第4章凸輪機構

1、第第4章章 凸輪機構凸輪機構4.1 概述概述 4.2常用的從動件運動規(guī)律常用的從動件運動規(guī)律 4.3 盤形凸輪輪廓設計盤形凸輪輪廓設計 4.4 凸輪機構基本尺寸的確定凸輪機構基本尺寸的確定 4.1 概概 述述4.1.1、 凸輪機構的應用 凸輪是一種具有曲線輪廓或凹槽的構件，它通過與從動件的高副接觸，在運動時可以獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預期運動。凸輪機構是由凸輪、從動件和機架三個基本構件組成的高副機構。 由于凸輪機構具有多用性和靈活性, 因此廣泛應用于機械、 儀器、 操縱控制裝置和自動生產(chǎn)線中, 是自動化生產(chǎn)中主要的驅(qū)動和控制機構。但由于凸輪機構是高副機構，易于磨損，因此只適用于傳遞動力不大的場合

2、。例一： 圖4 - 1所示為內(nèi)燃機配氣凸輪機構。盤形 凸輪1勻速轉動, 通過其曲線輪廓向徑的變化, 驅(qū)動從動件2按內(nèi)燃機工作循環(huán)的要求有規(guī)律地開啟和閉合。圖 4 - 1 內(nèi)燃機配氣凸輪機構圖 4 - 1 內(nèi)燃機配氣凸輪機構模型例二： 圖4-2所示為靠模車削機構，工件1回轉，凸輪3作為靠模被固定在床身上，刀架2在彈簧作用下與凸輪輪廓緊密接觸。當拖板4縱向移動時，刀架2在靠模板（凸輪）曲線輪廓的推動下作橫向移動，從而切削出與靠模板曲線一致的工件。圖 4 2 靠模車削機構1234例三： 圖4 - 3所示為一自動機床的進刀機構，當具有凹槽的圓柱凸輪1回轉時，其凹槽的側面迫使推桿2繞點C作往復擺動，從而

3、控制刀架的進刀和退刀運動。圖4-3自動機床上的走刀機構12圖4-3自動機床上的走刀機構模型4.1.2、 凸輪機構的分類 1. 按凸輪形狀分類 (1) 盤形凸輪： 它是一種有向徑變化的繞固定軸轉動的盤形零件, 如圖4 - 1中的件1是凸輪的最基本形式。 (2) 移動凸輪： 它可看作是回轉半徑無限大的盤形凸輪, 凸輪相對機架作直線運動。 如圖4 - 2中的件3。 (3) 圓柱凸輪： 它可看作是移動凸輪卷成圓柱體所形成的凸輪, 從動件與凸輪之間的相對運動為空間運動, 如圖4 - 3中的構件1。 2. 按從動件形狀分類 (1) 尖頂從動件： 尖頂從動件能與任意復雜的凸輪輪廓保持接觸, 因而能使從動件實

4、現(xiàn)任意的運動規(guī)律。 這種從動件結構最簡單, 如圖4 - 4(a)所示。 但從動件與凸輪間是點接觸條件下的滑動摩擦, 阻力大, 磨損快, 多用于受力不大的低速凸輪機構中。 4-4(a)尖頂從動件(2) 滾子從動件： 可視為在尖頂從動件的尖頂處安裝一個滾子, 即成為滾子從動件, 如圖4- 4(b)所示。 圖4- 4(b)滾子從動件(3) 平底從動件： 從動件與凸輪之間為線接觸, 當不計凸輪與從動件間的摩擦時, 凸輪與從動件間的作用始終垂直于從動件的平底, 因此傳動效率高, 接觸面間容易形成油膜, 潤滑較好, 常用于高速凸輪機構, 如圖4 - 4(c)所示。 圖4 - 4(c)平底從動件 在實際機構

5、中， 從動件不僅有不同的結構形式, 而且有不同的運動形式。 如作往復直線運動的從動件稱為移動從動件, 如圖4 - 5(a)、 所示； 作往復擺動的從動件稱為擺動從動件, 如圖4 - 5(b)所示。 圖4 - 5(a)圖4 - 5(b)3. 按鎖合形式分類 (1) 力鎖合凸輪機構： 靠重力、 彈簧力或其他外力使從動件與凸輪始終保持接觸的凸輪機構。 如圖4 - 1所示, 它是依靠彈簧力來維持高副接觸的例子。 (2) 形鎖合凸輪機構： 利用高副元素本身的幾何形狀使從動件與凸輪始終保持接觸的凸輪機構, 如圖4 6(a)、 圖4 6(b)圖4 6(c)所示凸輪機構。 圖4 6(a)溝槽凸輪圖4 6(b)

6、等寬凸輪圖4 6(c)等徑凸輪4.2 常用的從動件運動規(guī)律常用的從動件運動規(guī)律4.2.1、 凸輪機構的運動過程及 運動參數(shù) 圖4 - 7所示為一對心直動尖頂從動件盤形凸輪機構, 凸輪上有一最小向徑, 以最小向徑r。為半徑所作的圓稱凸輪基圓, r。稱基圓半徑, 凸輪以等角速度1順時針轉動。 凸輪機構運動過程如下。(a)h0s2shs2(b)Cr00sh1BDABs圖 4- 7 凸輪機構的運動過程 4.2.2、 常用從動件的運動規(guī)律 從動件的位移s2、 速度v2和加速度a2隨時間t或凸輪轉角的變化規(guī)律稱為從動件的運動規(guī)律。 常把s2、 v2、 a2隨時間t(或)的變化曲線稱為從動件運動線圖。 常用

7、的從動件運動規(guī)律有等速運動規(guī)律、 等加速-等減速運動規(guī)律、 余弦加速度運動規(guī)律等。 1. 等速運動規(guī)律 從動件的運動速度為定值的運動規(guī)律稱為等速運動規(guī)律。 當凸輪以等角速度1轉動時, 從動件在推程或回程中的速度為常數(shù)。 推程時, 設凸輪推程運動角為0, 從動件升程為s2=h, 相應的推程時間為t0； 回程時, 凸輪轉過回程運動角h, 從動件位移相應由s2=h逐漸減小到0, 相應的回程時間為th。 其運動方程和運動線圖如表4 - 1所示。 表 4 - 1 從動件等速運動規(guī)律 推程運動方程運動線圖2. 等加速-等減速運動規(guī)律 從動件推程的前半段為等加速運動, 后半段為等減速運動, 且加速度和減速度

8、的絕對值相等, 前半段、 后半段的位移s大小也相等, 這種運動規(guī)律, 稱為等加速-等減速運動規(guī)律。 通常, 從動件在升程h中, 等加速段的初速度和等減速段的末速度為0, 故兩段升程所需的時間必相等， 即凸輪轉角均為0/2； 兩段升程也必相等, 即均為h/2。 其運動方程和運動線圖如表4 - 2所示。 表 4 - 2 從動件等加速-等減速運動規(guī)律 推程運動方程運動線圖表 4 - 3 從動件簡諧運動規(guī)律如表4 - 3中圖所示, 簡諧運動位移線圖的作法如下: 以從動件的升程h為直徑畫半圓,將此半圓和相應凸輪運動轉角0各分成相同等份(圖中為6等分), 得1, 2, 3， 和1, 2, 3, 作垂線11

9、, 22, 33, 然后將圓上的等分點投影到相應的垂線上得1, 2, 3, 用光滑曲線連接這些點, 即得從動件的位移線圖。 由運動線圖中看出, 從動件按簡諧運動規(guī)律運動時, 其加速度曲線為余弦曲線, 故又稱為余弦加速度運動規(guī)律。 由加速度線圖可知, 這種運動規(guī)律在運動的始、 末兩點處加速度有有限值的突變, 也會產(chǎn)生柔性沖擊。 因此, 該規(guī)律也只適用于中速場合。 只有加速度曲線保持連續(xù)變化(如正弦加速度運動規(guī)律)時, 才能避免沖擊。 正弦加速度運動規(guī)律運動方程和運動線圖如表4 - 4所示。 表 4 - 4 從動件正弦加速度運動規(guī)律第三節(jié)第三節(jié) 盤形凸輪輪廓設計盤形凸輪輪廓設計4.3.1、 盤形凸

10、輪輪廓設計的基本原理 為了便于繪出凸輪輪廓曲線, 應使工作中轉動著的凸輪與不動的圖紙間保持相對靜止。 根據(jù)相對運動原理, 如果給整個凸輪機構加上一個與凸輪轉動角度數(shù)值相等、 方向相反的“-”角速度, 則凸輪處于相對靜止狀態(tài), 如圖4-8圖 4-8此為凸輪輪廓設計的“反轉法反轉法”原理。 一、對心尖頂移動從動件盤形凸輪輪廓繪制0s/0/s(1) 取任意點O為圓心, 以r0/L為半徑作基圓, 再以從動件最低(起始)位置B0起沿-方向量取角度0, s, h, s等。 (2) 將0和h按位移線圖中的等份數(shù)分成相應的等份, 得B1, B2, B3, 點。 (3) 在位移曲線中量取各個位移量, 并在基圓的

11、系列徑向線上取B1B1=11, B2B2=22, B 3B3=33, , 得B1, B2, B3, 點。 這些點就是反轉后從動件的系列位置。 (4) 將B0, B1, B2, B3, 光滑地連成曲線, 即是所要求的凸輪輪廓曲線, 如圖5 - 9(a)所示。0s/0/s二、對心滾子移動從動件盤形凸輪輪廓繪制 對于滾子從動件盤形凸輪輪廓曲線的設計如圖4 - 10所示。 為討論方便, 仍采用上例的已知條件, 只是在從動件端部加上一個半徑為rT的滾子。 由此可得作圖步驟如下: (1) 將滾子的回轉中心視為從動件的尖端, 按照上例步驟先繪出尖頂從動件的凸輪輪廓曲線0(即滾子中心軌跡), 如圖4 - 10

12、中的細實線所示, 該曲線稱為理論輪廓曲線。 (2) 以理論輪廓曲線上的點為圓心, 以滾子半徑為半徑, 作系列圓, 然后再作該系列圓的內(nèi)包絡線, 如圖4 - 10中的粗實線所示, 它便是凸輪的實際輪廓曲線。 必須注意, 凸輪的基圓半徑r0是指理論輪廓曲線上的最小向徑。 s0三、圓柱凸輪輪廓繪制第四節(jié)第四節(jié) 凸輪機構基本尺寸的確定凸輪機構基本尺寸的確定 在設計凸輪機構時, 不僅要保證從動件能實現(xiàn)預期的運動規(guī)律, 而且還要使機構具有良好的傳力性能和緊湊的結構尺寸。 這些要求與凸輪機構的壓力角、 基圓半徑和滾子半徑等尺寸有關。 一、 滾子半徑的選擇 為保證滾子及轉動軸有足夠的強度和壽命, 應選用較大的

13、滾子半徑rT, 然而滾子半徑rT的增大受到理論輪廓曲線上最小曲率半徑min的制約因此, 為了避免失真并減小磨損, 應使?jié)L子半徑rT小于理論輪廓最小曲率半徑min, 即rTmin。通常通常rT=0.8min 凸輪機構的壓力角, 指在不考慮摩擦力的情況下, 凸輪對從動件作用力的方向與從動件上力作用點的速度方向之間所夾的銳角,用表示, 如圖4 - 12所示。 將從動件所受力F沿接觸點的法線n-n方向和切線t-t方向分解為 Ft=Fcos Fn=Fsin 二、 凸輪機構的壓力角FQnFtFFnBOnBr0rs2B2 B2B1B11圖 4 - 12 凸輪機構的壓力角 F1是推動從動件移動的有效分力，隨著

14、的增大而減小；F2是引起導路中摩擦阻力的有害分力，隨著 的增大而增大。當當 增大到一定值時，有引起的摩擦阻力增大到一定值時，有引起的摩擦阻力超過有效分力超過有效分力 ，此時凸輪無法推動從動件運動，此時凸輪無法推動從動件運動，機構發(fā)生自鎖。機構發(fā)生自鎖?？梢姡瑥膫髁侠怼⑻岣邆鲃有蕘砜?，壓力角越小越好。在設計凸輪機構時, 應使最大壓力角max。 根據(jù)經(jīng)驗, 凸輪機構的許用壓力角可取如下數(shù)值: 推程時推程時, 移動從動件移動從動件 =3040, 擺動擺動 從動件從動件 =4550； 回程時回程時, 通常取通常取 =7080。 三、基圓半徑的確定 設計凸輪機構時, 基圓半徑選得越小, 機構越緊湊。 但基圓半徑的減小會使壓力角增大。 在圖4 - 13所示的凸輪機構中, B點為凸輪與從動件的瞬時重合點, 根據(jù)相對運動原