸轮廓线时，也要按两步进行：（1）把平底与推杆轴线的交点B 看作尖顶推杆的尖顶，按照前述方法，求出尖顶的一系列位置，将其连成曲线，即为凸轮的理论廓线。图 5-1 图 5-2 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - （2）过以上各交点B 按推杆平底与推杆轴线的夹角作一系列代表平底的直线，这一系列位置的包络线即为所求凸轮的实际廓线。求

9、出凸轮廓线后，根据平底推杆的一系列位置，选择出推杆平底的最小尺寸不应小于maxl的两倍。如图5-3 。图 5-3 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - *职业技术学院教案第9 次课教学课型：理论课实验课习题课实践课技能课其它主要教学内容第 5 章 凸轮机构5.4 凸轮机构基本尺寸的确定5.5 凸轮的材料、结构与加工重点、难点重点：凸轮机构基本尺寸设计时应考虑的主要问题凸轮基圆半径与压力角及自锁的关系；难点：凸轮基圆半径

10、与压力角及自锁的关系；教学目的要求：1. 掌握在确定凸轮机构的基本尺寸时应考虑的主要问题；2. 凸轮机构常用的材料教学方法和教学手段：多媒体讲授讨论、思考题、作业：参考资料：多媒体材料，网络资料名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - 讲稿内容备注第 5 章凸轮机构5.3 对心直动从动件盘形凸轮轮廓的设计1. 反转法设计 ：现在为了讨论凸轮廓线设计的基本原理，设想给整个凸轮机构加上一个公共角速度（） ，使其绕凸轮轴心O 转

11、动。根据相对运动原理，我们知道凸轮与推杆间的相对运动关系并不发生改变，但此时凸轮将静止不动，而推杆则一方面和机架一起以角速度绕凸轮轴心O 转动，同时又在其导轨内按预期的运动规律运动。由图C 可见，推杆在复合运动中， 其尖顶的轨迹就是凸轮廓线。利用这种方法进行凸轮设计的称为 反转法2. 对心直动从动件盘形凸轮轮廓的设计设计步骤： 选 比 例 尺 L,作基 圆rmin 。反向等分各运动角。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。3. 滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计对于这种类型的凸轮机构，由于凸轮转动时滚子（滚子半径Tr）与凸轮的相切点不一定在推杆的位置线上，但滚子中心位

12、置始终处在该线，推杆的运动规律与滚子中心一致，所以其廓线的设计需要分两步进行。（1）将滚子中心看作尖顶推杆的尖顶，按前述方法设计出廓线0，这一廓线称为理论廓线。（2）以理论廓线上的各点为圆心、以滚子半径Tr为半径作一系列的圆，这些圆的内包络线即为所求凸轮的实际廓线，如图 5-2 所示。4. 对心直动平底推杆盘形凸轮机构在设计这类凸轮机构的凸轮廓线时，也要按两步进行：（1）把平底与推杆轴线的交点B 看作尖顶推杆的尖顶，按照前述方法，求出尖顶的一系列位置，将其连成曲线，即为凸轮的理论廓线。（2）过以上各交点B 按推杆平底与推杆轴线的夹角作一系列代表平底的直线，这一系列位置的包络线即为所求凸轮的实际

13、廓线。图 5-1 图 5-2 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 求出凸轮廓线后，根据平底推杆的一系列位置，选择出推杆平底的最小尺寸不应小于maxl的两倍。如图4-13 。2.4.4 凸轮机构基本尺寸的确定1. 滚子半径的选择对于外凸的凸轮，应使滚子的半径Tr小于理论轮廓的最小曲率半径min。另一方面，要考虑强度、结构等因素，滚子的半径也不能太小，通常取：bTrr)5.01.0(，其中br为基圆半径。2.平底长度的选

14、择平底从动件其平底尺寸的确定必须保证凸轮轮廓与平底始终相切，否则从动件也会出现“失真”，甚至卡住。通常平底长度L 应取：mmlL)75(2max其中maxl为凸轮与平底相切点到从动件运动中心距离的最大值3. 压力角压力角是影响凸轮机构受力情况的一个重要参数。在其它条件相同的情况下，越大、则分母越小、P 力将越大。当增大到某一数值时，分母将减小为零，作用力P 将增至无穷大，此时该凸轮机构将发生自锁现象。根据实践经验，常用的许用压力角数值为：1）工作行程时，对于直动推杆，取30；对于摆动推杆取4535；2）回程时，取80704. 基圆半径的确定对于一定类型的凸轮机构，在推杆运动规律选定之后，该凸轮

15、的机构压力角与凸轮基圆图 5-3 图 5-4 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - 半径的大小直接相关。为了既满足max的条件，又使机构的总体尺寸不会过大，就要合理地确定凸轮基圆的半径值。我们在设计凸轮机构时，应该根据具体的条件抓住主要矛盾合理解决：如果对机构的尺寸没有严格要求，可将基圆取大些，以便减小压力角；反之，则应尽量减小基圆半径尺寸。但应注意使压力角满足。在实际设计中，凸轮基圆半径br的确定不仅受到的限制，而且

16、还要考虑到凸轮的结构与强度要求。因此，常利用下面的经验公式选取br：mmrrb)107(8 .10其中0r为凸轮轴的半径待凸轮廓线设计完毕后，还要检验。5.4 凸 轮 和 从 动 件 的 常 用 材 料 及 技 术 要 求1. 凸轮和从动件的常用材料凸轮的材料要求工作表面有较高的硬度，芯部有较好的韧性。一般尺寸不大的凸轮用45钢或 40Cr 钢，并进行调质或表面淬火，硬度为5258HRC 。要求更高时，可采用15 钢或20Cr 钢渗碳淬火，表面硬度为56 62HRC ，渗碳深度为0.8 1.5mm 。更加重要的凸轮可采用 35CrMo钢等进行渗碳， 硬度为 6067HRC ，以增强表面的耐磨性

17、。尺寸大或轻载的凸轮可采用优质灰铸铁，载荷较大时可采用耐磨铸铁。在家用电器、 办公设备、 仪表等产品中常用塑料作凸轮材料。一般使用共聚甲醛、聚砜、聚碳酸脂等，主要利用其成型简单、耐水、耐磨等优点。从动件接触端面常用的材料有45 钢，也可用T8、T10,淬火硬度为55 59HRC ；要求较高时可以使用20Cr 进行渗碳淬火等处理。2. 凸轮及从动件的精度与表面粗糙度对于向径在300 500mm以下的凸轮可以分为三个精度等级，其公差和表面粗糙度见表。凸轮精度极限偏差表面粗糙度Ra/mm 向径 /mm 基准孔凸轮槽的槽宽盘型凸轮凸轮槽名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - -

18、- - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - 高精度 （0.05 0.10 ）H7 H7(H8) 0.4 0.8 一般精度 （0.10 0.20 ）H7(H8) H8 0.8 1.6 低精度 （0.20 0.50 ）H8 H9(H10) 0.8 1.6 对于高速凸轮机构的从动件，表面粗糙度应低于0.1 0.2 m 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -