機(jī)械原理：第九章 凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)

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1、第九章第九章 凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)一、凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用一、凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用9-1 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用及分類凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用及分類機(jī)架機(jī)架從動(dòng)件從動(dòng)件滾子滾子凸輪凸輪盤形凸輪機(jī)構(gòu)盤形凸輪機(jī)構(gòu)在印刷機(jī)中的應(yīng)用在印刷機(jī)中的應(yīng)用等徑凸輪機(jī)構(gòu)等徑凸輪機(jī)構(gòu)在機(jī)械加工中的應(yīng)用在機(jī)械加工中的應(yīng)用利用分度凸輪利用分度凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位圓柱凸輪機(jī)構(gòu)在機(jī)圓柱凸輪機(jī)構(gòu)在機(jī)械加工中的應(yīng)用械加工中的應(yīng)用二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類凸凸輪輪機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)分分類類1.按兩活動(dòng)構(gòu)件之間按兩活動(dòng)構(gòu)件之間 相對運(yùn)動(dòng)特性分類相對運(yùn)動(dòng)特性分類2.按從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)副按從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)副元素形狀分類元素形狀分類3.按凸輪高副的鎖按凸輪

2、高副的鎖合方式分類合方式分類平面凸輪機(jī)構(gòu)平面凸輪機(jī)構(gòu)空間凸輪機(jī)構(gòu)空間凸輪機(jī)構(gòu)盤形凸輪盤形凸輪移動(dòng)凸輪移動(dòng)凸輪 尖頂從動(dòng)件尖頂從動(dòng)件滾子從動(dòng)件滾子從動(dòng)件平底從動(dòng)件平底從動(dòng)件力鎖合力鎖合形鎖合形鎖合（1）平面凸輪機(jī)構(gòu)）平面凸輪機(jī)構(gòu) 1）盤形凸輪）盤形凸輪1.按兩活動(dòng)構(gòu)件之間的相對運(yùn)動(dòng)特性分類按兩活動(dòng)構(gòu)件之間的相對運(yùn)動(dòng)特性分類 2）移動(dòng)凸輪）移動(dòng)凸輪（2）空間凸輪機(jī)構(gòu)）空間凸輪機(jī)構(gòu)（1）直動(dòng)尖頂從動(dòng)件直動(dòng)尖頂從動(dòng)件對心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件對心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件偏置直動(dòng)尖頂從動(dòng)件偏置直動(dòng)尖頂從動(dòng)件2.按從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)副元素形狀分類按從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)副元素形狀分類（2）直動(dòng)滾子從動(dòng)件）直動(dòng)滾子從動(dòng)件（3）直動(dòng)平底從動(dòng)件）直

3、動(dòng)平底從動(dòng)件 根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式的不同，以上三種從動(dòng)件還可分為直動(dòng)從根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式的不同，以上三種從動(dòng)件還可分為直動(dòng)從動(dòng)件，擺動(dòng)從動(dòng)件，平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件。動(dòng)件，擺動(dòng)從動(dòng)件，平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件。擺動(dòng)滾子從動(dòng)件擺動(dòng)滾子從動(dòng)件擺動(dòng)尖頂從動(dòng)件擺動(dòng)尖頂從動(dòng)件擺動(dòng)平底從動(dòng)件擺動(dòng)平底從動(dòng)件平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件3.按凸輪高副的鎖合方式分類按凸輪高副的鎖合方式分類1)力鎖合力鎖合保持接觸保持接觸2)形鎖合形鎖合 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：只要設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，即可使從?dòng)件實(shí)現(xiàn)預(yù)期只要設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，即可使從?dòng)件實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、工作可靠。的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、工作可靠。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：

4、凸輪為高副接觸（點(diǎn)或線），壓強(qiáng)較大，容易磨損，凸輪為高副接觸（點(diǎn)或線），壓強(qiáng)較大，容易磨損，凸輪輪廓加工比較困難，費(fèi)用較高。凸輪輪廓加工比較困難，費(fèi)用較高。凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)：凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)：9-2 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其選擇從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其選擇一、凸輪機(jī)構(gòu)的基本名詞術(shù)語一、凸輪機(jī)構(gòu)的基本名詞術(shù)語 以以尖頂尖頂從動(dòng)件為對象予以介紹從動(dòng)件為對象予以介紹凸輪基圓、基圓半徑凸輪基圓、基圓半徑rb從動(dòng)件行程從動(dòng)件行程(h，亦稱升距亦稱升距)d dSd d0 d dS d d0rb推程及推程運(yùn)動(dòng)角推程及推程運(yùn)動(dòng)角0S遠(yuǎn)休止及遠(yuǎn)休止角遠(yuǎn)休止及遠(yuǎn)休止角0 回程及回程運(yùn)動(dòng)角回程及回程運(yùn)動(dòng)角近休止及近休止角近休止

5、及近休止角S hw w 對心式尖頂從動(dòng)件對心式尖頂從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)盤形凸輪機(jī)構(gòu)基圓基圓基圓基圓360=d d0+d dS+d d 0+d d SsCDh行程行程(lift)推程運(yùn)動(dòng)角推程運(yùn)動(dòng)角遠(yuǎn)休止角遠(yuǎn)休止角(outer dwell)回程運(yùn)動(dòng)角回程運(yùn)動(dòng)角近休止角近休止角(inner dwell)BosDrbeABC凸輪的基圓凸輪的基圓該位置為初始位置該位置為初始位置凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)AO1O2B1B從動(dòng)件擺角從動(dòng)件擺角推程運(yùn)動(dòng)角推程運(yùn)動(dòng)角CD遠(yuǎn)休止角遠(yuǎn)休止角回程運(yùn)動(dòng)角回程運(yùn)動(dòng)角近休止角近休止角oB最大擺

6、角最大擺角最大擺角最大擺角擺角從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)線圖：從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)線圖：從動(dòng)件位移從動(dòng)件位移S、速度速度v、加速度加速度a與凸輪與凸輪轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角d d（或時(shí)間（或時(shí)間t）之間的對應(yīng)關(guān)系曲線。之間的對應(yīng)關(guān)系曲線。h hd dd dd dd dSd d0 d dS d d0d dSd d0 d dS d d0rbhw w sOsOsO（1）升）升-停停-回回-停型（停型（RDRD型）型）（2）升）升-回回-停型（停型（RRD型）型）（3）升）升-停停-回型（回型（RDR型）型）（4）升）升-回型（回型（RR型）型）sO 按照從動(dòng)件在一個(gè)循環(huán)中是否需要停歇及停在何處等，按照從動(dòng)件在一個(gè)循環(huán)中是否需要停歇及停在何

7、處等，可將凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的位移曲線分成如下四種類型：可將凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的位移曲線分成如下四種類型：二、從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律二、從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律1.等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律-v0vahs特點(diǎn)：特點(diǎn)：存在存在剛性沖擊。剛性沖擊。位置：位置：發(fā)生在運(yùn)動(dòng)的發(fā)生在運(yùn)動(dòng)的起始起始點(diǎn)和終止點(diǎn)。點(diǎn)和終止點(diǎn)。a0ABCvhs-a0a2.等加等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律等加等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律dadt-特點(diǎn)：特點(diǎn)：存在柔存在柔性沖擊。性沖擊。位置：位置：發(fā)生在發(fā)生在運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)、起始點(diǎn)、中間點(diǎn)和終止中間點(diǎn)和終止點(diǎn)。點(diǎn)。加加速度加加速度3.余弦加速度余弦加速度(簡諧簡諧)運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)規(guī)律 102345s612345qhs0avd

8、adt-特點(diǎn)：特點(diǎn)：存在柔沖擊。存在柔沖擊。位置：位置：發(fā)生在運(yùn)動(dòng)的起始發(fā)生在運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)。點(diǎn)和終止點(diǎn)。a=p p2hw w2cos(pdpd/d d0 0)/(2d d20 0)4.正弦加速度（擺線）運(yùn)動(dòng)規(guī)律正弦加速度（擺線）運(yùn)動(dòng)規(guī)律 2741653h/8特點(diǎn)：特點(diǎn)：既無柔性更無剛性既無柔性更無剛性沖擊。沖擊。擺線擺線a=2p phw w2sin(2pdpd/d d0 0)/d d20 0)sh3457O1268va三、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇三、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇 在選擇從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，除要考慮剛性沖擊與柔性沖在選擇從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，除要考慮剛性沖擊與柔性沖擊外，還應(yīng)該考慮各種運(yùn)動(dòng)

9、規(guī)律的速度幅值擊外，還應(yīng)該考慮各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的速度幅值 vmax、加速度加速度幅值幅值 amax及其影響加以分析和比較。及其影響加以分析和比較。從動(dòng)件動(dòng)量從動(dòng)件動(dòng)量mamax從動(dòng)件慣性力從動(dòng)件慣性力mamax對于重載凸輪機(jī)構(gòu)，應(yīng)選擇對于重載凸輪機(jī)構(gòu)，應(yīng)選擇 vmax值值較小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；較小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；對于高速凸輪機(jī)構(gòu)，宜選擇對于高速凸輪機(jī)構(gòu)，宜選擇 amax值值較小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。較小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。vmaxamax低速輕負(fù)荷低速輕負(fù)荷中速輕負(fù)荷中速輕負(fù)荷中低速中負(fù)荷中低速中負(fù)荷中高速輕負(fù)荷中高速輕負(fù)荷高速中負(fù)荷高速中負(fù)荷低速重負(fù)荷低速重負(fù)荷中高速重負(fù)荷中高速重負(fù)荷高速輕負(fù)荷高速輕負(fù)荷若干種從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)

10、律特性比較若干種從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性比較運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)規(guī)律d d)/(0maxw whvd d)/(202maxw wha沖沖 擊擊應(yīng)用場合應(yīng)用場合等速等速等加速等減速等加速等減速余弦加速度余弦加速度正弦加速度正弦加速度3-4-5多項(xiàng)式多項(xiàng)式改進(jìn)型等速改進(jìn)型等速改進(jìn)型正弦加速度改進(jìn)型正弦加速度改進(jìn)型梯形加速度改進(jìn)型梯形加速度剛剛 性性柔柔 性性柔柔 性性4.004.936.285.778.385.534.891.002.001.572.001.881.331.762.009-3 按預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律用作圖法設(shè)計(jì)盤形凸輪廓線按預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律用作圖法設(shè)計(jì)盤形凸輪廓線一、對心式凸輪機(jī)構(gòu)凸輪廓線的設(shè)計(jì)一、對心式凸

11、輪機(jī)構(gòu)凸輪廓線的設(shè)計(jì)1.尖頂從動(dòng)件尖頂從動(dòng)件1)凸輪機(jī)構(gòu)相對運(yùn)動(dòng)分析凸輪機(jī)構(gòu)相對運(yùn)動(dòng)分析凸輪上的觀察結(jié)果凸輪上的觀察結(jié)果機(jī)架上的觀察結(jié)果機(jī)架上的觀察結(jié)果2)反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)原理反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)原理rbw rb A1A2A3A4S2rb A2A3A1A4S3S4rb A2A3A1A4rb A1A2A3A4rb A1A2A3A4-w w rb A1A2A3A4-w w-w w-w w A1A2A3A4rbw w 20v3)設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟1 2 3 4 5 6 7 8 9101 2103456789d dS0d dSd d0 d dS d d0h已知條件：從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律、已知條件：從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律、凸輪轉(zhuǎn)向基圓

12、半徑。凸輪轉(zhuǎn)向基圓半徑。1 2 3 4 5 6 7 8 9100 xSx0 xS x0-v10345678921 1 2 3 4 5 6 7 8 9101 2103456789xS0 xSx0 xS x0h3)設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟rb 1 2 3 4 5 6 7 8 910-1 2103456789475813269101 230S47896510S0S0 S 0h已知條件：從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律、已知條件：從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律、凸輪轉(zhuǎn)向基圓半徑。凸輪轉(zhuǎn)向基圓半徑。設(shè)計(jì)步驟：設(shè)計(jì)步驟：0 S a.標(biāo)出標(biāo)出w w方向，并按此方向分割出方向，并按此方向分割出 、0S 和；和；c.過位移線圖中等分點(diǎn)作過位移線圖中等分

13、點(diǎn)作y軸平行線交位軸平行線交位移線圖于移線圖于i 點(diǎn)，過基圓上等分點(diǎn)作點(diǎn)，過基圓上等分點(diǎn)作射線射線；反轉(zhuǎn)中導(dǎo)路線反轉(zhuǎn)中導(dǎo)路線d.在射線上度量出相應(yīng)推桿的位移，在射線上度量出相應(yīng)推桿的位移，得尖頂軌跡點(diǎn)得尖頂軌跡點(diǎn)i ；f.光滑連接光滑連接i 得凸輪廓線。得凸輪廓線。b.在基圓與位移線圖共同將和進(jìn)行在基圓與位移線圖共同將和進(jìn)行n等分，并標(biāo)注等分點(diǎn)；等分，并標(biāo)注等分點(diǎn)；oo 2.滾子從動(dòng)件滾子從動(dòng)件1)分析分析rb-0794581326101 2347895106rb-0794581326101 2347895106實(shí)際廓線實(shí)際廓線理論廓線理論廓線2)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)注意：注意：1.基圓半徑為基圓半徑為理

14、論廓線理論廓線最小向徑；最小向徑；2.先求理論廓線，后作包絡(luò)線，得實(shí)際廓線。先求理論廓線，后作包絡(luò)線，得實(shí)際廓線。包絡(luò)線包絡(luò)線3.平底從動(dòng)件平底從動(dòng)件1)分析分析 尖頂軌跡線尖頂軌跡線1 23478951062)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)理論廓線理論廓線79458132610rb-0a.將基圓沿將基圓沿-方向?qū)⒎较驅(qū) d0 0和和d d 0 0與位與位移線圖進(jìn)行對應(yīng)等分；移線圖進(jìn)行對應(yīng)等分；c.光滑連接光滑連接i 得凸輪理論廓線；得凸輪理論廓線；b.過等分點(diǎn)作過等分點(diǎn)作射線射線；在射線上；在射線上度量出相應(yīng)推桿的位移，得尖度量出相應(yīng)推桿的位移，得尖頂軌跡點(diǎn)頂軌跡點(diǎn)i；設(shè)計(jì)步驟：設(shè)計(jì)步驟：d.作平底線的其包絡(luò)線

15、作平底線的其包絡(luò)線實(shí)際廓線。實(shí)際廓線。1123 3 2 rb-結(jié)論：結(jié)論：a.偏置式凸輪機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件偏置式凸輪機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件導(dǎo)路線始終切于偏置圓；導(dǎo)路線始終切于偏置圓；e1.尖頂從動(dòng)件尖頂從動(dòng)件1)相對運(yùn)動(dòng)分析相對運(yùn)動(dòng)分析偏置圓偏置圓二、偏置式凸輪廓線的設(shè)計(jì)二、偏置式凸輪廓線的設(shè)計(jì)偏偏 距距b.導(dǎo)路線與基圓交點(diǎn)為推桿導(dǎo)路線與基圓交點(diǎn)為推桿尖頂最低點(diǎn)尖頂最低點(diǎn)起始點(diǎn)。起始點(diǎn)。S1S2 22)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)已知條件：凸輪轉(zhuǎn)向、基圓半徑、偏置圓半徑。已知條件：凸輪轉(zhuǎn)向、基圓半徑、偏置圓半徑。rbe-1o23導(dǎo)路線導(dǎo)路線 3a.連接回轉(zhuǎn)中心與推桿起始點(diǎn)，連接回轉(zhuǎn)中心與推桿起始點(diǎn)，將基圓沿將基圓沿-方向?qū)⒎较驅(qū)?/p>

16、d d0 0和和d d 0 0與位移與位移線圖進(jìn)行對應(yīng)等分；線圖進(jìn)行對應(yīng)等分；c.光滑連接光滑連接i 得凸輪廓線。得凸輪廓線。b.過等分點(diǎn)作過等分點(diǎn)作偏置圓切線偏置圓切線；并；并在其上度量出相應(yīng)推桿的位移，在其上度量出相應(yīng)推桿的位移，得尖頂軌跡點(diǎn)得尖頂軌跡點(diǎn)i ；設(shè)計(jì)步驟：設(shè)計(jì)步驟：注意：注意：也可在偏置圓上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)角也可在偏置圓上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)角等分，通過其等分點(diǎn)作偏置圓切線等分，通過其等分點(diǎn)作偏置圓切線以獲得導(dǎo)路線。以獲得導(dǎo)路線。123三、擺動(dòng)式凸輪機(jī)構(gòu)凸輪廓線的設(shè)計(jì)三、擺動(dòng)式凸輪機(jī)構(gòu)凸輪廓線的設(shè)計(jì)1.尖頂從動(dòng)件尖頂從動(dòng)件1)凸輪機(jī)構(gòu)相對運(yùn)動(dòng)分析凸輪機(jī)構(gòu)相對運(yùn)動(dòng)分析 rb1 2 3 4 5 6

17、7 8 9101 2103456789j j0S0 S 0j j rbd d0 0123 2 3 1-A3A1A29-4 盤形凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定盤形凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定lbG ttBnn1j jF 2j jFR2FR12j j依據(jù)力平衡條件，分別由依據(jù)力平衡條件，分別由F =0、xF =0、yM =0，有有B-G+Fcos(+j j1)-(FR1+FR2 )sinj j2=0于是有考慮摩擦?xí)r驅(qū)動(dòng)力的表達(dá)式：于是有考慮摩擦?xí)r驅(qū)動(dòng)力的表達(dá)式：一、凸輪機(jī)構(gòu)中的作用力和凸輪機(jī)構(gòu)的一、凸輪機(jī)構(gòu)中的作用力和凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角壓力角FyFxFv-Fsin(+j j1)+(FR1-FR2 2)cosj j

18、2=02bGF=cos(+j j1)-(1+)sin(+j j1 )tanj j2 lFR2cosj j2(l+b )-FR1 cosj j2 b=0臨界壓力角臨界壓力角 c 2b =arctan1/(1+)tanj j2 2-j j1 1lc 在工程實(shí)際中，為保證較高的機(jī)械效率，改善受力狀在工程實(shí)際中，為保證較高的機(jī)械效率，改善受力狀況，通常規(guī)定凸輪機(jī)構(gòu)的最大壓力角況，通常規(guī)定凸輪機(jī)構(gòu)的最大壓力角 max 應(yīng)小于或等于應(yīng)小于或等于某一許用壓力角某一許用壓力角 ,max 即：即：而凸輪機(jī)構(gòu)的許用壓力角則應(yīng)有：而凸輪機(jī)構(gòu)的許用壓力角則應(yīng)有：r r結(jié)論：實(shí)際廓線始終存在。結(jié)論：實(shí)際廓線始終存在。1.凸輪輪廓的內(nèi)凹部分凸輪輪廓的內(nèi)凹部分2.凸輪輪廓的外凸部分凸輪輪廓的外凸部分r ra=r r-rrr ra 0r ra=0一般推薦：一般推薦：rr rr失真后滾子失真后滾子中心的真實(shí)中心的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)軌跡理想情況下滾理想情況下滾子中心的真實(shí)子中心的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)軌跡r ra r r理論輪廓理論輪廓實(shí)際輪廓實(shí)際輪廓7-5 空間凸輪機(jī)構(gòu)簡介空間凸輪機(jī)構(gòu)簡介1.圓柱凸輪機(jī)構(gòu)圓柱凸輪機(jī)構(gòu)空間圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)空間圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)2.圓錐凸輪機(jī)構(gòu)圓錐凸輪機(jī)構(gòu)3.弧面凸輪機(jī)構(gòu)弧面凸輪機(jī)構(gòu) 弧弧面面分分度度凸凸輪輪機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)4.球面凸輪機(jī)構(gòu)球面凸輪機(jī)構(gòu)本章結(jié)束