凸轮机构设计,凸轮机构设计中确定凸轮基圆半径时

('第四章凸轮机构设计（4学时）1．教学目标1）了解凸轮机构的分类及应用；2）了解推杆常用运动规律的选择原则；3）掌握在确定凸轮机构的基本尺寸时应考虑的主要问题；4）能根据选定的凸轮类型和推杆运动规律设计凸轮的轮廓曲线。2．教学重点和难点1）推杆常用运动规律特点及选择原则；2）盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线的设计；3）凸轮基圆半径与压力角及自锁的关系；难点：“反转法原理”与压力角的概念。3．讲授方法：多媒体课件第四章凸轮机构4．1凸轮机构的特点和分类4．2从动件常用的运动规律一、凸轮机构的组成和应用1、组成凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个部分所组成。2、运动规律凸轮机构可以将主动件凸轮的等速连续转动变换为从动件的往复直线运动或绕某定点的摆动，并依靠凸轮轮廓曲线准确地实现所要求的运动规律。3、特点优点是：只要正确地设计凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现任意给定的运动规律，且结构简单、紧凑、工作可靠。缺点是：凸轮与从动件之间为点或线接触，不易润滑，容易磨损。因此，凸轮机构多用于传力不大的控制机构和调节机构二、凸轮机构的分类1、按凸轮的形状分(l)盘形凸轮也叫平板凸轮。这种凸轮是一个径向尺寸变化的盘形构件，当凸轮l绕固定轴转动时，可使从动件在垂直于凸轮轴的平面内运动(2)移动凸轮当盘形凸轮的径向尺寸变得无穷大时，其转轴也将在无穷远处，这时凸轮将作直线移动。通常称这种凸轮为移动凸轮。(3)圆柱凸轮凸轮为一圆柱体，它可以看成是由移动凸轮卷曲而成的。曲线轮廓可以开在圆柱体的端面也可以在圆柱面上开出曲线凹槽。2、按从动件的形式分(l)尖顶从动件结构最简单，而且尖顶能与较复杂形状的凸轮轮廓相接触，从而能实现较复杂的运动，但因尖顶极易磨损，故只适用于轻载、低速的凸轮机构和仪表中。(2)滚子从动件在从动件的一端装有一个可自由转动的滚子。由于滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，故磨损较小，改善了工作条件。因此，可用来传递较大的动力，应用也最广泛。(3)平底从动件从动件一端做成平底(即平面)，在凸轮轮廓与从动件底面之间易于形成油膜，故润滑条件较好、磨损小。当不计摩擦时，凸轮对从动件的作用力始终与平底垂直，传力性能较好，传动效率较高，所以常用于高速凸轮机构中。但由于从动件为一平底，故不适用于带有内凹轮廓的凸轮机构。三、基本概念1、基圆：以凸轮轮廓最小半径rb所作的圆2、推程：从动件经过轮廓AB段，从动件被推到最高位置3、推程角：角δ0，这个行程称为，δ2称为4、回程：经过轮廓CD段，从动件由最高位置回到最低位置；5、回程角：角δ26、远停程角：角δ17、近停程角：角δ3二、凸轮与从动件的关系凸轮的轮廓机构取决于从动件的运动规律，从动件的运动规律取决于工作要求。四、从动件的运动规律1．等速运动规律当凸轮作等角速度旋转时，从动件上升或下降的速度为一常数，这种运动规律称为等速运动规律。（1）位移曲线(S—δ曲线)若从动件在整个升程中的总位移为h，凸轮上对应的升程角为δ0，那么由运动学可知，在等速运动中，从动件的位移S与时间t的关系为：S＝v·t凸轮转角δ与时间t的关系为：δ＝ω·t则从动件的位移S与凸轮转角δ之间的关系为:v和ω都是常数，所以位移和转角成正比关系。因此，从动件作等速运动的位移曲线是一条向上的斜直线。从动件在回程时的位移曲线则与下图相反，是一条向下的斜直线。（2）等速运动凸轮机构的工作特点由于从动件在推程和回程中的速度不变，加速度为零，故运动平稳；但在运动开始和终止时；从动件的速度从零突然增大到v或由v突然减为零，此时，理论上的加速度为无穷大，从动件将产生很大的惯性力，使凸轮机构受到很大冲击，这种冲击称刚性冲击。随着凸轮的不断转动，从动件对凸轮机构将产生连续的周期性冲击，引起强烈振动，对凸轮机构的工作十分不利。因此，这种凸轮机构一般只适用于低速转动和从动件质量不大的场合。图7—8等加速等减速运动规律位移曲线2．等加速、等减速运动规律当凸轮作等角速度旋转时，从动件在升程(或回程)的前半程作等加速运动，后半程作等减速运动。这种运动规律称为等加速等减速运动规律。(1)位移曲线(S—δ曲线)由运动学可知，当物体作初速度为零的等加速度直线运动时，物体的位移方程：在凸轮机构中，凸轮按等角速度ω旋转，凸轮转角δ与时间t之间的关系为t=δ/ω则从动件的位移S与凸轮转角δ之间的关系为：式中a和ω都是常数，所以位移s和转角δ成二次函数的关系，所以，从动件作等加速等减速运动的位移曲线是抛物线。因此，从动件在推程和回程中的位移曲线是由两段曲率方向相反的抛物线连成。(2)等加速等减速运动凸轮机构的工作特点从动件按等加速等减速规律运动时，速度由零逐渐增至最大，而后又逐步减小趋近零，这样就避免了刚性冲击，改善了凸轮机构的工作平稳性。因此，这种凸轮机构适合在中、低速条件下工作。凸轮轮廓线（曲线）设计在合理地选择了从东件运动规律以后，结合一些具体地条件可以进行凸轮轮廓地设计。根据选定的推杆运动规律来设计凸轮具有的廓线时，可以利用作图法直接绘制出凸轮廓线，也可以用解析法列出凸轮廓线的方程式，定出凸轮廓线上各点的坐标，或计算出凸轮的一系列向径的值，以便据此加工出凸轮廓线。用图解法设计凸轮廓线，简单易行，而且直观，但误差较大，对精度要求较高的凸轮，如高速凸轮、靠模凸轮等，则往往不能满足要求。所以，现代凸轮廓线设计都以解析法为主，其加工也容易采用先进的加工方法，如线切割机、数控铣床及数控磨床来加工。但是，图解法可以直观地反映设计思想、原理所以从教学角度，本节我们主要介绍图解法，并简单介绍解析法。但是，不论作图法还是解析法，其基本原理都是相同的。所以我们下面首先介绍一下凸轮廓线设计方法的基本原理一．凸轮廓线设计方法的基本原理为了说明凸轮廓线设计方法的基本原理，我们首先对已有的凸轮机构进行分析。如图4-10所示为一对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构，当凸轮以角速度绕轴心O等速回转时，将推动推杆运动。图b所示为凸轮回转角时，推杆上升至位移s的瞬时位置。现在为了讨论凸轮廓线设计的基本原理，设想给整个凸轮机构加上一个公共角速度（），使其绕凸轮轴心O转动。根据相对运动原理，我们知道凸轮与推杆间的相对运动关系并不发生改变，但此时凸轮将静止不动，而推杆则一方面和机架一起以角速度绕凸轮轴心O转动，同时又在其导轨内按预期的运动规律运动。由图C可见，推杆在复合运动中，其尖顶的轨迹就是凸轮廓线。利用这种方法进行凸轮设计的称为反转法，图4-10其基本原理就是理论力学中所讲过的相对运动原理。二．用作图法设计凸轮廓线针对不同形式的凸轮机构，其作图法也有所不同。我们以三类推杆形式给予分别介绍，同学们要注意理解三类机构设计的异同之处。1．对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构若已知凸轮的基圆半径，凸轮以等角速度逆时针方向回转。推杆的运动规律如表4-1所示。利用作图法设计凸轮廓线的作图步骤如下：（1）选取适当的比例尺，取为半径作圆；（2）先作相应于推程的一段凸轮廓线。为此，根据反转法原理，将凸轮机构按进行反转，此时凸轮静止不动，而推杆绕凸轮顺时针转动。按顺时针方向先量出推程运动角，再按一定的分度值（凸轮精度要求高时，分度值取小些，反之可以取小些）将此运动角分成若干等份，并依据推杆的运动规律算出各分点时推杆的位移值S。考试中，由于学生可以用量角器进行分度，所以角度可取任意值。作图步骤要写清楚。本题中取分度值为（教材上为，为作图方便我们分为），据运动规律可求各分点时推杆的位移S如表（8-2）。（3）确定推杆在反转运动中所占据的每个位置。为此，根据反转法原理，从A点开始，将运动角按顺时针方向按一个分点进行等份，则各等份径向线01，02，……08即为推杆在反转运动中所依次占据的位置。升程：序号凸轮运动角（）推杆的运动规律1等速上升2推杆在最高位置不动3等速下降4推杆在最低位置不动0153045607590105120s05101520降程：015304560s20151050（4）确定出推杆在复合运动中其尖顶所占据的一系列位置。根据表中所示数值s，沿径向等分线由基圆向外量取，得到点，即为推杆在复合运动中其尖顶所占据的一系列位置。（5）用光滑曲线连接，即得推杆升程时凸轮的一段廓线。（6）凸轮再转过时，由于推杆停在最高位置不动，故该段廓线为一圆弧。以O为圆心，以为半径画一段圆弧。（7）当凸轮再转过时，推杆等速下降，其廓线可仿照上述步骤进行。（8）最后，凸轮转过其余的时，推杆静止不动，该段又是一段圆弧。按以上作图法绘制的光滑封闭曲线即为凸轮廓线，如图4－11所示。对于其它类型的凸轮机构的凸轮廓线设计，同样可根据如上所述反转法原理进行。接下来，我们主要讨论其各自的特点及设计时要注意的问题。2．对心直动滚子推杆盘形凸轮机构对于这种类型的凸轮机构，由于凸轮转动时滚子（滚子半径）与凸轮的相切点不一定在推杆的位置线上，但滚子中心位置始终处在该线，推杆的运动规律与滚子中心一致，所以其廓图4-11图4－12线的设计需要分两步进行。（1）将滚子中心看作尖顶推杆的尖顶，按前述方法设计出廓线，这一廓线称为理论廓线。（2）以理论廓线上的各点为圆心、以滚子半径为半径作一系列的圆，这些圆的内包络线即为所求凸轮的实际廓线，如图4－12所示。3．对心直动平底推杆盘形凸轮机构在设计这类凸轮机构的凸轮廓线时，也要按两步进行：（1）把平底与推杆轴线的交点B看作尖顶推杆的尖顶，按照前述方法，求出尖顶的一系列位置，将其连成曲线，即为凸轮的理论廓线。（2）过以上各交点B按推杆平底与推杆轴线的夹角作一系列代表平底的直线，这一系列位置的包络线即为所求凸轮的实际廓线。求出凸轮廓线后，根据平底推杆的一系列位置，选择出推杆平底的最小尺寸不应小于的两倍。如图4-13。其它类型的凸轮机构，其廓线的作图法和步骤与前述方法相同，请同学下去自己学习。三．凸轮廓线设计的解析法对于精度较高地高速凸轮、检验用的样板凸轮等需要用解析法设计，以适合数控机床加工。在研究过凸轮廓线设计的作图法之后，接下来我们就利用如图4-15所示的偏置滚子直动推杆盘形凸轮机构，介绍解析方法。解析法主要采用解析表达式计算并确定凸轮轮廓，计算工作量大，一般采用计算机精确地计算出凸轮轮廓或刀具轨迹上各点地坐标进行。如图所示为偏置直动滚子从动件盘型凸轮机构。偏距e、基圆半径和从动件运动规律，凸轮以等角速度顺时针转动。以凸轮回转中心O为原点，垂直向上为x正图4－13图4－14图4－15方向，水平向左为y正方向，建立直角坐标系Oxy。当从动件的滚子中心从点上升到点时，凸轮转过的角度为，根据反转法原理，将点以（－）方向绕原点转过即得到凸轮轮廓曲线上对应点B点，其坐标为：式中：——初始位置点的x坐标值，s——当凸轮转过角时，从动件的位移。而它们的实际轮廓曲线是滚子圆族的包络线，即实际轮廓是理论轮廓的等距线，它们之间的距离为滚子半径。由数学理论可知，实际轮廓曲线上的坐标点（x，y）的参数方程为：式中：、——分别为实际轮廓上对应理论轮廓曲线上（x、y）点的坐标，（、）与点（x、y）在同一法线上。在此我们就不作过多的数学推导了，有兴趣的同学可以自己研究。关于、和凸轮的基圆半径直接决定着凸轮机构的尺寸。在前面我们介绍凸轮廓线设计时，都是假定凸轮的基圆半径已经给出。而实际上，凸轮的基圆半径的选择要考虑许多因素，首先要考虑到凸轮机构中的作用力，保证机构有较好的受力情况。为此，需要就凸轮的基圆半径和其它有关尺寸对凸轮机构受力情况的影响加以讨论。一．凸轮机构中的作用力及凸轮机构压力角图4-16所示为一直动尖顶推杆盘状凸轮机构的推杆在推程任意位置时的受力情况分析。其中Q为推杆所承受的外载荷，P为凸轮作用于推杆上的驱动力，而R1、R2为导轨对推杆作用的总反力；和为摩擦角。凸轮的压力角为凸轮廓线上传力点B的法线与推杆（从动件）上点B的速度方向所夹的锐角。对于滚子从动件，滚子中心可视作B点。若取推杆为分离体，则根据平面力系的平衡条件可以得到：从中消去R1和R2，整理后可得：由上式可知，压力角是影响凸轮机构受力情况的一个重要参数。在其它条件相同的情况下，越大、则分母越小、P力将越大。当增大到某一数值时，分母将减小为零，作用力P将增至无穷大，此时该凸轮机构将发生自锁现象。而这时的压力角我们称为临界压力角，其值为：由此可见，为使凸轮机构工作可靠，受力情况良好，必须对压力角进行限制。最基本的要求是：。由上式可以看出，提高的有效途径是增大导路长度，减小悬臂长度b。图4-16根据理论分析和实践经验，为提高机构效率，改善受力情况，通常规定小于许用压力角[]，而[]远小于，即：根据实践经验，常用的许用压力角数值为：1）工作行程时，对于直动推杆，取；对于摆动推杆取；2）回程时，取二．凸轮基圆半径的确定对于一定类型的凸轮机构，在推杆运动规律选定之后，该凸轮的机构压力角与凸轮基圆半径的大小直接相关。图4-17为一偏置尖顶直动推杆盘形凸轮机构。由“三心定理”可知，如经过凸轮与推杆接触点B作凸轮廓线在该点的法线nn，则其与过凸轮轴心O与推杆导轨相垂直的OP线交点P即为推杆与凸轮的相对速度瞬心。根据瞬心的定义有：所以：由图中可得：式中的“”号按以下原则确定：当偏距e和瞬心P在凸轮轴心同侧时取“—”号，反之取“+”号。由上式可知，在偏距e一定时，推杆的运动规律已知（即）的条件下，加大基圆图4-17半径，可以减小压力角，从而改善机构的传力特性，但这时机构的总体尺寸将会增大。为了既满足≤[]的条件，又使机构的总体尺寸不会过大，就要合理地确定凸轮基圆的半径值。对于直动推杆盘形凸轮机构，如果限定推程的压力角≤[]，则由上式可以导出基圆半径的计算公式：从而由上式可知，当从动件的运动规律确定后，凸轮基圆半径越小，则机构的压力角越大。合理地选择偏距e的方向，可使压力角减小，改善传力性能。所以，我们在设计凸轮机构时，应该根据具体的条件抓住主要矛盾合理解决：如果对机构的尺寸没有严格要求，可将基圆取大些，以便减小压力角；反之，则应尽量减小基圆半径尺寸。但应注意使压力角满足≤[]。在实际设计中，凸轮基圆半径的确定不仅受到≤[]的限制，而且还要考虑到凸轮的结构与强度要求。因此，常利用下面的经验公式选取：其中为凸轮轴的半径待凸轮廓线设计完毕后，还要检验≤[]。三．滚子半径（）的确定、平底尺寸的确定1．滚子半径的选择对于滚子从动件中滚子半径的选择，要考虑其结构、强度及凸轮廓线的形状等诸多因素。这里我们主要说明廓线与滚子半径的关系。如图4-18所示为一内凹的凸轮轮廓曲线，为实际轮廓，为理论轮廓。实际轮廓的曲率半径等于理论轮廓的曲率半径与滚子半径之和，即：。这样，不论滚子半径大小如何，凸轮的工作廓线总是可以平滑地作出。对于图b中的外凸轮，，则实际轮廓的曲率半径为零实际轮廓上将出现尖点。当时，则为负值，这时实际的轮廓出现交叉，从动轮将不能按照预期的运动规律运动，这种现象称为“失真”。因此，对于外凸的凸轮，应使滚子的半径小于理论轮廓的最小曲率半径。另一方面，要考虑强度、结构等因素，滚子的半径也不能太小，通常取：，其中为基圆半径。2．平底尺寸的选择平底从动件其平底尺寸的确定必须保证凸轮轮廓与平底始终相切，否则从动件也会出现“失真”，甚至卡住。通常平底长度L应取：其中为凸轮与平底相切点到从动件运动中心距离的最大值。图4-183．材料的选择滚子材料的选择主要考虑机构所受的冲击载荷和磨损等问题。一般情况下，凸轮选用45号钢或40Cr制造，淬硬到HRC52～58；要求较高时，也可以用15号钢或20Cr制造，采用渗碳淬火。滚子采用与凸轮同样的材料。凸轮机构的结构设计凸轮机构要求能实现预定的运动，承受连续工作载荷的作用，尺寸紧凑，易于加工装配，并且成本低、寿命长。凸轮机构的失效形式通常为凸轮工作表面的擦伤、点蚀与光亮磨损。擦伤主要由于表面粗糙度和润滑不充分造成表面材料损失。点蚀与时间和应力有关，是由于表面疲劳引起裂纹扩展，造成表层材料小片剥落。光亮磨损介于损伤和点蚀之间，与润滑油的化学性质有关。一般可选用接触强度高的材料、降低表面粗糙度以及合适的润滑方式来防止失效。1、凸轮和从动件的常用材料及技术要求1）凸轮和从动件的常用材料凸轮的材料要求工作表面有较高的硬度，芯部有较好的韧性。一般尺寸不大的凸轮用45钢或40Cr钢，并进行调质或表面淬火，硬度为52～58HRC。要求更高时，可采用15钢或20Cr钢渗碳淬火，表面硬度为56～62HRC，渗碳深度为～1.5mm。更加重要的凸轮可采用35CrMo钢等进行渗碳，硬度为60～67HRC，以增强表面的耐磨性。尺寸大或轻载的凸轮可采用优质灰铸铁，载荷较大时可采用耐磨铸铁。在家用电器、办公设备、仪表等产品中常用塑料作凸轮材料。一般使用共聚甲醛、聚砜、聚碳酸脂等，主要利用其成型简单、耐水、耐磨等优点。从动件接触端面常用的材料有45钢，也可用T8、T10,淬火硬度为55～59HRC；要求较高时可以使用20Cr进行渗碳淬火等处理。2）凸轮及从动件的精度与表面粗糙度对于向径在300～500mm以下的凸轮可以分为三个精度等级，其公差和表面粗糙度见表。凸轮精度极限偏差表面粗糙度Ra/mm向径/mm基准孔凸轮槽的槽宽盘型凸轮凸轮槽高精度±（～）H7H7(H8)一般精度±（～）H7(H8)H8低精度±（～）H8H9(H10)对于高速凸轮机构的从动件，表面粗糙度应低于～μm。2、结构设计1）凸轮的结构及其在轴上的固定盘型凸轮的结构通常分为整体式和组合式。整体式结构如图4－19所示，它具有加工方便，精度高和刚性好的优点。凸轮轮廓尺寸的推荐值为：、对于大型低速凸轮机构的凸轮、或经常调整轮廓形状的凸轮，常用组合凸轮结构，如图4－20所示。图a所示为凸轮与轮毂分开的结构，利用圆弧槽可调整轮盘与轮毂的相对角度；图b为可以通过调整凸轮盘之间的相对位置来改变从动件在最远位置停留的时间。凸轮与轴的固定可采用紧定螺钉、键及销钉等方式，如图4－21所示。精度要求不高的情况下可采用键固定，见图a所示。销固定见图b所示，通常是在装配时调整好凸轮位置后，配钻定位销，或用紧定螺钉定位后，再用锥销固定。图4－19图4－20图4－212）从动件结构（1）从动件导路，如图4－22所示a图为单面导路，悬臂部分不宜过大，应满足，图b为双面导路，有利于改善从动件的工作性能。（2）滚子结构，图4－23所示为滚子的几种装配结构，滚子与销为滑动配合，一般选用。尺寸不大时，也可直接用滚动轴承作为滚子。对于集合锁合的凸轮机构，滚子与凸轮上凹槽的配合，一般选用。滚子的主要尺寸一般取：滚子销轴直径：滚子宽度b：3）凸轮工作图凸轮零件工作图与一般零件工作图相比，除了标注尺寸公差、表面粗糙度、技术条件、材料和热处理等要求外，应该注意，对于盘型凸轮，为了便于加工和检验，常以极坐标形式或列表给出凸轮理论廓线尺寸，即列出每隔一定角度的凸轮径向值。用图解法设计的滚子从动件凸轮，尺图4－22图4－23图4－24寸标注在理论轮廓曲线上，而平底从动件凸轮，尺寸标注在凸轮实际轮廓曲线上。当同一根轴上有多个凸轮时，应根据工作循环确定各凸轮与轴之间底相对位置关系。如图4－24所示为凸轮工作图示例。',)