机械原理凸轮机构及其设计方案,机械原理凸轮机构课程设计

('第六讲凸轮机构及其设计（一）凸轮机构的应用和分类一、凸轮机构1．组成：凸轮，推杆，机架。2．优点：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且机构简单紧凑。缺点：凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损，所以凸轮机构多用在传力不大的场合。二、凸轮机构的分类1．按凸轮的形状分：盘形凸轮圆柱凸轮2．按推杆的形状分尖顶推杆：结构简单，能与复杂的凸轮轮廓保持接触，实现任意预期运动。易遭磨损，只适用于作用力不大和速度较低的场合滚子推杆：滚动摩擦力小，承载力大，可用于传递较大的动力。不能与凹槽的凸轮轮廓时时处处保持接触。平底推杆：不考虑摩擦时，凸轮对推杆的作用力与从动件平底垂直，受力平稳；易形成油膜，润滑好；效率高。不能与凹槽的凸轮轮廓时时处处保持接触。3．按从动件的运动形式分（1）往复直线运动：直动推杆，又有对心和偏心式两种。（2）往复摆动运动：摆动推杆，也有对心和偏心式两种。4．根据凸轮与推杆接触方法不同分：（1）力封闭的凸轮机构：通过其它外力（如重力，弹性力）使推杆始终与凸轮保持接触，（2）几何形状封闭的凸轮机构：利用凸轮或推杆的特殊几何结构使凸轮与推杆始终保持接触。①等宽凸轮机构②等径凸轮机构③共轭凸轮（二）推杆的运动规律一、基本名词：以凸轮的回转轴心O为圆心，以凸轮的最小半径r0为半径所作的圆称为凸轮的基圆，r0称为基圆半径。推程：当凸轮以角速度转动时，推杆被推到距凸轮转动中心最远的位置的过程称为推程。推杆上升的最大距离称为推杆的行程，相应的凸轮转角称为推程运动角。回程：推杆由最远位置回到起始位置的过程称为回程，对应的凸轮转角称为回程运动角。休止：推杆处于静止不动的阶段。推杆在最远处静止不动，对应的凸轮转角称为远休止角；推杆在最近处静止不动，对应的凸轮转角称为近休止角二、推杆常用的运动规律1．刚性冲击：推杆在运动开始和终止时，速度突变，加速度在理论上将出现瞬时的无穷大值，致使推杆产生非常大的惯性力，因而使凸轮受到极大冲击，这种冲击叫刚性冲击。2.柔性冲击：加速度有突变，因而推杆的惯性力也将有突变，不过这一突变为有限值，因而引起有限冲击，叫柔性冲击。3.掌握等速运动规律和等加速等减速运动规律的推程的速度、位移、加速度的方程：推杆运动规律——推杆在推程或回程时，其位移s、速度v和加速度a随时间t变化的规律。3.1多项式运动规律：一般表示为：s=C0+C1δ+C2δ2+…+Cnδn（1）一次多项式运动规律（等速运动规律）推程：s=hδ/δ0v=hω/δ0a=0回程：s=h(1-δ/δ0ˊ)v=-hω/δ0ˊa=0图示为其推程运动线图。由图可知，有刚性冲击。1（2）二次多项式运动规律（等加等减速运动规律）推程增速段：s=2hδ2/δ02v=4hωδ/δ02a=4hω2/δ02推程减速段：s=h-2h(δ0-δ)2/δ02v=4hω(δ0-δ)/δ02a=-4hω2/δ02由图知，有柔性冲击。（3）五次多项式运动规律其位移方程式为：s=既没有柔性冲击，也没有刚性冲击。2.2三角函数运动规律（1）余弦加速度运动规律（又称简谐运动规律）推程运动方程式为回程运动方程式为由图知，亦有柔性冲击，只是冲击的次数有所减少。（2）正弦加速度运动规律（又称摆线运动规律）推程运动方程式为回程运动方程式为由图知，既没有刚性冲击，也没有柔性冲击。常见题型：1.（15分）设一对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构推杆的行程，推程运动角。试2分别绘出等速运动规律、等加速等减速运动规律和余弦加速度运动规律在推程段的推杆位移线（）图；并简述该三种运动规律对凸轮机构产生的冲击情况；若凸轮以等角速度逆时针回转，基圆半径，试以余弦加速度运动规律绘出在推程段的凸轮轮廓曲线。（山科2009）2.（山科2010）3.（15分）如图6所示为凸轮机构推程阶段的运动线图。设凸轮以等角速度转动，在推程时，凸轮的运动角为，推杆完成行程，该推杆运动规律为哪一种运动规律？试推导出该推杆推程的运动方程，并分析受到的冲击情况。图6（三）凸轮轮廓曲线的设计一、凸轮廓线设计方法的基本原理1．原理：反转法。在设计凸轮廓线时，可假设凸轮静止不动，而使推杆相对于凸轮作反转运动，同时又在其导轨内作预期运动，作出推杆在这种复合运动中的一系列位置，则其尖顶轨迹就是所求的凸轮廓线。一般步骤：（1）作出推杆在反转中依次占据的位置。（2）根据选定的运动规律，求出推杆在预期运动中依次占据的位置。（3）作出轮廓线。二、用作图法设计凸轮轮廓1．对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构3已知：基圆半径，凸轮等ω逆时针转动，运动规律已知要求：设计一对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构。步骤：（1）画位移线图，并对其作等分。（2）取适当比例尺，根据已知作出基圆。（3）确定推杆在反转中占据的各位置（相应于运动线图对基圆作相应等分）（4）确定推杆尖顶在预期运动中占据的各位置。（5）连接各点成光滑曲线。2.偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构43.偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构已知：基圆半径，滚子半径，凸轮等ω逆时针转动，运动规律已知要求：设计一偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构。5★说明：（1）理论轮廓线：滚子中心的轨迹线。（2）实际轮廓线：与滚子直接接触的凸轮轮廓曲线，又称工作廓线。（3）凸轮的基圆半径是指理论廓线的基圆半径。4．对心直动平底推杆盘形凸轮机构已知：基圆半径，凸轮等ω逆时针转动，运动规律已知。要求：设计一对心直动平底推杆盘形凸轮机构。图5.18所示为对心直动平底从动件盘形凸轮机构，其设计基本思路与上述滚子从动件盘形凸轮机构相似。轮廓曲线具体作图步骤如下：取平底与从动件轴线的交点A当作从动件的尖顶，按照上述尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计方法，求出该尖顶反转后的一系列位置A1、A2、…、A15；然后过点A1、A2、…、A15作一系列代表平底的直线，则得到平底从动件在反转过程中的一系列位置，再作这一系列位置的包络线即得到平底从动件盘形凸轮的实际轮廓曲线。65．摆动尖顶推杆盘形凸轮机构已知：基圆半径，位移曲线，摆杆长，机架距OA。要求：作一摆动尖顶推杆盘形凸轮机构。分析：要注意到这儿的位移曲线的位移是指角度。7（四）凸轮机构的基本尺寸的确定一、凸轮机构的压力角及其校核1．压力角：推杆在与凸轮接触点处所受正压力的方向（接触点法线方向）与该点速度方向之间的锐角。2压力角的数学表达式的推导（要会推导）：8正确偏置：导路位于与凸轮旋转方向ω相反的位置。（即逆转右偏，顺转左偏）注意：用偏置法可减小推程压力角，但同时增大了回程压力角，故偏距e不能太大。3.凸轮基圆半径的确定对于偏置尖顶直动从动件盘形凸轮机构，如果限制推程的压力角α≤［α］，则可由式压力角的公式导出基圆半径的计算公式为提问：在设计一对心凸轮机构时，当出现α≥[α]的情况，在不改变运动规律的前提下，可采取哪些措施来进行改进？1)加大基圆半径r0：r0↑→α↓2)将对心改为正偏置：e↑→α↓3)采用平底从动件,α=04滚子半径的确定对于外凸轮廓，要保证正常工作，应使：ρmin>rr第一类：直动尖顶从动件偏心圆凸轮机构1.如图所示，有一对心直动尖顶从动件偏心圆凸轮机构，O为凸轮几何中心，O1为凸轮转动中心，直线ＡＣ^ＢＤ，O1O＝OA，圆盘半径R=60mm。试根据上述条件确定基圆半径ｒ0、行程ｈ，C点压力角αc和D点接触时的位移ｈD、压力角αD。(要求在图中画出并同时计算出)9解：(1)mm；(2)mm；(3)；(4)mm(5)2图（a）所示对心直动尖底从动件偏心圆盘凸轮机构，O为凸轮几何合中心，O1为凸轮转动中心，直线AC⊥BD,O1O=OA/2，圆盘半径R=OA=60mm。（1）根据图（a）及上述条件确定基园半径r0，行程h，C点压力角αc和D点接触时的压力角αD，位移hD；（2）若偏心圆盘凸轮几何尺寸不变，仅将从动件由尖底改为滚子，见图（b）,滚子半径rT=10mm。试问，上述参数r0，h，αc，和hD，αD是否改变？对于有改变的参数试分析其增大还是减小？103．一偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构如图所示。已知凸轮为一偏心圆盘，圆盘半径Ｒ＝３０ｍｍ，几何中心为Ａ，回转中心为Ｏ，推杆偏距ＯＤ＝ｅ＝１０ｍｍ，ＯＡ＝１０ｍｍ，凸轮以等角速度ω逆时针方向转动。当凸轮在图示位置，即ＡＤ⊥ＣＤ时，试求：（１）凸轮的基圆半径ｒ０；（２）图示位置的凸轮机构压力角α；（３）图示位置的凸轮转角φ；（４）图示位置的推杆的位移ｓ；（５）该凸轮机构中的推杆偏置方向是否合理，为什么？11河北工业2012第二类：滚子从动件盘形凸轮机构122图示为对心直动滚子从动件盘形凸轮机构，凸轮为一偏心圆盘。已知圆盘半径mm，该圆盘的回转中心与几何中心间的距离mm，滚子半径rr=10mm。试求：（1）该凸轮的基圆半径r0；（2）从动件的行程h；（3）推程中的最大压力角（4）推程压力角为最大时所对应的从动件的位移s为多少？（1）求r0即凸轮理论轮廓曲线的最小向径理论轮廓曲线连接OA并延长交于C点，即为理论廓线上的最小向径（2）从动件升程即上升的最大距离，为的最大和最小向径之差13B（3）OA水平时出现最大压力角，（4）对于图(a)所示的凸轮机构，要求：（1）写出该凸轮机构的名称；（2）在图上标出凸轮的合理转向。（3）画出凸轮的基圆；（4）画出从升程开始到图示位置时推杆的位移s，相对应的凸轮转角，B点的压力角。（5）画出推杆的行程H。图【分析】凸轮机构名称的命名，一般的顺序为推杆的运动形式+推杆的形式+凸轮的形式；在本题中，凸轮的合理转向系指使推程压力角较小的凸轮转向。当偏置与推程时凸轮和推杆的相对速度瞬心位于凸轮轴心的同侧时，凸轮机构的压力角较小。凸轮的基圆是指凸轮理论廓线的基圆，所以应先求出本凸轮的理论廓线；在求解图示位置时推杆的位移和相对应的凸轮转角，应先找到推杆升程的起点。解：（1）偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构。（2）为使推程压力角较小，凸轮应该顺时针转动。（3）以O为圆心，以OB为半径画圆得理论廓线。连结OA并延长交理论廓线于B0点，再以转动中心A为圆心，以AB0为半径画圆得基圆，其半径为r0(见图4.4(b))。（3）B0点即为推杆推程的起点，图示位置时推杆的位移和相应的凸轮转角分别为s，，见图4.4(b)，B点处的压力角=0。（4）AO连线与凸轮理论廓线的另一交点为B1，过B1作偏距圆的切线交基圆于C1点，因此B1C1为行程H。141516第三类：平底从动件盘形凸轮机构1718第四类：摆动从动件盘形凸轮机构1920如所示为一摆动从动件盘形凸轮机构。C为起始上升点。求：1．标出从点C接触到点D接触时的凸轮转角，从动件的位移；2．标出点D接触时的压力角。(a)(b)解题要点：当从动件为摆动从动件时，如何正确使用反转法原理。解：取长度比例尺作机构图如例3-7(b)图所示。1．以凸轮转动中心O为圆心，分别以机架长度OA为半径，以滚子在C点接触时的中心与凸轮转动中心O的距离为半径作中心圆和理论廓线的基圆。根据反转法原理，从动件摆杆与凸轮廓线的接触点C点沿方向移动到D点。故以摆杆长AB为半径，以点为圆心作弧与中心圆交于点，则是摆杆与凸轮廓线在C点接触时的位置。过A点，点分别向O点作连线，，则为从动件从点C接触到点D接触时的凸轮转角。以摆杆长度为半径，以A为圆心作弧与基圆交于点，则，也即是从动件摆动的位移。2．过B、D两点作直线nn，nn即为从动件摆杆在D点接触时的公法线。nn与B点的速度之间所夹的锐角即为该位置的压力角。21（南理2010）（北交）东南2012南理2012第五类：不规则凸轮轮廓的题型22232012年1、填充题1）凸轮机构从动件按余弦加速度规律运动时，在运动开始和终止的位置，加速度有突变，会产生柔性冲击。242）根据从动件凸轮廓线保持接触方法的不同，凸轮机构可分为力封闭和几何形状封闭两大类型。写出两种几何形状封闭的凸轮机构槽道凸轮和等径凸轮。3）为了使凸轮廓面与从动件底面始终保持接触，可以利用从动件自身的重力，弹簧力，或依靠凸轮上的几何形状来实现。4）凸轮机构的主要优点为只要适当地设计出凸轮廓线，就可以是从动件可以各种预期的运动规律。主要缺点为从动件与凸轮之间是高副（点接触、线接触），易磨损，所以凸轮机构多用在传力不大的场合。5)为减小凸轮机构的推程压力角，可将从动杆由对心改为偏置，正确的偏置方向是将从动杆偏在凸轮转动中心的正偏置侧。6）凸轮机构的从动件按等加速等减速运动规律运动，在运动过程中，加速度将发生突变，从而引起柔性冲击。7）当凸轮机构的最大压力角超过许用压力角时，可采取以下措施来减小压力角增大基圆半径、改变偏置方向。8)凸轮基圆半径是从凸轮转动中心到理论廓线的最短距离。9）平底垂直于导路的直动杆盘形凸轮机构，其压力角等于0。10）在凸轮机构推杆的四种常用运动规律中，等速运动运动规律有刚性冲击；等加速等减速、余弦加速度运动规律有柔性冲击；正弦加速度运动规律无冲击。11）凸轮机构推杆运动规律的选择原则为首先要满足机器的工作要求，同时还应使机器具有良好的动力特性和使所设计的凸轮便于加工。12）设计滚子推杆盘形凸轮机构凸轮廓线时，若发现工作廓线有变尖现象时，则尺寸参数上应采取的措施是适当增大基圆半径或适当减小滚子半径。二、选择题1、凸轮机构中，从动件的运动规律取决于B。A、凸轮轮廓的大小B、凸轮轮廓的形状C、基圆的大小2、设计凸轮机构时，凸轮的轮廓曲线形状取决于从动件的A。A、运动规律B、运动形式C、结构形状3、等速运动规律的凸轮机构，从动件在运动开始和终止时，加速度值为B。A、零B、无穷大C、常量4、等速运动规律的凸轮机构，从动件在运动开始和终止时，将引起A冲击。A、刚性B、柔性C、无5、等加速等减速运动规律的凸轮机构将引起B。A、刚性B、柔性C、无6、简谐运动规律的凸轮机构将引起B冲击。A、刚性B、柔性C、无7、根据工作经验，建议直动从动件凸轮机构推程许用压力角等于A。A、30°B、0°C、90°8、为防止滚子从动件运动失真，滚子半径必须A凸轮理论廓线的最小曲率半径。A、C、>=9、凸轮机构中，采用导路偏置法，可使推程压力角减小，同时回程压力角A。A、增大B、减小C、不变10、凸轮机构中，基圆半径减小，会使机构压力角A。A、增大B、减小C、不变11、对于远、近休止角均不为零的凸轮机构，当从动件推程按简谐运动规律运动时，在推程开始和结束位置___A___。A、不存在冲击B、存在刚性冲击C、存在柔性冲击12、若直动从动件盘形凸轮机构采用正配置，可____A_______压力角。25A、降低推程B、降低回程C、同时降低推程和回程13、已知一滚子接触摆动从动件盘形凸轮机构，因滚子损坏，更换了一个外径与原滚子不同的新滚子，则更换滚子后____D________。A、从动件运动规律发生变化，而从动件最大摆角不变B、从动件最大摆角发生变化，而从动件运动规律不变C、从动件最大摆角和从动件运动规律均不变D、从动件最大摆角和从动件运动规律均发生变化14、已知一滚子接触偏置直动从动件盘形凸轮机构，若将凸轮转向由顺时针改为逆时针，则____A_____。A、从动件运动规律发生变化，而从动件最大行程不变B、从动件最大行程发生变化，而从动件运动规律不变C、从动件最大行程和从动件运动规律均不变D、从动件最大行程和从动件运动规律均发生变化15、对于滚子从动件盘形凸轮机构，滚子半径___A_____理论轮廓曲线外凸部分的最小曲率半径。A、必须小于B、必须大于C、可以等于16、对于平底从动件盘形凸轮机构，若出现运动失真，则其原因是___C_______。A、基圆半径太小B、凸轮轮廓外凸C、凸轮轮廓内凹或平底宽度不够17、凸轮机构若发生自锁，则其原因是___B_______。A、驱动力矩不够B、压力角太大C、基圆半径太小18、对于平底直动从动件盘形凸轮机构，移动导路的平移___C_______。A、会改变从动件运动规律B、会影响机构压力角的大小C、不会影响从动件运动规律和机构压力角的大小3）设计直动推杆盘形凸轮机构时，在推杆运动规律不变的条件下，要减小推程压力角，可采用哪两种措施？措施1、将对心只动从动件改为偏置只动从动件措施2、增大凸轮基圆半径6.试标出图（ａ）在图示位置时凸轮机构的压力角，凸轮从图示位置转过９０°后推杆的位移；标出图（ｂ）推杆从图示位置升高位移ｓ时，凸轮的转角和凸轮机构的压力角。26解下题为2013年西安电子科技大学考题：（考核自锁部分内容）2728',)