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1、3.1 凸轮机构 3.2 凸轮轮廓的设计方法与加工方法 3.3 凸轮设计中的几个问题 3.4 间歇运动机构,第3章 凸轮机构与间歇运动机构,3.1 凸轮机构,凸轮机构由凸轮、从动件和机架三部分组成。,凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件,他通过与从动件的高副接触,在运动时可以使从动件获得连续或不连续的任意预期运动。实例,凸轮机构是高副机构,易于磨损,因此只适用于传递动力不大的场合。,3.1.1 概述,3.1.1 概述,示例一,一、 凸轮机构的应用,内燃机配气机构,示例二,3.1.1 概述,靠模车削移动凸轮机构,3.1.1 概述,示例三,分度转位机构,3.1.1 概述,二、凸轮机构的分类,按照凸轮
2、的形状不同可把凸轮分为以下几种:,盘形凸轮,移动凸轮,圆柱凸轮,按照凸轮的锁合方式可把凸轮分为以下几种:,力封闭,几何封闭,按照从动件的型式分为以下几种:,尖顶从动件,滚子从动件,平底从动件,3.1.1 概述,三、凸轮和滚子的材料,凸轮的主要失效形势为磨损和疲劳点蚀。,对凸轮和滚子的材料要求:,工作表面硬度高 耐磨 有足够的表面接触强度 凸轮芯部有较强的韧性,常用的凸轮材料: 40Cr、 20Cr、 40CrMnTi,常用的滚子材料: 20Cr或者滚动轴承,3.1.2 常用的从动件运动规律,一、 平面凸轮机构的基本尺寸和运动参数,图为对心尖顶从动件盘形凸轮机构,凸轮回转时,从动件重复升停降停的
3、运动循环。,从动件的位移s与凸轮转角 的关系可以用从动件的位移线图来表示,如右图所示。,凸轮运动常用术语:,基圆: 推程: 升程: 推程运动角t: 回程;回程运动角h: 远休止角S: 近休止角S: 位移2:,3.1.2 常用的从动件运动规律,二、 常用的从动件运动规律,等速运动,运动开始,V由0突变为,加速度a为,同理,运动结束,由于存在刚性冲击,如果单独使用这种运动规律,只适用于低速场合,a=-,等加速等减速运动,3.1.2 常用的从动件运动规律,每一行程(推程或回程)的前半行程作等加速运动,后半行程作等减速运动,a有有限值的突变无速度突变,无刚性冲击,柔性冲击中低速凸轮机构,推程:前半行程
4、等加速 后半行程等减速,回程:前半行程等加速 后半行程等减速,从动件位移函数关系: (V0=0, 等加速等减速 ),3.1.2 常用的从动件运动规律,简谐运动规律,注意: 实际上, 从动件 在推、回程的运动规 律并非相同。,分析:,作图: 见书图,点在圆周上作匀速运动, 它在这个圆的直径上 的投影所构成的运动。 凸轮作匀速运动, S2按余弦规律变化余弦加 速度运动始点与终点有柔性冲击。,3.1.2 常用的从动件运动规律,正弦加速度运动,由运动图可见,其速度和加速度曲线都是连续的,因此没有柔性冲击,故常用于高速凸轮机构。,三、 从动件运动规律的选择,3.1.2 常用的从动件运动规律,在选择从动件
5、的运动规律时,应根据机器工作时的运动要求来确定。,对无一定运动要求,只需要从动件有一定位移量的凸轮机构。,对于高速机构,应减小惯性力、改善动力性能,可选用正弦加速度运动规律或其他改进型的运动规律。,3.2 凸轮轮廓的设计方法与加工方法,3.2.1 反转法原理,加角速度-w(与凸轮角速度大小相等、方向相反),从动件与导路绕角速度-w以凸轮转动,凸轮静止不动,从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线,从动件相对导路移动,对于滚子从动件,则滚子中心可看作是从动件的尖顶,其运动轨迹就是凸轮的理论轮廓曲线,凸轮的实际轮廓曲线是与理论轮廓曲线相距滚子半径rT的一条等距曲线。,3.2.2 解析法设计凸轮轮廓曲线
6、,偏置直动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计,3.2 凸轮轮廓的设计方法与加工方法,建立凸轮转轴中心的坐标系xOy,根据反转法原理,凸轮以w转过j角;,B点坐标为,上式即为凸轮理论廓线方程,实际廓线与理论廓线在法线上相距滚子半径rT,则推出,式中取“”号时为内等距曲线,取“”号时为外等距曲线,摆动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计,3.2 凸轮轮廓的设计方法与加工方法,取摆杆的轴心A0与凸轮轴心O之连线为坐标系的y轴,Bo点是摆动杆的推程起始位置,摆动杆与y轴的夹角为初始角。根据反转法原理,得出B点坐标,其中,3.2 凸轮轮廓的设计方法与加工方法,3.2.3 作图法设计凸轮轮廓曲线,对心直动尖顶从动件盘形
7、凸轮轮廓的设计,已知:rmin、h、w1、从动杆运动规律,凸轮转角,从动杆运动,0 180 等速上升 h 180 210 上停程 210 300 等速下降 300 360 下停程,解:1.作位移曲线(取比例l),S2,1,0,3600,1800,2100,3000,h,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12,2.等份S2- 1图,w1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,3.作基圆(注意比例一致),4.- 等份基圆得导轨,5.量取相应位移,6.作轮廓线,注意比例一致,11,3.2 凸轮轮廓的设计方法与加工方法,滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计,按尖顶从动件作凸轮轮廓线0(理
8、论轮廓),n,n,理论廓线0,实际廓线,以0各点为圆心作圆(滚子半径为径),作这些圆的包络线(实际轮廓),3.2 凸轮轮廓的设计方法与加工方法,平底从动件盘形凸轮轮廓的设计,按尖顶从动件作理论轮廓线一系列点A0,A1,A2,过各点作作各位置的平底A0B0, A1B1,A2B2,作这些平底的包络线 实际轮廓,w1,3.2 凸轮轮廓的设计方法与加工方法,偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计,作图步骤:,应注意的不同点: 先作出基圆和偏距圆,根据推杆偏置方向确定其起始位置。,设计步骤与对心直动相同。,偏距圆:以凸轮轴心O为圆心,以 偏距e为半径作的圆。,偏距圆与位移线图对应等分 推杆在反转运动中依次
9、占据的位置都是偏距圆的切线;,3.2 凸轮轮廓的设计方法与加工方法,3.2.4 凸轮轮廓的加工,凸轮轮廓的加工方法通常有两种,1.铣、锉削加工,对用于低速、轻载场合的凸轮,可以应用反转法原理在未淬火凸轮轮坯上通过作图法绘制轮廓曲线,采用铣床或用手工锉削办法加工而成。必要时可进行淬火处理,但用这种方法则凸轮的变形难以得到修正。,2.数控加工,采用数控线切割机床对淬火凸轮进行加工,这是目前最常用的一种凸轮加工方法。加工时应用解析法,求出凸轮轮廓曲线的x,y坐标,并将xOy坐标系的原点换算成切割时的起点,而滚子半径相当于钼丝半径再加上放电间隙。,3.3 凸轮设计的几个问题,3.3.1 凸轮机构的压力
10、角,从动件的运动方向和凸轮作 用于它的法向力Fn方向之间所夹 的角a称为压力角。,由上述关系式知,压力角a愈大,有效分力1愈小,有害分力2愈大。当a角大到某一数值时,必将会出现F1fF2的情况。这时,不论施加多大的Fn力,都不能使从动件运动,这种现象称为自锁。因此,为了保证凸轮机构的正常工作,必须对凸轮机构的压力角进行限制。,推荐压力角数值,移动从动件a=3039,摆动从动件a=3545,3.3 凸轮设计的几个问题,3.3.2 基圆半径的确定,从传动效率来看,压力角越小越好,但压力角减小将导致凸轮尺寸增加,因此在设计凸轮时要权衡两者的关系,使设计达到合理。,A点:,在ABD中,即,(式A),在
11、ABD中,导路在凸轮轴的左边时,式中分子部分取“”,凸轮顺时针转动时,符号取法与上述相反,3.3 凸轮设计的几个问题,在给定运动规律时,合理设计偏距可减小压力角,增大基圆半径也可以减小压力角。获取较小的基圆半径的同时,必须要保证aa,在设计凸轮时,先根据条件确定基圆半径r0。制作凸轮轴时,r0略大于轴的半径;单独制造凸轮时,r0=(1.62)r。,3.3 凸轮设计的几个问题,3.3.3 滚子半径的确定,凸轮轮廓曲线形状与滚子半径的关系,r = r + rr,当理论廓线内凹时,此时,无论滚子半径大小,凸轮工作轮廓总是光滑曲线(如图a),当理论廓线外凸时(可分为三种情况),r = r - rr,1
12、) r rr时 r 0这时所得的凸轮实际轮廓为光滑的曲线(如图b),2) r = rr 时r = 0,实际轮廓线变尖,极易磨损,不能使用(如图c)。,3) r rr 时r 0, ,即实际曲线出现交叉会出现失真(如图d)。,3.3 凸轮设计的几个问题,理论廓线上任意点的曲率半径可用下式计算,3.4 间歇运动机构,机构组成,3.4.1 棘轮机构 一、 棘轮机构的工作原理:,它主要有摇杆、棘爪、棘轮、制动爪和机架组成。弹簧使制动爪和棘轮保持接触。,摇杆逆时针摆动-棘爪插入齿槽-棘轮转过角度-制动爪划过齿背 摇杆顺时针摆动-棘爪划过脊背-制动爪组织棘轮作顺时针转动-棘轮静止不动 因此当摇杆作连续的往复
13、摆动时,棘轮将作单向间歇转动。,工作过程,观看动画演示,设计:潘存云,双向棘轮1,双向棘轮2,棘轮可双向运动,双动棘轮机构,3.4 间歇运动机构,设计:潘存云,摩擦棘轮,超越离合器,3.4 间歇运动机构,二、棘轮机构的特点与应用,结构简单,制造容易运动可靠,棘轮的转角在很大范围内可调,工作时有较大的冲击和噪声、 运动精度不高,常用于低速场 合,棘轮机构还常用作防止机构逆 转的停止器。如起重止动器,3.4 间歇运动机构,牛头刨床进给调整机构 通过调整杆长来调摆角,3.4.2 槽轮机构 一、槽轮机构的工作原理,当拨盘上的圆柱销A没有进入槽轮的径向槽时,槽轮的内凹锁止弧面被拨盘上的外凸锁止弧面卡住,槽轮静止不动。当圆柱销A进入槽轮的径向槽时,锁止弧面被松开,则圆柱销A驱动槽轮转动。当拨盘上的圆柱销离开径向槽时,下一个锁止弧面又被卡住,槽轮又静止不动。由此将主动件的连续转动转换为从动槽轮的间歇运动,观看动画,3.4 间歇运动机构,二、 槽轮机构的类型、特点及应用,内啮合槽轮机构,外啮合槽轮机构,空间槽轮机构,优点:结构简单、工作可靠、机械效率高,能较平稳、间歇 地进行转位,缺点:圆柱销突然进入与脱离径向槽,传动存在柔性冲击, 不适合高速场合,转角不可调节,只能用在定角场合,3.4 间歇运动机构,盘形凸轮,移动凸轮,圆柱凸轮,力封闭,几何封闭,
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