第4章凸轮机构及其设计.pptx

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1、O1凸轮(cam)1从动件（follower)2机架（frame)31工作原理工作原理凸轮机构的组成凸轮机构的组成及特点 4-1 凸轮机构的类型和应用第1页/共64页特点：特点：v 适当的凸轮廓线能保证实现任意预定的从动件运动规律；v 设计简单、结构紧凑、工作可靠，因此在自动和半自动机械中获得广泛应用；v 凸轮与从动件之间为点或线接触，易磨损，故只宜用于传力不大的场合；v 凸轮廓线精度要求高，加工成本高；v 从动件行程不能太大，否则凸轮会变得笨重。第2页/共64页凸轮机构的应用第3页/共64页第4页/共64页第5页/共64页O1123456789101112O2O3粉料压片机机构系统图13型腔

2、（料斗）（上冲头）（下冲头）（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。第6页/共64页 1、按凸轮的形状分：盘形凸轮(plate cam)移动凸轮(translating cam)圆柱凸轮(cylindrical cam)圆锥凸轮(cone cam)凸轮机构的分类第7页/共64页2 2、按从动件的形状分：尖顶从动件(knife-edge follower)滚子从动件(roller follower)平底从动件(flat-faced fo

3、llower)华中农业大学第8页/共64页3 3、按从动件的运动分：摆动从动件(oscillating follower)移动从动件(translating follower)偏置移动从动件(offset)对心(in-line)移动从动件王树才华农第9页/共64页力锁合(force-closed)形锁合(form-closed)沟槽凸轮等宽凸轮等径凸轮共轭凸轮4 4、按凸轮与从动件维持接触（锁合）的方式分：第10页/共64页 按照从动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：凸轮机构的运动特性 由于凸轮是作匀速转动或匀速移动，凸轮机构的运动特性实际上

4、是从动件的运动特性。（一）基本术语和功能的实现 4-2 凸轮机构的特性第11页/共64页sCDh行程(lift)推程运动角远休止角(outer dwell)回程运动角近休止角(inner dwell)BosDrbeABC凸轮的基圆该位置为初始位置第12页/共64页摆动从动件凸轮机构AO1O2B1B从动件摆角推程运动角CD远休止角回程运动角近休止角oB最大摆角最大摆角摆角第13页/共64页sO（3）升-停-回型（RDR型）（4）升-回型（RR型）sOsOsO（1）升-停-回-停型（RDRD型）（2）升-回-停型（RRD型）第14页/共64页（二）从动件的常用运动规律 凸轮的轮廓曲线取决于要实现的

5、从动件运动规律。因此，凸轮机构设计前，首先应根据工作要求确定从动件的运动规律。多项式运动规律三角函数运动规律组合运动规律 第15页/共64页边界条件：凸轮转过推程运动角0 0 从动件上升h 凸轮转过回程运动角0 0 从动件下降h 一般表达式：其中：凸轮转角，凸轮角速度,C Ci i待定系数。1、多项式运动规律(polynomial motion curve)第16页/共64页推程运动方程：s h/h/0 0 v h/h/0 0 a 0 同理得回程运动方程：sh(1-/h(1-/0 0)v-h/-h/0 0 a0s0 0vh+a 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

6、，惯性力为无穷大,凸轮机构受到极大冲击。这种冲击称为刚性冲击。（1）一次多项式运动规律（匀速运动规律 constant velocity）第17页/共64页 通常令推程（或回程）的前半程作等加速运动，后半程作等减速运动，故称为等加速等减速运动规律。位移曲线为一抛物线。（2 2）二次多项式运动规律 （等加速等减速constant acceleration运动规律）149410h1423560sv0vmax0amax-amaxa 从动件在推程（或回程）中，前半段作等加速运动，后半段作等减速运动，加速度为常数。第18页/共64页位移方程：s=10h(/0 0)3 315h(/0 0)4 4+6h(/

7、0 0)5 5无冲击，适用于高速凸轮。（3 3）五次多项式运动规律 s svah0 0既无刚性冲击也无柔性冲击 高速、中载场合 理论上，随着多项式次数的增多，可以满足任意复杂的运动规律。第19页/共64页（1）余弦加速度(简谐)运动规律 推程：sh h 1-cos(/1-cos(/0 0)/2/2 v hsin(/hsin(/0 0)/2)/20 0a 2 2hh2 2 cos(/cos(/0 0)/2)/20 02 2 回程：sh h 1 1cos(/cos(/0 0)/2/2 v-hsin(/-hsin(/0 0)/2)/20 0a-2 2hh2 2 cos(/cos(/0 0)/2)/2

8、0 02 2在起始和终止处理论上a a为有限值，产生柔性冲击。2 2、三角函数运动规律0s1 23456hvmaxv1 23456a123456amax-amax123456第20页/共64页推程：sh/h/0 0-sin(2/-sin(2/0 0)/2)/2 v vh1-cos(2/0)/0h1-cos(2/0)/0a2h2h2 2 sin(2/(2/0 0)/)/0 02 2 回程：sh1-/h1-/0 0+sin(2/+sin(2/0 0)/2)/2 vhcos(2/hcos(2/0 0)-1/)-1/0 0a-2h-2h2 2 sin(2/(2/0 0)/)/0 02 2（2 2）正弦

9、加速度（摆线）运动规律sh0 0av 正弦运动的速度和加速度线图都是连续的，故没有刚性冲击，也没有柔性冲击。第21页/共64页 运动规律设计时应遵循以下原则：（1 1）对于中、低速运动的凸轮机构，要求从动件的位移曲线在衔接处相切，以保证速度曲线的连续。即要求在衔接处的位移和速度应分别相等。（2 2）对于中、高速运动的凸轮机构，要求从动件的速度曲线在衔接处相切，以保证加速度曲线连续，即要求在衔接处的位移、速度和加速度应分别相等。3、组合运动规律简介第22页/共64页（1 1）修正梯形组合运动规律a1 2 3 45 6 7 8oa0amax=(h2/2)4.00amax=(h2/2)6.28等加速

10、等减速运动规律正弦加速度运动规律a=10.1250.50.875j=10.1250.50.875修正梯形组合运动规律amax=(h2/2)4.888王树才两种典型的组合运动规律两种典型的组合运动规律第23页/共64页（2 2）改进型等速运动规律Oa正弦加速度运动规律等速运动规律aos12av第24页/共64页（1 1）从动件运动的最大速度v vmaxmax要尽量小。当从动件系统的质量较大时，从动件系统的最大动量mvmvmaxmax对从动件的影响较大，故要限制从动件的最大速度v vmaxmax；（2 2）从动件运动的最大加速度a amaxmax要尽量小，且无突变。凸轮机构中，从动件的惯性力F=-

11、maF=-ma。限制最大加速度a amaxmax，就限制了机构的惯性力；加速度无突变，则避免了刚性冲击或柔性冲击；王树才（三）从动件运动规律设计应考虑的问题第25页/共64页（3 3）从动件的最大跃度j jmaxmax要尽量小。跃度j j是为加速度的一阶导数，反应了惯性力的变化率，跃度越大机构运动的平稳性越差；王树才 v vmaxmax、a amaxmax、j jmaxmax的值越小越好，但这些值又互相关联、互相矛盾。选择时，可根据工作要求，分清主次进行选择。第26页/共64页几种基本运动规律的特征值 运动规律vmax/amax/jmax/冲击使用场合等速运动规律1.00刚性冲击低速轻载等加速

12、等减速运动规律2.004.00柔性冲击中速轻载余弦加速度运动规律1.594.93柔性冲击中速中载正弦加速度运动规律2.006.2839.48无中高速中载五次多项式1.885.7760.00无高速中载第27页/共64页凸轮机构的力学特性（一）凸轮机构的最大压力角及计算 1 1移动滚子从动件盘形凸轮机构 压力角为正压力与从动件上力作用点B B速度方向间的夹角nnOBFQ第28页/共64页oe1cpAnnP为构件1、2的瞬心v2=op.注意：“+”、“-”n1tt2pnAcoev2s0srbQ 法线nn交过O点的导路垂线于点P，为凸轮与从动件的速度瞬心。速度瞬心P和从动件移动的导路可能在凸轮回转中心

13、O的同侧，也可能在O的异侧。若P和导路在O的同侧，取“”，若P和导路在O的异侧，取“”。第29页/共64页2摆动滚子从动件盘形凸轮机构 pv221o1rbB13Lao2且整理得注意“”v2o11AnO2npBKrbK在主、从动件转向相反时用上一组符号。nn第30页/共64页（二）凸轮机构的不自锁条件 Q得理想装置中，摩擦力为零，11=2 2=0=0，凸轮机构效率为 令0得 第31页/共64页（三）凸轮机构的许用压力角 上式，在其他条件相同的情况下，压力角愈大，则分母愈小，作用力F愈大；若大到使式中分母为零，则作用力F将增至无穷大，此时机构将自锁，所对应压力角称为临界压力角lim，其值为 从减小

14、推力，避免自锁，使机构受力良好来看，压力角越小越好。实践证明，当增大到接近lim时，即使尚未发生自锁，也会导致驱动力急剧增大，轮廓严重磨损、效率迅速降低。maxmax rT a rT 轮廓正常轮廓正常内凹外凸arTrTa滚子半径和平底宽度的确定 （一）滚子半径的确定第49页/共64页rT a rT0rTa rT r rT T 轮廓失真rTrT第50页/共64页 设计平底从动件凸轮机构，要保证从动件的平底与凸轮轮廓始终正常接触，这就需要平底的宽度足够大，否则也会引起运动失真现象。（二）平底宽度的确定 为了保证从动件平底与凸轮的正常接触，平底左、右两侧的最小宽度应大于C点和B点之间的最大距离。当C

15、 C点位于B B点左侧时，这一最大距离为 第51页/共64页平底的宽度b b满足 第52页/共64页四、从动件高副元素形状的选择 尖顶从动件结构简单，可以与任何形状的轮廓线实现精确的接触，从而实现预期的运动规律，但由于在凸轮表面和从动件接触处容易产生过大的磨损，因此只适用于传递运动的凸轮机构，如仪器仪表中的凸轮机构。滚于从动件具有摩擦磨损小、承载能力较高的特点。工程中常采用向心球轴承作为滚子，也可以用滚针轴承或圆柱形套筒作为滚子。第53页/共64页 平底从动件具有润滑状况好、受力平稳、传动效率高的优点，在许多高速重栽场合得到应用，例如汽车发动机的配气凸轮机构等等。受许可的相对滑动速度的限制，平

16、底从动件仅适用于凸轮尺寸较小的场合。第54页/共64页五、封闭形式的选择 封闭使从动件与凸轮之间始终保持接触，常用的封闭方式有力封闭和形封闭两种。(1)(1)力封闭 利用从动件系统自身的重力实现封闭 利用弹簧力等外力实现封闭第55页/共64页 凸轮轮廓制造比较方便，在机构运转过程中具有自适应性，使凸轮和从动件可以始终实现无间隙的传动。只适用于低速场合，否则，将会因为从动件系统的惯性力而抵消重力的作用，从而产生从动件与凸轮脱离接触的现象，使从动件的运动失去控制。即使采用弹簧力进行封闭，当凸轮转速较高时，也可能出现这种现象。优点优点第56页/共64页(2)(2)形封闭 形封闭克服了从动件与凸轮脱离

17、接触的现象，能够可靠地实现封闭。通常采用在凸轮表面加工出沟槽或特殊形式的从动件来实现封闭。为了实现无间隙的接触，同时避免因双面接触出现的阻转现象。可采用如图所示结构。第57页/共64页固有频率：运动微分方程：4-4 高速凸轮机构简介 当 时，凸轮机构系统的弹性变形不能忽略，这时要按高速凸轮机构的设计方法对凸轮机构进行设计。第58页/共64页 1凸轮机构是一种常用的高副机构，可实现转动摆动、转动移动、移动移动和连续运动间歇运动等的变换功能。可精确实现所设计的运动规律，并且结构简单，在自动化和半自动化机械中应用广泛。2分类的方式不同，凸轮机构的类型也不同。按凸轮的形状可分为盘形凸轮、移动凸轮和圆柱

18、凸轮；按从动件形式可分为尖顶从动件、滚子从动件、平底从动件；按从动件相对于机架的运动可分为直动从动件和摆动从动件；按凸轮与推杆的接触方式可分为力锁合和几何锁合。内容小结 第59页/共64页（1 1）等速运动规律，在行程的起点和终点存在刚性冲击，常用于低速、轻载的场合。（2 2）等加速等减速运动规律，在行程的起点、中点和终点存在柔性冲击，常用于中速、轻载的场合。（3 3）5 5次多项式运动规律，不存在冲击，常用于高速、中载的场合。（4 4）简谐运动规律，在行程的起点和终点存在柔性冲击，常用于中速、中载的场合。（5 5）摆线运动规律，不存在冲击，常用于高速、中载的场合。（6 6）组合运动规律，用上

19、述基本运动规律组合形成组合运动规律，消除基本运动规律的缺陷。3运动规律的选择和设计第60页/共64页 4.4.凸轮廓线的设计的基本原理是反转法。设计方法有图解法和解析法。尖顶从动件凸轮廓线的设计是基础，尖顶从动件凸轮廓线是滚子中心或平底的参考点的理论廓线，滚子或平底的包络线形成凸轮实际廓线。5 5凸枪机构的主要参数有：基圆半径、滚子半径、平底长度、偏距等。本章介绍了除平底从动件按凸轮外凸条件决定基圆半径外，其它从动件按凸轮机构许用压力角确定凸轮最小基圆半径；按不失真的条件决定的滚子半径；按从动件类速度的最大值决定平底从动件的长度；按导路与推程的相对瞬心在凸轮转动中心的同侧的原则确定偏距方向。第

20、61页/共64页文献阅读指南（1）从动件运动规律设计是现代凸轮机构的运动和动力特性。本章已介绍了从动件的五种基本运动规律及两种常用的组合运动规律（改进梯形加速度及改进正弦加速度运动规律），关于改进梯形加速度及改进正弦加速度运动规律以及还有其他一些改进型及组合运动规律、复杂多项式运动规律的详细情况可参阅邹慧君、董师予等编译的凸轮机构的现代设计（上海：上海交通大学出版社，1991）一书。（2）凸轮机构基本参数选择得不恰当，则可能造成压力角过大或产生运动失真现象，在邹慧君、董师予等编译的凸轮机构的现代设计中，不仅推导出各种凸轮机构的压力角和基本尺寸的关系。而且为了避免冗长乏味的数学运算过程，该书还给

21、出了反映各种凸轮机构压力角与基圈半径关系的诺模图。（3）对于高速凸轮的设计应视整个系统为一个弹性系统来分析和设计。关于高速凸轮运转时的真实运动情况，以及引起凸轮从动件系统振动的原因和减少振动的途径，可参阅张策编著的机械动力学（北京：高等教育出版社，2000）一书。（4）凸轮机构的优化设计、计算机辅助设计和专家系统等方面的情况可参阅赵韩、丁爵曾等人编著的凸轮机构设计（北京：高等教学出版社，1991）一书。王树才第62页/共64页课件制作：课件制作：王树才、王树英、程友联、王树才、王树英、程友联、江家武、江家武、李玲娟、贺俊林、张维英、侯明亮、李玲娟、贺俊林、张维英、侯明亮、赵正雄、权伍荣赵正雄、权伍荣作业：第63页/共64页感谢您的观看！第64页/共64页