1、u機械原理網絡教學課件機械原理網絡教學課件第第3章章 凸輪機構凸輪機構I具有曲線輪廓的構具有曲線輪廓的構件通過高副帶動從件通過高副帶動從動件實現預期運動動件實現預期運動3.13.1凸輪機構的組成與類型凸輪機構的組成與類型3.23.2從動件運動規(guī)律設計從動件運動規(guī)律設計3.33.3凸輪輪廓的設計凸輪輪廓的設計3.43.4凸輪機構根本尺寸確實定凸輪機構根本尺寸確實定3.53.5凸輪機構的計算機輔助設計凸輪機構的計算機輔助設計第第3 3章章 凸輪機構凸輪機構3.13.1凸輪機構的組成與類型凸輪機構的組成與類型u3.1.1 凸輪機構的組成凸輪機構的組成u3.1.2 凸輪機構的類型凸輪機構的類型u3.1

2、.2 凸輪機構的應用凸輪機構的應用3.1.1 3.1.1 凸輪機構的組成凸輪機構的組成高副機構高副機構3.13.1凸輪機構的組成與類型凸輪機構的組成與類型從動件從動件凸輪凸輪機架機架3.1.2 3.1.2 凸輪機構的類型凸輪機構的類型盤形凸輪：最根本的形式，結構簡單，應用最為廣泛盤形凸輪：最根本的形式，結構簡單，應用最為廣泛移動凸輪：凸輪相對機架做直線運動移動凸輪：凸輪相對機架做直線運動圓柱凸輪：空間凸輪機構圓柱凸輪：空間凸輪機構盤形凸輪盤形凸輪 按凸輪的形狀分類按凸輪的形狀分類移動凸輪移動凸輪圓柱凸輪圓柱凸輪3.13.1凸輪機構的組成與類型凸輪機構的組成與類型 按從動件的形狀分類按從動件的形

3、狀分類尖端從動件尖端從動件曲面從動件曲面從動件u能與任意形狀的凸輪輪能與任意形狀的凸輪輪廓保持接觸，從而使從動廓保持接觸，從而使從動件實現任意的運動規(guī)律。件實現任意的運動規(guī)律。u尖端處極易磨損，只適尖端處極易磨損，只適用于低速場合。用于低速場合。u磨損比尖端從動件小磨損比尖端從動件小3.13.1凸輪機構的組成與類型凸輪機構的組成與類型 滾子從動件滾子從動件 平底從動件平底從動件l滾動摩擦，磨損小滾動摩擦，磨損小l用于傳遞較大的動力用于傳遞較大的動力u從動件與凸輪之間易形從動件與凸輪之間易形成油膜，潤滑好，受力平成油膜，潤滑好，受力平穩(wěn)，傳動效率高穩(wěn)，傳動效率高u高速場合；但凸輪輪廓高速場合；但

4、凸輪輪廓須全部外凸須全部外凸 按從動件的形狀分類按從動件的形狀分類3.13.1凸輪機構的組成與類型凸輪機構的組成與類型u按從動件的運動形式分類按從動件的運動形式分類移動從動件移動從動件u移動從動件移動從動件：從動件往復移動，運動軌跡為一段直線；從動件往復移動，運動軌跡為一段直線；u擺動從動件擺動從動件：從動件往復擺動，運動軌跡為一段圓弧。從動件往復擺動，運動軌跡為一段圓弧。擺動從動件擺動從動件3.13.1凸輪機構的組成與類型凸輪機構的組成與類型小結：小結：u按凸輪與從動件維持高副接觸的方法分類按凸輪與從動件維持高副接觸的方法分類 力鎖合：彈簧力、從力鎖合：彈簧力、從動件重力或其它外力動件重力或

5、其它外力 型鎖合型鎖合利用高副元利用高副元素本身的幾何形狀素本身的幾何形狀u槽兩側面的距離等于滾子直徑；槽兩側面的距離等于滾子直徑；u優(yōu)點：鎖合方式結構簡單優(yōu)點：鎖合方式結構簡單u缺點：加大了凸輪的尺寸和重量缺點：加大了凸輪的尺寸和重量槽凸輪機構槽凸輪機構3.13.1凸輪機構的組成與類型凸輪機構的組成與類型u凸輪廓線上任意兩條平行切線間凸輪廓線上任意兩條平行切線間的距離都等于框架內側的寬度的距離都等于框架內側的寬度u缺點：從動件的運動規(guī)律的選擇缺點：從動件的運動規(guī)律的選擇受到一定的限制受到一定的限制 型鎖合凸輪型鎖合凸輪等寬凸輪機構等寬凸輪機構等徑凸輪機構等徑凸輪機構u兩滾子中心間的距離始兩滾

6、子中心間的距離始終保持不變終保持不變u缺點：從動件運動規(guī)律缺點：從動件運動規(guī)律的選擇受到一定的限制的選擇受到一定的限制3.13.1凸輪機構的組成與類型凸輪機構的組成與類型主回凸輪機構主回凸輪機構( (共軛凸輪機構共軛凸輪機構) )u優(yōu)點：優(yōu)點：克服了等寬、等徑凸輪的缺點克服了等寬、等徑凸輪的缺點u缺點：缺點：結構復雜，制造精度要求高結構復雜，制造精度要求高一個凸輪推動從動一個凸輪推動從動件完成正行程運動，件完成正行程運動，另一個凸輪推動從另一個凸輪推動從動件完成反行程的動件完成反行程的運動運動 型鎖合凸輪型鎖合凸輪3.13.1凸輪機構的組成與類型凸輪機構的組成與類型型鎖合凸輪型鎖合凸輪擺桿為主

7、動件，凸輪為從動件擺桿為主動件，凸輪為從動件 反凸輪機構反凸輪機構3.13.1凸輪機構的組成與類型凸輪機構的組成與類型3.1.3 3.1.3 凸輪機構的應用凸輪機構的應用 3.13.1凸輪機構的組成與類型凸輪機構的組成與類型 凸輪機構的特點凸輪機構的特點 凸輪機構的應用凸輪機構的應用u實現無特定運動規(guī)律要求的工作行程實現無特定運動規(guī)律要求的工作行程u實現有特定運動規(guī)律要求的工作行程實現有特定運動規(guī)律要求的工作行程u實現對運動和動力特性有特殊要求的工作行程實現對運動和動力特性有特殊要求的工作行程u實現復雜的運動軌跡實現復雜的運動軌跡凸輪機構的特點凸輪機構的特點u優(yōu)點：優(yōu)點：l構件少；結構簡單、緊

8、湊構件少；結構簡單、緊湊l可方便地設計出任意要求的從動件運動規(guī)律可方便地設計出任意要求的從動件運動規(guī)律u缺點：缺點：l高副接觸，易磨損，用于受力不大的場合高副接觸，易磨損，用于受力不大的場合3.1.3 3.1.3 凸輪機構的應用凸輪機構的應用實現無特定運動規(guī)律的工作行程實現無特定運動規(guī)律的工作行程例例1 1：車床床頭箱利用凸輪機構實現變速操縱：車床床頭箱利用凸輪機構實現變速操縱3.13.1凸輪機構的組成與類型凸輪機構的組成與類型實現特殊運動規(guī)律的工作行程實現特殊運動規(guī)律的工作行程例例2 2：自動機床中利用凸輪實現自動進刀、退刀：自動機床中利用凸輪實現自動進刀、退刀3.13.1凸輪機構的組成與類

9、型凸輪機構的組成與類型實現對運動鶴動力有特殊要求的實現對運動鶴動力有特殊要求的工作行程工作行程例例3 3：船用柴油機中凸輪控制閥：船用柴油機中凸輪控制閥門的啟閉門的啟閉3.13.1凸輪機構的組成與類型凸輪機構的組成與類型例例4 4：印刷機通過凸輪組合實現的吸紙吸頭的復雜軌跡：印刷機通過凸輪組合實現的吸紙吸頭的復雜軌跡3.13.1凸輪機構的組成與類型凸輪機構的組成與類型3.2 3.2 從動件運動規(guī)律設計從動件運動規(guī)律設計u3.2.1 根底知識：凸輪機構的工作情況根底知識：凸輪機構的工作情況u從動件常用運動規(guī)律從動件常用運動規(guī)律u從動件運動規(guī)律的選擇從動件運動規(guī)律的選擇u從動件運動規(guī)律的組合從動件

10、運動規(guī)律的組合3.2.1 3.2.1 凸輪機構的工作情況凸輪機構的工作情況3.2.1 3.2.1 凸輪機構的工作情況凸輪機構的工作情況推程角推程角回程角回程角從動件位移線圖從動件位移線圖 3.2.1 3.2.1 凸輪機構的工作情況凸輪機構的工作情況從動件位移線圖從動件位移線圖 l基圓基圓以凸輪輪廓的最以凸輪輪廓的最小向徑小向徑rb所作的圓所作的圓l升程升程從動件上升的最從動件上升的最大距離大距離hu1.等速運動等速運動u2.等加速等減速等加速等減速(拋物線拋物線)運動運動u3.簡諧運動簡諧運動(余弦加速度運動余弦加速度運動)u4.擺線運動擺線運動(簡介簡介)u5. 3-4-5多項式運動多項式運

11、動(簡介簡介)3.2.2 從動件常用運動規(guī)律從動件常用運動規(guī)律3.2.2 3.2.2 從動件常用運動規(guī)律從動件常用運動規(guī)律u特點特點：速度有突變，加速度有突變，加速度理論上由零至無窮大，速度理論上由零至無窮大，從而使從動件產生巨大的從而使從動件產生巨大的慣性力，機構受到強烈沖慣性力，機構受到強烈沖擊擊剛性沖擊剛性沖擊u適應場合適應場合：低速輕載低速輕載 1.等速運動等速運動 2.等加速等減速等加速等減速(拋物線拋物線)運動運動3.2.2 3.2.2 從動件常用運動規(guī)律從動件常用運動規(guī)律22222442hahvhs等加速階段2.等加速等減速等加速等減速(拋物線拋物線)運動運動22222442ha

12、hvhs等加速階段 2.等加速等減速等加速等減速(拋物線拋物線)運動運動3.2.2 3.2.2 從動件常用運動規(guī)律從動件常用運動規(guī)律u特點特點：加速度曲線有突變，加加速度曲線有突變，加速度的變化率速度的變化率(即躍度即躍度j)在這些在這些位置為無窮大位置為無窮大柔性沖擊柔性沖擊u適應場合適應場合：中速輕載中速輕載 3.簡諧運動簡諧運動(余弦加速度運動余弦加速度運動)3.2.2 3.2.2 從動件常用運動規(guī)律從動件常用運動規(guī)律)cos(1 2hs推程u 當質點在圓周上作勻速運動當質點在圓周上作勻速運動時，它在該圓直徑上的投影所構時，它在該圓直徑上的投影所構成的運動規(guī)律成的運動規(guī)律簡諧運動簡諧運動

13、 3.簡諧運動簡諧運動(余弦加速度運動余弦加速度運動)u特點特點：有：有柔性沖擊柔性沖擊u適用場合：適用場合：中速輕載中速輕載(當從動件當從動件作連續(xù)運動時，可用于高速作連續(xù)運動時，可用于高速)3.2.2 3.2.2 從動件常用運動規(guī)律從動件常用運動規(guī)律u4.擺線運動擺線運動(簡介簡介)u 半徑半徑R=h/2的滾圓沿縱座標作的滾圓沿縱座標作純滾動，圓上最初位于座標原點的點純滾動，圓上最初位于座標原點的點其位移隨時間變化的規(guī)律其位移隨時間變化的規(guī)律擺線運動擺線運動u4.擺線運動擺線運動(簡介簡介)特點：特點：無剛性、柔性沖擊無剛性、柔性沖擊適用場合：適用場合：適于高速適于高速u5. 3-4-5多

14、項式運動多項式運動(簡介簡介) 54361510hs特點：特點：無剛性沖擊、柔性沖擊無剛性沖擊、柔性沖擊適用場合：適用場合：高速、中載高速、中載3.2.3 3.2.3 從動件運動規(guī)律的選擇從動件運動規(guī)律的選擇 1. 從動件常用運動規(guī)律性能比較從動件常用運動規(guī)律性能比較u2.從動件運動規(guī)律的選擇原那么從動件運動規(guī)律的選擇原那么u對運動規(guī)律的要求對運動規(guī)律的要求u凸輪的轉速動力特性和便于加工凸輪的轉速動力特性和便于加工 3.2.4 從動件運動規(guī)律的組從動件運動規(guī)律的組合合 1.滿足工作對運動規(guī)律的特滿足工作對運動規(guī)律的特殊要求；殊要求； 2.為防止剛性沖擊，位移曲為防止剛性沖擊，位移曲線和速度曲線

15、必須連續(xù)；而為線和速度曲線必須連續(xù)；而為防止柔性沖擊，加速度曲線也防止柔性沖擊，加速度曲線也必須連續(xù)。必須連續(xù)。 3. 盡量減小速度和加速度的盡量減小速度和加速度的最大值。最大值。3.3 凸輪輪廓的設計凸輪輪廓的設計u3.3.1 3.3.1 根本原理反轉法根本原理反轉法u3.3.2 3.3.2 圖解法設計凸輪輪廓圖解法設計凸輪輪廓u移動從動件盤形凸輪移動從動件盤形凸輪u尖底從動件尖底從動件u滾子從動件滾子從動件u平底從動件平底從動件u擺動從動件盤形凸輪擺動從動件盤形凸輪u設計總結設計總結u3.3.3 3.3.3 解析法解析法3.3.1 3.3.1 根本原理反轉法根本原理反轉法反轉法反轉法反轉后

16、，從動件尖端的運動軌跡就是凸輪的輪廓曲線反轉后，從動件尖端的運動軌跡就是凸輪的輪廓曲線3.3 凸輪輪廓的設計3.3.1 3.3.1 根本原理反轉法根本原理反轉法反轉后，從動件尖端的運動軌跡就是凸輪的輪廓曲線反轉后，從動件尖端的運動軌跡就是凸輪的輪廓曲線3.3 凸輪輪廓的設計3.3.2 3.3.2 圖解法設計凸輪輪廓圖解法設計凸輪輪廓旋旋轉轉。逆逆時時針針，等等角角速速度度偏偏距距為為置置于于凸凸輪輪軸軸心心右右側側，曲曲線線，從從動動件件偏偏，已已知知：基基圓圓半半徑徑)(e-srb 1. 移動從動件盤形凸輪移動從動件盤形凸輪(1)尖底從動件尖底從動件3.3 凸輪輪廓的設計關鍵：反轉法關鍵：反

17、轉法關鍵：反轉法關鍵：反轉法1. 移動從動件盤形凸輪移動從動件盤形凸輪2滾子從動件滾子從動件曲曲線線。，滾滾子子半半徑徑，已已知知： -sr, e,rrb滾子滾子中心中心將描繪將描繪- -條與凸輪廓線法向等條與凸輪廓線法向等距的曲線距的曲線-理論廓線理論廓線。R Rb b指的是理論指的是理論廓線的基圓。廓線的基圓。反轉法反轉法 u作內包絡線，得到凸輪的實際廓線；作內包絡線，得到凸輪的實際廓線；u假設同時作外包絡線，形成槽凸輪廓線假設同時作外包絡線，形成槽凸輪廓線 取平底從動件外表上的點取平底從動件外表上的點B0B0作為假想的尖端從動件的作為假想的尖端從動件的尖端。尖端。移動從動件盤形凸輪移動從

18、動件盤形凸輪3平底從動件平底從動件包絡線包絡線 為了保證在所有位置從動件為了保證在所有位置從動件平底都能與凸輪輪廓曲線相切，平底都能與凸輪輪廓曲線相切，凸輪廓線必須是外凸的。凸輪廓線必須是外凸的。2. 擺動從動件盤形凸輪擺動從動件盤形凸輪2. 擺動從動件盤形凸輪擺動從動件盤形凸輪凸輪輪廓設計總結：凸輪輪廓設計總結：u反轉法的靈活應用反轉法的靈活應用u理論輪廓和實際輪廓理論輪廓和實際輪廓u圖解法設計時注意：圖解法設計時注意：u從動件位移量的截取注意繪圖比例從動件位移量的截取注意繪圖比例u凸輪轉角的分度凸輪轉角的分度解析法設計凸輪廓線解析法設計凸輪廓線u1、移動滾子從動件盤形凸輪機構、移動滾子從動

19、件盤形凸輪機構l理論廓線方程理論廓線方程sincos)(cossin)(00essMNBNyessKHKNx式中：式中：e為偏距，為偏距，220ersb解析法設計凸輪廓線解析法設計凸輪廓線u1、移動滾子從動件盤形凸輪機構、移動滾子從動件盤形凸輪機構l實際廓線方程實際廓線方程ddyddxdydxtg2222)()(cos)()(sinddyddxddyddyddxddx解析法設計凸輪廓線解析法設計凸輪廓線u1、移動滾子從動件盤形凸輪機構、移動滾子從動件盤形凸輪機構l實際廓線方程實際廓線方程sincosrrryyrxx解析法設計凸輪廓線解析法設計凸輪廓線u1、移動滾子從動件盤形凸輪機構、移動滾子從

20、動件盤形凸輪機構l實際廓線方程實際廓線方程2222)()(/)()(/ddyddxddxryyddyddxddyrxxrr解析法設計凸輪廓線解析法設計凸輪廓線u1、移動滾子從動件盤形凸輪機構、移動滾子從動件盤形凸輪機構l刀具中心軌跡方程刀具中心軌跡方程2222)()(/)()(/ddyddxddxrryyddyddxddyrrxxrccrcc解析法設計凸輪廓線解析法設計凸輪廓線u2、移動平底從動件盤形凸輪機構、移動平底從動件盤形凸輪機構l理論廓線方程理論廓線方程ddsvOPOPvvpsincos)(cossin)(ddssrCECDyddssrEBODxbbBA2、移動平底從動件盤形凸輪機構、

21、移動平底從動件盤形凸輪機構u刀具軌跡刀具軌跡用砂輪端面加工凸輪時用砂輪端面加工凸輪時平底上平底上C的軌跡就是刀具中心的軌跡就是刀具中心解析法設計凸輪廓線解析法設計凸輪廓線cos)(sin)(srxsrxbcbcB解析法設計凸輪廓線解析法設計凸輪廓線u3、擺動從動件盤形凸輪機構、擺動從動件盤形凸輪機構lB點的坐標方程點的坐標方程EDADyCDODx)cos(cos)sin(sin00laylaxB3.4 凸輪機構根本尺寸確實定凸輪機構根本尺寸確實定移動滾子從動件盤形凸輪：移動滾子從動件盤形凸輪：壓力角及其許用值壓力角及其許用值基圓半徑基圓半徑偏置方向偏置方向滾子直徑滾子直徑1、壓力角與許用值、壓

22、力角與許用值sincos FFFFF1、壓力角與許用值、壓力角與許用值sincos FFFFF1max1 ftgfFF即：自鎖80)(45)(30回程：擺動，移動推程：2、 凸輪基圓半徑確實定凸輪基圓半徑確實定22berseddstg l基圓半徑越大，壓力角越小基圓半徑越大，壓力角越小l但結構尺寸較大但結構尺寸較大出現矛盾：出現矛盾：ddsvOPP，為凸輪與從動件的瞬心u方法方法1：l根據滿足最大壓力角根據滿足最大壓力角a的要求確定的要求確定u方法方法2：l令基圓半徑大于令基圓半徑大于1.62倍的凸輪軸徑，校驗壓倍的凸輪軸徑，校驗壓力角力角a2、 凸輪基圓半徑確實定凸輪基圓半徑確實定3、 從動

23、件偏置方向的從動件偏置方向的選擇選擇ddsvOPP，為凸輪與從動件的瞬心3、 從動件偏置方向的選擇從動件偏置方向的選擇22berseddstgl凸輪逆時針回轉，從動凸輪逆時針回轉，從動件右偏置，取件右偏置，取l凸輪順時針回轉，從動凸輪順時針回轉，從動件左偏置，取件左偏置，取BDP中中3、 從動件偏置方向的選擇從動件偏置方向的選擇22berseddstgn合理選擇偏置方向合理選擇偏置方向n偏置的目的是為了減小從動件偏置的目的是為了減小從動件在推程階段所受的壓力角在推程階段所受的壓力角。凸輪逆時針轉時，從動件采用右偏置凸輪逆時針轉時，從動件采用右偏置凸輪順時針轉時，從動件采用左偏置凸輪順時針轉時，

24、從動件采用左偏置4 4、凸輪輪廓形狀與滾子半徑的關系、凸輪輪廓形狀與滾子半徑的關系u外凸凸輪廓線外凸凸輪廓線0rraminminamin0rraminminamin實際廓線出現尖點實際廓線出現尖點0rraminminamin實際廓線出現交叉，從動件實際廓線出現交叉，從動件不能準確地實現預期的運動不能準確地實現預期的運動規(guī)律規(guī)律運動失真運動失真u運動失真運動失真u 原因：原因：u 防止方法：防止方法：u凸輪設計保證時：凸輪設計保證時：arminaminrraminmin0min0)8 . 0(減小滾子半徑增大增大brrrmma53取u內凹凸輪廓線內凹凸輪廓線無論滾子半徑多大，總能由理論輪廓求出實

25、際無論滾子半徑多大，總能由理論輪廓求出實際輪廓。輪廓。u滾子半徑的選擇滾子半徑的選擇考慮結構、強度與運動考慮結構、強度與運動規(guī)律等因素規(guī)律等因素3.4.2 3.4.2 移動平底從動件盤形凸輪移動平底從動件盤形凸輪1.1.運動失真現象及防止方法運動失真現象及防止方法 凸輪出現過度切割凸輪出現過度切割的現象，從動件無法完全實的現象，從動件無法完全實現預期的運動規(guī)律?，F預期的運動規(guī)律。原因？原因？減小升程h增大基圓rb增大偏心eu運動失真原因：運動失真原因：基圓半徑過小基圓半徑過小從動件升程過大從動件升程過大基圓半徑確實定基圓半徑確實定: : 防止運動失真防止運動失真LsrrbLsrrbCLsrjj

26、erbj)()(srrLrb）（）（sincos基圓半徑確實定基圓半徑確實定: : 防止運動失真防止運動失真LsrrbC0ddddddrLsrjjerbj)()(ddLddsjejrj)(基圓半徑確實定基圓半徑確實定: : 防止運動失真防止運動失真LsrrbCddsrddLr)cos(-)sin(-ddLddsjejrj)(基圓半徑確實定基圓半徑確實定: : 防止運動失真防止運動失真Lsrrb22dsdddLddsLC22dsdsrb基圓半徑確實定基圓半徑確實定: : 防止運動失真防止運動失真LsrrbLsrrbCmin22(）dsdsrb(min22min）dsdsrbu從動件偏置方向的選擇

27、從動件偏置方向的選擇從動件偏置并不影響凸輪廓線的形狀從動件偏置并不影響凸輪廓線的形狀選擇偏置的主要目的是為了減小從動件在推程選擇偏置的主要目的是為了減小從動件在推程階段所受的彎曲應力。階段所受的彎曲應力。u平地寬度確實定平地寬度確實定minmax）（）（ddsddsB3.5 3.5 凸輪機構的計算機輔助設計凸輪機構的計算機輔助設計u設計步驟設計步驟l根據使用場合和工作要求，選擇機構類型根據使用場合和工作要求，選擇機構類型l根據工作要求選擇或設計從動件運動規(guī)律根據工作要求選擇或設計從動件運動規(guī)律l根據機構的具體設計條件，初定凸輪基圓半徑、根據機構的具體設計條件，初定凸輪基圓半徑、滾子半徑等滾子半徑等l對凸輪機構進行計算機輔助設計，保證凸輪既對凸輪機構進行計算機輔助設計，保證凸輪既滿足從動件的運動要求，又具有良好的受力，滿足從動件的運動要求，又具有良好的受力，且機構緊湊。且機構緊湊。設計實例設計實例u繞線機工作時，繞線繞線機工作時，繞線軸軸1勻速回轉，導線桿勻速回轉，導線桿2勻速往復運動。勻速往復運動。l75mm