1、機械機構(gòu)的分析與維護(hù),凸輪機構(gòu)分析,1,2,主要內(nèi)容,1.凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、特點、類型及應(yīng)用； 2.從動件的常用運動規(guī)律及其選擇； 3.用圖解法繪制凸輪輪廓曲線的方法； 4.凸輪機構(gòu)的設(shè)計。,3,1. 組成,一、凸輪機構(gòu)的應(yīng)用與分類,凸輪機構(gòu)由凸輪1、從動件2、機架3三個基本構(gòu)件及鎖合裝置組成。是一種高副機構(gòu)。其中凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，通常作連續(xù)等速轉(zhuǎn)動，從動件則在凸輪輪廓的控制下按預(yù)定的運動規(guī)律作往復(fù)移動或擺動。,4,2. 特點,優(yōu)點:只要正確地設(shè)計和制造出凸輪的 輪廓曲線，就能把凸輪的回轉(zhuǎn)運動準(zhǔn)確可靠地轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭蛹A(yù)期的復(fù)雜運動規(guī)律的運動，而且設(shè)計簡單;凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊

2、、運動可靠。,缺點:凸輪與從動件之間為點或線接觸，故難以保持良好的潤滑，容易磨損。,凸輪機構(gòu)通常適用于傳力不大的機械中。尤其廣泛應(yīng)用于自動機械、儀表和自動控制系統(tǒng)中。,5,3. 應(yīng)用：,平面連桿機構(gòu)雖然應(yīng)用廣泛，但它只能近似地實現(xiàn)給定的運動規(guī)律，且設(shè)計比較復(fù)雜。當(dāng)從動件須精確地按預(yù)定運動規(guī)律尤其是復(fù)雜運動規(guī)律工作時，則常采用凸輪機構(gòu)。,靠模車削機構(gòu),自動送料機構(gòu),6,4. 類型：,A）按凸輪的形狀分：,7,盤形凸輪 其凸輪都是繞固定軸線轉(zhuǎn)動且有變化向徑的盤形構(gòu)件。盤形凸輪機構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛，但限于凸輪徑向尺寸不能變化太大，故從動件的行程較短。 移動凸輪 其凸輪是具有曲線輪廓、作往復(fù)直線移動的構(gòu)

3、件，它可看成是轉(zhuǎn)動軸線位于無窮遠(yuǎn)處的盤形凸輪。 圓柱凸輪 其凸輪是圓柱面上開有凹槽的圓柱體，可看成是繞卷在圓柱體上的移動凸輪，利用它可使從動件得到較大的行程。,8,B）按從動件末端形狀分：,9,尖頂從動件凸輪機構(gòu) 其從動件的端部呈尖點，特點是能與任何形狀的凸輪輪廓上各點相接觸，因而理論上可實現(xiàn)任意預(yù)期的運動規(guī)律。尖頂從動件凸輪機構(gòu)是研究其他型式從動件凸輪機構(gòu)的基礎(chǔ)。但由于從動件尖頂易磨損，故只能用于輕載低速的場合。 滾子從動件凸輪機構(gòu) 其從動件的端部裝有滾子，由于從動件與凸輪之間可形成滾動摩擦，所以磨損顯著減少，能承受較大載荷，應(yīng)用較廣。但端部重量較大，又不易潤滑，故仍不宜用于高速。 平底從動

4、件凸輪機構(gòu) 其從動件端部為一平底。若不計摩擦，凸輪對從動件的作用力始終垂直于平底，傳力性能良好，且凸輪與平底接觸面間易形成潤滑油膜，摩擦磨損小、效率高，故可用于高速，缺點是不能用于凸輪輪廓有內(nèi)凹的情況。,10,所謂的鎖合是指保持從動件與凸輪之間的高副接觸。 力鎖合凸輪機構(gòu) 依靠重力、彈簧力或其他外力來保證鎖合，如內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu)。 形鎖合凸輪機構(gòu) 依靠凸輪和從動件幾何形狀來保證鎖合。,C）按鎖合方式分：,11,所謂的鎖合是指保持從動件與凸輪之間的高副接觸。 力鎖合凸輪機構(gòu) 依靠重力、彈簧力或其他外力來保證鎖合，如內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu)。 形鎖合凸輪機構(gòu) 依靠凸輪和從動件幾何形狀來保證鎖合。,移動

5、從動件凸輪機構(gòu)（按其從動件導(dǎo)路是否通過凸輪回轉(zhuǎn)中心分為對心移動從動件和偏置移動從動件凸輪機構(gòu)。） 擺動從動件凸輪機構(gòu)移動從動件凸輪機構(gòu),按鎖合方式分：,按從動件相對機架的運動方式分為：,12,二、從動件的常用運動規(guī)律,1.凸輪輪廓曲線與從動件運動規(guī)律的關(guān)系,生產(chǎn)中對從動件運動的要求是多種多樣的。 凸輪機構(gòu)中，凸輪的輪廓形狀決定了從動件的運動規(guī)律，反之，從動件的不同運動規(guī)律要求凸輪具有不同形狀的輪廓。因此，設(shè)計凸輪機構(gòu)時，應(yīng)首先根據(jù)工作要求確定從動件的運動規(guī)律，再據(jù)此來設(shè)計凸輪的輪廓曲線。 從動件的運動規(guī)律是指其位移s、速度v和加速度a等隨凸輪轉(zhuǎn)角 而變化的規(guī)律。,這種規(guī)律可用方程表示，亦可用線

6、圖表示。,13,推程、遠(yuǎn)休止、回程、近休止,當(dāng)凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動時，從動件將重復(fù)上述運動過程。,14,15,2.從動件的常用運動規(guī)律,等速運動規(guī)律：是指從動件在推程或回程的運動速度為常數(shù)的運動規(guī)律。凸輪以等角速度轉(zhuǎn)動，從動件在推程中的行程為h。從動件作等速運動規(guī)律的運動線圖如圖所示。其位移曲線為斜直線，速度曲線為平直線，加速度曲線為零線。,16,由圖可見，從動件在推程始末兩點、處，速度有突變，瞬時加速度理論上為無窮大，因而產(chǎn)生理論上亦為無窮大的慣性力。而實際上，由于構(gòu)件材料的彈性變形，加速度和慣性力不至于達(dá)到無窮大，但仍會對機構(gòu)造成強烈的沖擊，這種沖擊稱為“剛性沖擊”或“硬沖”。因此，單獨采用這種運

7、動規(guī)律時，只能用于凸輪轉(zhuǎn)速很低以及輕載的場合。,17,由圖可見，在推程的始末點和前、后半程的交接處，加速度有突變，因而慣性力也產(chǎn)生突變，但它們的大小及突變量均為有限值，由此將對機構(gòu)造成有限大小的沖擊，這種沖擊稱為“柔性沖擊”或“軟沖”。在高速情況下，柔性沖擊仍會引起相當(dāng)嚴(yán)重的振動、噪聲和磨損，因此這種運動規(guī)律只適用于中速、中載的場合。,等加速等減速運動規(guī)律:是指從動件在一個行程中，前半行程作等加速運動，后半行程作等減速運動的運動規(guī)律。 運動線圖如圖所示。其位移曲線為兩段光滑相連開口相反的拋物線，速度曲線為斜直線，加速度曲線為平直線。作圖方法如圖所示。,18,由圖可見，在推程始末點處仍有加速度的

8、有限值的突變，即存在“軟沖”，因此只適用于中、低速。但若從動件作無停歇的升降升型連續(xù)運動，則加速度曲線為光滑連續(xù)的余弦曲線，消除了“軟沖”，故可用于高速。,余弦加速度運動規(guī)律:是指從動件加速度按余弦規(guī)律變化的運動規(guī)律。這種運動規(guī)律的運動線圖如圖所示。其位移曲線為簡諧曲線，故又稱為簡諧運動規(guī)律，速度曲線為正弦曲線，加速度曲線為余弦曲線。作圖方法如圖所示。,19,移動從動件盤形凸輪 輪廓曲線的圖解設(shè)計,設(shè)計一般精度凸輪時常被采用圖解法。而設(shè)計高精度凸輪，則必須用解析法，但計算復(fù)雜。本節(jié)主要討論圖解法。,設(shè)計方法：,1.圖解法 2.解析法,基本原理：,反轉(zhuǎn)法原理,20,設(shè)想給凸輪機構(gòu)加上一個繞凸輪軸

9、心并與凸輪角速度等值反向的角速度。根據(jù)相對運動原理，機構(gòu)中各構(gòu)件間的相對運動并不改變，但凸輪已視為靜止，而從動件則被看成隨同導(dǎo)路以角速度繞點轉(zhuǎn)動，同時沿導(dǎo)路按預(yù)定運動規(guī)律作往復(fù)移動。從動件尖頂?shù)倪\動軌跡即為凸輪的輪廓。這就是圖解法繪制凸輪輪廓曲線的原理，稱為“反轉(zhuǎn)法”。,反轉(zhuǎn)法原理,21,反轉(zhuǎn)法設(shè)計凸輪輪廓曲線的方法和步驟,22,對心尖頂移動從動件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計,基圓半徑R b,1.選與位移線圖一致的比例作凸輪的基圓 ；,2.將基圓分成與位移線圖中相對應(yīng)的等份；,3.分別自基圓圓周向外量取從動件位移線圖中相應(yīng)的位移量 ；,4.光滑連接各點即為所求的凸輪輪廓。,已知，如圖,23,24,對

10、心滾子移動從動件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計,實際輪廓曲線,理論輪廓曲線,25,偏置尖頂移動從動件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計,已知：如圖所示,26,平低正置從動件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計,相當(dāng)于滾子半徑無窮大的情況，設(shè)計方法與滾子從動桿類似,1、從動桿軸線與平底的交點A看成尖頂從動桿的尖頂，按照尖頂從動桿凸輪機構(gòu)輪廓曲線設(shè)計方法，得到理論輪廓曲線,2、A點與理論輪廓曲線重合做出相應(yīng)的代表平底的直線。這些直線的包絡(luò)曲線就是平底從動桿凸輪的實際輪廓曲線,自學(xué)：擺動從動桿盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計,27,凸輪機構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題,設(shè)計凸輪機構(gòu)，不僅要保證從動件能實現(xiàn)預(yù)定的運動規(guī)律，還須使設(shè)計的機構(gòu)傳力性能良好

11、，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足強度和安裝等要求，為此，設(shè)計時應(yīng)注意處理好下述問題。,1.滾子半徑的選擇,2.凸輪機構(gòu)的壓力角,3.凸輪基圓半徑的確定,4.凸輪機構(gòu)的材料,28,1.滾子半徑的選擇,對于外凸的凸輪廓線 ：,對于內(nèi)凹的凸輪廓線 ：,29,2.凸輪機構(gòu)的壓力角,壓力角：不計摩擦?xí)r，凸輪對從動件的作用力（法向力）與從動件上受力點速度方向所夾的銳角。,該力可分解為兩個分力 ：,壓力角越小，傳力越好。,自鎖 ：如果凸輪機構(gòu)運動到某一位置的壓力角大到使有效分力不足以克服摩擦阻力，不論推力多大，都不能使從動件運動。這種現(xiàn)象稱為凸輪機構(gòu)的自鎖。機構(gòu)開始出現(xiàn)自鎖時的壓力角稱為臨界壓力角 。,30,許用壓力角：凸

12、輪機構(gòu)在運轉(zhuǎn)中的壓力角是變化的，為避免機構(gòu)發(fā)生自鎖并具有較高的傳動效率，必須對最大壓力角加以限制，其許用值應(yīng)遠(yuǎn)低于臨界壓力角，即 ：,2.凸輪機構(gòu)的壓力角,動畫,31,3.凸輪基圓半徑的確定,基圓半徑愈小，壓力角愈大；反之，壓力角則愈小。因此，在選取基圓半徑時應(yīng)注意：,滾子從動件凸輪機構(gòu)，在保證和從動件運動不失真的前提下，可將基圓半徑取小些，滿足對機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊的要求。 在結(jié)構(gòu)空間允許條件下，可適當(dāng)將基圓半徑取大些，以利于改善機構(gòu)的傳力性能，減少磨損和減少凸輪廓線的制造誤差。,32,凸輪機構(gòu)工作時，往往承受動載荷的作用，同時凸輪表面承受強烈磨損。因此，要求凸輪和滾子的工作表面硬度高，具有良好的耐磨性，心部有良好的韌性。當(dāng)?shù)退?、輕載時，可以選用鑄鐵作為凸輪的材料。中速、中載時可以選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金鋼作為凸輪的材料,并經(jīng)表面淬火或滲碳淬火，使硬度達(dá)到。高速