0 第3章 (1-4)凸轮机构机械设计基础.ppt

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1、机械设计基础机械设计基础（PPTPPT课件）课件）缝制时，手动转动修鞋机的机盘就可以使指针作上下运缝制时，手动转动修鞋机的机盘就可以使指针作上下运动，请考虑一下，是什么机构实现了这种看似简单的运动呢动，请考虑一下，是什么机构实现了这种看似简单的运动呢？第3章 凸轮机构 走在路边经常会看走在路边经常会看到修鞋流动摊，利用一到修鞋流动摊，利用一台简单的手动修鞋机就台简单的手动修鞋机就可以在破损鞋面缝制线可以在破损鞋面缝制线迹，给我们的生活带来迹，给我们的生活带来很大方便，也是部分人很大方便，也是部分人群的谋生手段。群的谋生手段。修鞋机修鞋机3.1 凸轮机构的应用、分类和特点3.2 常用的从动件运动

2、规律3.3 盘形凸轮轮廓曲线的设计3.4 盘形凸轮的结构设计第3章 凸轮机构3.5 工程应用案例缝纫机u本章知识要点本章知识要点u掌握凸轮机构的组成、应用、特点及分类；掌握凸轮机构的组成、应用、特点及分类；u掌握凸轮机构从动件的运动规律；掌握凸轮机构从动件的运动规律；u熟悉盘形凸轮轮廓曲线的设计过程；熟悉盘形凸轮轮廓曲线的设计过程；u了解盘形凸轮的结构设计。了解盘形凸轮的结构设计。u兴趣实践兴趣实践观察缝纫机、修鞋机工作时凸轮机构的运动情况。观察缝纫机、修鞋机工作时凸轮机构的运动情况。u探索思考探索思考要实现机械的自动化运动过程，不用计算机可以吗？要实现机械的自动化运动过程，不用计算机可以吗？

3、第3章 凸轮机构 上一章讨论的上一章讨论的平面连杆机构平面连杆机构一般只能近似地实现给定的一般只能近似地实现给定的运动规律，而且设计较为复杂，在各种机器中，特别是自动运动规律，而且设计较为复杂，在各种机器中，特别是自动化机器中，为实现各种复杂的运动要求，常采用凸轮机构，化机器中，为实现各种复杂的运动要求，常采用凸轮机构，其设计比较简便。只要将其设计比较简便。只要将凸轮的轮廓曲线凸轮的轮廓曲线按照从动件的运规按照从动件的运规律设计出来，从动件就能较准确的实现预定的运动规律。本律设计出来，从动件就能较准确的实现预定的运动规律。本章将着重研究章将着重研究盘状凸轮轮廓曲线绘制的基本方法盘状凸轮轮廓曲线

4、绘制的基本方法和和凸轮设计凸轮设计中的相关问题。中的相关问题。第3章 凸轮机构手机是大家必备的通讯工具，在某些特定的手机是大家必备的通讯工具，在某些特定的场合，经常将其设为振动模式，手机振动器场合，经常将其设为振动模式，手机振动器是通过凸轮来实现手机振动的，这里的凸轮是通过凸轮来实现手机振动的，这里的凸轮是偏心的圆盘。是偏心的圆盘。一、凸轮机构的组成、应用和特点一、凸轮机构的组成、应用和特点 凸轮凸轮是一种具有是一种具有曲线轮廓曲线轮廓或或凹槽凹槽的构件，它通过与从动的构件，它通过与从动件的件的高副高副接触，在运动时可以使从动件获得接触，在运动时可以使从动件获得连续连续或或不连续不连续的的任意

5、预期运动。任意预期运动。凸轮机构由凸轮机构由凸轮凸轮、从动件从动件和和机架机架三部分组成。三部分组成。凸轮机构是凸轮机构是高副高副机构，易于磨损，因此只适用于机构，易于磨损，因此只适用于传递动传递动力不大力不大的场合。的场合。组成组成凸轮机构的应用、分类和特点 应用应用凸轮机构在印刷机中的应用凸轮机构在印刷机中的应用 凸轮机构的应用、分类和特点 应用应用凸轮机构在胶印机中的应用凸轮机构在胶印机中的应用 凸轮机构的应用、分类和特点 应用应用凸轮机构在内燃机中的应用凸轮机构在内燃机中的应用 凸轮机构的应用、分类和特点 应用应用凸轮机构在自动机床中的应用凸轮机构在自动机床中的应用 凸轮机构的应用、分

6、类和特点 特点特点优点优点：凸轮机构结构简单、紧凑，能方便地设计凸轮轮：凸轮机构结构简单、紧凑，能方便地设计凸轮轮廓以实现从动件预期运动规律，广泛用于自动化和半自廓以实现从动件预期运动规律，广泛用于自动化和半自动化机械中作为控制机构。动化机械中作为控制机构。缺点缺点：凸轮轮廓与从动件间为点、线接触而易磨损，所：凸轮轮廓与从动件间为点、线接触而易磨损，所以不宜承受重载或冲击载荷。以不宜承受重载或冲击载荷。凸轮机构的应用、分类和特点二、凸轮机构的分类二、凸轮机构的分类凸轮机构的类型很多，通常按凸轮机构的类型很多，通常按凸轮和从动件的形状凸轮和从动件的形状、运运动形式动形式分类。分类。按凸轮的形状和

7、运动按凸轮的形状和运动盘形凸轮盘形凸轮 移动凸轮移动凸轮 圆柱凸轮圆柱凸轮 按从动件端部形状按从动件端部形状尖顶凸轮尖顶凸轮 滚子凸轮滚子凸轮 平底凸轮平底凸轮 按从动件运动形式按从动件运动形式对心直动从动件对心直动从动件 偏置直动从动件偏置直动从动件 摆动从动件摆动从动件 凸轮机构的应用、分类和特点三、凸轮机构的工作原理三、凸轮机构的工作原理 凸轮机构的工作原理相对其它机构是较为简单的，从凸轮机构的工作原理相对其它机构是较为简单的，从动件的运动规律主要是取决于动件的运动规律主要是取决于凸轮的轮廓形状凸轮的轮廓形状。凸轮机构的应用、分类和特点 上图所示小熊敲敲车玩具，拉动小熊身前的拉绳，车上图

8、所示小熊敲敲车玩具，拉动小熊身前的拉绳，车轮转动，可爱的小熊就会咚、咚、咚的打鼓，请思考轮转动，可爱的小熊就会咚、咚、咚的打鼓，请思考打鼓动作是靠什么机构实现的？如果要改变小熊打鼓打鼓动作是靠什么机构实现的？如果要改变小熊打鼓的节奏，该如何实现？的节奏，该如何实现？从动件常用运动规律小熊敲敲车小熊敲敲车工程实践请举例说明生活中应用凸轮机构的实例，请举例说明生活中应用凸轮机构的实例，并讲明其工作原理。（使用并讲明其工作原理。（使用PPT、动画、动画、视频等）视频等）案例案例3-13-1电风扇简称电扇，也称为风扇、扇风电风扇简称电扇，也称为风扇、扇风机，是一种利用电动机驱动扇叶旋转，机，是一种利用

9、电动机驱动扇叶旋转，使空气加速流通的家用电器。为了使使空气加速流通的家用电器。为了使送风区域增大，目前常见的电风扇可送风区域增大，目前常见的电风扇可以左右摆头。为了实现立体式宽区域以左右摆头。为了实现立体式宽区域送风，请你设计一台电风扇，即可以送风，请你设计一台电风扇，即可以左右摆头，也可以上下俯仰运动，请左右摆头，也可以上下俯仰运动，请问可以通过什么机构实现，设计的具问可以通过什么机构实现，设计的具体步骤是怎样的，如何进行设计？体步骤是怎样的，如何进行设计？从动件常用运动规律一、凸轮机构的工作过程分析一、凸轮机构的工作过程分析 基本概念基本概念1.基圆基圆2.推程运动角推程运动角3.远休止角

10、远休止角4.回程运动角回程运动角5.近休止角近休止角以凸轮的最小向径为半径以凸轮的最小向径为半径所作的圆称为基圆，基圆半径所作的圆称为基圆，基圆半径用用rb 表示。右图中蓝色部分即表示。右图中蓝色部分即为基圆。为基圆。从动件被凸轮推动，以一从动件被凸轮推动，以一定运动规律到达最高点位置定运动规律到达最高点位置B，从动件在这过程中经过的距，从动件在这过程中经过的距离离h称为推程称为推程升程升程，对应的，对应的凸轮转角凸轮转角0称为推程运动角。称为推程运动角。右图中银色部分。右图中银色部分。凸轮继续回转凸轮继续回转3，圆弧，圆弧DA与尖顶接触，从动件停留不动，与尖顶接触，从动件停留不动，对应的转角

11、对应的转角3为近休止角。右为近休止角。右图中蓝色线段。图中蓝色线段。当凸轮继续转过角度当凸轮继续转过角度1时，时，以以O为圆心的圆弧为圆心的圆弧BC与尖顶接与尖顶接触，从动件在最高位置静止不触，从动件在最高位置静止不动，动，1 称为远休止角。右图中称为远休止角。右图中红色的线段。红色的线段。凸轮再继续回转凸轮再继续回转2，从动，从动件以一定运动规律下降到最低件以一定运动规律下降到最低位置位置D，这段行程称为回程，这段行程称为回程，对应的凸轮转角对应的凸轮转角2称为回程运称为回程运动角。右图中下边的黄色线段。动角。右图中下边的黄色线段。从动件常用运动规律 凸轮机构中，从动件的凸轮机构中，从动件的

12、运动位移线图运动位移线图由由凸轮轮廓凸轮轮廓决定。决定。以以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为例。为例。位移线图位移线图s-也可用也可用反转原理反转原理求出：设想给整个凸轮机构求出：设想给整个凸轮机构加上绕凸轮轴心加上绕凸轮轴心O的反向角速度的反向角速度-，这样，机构各构件间的，这样，机构各构件间的相对运动仍不变，但凸轮变为不动，而从动件则以相对运动仍不变，但凸轮变为不动，而从动件则以-绕绕O点点转动，同时受凸轮轮廓的作用又在导路中移动。反转中尖顶转动，同时受凸轮轮廓的作用又在导路中移动。反转中尖顶的运动轨迹（的运动轨迹（1、2、3）就是凸轮轮廓，尖顶离开基圆的）就

13、是凸轮轮廓，尖顶离开基圆的距离即是从动件的位移。距离即是从动件的位移。从动件常用运动规律 从动件的运动规律从动件的运动规律指在推程和回程当中其位移指在推程和回程当中其位移s、速度、速度v、加速度加速度a随凸轮转角变化的规律。下面介绍从动件的运动规律：随凸轮转角变化的规律。下面介绍从动件的运动规律：二、从动件常用运动规律二、从动件常用运动规律1.等速运动规律等速运动规律等速运动规律等速运动规律凸轮角速度凸轮角速度为常数时，从动件速度为常数时，从动件速度 不变。不变。位移方程位移方程可表达为可表达为 从动件常用运动规律等速运动规律的位移、速度、加速度线图等速运动规律的位移、速度、加速度线图 对于对

14、于等速运动规律等速运动规律，起点，起点和终点瞬时的加速度和终点瞬时的加速度a为无为无穷大，因此产生穷大，因此产生刚性冲击刚性冲击。应用于中、小功率和低速应用于中、小功率和低速场合，为避免由此产生的场合，为避免由此产生的刚性冲击，实际应用时常刚性冲击，实际应用时常用圆弧或其他曲线修正位用圆弧或其他曲线修正位移线图的始、未两端，修移线图的始、未两端，修正后的加速度正后的加速度a为有限值，为有限值，此时引起的有限冲击称为此时引起的有限冲击称为柔性冲击柔性冲击。从动件常用运动规律案例案例3-13-1分析分析根据电风扇工作要求，应采用从动件等速根据电风扇工作要求，应采用从动件等速运动规律。按要求作出从动

15、件位移线图和运动规律。按要求作出从动件位移线图和角位移线图。提示：左右摆头时为摆动从角位移线图。提示：左右摆头时为摆动从动件，上下俯仰运动时为直动从动件。动件，上下俯仰运动时为直动从动件。从动件常用运动规律2.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在前半程用等加速运动规律，在前半程用等加速运动规律，后半程采用等减速运动规律，两部分加速度绝对值相等后半程采用等减速运动规律，两部分加速度绝对值相等。前半程位移方程前半程位移方程为为 等加速等减速运动规律的位移线图的画法等加速等减速运动规律的位移线图的画法：将推程角将推程角0分成两等份，每等份为分成两等份，每

16、等份为0/2；将行程分成；将行程分成两等份，每等份为两等份，每等份为h/2。将。将0/2分成若干等份，得分成若干等份，得1、2、3等点，过这些点作横坐标的垂线。将等点，过这些点作横坐标的垂线。将h/2分成相同的等分成相同的等份，得份，得1 、2 、3 等点，连等点，连O1 、O2 、O3 与相应的横坐标的垂线分别相交与与相应的横坐标的垂线分别相交与1、2 、3 点，点，便得到推程等加速段的位移线图，等减速段的位移线图可便得到推程等加速段的位移线图，等减速段的位移线图可用同样的方法求得。用同样的方法求得。从动件常用运动规律等加速等减速运等加速等减速运动规律的位移、动规律的位移、速度、加速度线图速

17、度、加速度线图 对于对于等加速等减等加速等减速运动规律速运动规律，在，在运动起点运动起点A、中、中点点B、终点、终点C的的加速度突变为有加速度突变为有限值，产生限值，产生柔性柔性冲击冲击。用于中速。用于中速场合。场合。从动件常用运动规律 如果知道如果知道从动件的运动规律从动件的运动规律，就可以利用，就可以利用作图法作图法将将位移位移线图线图作出，由于从动件和凸轮是高副联接，它们始终相接触，作出，由于从动件和凸轮是高副联接，它们始终相接触，只要恰当地确定出只要恰当地确定出凸轮基圆半径凸轮基圆半径，我们就可以根据，我们就可以根据位移线图位移线图和转角的对应关系和转角的对应关系以及以及凸轮的转动方向

18、凸轮的转动方向，就可以将，就可以将凸轮轮廓凸轮轮廓画在纸上，在生产中这种设计方法就是画在纸上，在生产中这种设计方法就是作图法作图法。作图法作图法要求其作图精度高，在生产中用图解法设计出的要求其作图精度高，在生产中用图解法设计出的凸轮可直接应用于凸轮可直接应用于精度要求不高精度要求不高的产品中。对于精度要求高的产品中。对于精度要求高的凸轮机构，用作图法设计出凸轮轮廓后，再经数学分析后的凸轮机构，用作图法设计出凸轮轮廓后，再经数学分析后用计算机精确（目前数控加工精度可精确到用计算机精确（目前数控加工精度可精确到0.001mm）计算）计算出轮廓上各点的向径值。这种方法称为出轮廓上各点的向径值。这种方

19、法称为解析法解析法。盘形凸轮轮廓曲线的设计 当从动件的运动规律给定后，凸轮的轮廓可用作图法方当从动件的运动规律给定后，凸轮的轮廓可用作图法方便地作出。该作图法实际上是前述便地作出。该作图法实际上是前述反转法反转法作位移线图的逆作位移线图的逆过程。过程。一、一、对心直动尖顶从动件盘形凸轮对心直动尖顶从动件盘形凸轮二、二、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三、三、对心直动平底从动件盘形凸轮对心直动平底从动件盘形凸轮四、四、偏置直动尖顶从动件盘形凸轮偏置直动尖顶从动件盘形凸轮五、五、摆动从动件盘形凸轮摆动从动件盘形凸轮 把滚子回转中心看作尖顶绘出凸轮理论轮廓后，再以理把滚子回转中心

20、看作尖顶绘出凸轮理论轮廓后，再以理论轮廓上一系列点为圆心，以滚子半径为半径所作一系论轮廓上一系列点为圆心，以滚子半径为半径所作一系列圆的包络线列圆的包络线 盘形凸轮轮廓曲线的设计案例案例3-13-1分析分析 风扇上下俯仰运动时，应采用直动从动风扇上下俯仰运动时，应采用直动从动件盘形凸轮机构，结合前边的位移线图，件盘形凸轮机构，结合前边的位移线图，利用图解法作出所需凸轮轮廓曲线。利用图解法作出所需凸轮轮廓曲线。风扇左右摆头时，应采用摆动从动件，风扇左右摆头时，应采用摆动从动件，结合前边的角位移线图，利用图解法作结合前边的角位移线图，利用图解法作出所需凸轮轮廓曲线。提示：这里的凸出所需凸轮轮廓曲线

21、。提示：这里的凸轮应为圆柱凸轮。轮应为圆柱凸轮。盘形凸轮轮廓曲线的设计案例案例3-23-2电风扇机头的空间大小是有限的，电风扇机头的空间大小是有限的，要使设计的凸轮机构结构紧凑、要使设计的凸轮机构结构紧凑、体积小，该如何实现？体积小，该如何实现？盘形凸轮的结构设计 图解法图解法设计凸轮轮廓曲线时，假设凸轮的基圆半径、滚设计凸轮轮廓曲线时，假设凸轮的基圆半径、滚子半径等尺寸均为已知。而在实际设计时，则需根据机构的子半径等尺寸均为已知。而在实际设计时，则需根据机构的受力情况受力情况，并考虑，并考虑结构的紧凑性结构的紧凑性、运动的可靠性运动的可靠性等因素，合等因素，合理确定这些尺寸。理确定这些尺寸。

22、一、压力角一、压力角 不考虑从动件与凸轮不考虑从动件与凸轮接触处的磨擦，凸轮对从接触处的磨擦，凸轮对从动件的作用力动件的作用力F沿接触点沿接触点A的法线的法线n方向方向，直动从动，直动从动杆的速度杆的速度v沿导路方向沿导路方向。从动件所受作用力从动件所受作用力F与受与受力点速度力点速度间所夹的锐角间所夹的锐角称为凸轮机构的称为凸轮机构的压力角压力角，用用表示。表示。盘形凸轮的结构设计 由上述关系式知，压力角由上述关系式知，压力角愈大，有效分力愈大，有效分力y愈小，有愈小，有害分力害分力x愈大。当愈大。当a角大到某角大到某一数值时，必将会出现一数值时，必将会出现Fy，修改设计方案的方法：修改设计

23、方案的方法：（1）增大基圆半径；）增大基圆半径；（2）将对心式从动件改为偏置式从动件；）将对心式从动件改为偏置式从动件；（3）对于偏置从动件，凸轮逆时针转动时，从动件偏置在）对于偏置从动件，凸轮逆时针转动时，从动件偏置在 凸轮转动中心右侧；凸轮顺时针转动时，从动件采用凸轮转动中心右侧；凸轮顺时针转动时，从动件采用 左偏置，压力角较小。左偏置，压力角较小。盘形凸轮的结构设计二、凸轮基圆半径的选择二、凸轮基圆半径的选择 从动件运动规律相同时，对应点的压力角从动件运动规律相同时，对应点的压力角 与基圆半径与基圆半径r rb b等有因素有关。如图所示，等有因素有关。如图所示，基圆半径较大基圆半径较大的

24、凸轮对应点的的凸轮对应点的压压力角较小力角较小，传力性能好些，但结构尺寸较大；，传力性能好些，但结构尺寸较大；基圆半径小基圆半径小时，时，压力角较大压力角较大，容易引自锁，但凸轮的结构比较紧凑。，容易引自锁，但凸轮的结构比较紧凑。1.根据凸轮的结构确定根据凸轮的结构确定rb当凸轮与轴做成一体时：当凸轮与轴做成一体时：当凸轮装在轴上时：当凸轮装在轴上时：r凸轮轴的半径，凸轮轴的半径，mm；rn凸轮轮毂的半径，凸轮轮毂的半径，mm；一般；一般rn=(1.51.7)r；rr滚子半径，滚子半径，mm；2.根据根据max确定确定rb已知推程运动角、行程和最大压力角，由诺模图求得。已知推程运动角、行程和最

25、大压力角，由诺模图求得。盘形凸轮的结构设计三、滚子半径的选择三、滚子半径的选择（1）当滚子半径）当滚子半径rr0，即比，即比 较圆滑较圆滑;（2 2）当滚子半径当滚子半径rr=时，时，实际轮廓的曲率半径实际轮廓的曲率半径=0，出现尖点；出现尖点；（3）滚子半径）滚子半径rr时时,实实际轮廓的曲率半径际轮廓的曲率半径0,轮轮廓线发生叠交，叠交阴影廓线发生叠交，叠交阴影部分在实际加工过程中将部分在实际加工过程中将被切去。工作时，这一部被切去。工作时，这一部分的运动规律无法实现，分的运动规律无法实现，这种现象称为运动失真。这种现象称为运动失真。盘形凸轮的结构设计滚子半径的确定原则：滚子半径的确定原则

26、：滚子半径对凸轮实际轮廓的形状影响很大；滚子半径对凸轮实际轮廓的形状影响很大；为了避免实际轮廓变尖或运动失真为了避免实际轮廓变尖或运动失真,一般要求一般要求rr0.8min,凸轮凸轮轮廓的最小曲率半径轮廓的最小曲率半径min一般不小于一般不小于1 5 m m。四、凸轮的结构四、凸轮的结构凸轮轴凸轮轴整体式整体式组合式组合式盘形凸轮的结构设计案例案例3-23-2分析分析凸轮结构设计：凸轮结构设计：(1)(1)选择合适的基圆半径；选择合适的基圆半径；(2)(2)选择合适的偏置方式及偏距；选择合适的偏置方式及偏距；(3)(3)若为何滚子从动件，选择合适的滚子半径。若为何滚子从动件，选择合适的滚子半径

27、。盘形凸轮的结构设计 上图所示自卸货车，又称翻斗车，其载货部位具有自上图所示自卸货车，又称翻斗车，其载货部位具有自动倾卸装置，采用第动倾卸装置，采用第2章讲述的摇块机构实现自卸功章讲述的摇块机构实现自卸功能。请思考这里可以用凸轮机构吗？为什么呢？能。请思考这里可以用凸轮机构吗？为什么呢？各种机构比较分析自卸货车自卸货车 上图所示的自动机床进刀机构的往复运动是通过凸轮上图所示的自动机床进刀机构的往复运动是通过凸轮机构和齿轮齿条啮合传动实现的。请思考能否通过曲机构和齿轮齿条啮合传动实现的。请思考能否通过曲柄滑块机构实现该往复运动过程呢？柄滑块机构实现该往复运动过程呢？各种机构比较分析自动机床进刀机

28、构自动机床进刀机构 缝纫机是我们日常生活中经常用到的工具，如下左图所缝纫机是我们日常生活中经常用到的工具，如下左图所示，主要由引线机构、勾线机构、挑线机构及送料机构组成，示，主要由引线机构、勾线机构、挑线机构及送料机构组成，其中的挑线机构可由凸轮机构实现，如下右图所示。其中的挑线机构可由凸轮机构实现，如下右图所示。设计要求：设计一偏置滚子直动从动件盘形凸轮机构；设计要求：设计一偏置滚子直动从动件盘形凸轮机构；完成的主要功能：为摆梭的勾线、分线和扩大线环提供完成的主要功能：为摆梭的勾线、分线和扩大线环提供不同数量的线段，对面线进行收紧，使底线和面线绞合在缝不同数量的线段，对面线进行收紧，使底线和面线绞合在缝料层之间。料层之间。工程应用案例缝纫机内内燃燃机机配配气气机机构构移移动动凸凸轮轮机机构构刀刀架架送送给给机机构构凸轮机构的应用、分类和特点凸轮机构的应用、分类和特点滚子凸轮机构滚子凸轮机构凸轮机构的应用、分类和特点凸轮机构的应用、分类和特点凸轮机构的应用、分类和特点凸轮机构的应用、分类和特点凸轮机构的应用、分类和特点从动件常用运动规律从动件常用运动规律从动件常用运动规律盘形凸轮轮廓曲线的设计盘形凸轮轮廓曲线的设计盘形凸轮轮廓曲线的设计盘形凸轮轮廓曲线的设计盘形凸轮轮廓曲线的设计