1、贵州大学机械原理教案第九章1贵州大学教案课程名称：机械原理授课教师*所在单位机械基础教研室课程类别课堂理论教学授课时间0 0 学年1学期 周授课内容第九章 凸轮机构及其设计 授课对象机械学院XXXX班、选课人教学内容提要 第一节凸轮机构的应用、特点及分类 1.凸轮机构的应用 凸轮机构是由具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过高副接触带动从动件实现预期运动规律的一种高副机构。它广泛地应用于各种机械，特别是自动机械、自动控制装置和装配生产线中。在设计机械时，当需要其从动件必须准确地实现某种预期的运动规律时，常采用凸轮机构。 常用于将“简单转动” “复杂移动”、“复杂摆动” 、“与其它机构组合得到复杂的运动
2、”。内燃机的配气机构 图示为内燃机配气凸轮机构。具有曲线轮廓的构件1叫做凸轮，当它作等速转动时，其曲线轮廓通过与推杆2的平底接触，使气阀有规律地开启和闭合。工作对气阀的动作程序及其速度和加速度都有严格的要求，这些要求都是通过凸轮的轮廓曲线来实现的。 当凸轮运动时，通过其上的曲线轮廓与从动件的高副接触，可使从动件获得预期的运动。 自动机床的进刀机构实现有特定运动规律要求的工作行程 自动机床上的进刀机构，就是利用凸轮机构实现复杂运动规律的一个实例。通常刀具的进给运动包括以下几个动作：到位行程：即刀具以较快的速度接近工件的过程式 工作行程：即刀具等速前进切削工件的过程；返回行程：即刀具完成切削动作后
3、快速退回的过程； 停歇行程：即刀具复位后停留一段时间，以便进行更换工件等动作，然后开始下一个运动循环。 这样一个复杂的运动规律，就是由一摆动从动件圆柱凸轮机构来实现的。教学内容提要2.凸轮机构及其特点 (1)凸轮机构的组成 凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。凸轮通常作等速转动，但也有作往复摆动或移动的。推杆是被凸轮直接推动的构件。因为在凸轮机构中推杆多是从动件，故又常称其为从动件。凸轮机构就是由凸轮、推杆和机架三个主要构件所组成的高副机构。(2)凸轮机构的特点1)优点：只需改变凸轮廓线，就可以得到复杂的运动规律；设计方法简便；构件少、结构紧凑；与其它机构组合可以得到很复杂的运动规律2)缺点：
4、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。从动件的行程不宜过大；特殊的凸轮廓线有时加工困难。3.凸轮机构的分类 凸轮机构的类型很多，常就凸轮和推杆的形状及其运动形式的不同来分类。(1) 按凸轮的形状分（1）盘形凸轮 这种凸轮是一个绕固定轴转动并且具有变化向径的盘形零件，如。当其绕固定轴转动时，可推动从动件在垂直于凸轮转轴的平面内运动。它是凸轮的最基本型式，结构简单，应用最广。（2）移动凸轮当盘形凸轮的转轴位于无穷远处时，就演化成了图示的移动凸轮（或楔形凸轮）。凸轮呈板状，它相对于机架作直线移动。在以上两种凸轮机构中，凸轮与从动件之间的相对运动均为平面运动，故又统
5、称为平面凸轮机构。 （3）圆柱凸轮 如果将移动凸轮卷成圆柱体即演化成圆柱凸轮。图示为自动机床的进刀机构。在这种凸轮机构中凸轮与从动件之间的相对运动是空间运动，故属于空间凸轮机构图中具有曲线凹槽的构件叫凸轮，当它作等速回转时，其上曲线凹槽的侧面推动从动件绕O点作复摆动，通过扇形齿轮和固结在刀架上的齿条，控制刀架作进刀和退刀运动。刀架的运动规律则取决于凸轮上曲线凹槽的形状。 教学内容提要2 按照从动件的形状分类尖端从动件 从动件的尖端能够与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。这种从动件结构最简单，但尖端处易磨损，故只适用于速度较低和传力不大的场合。 滚子从动件 为减小摩擦磨
6、损，在从动件端部安装一滚轮，把从动件与凸轮之间的滑动摩擦变成滚动摩擦，因此摩擦磨损较小，可用来传递较大的动力，故这种形式的从动件应用很广。 平底从动件 从动件与凸轮轮廓之间为线接触，接触处易形成油膜，润滑状况好。此外，在不计摩擦时，凸轮对从动件的作用力始终垂直于从动件的平底，受力平稳，传动效率高，常用于高速场合。缺点是与之配合的凸轮轮廓必须全部为外凸形状。 3按照从动件的运动形式分类 1)直动推杆。即往复直线运动的推杆。在直动推杆中，若其轴线通过凸轮的回转轴心，则称其为对心直动推杆，否则称为偏置直动推杆。 2)摆动推杆。即作往复摆动的推杆,分为：摆动尖顶推杆、摆动滚子推杆和摆动平底推杆。4按凸
7、轮与推杆保持接触的方法分1) 力封闭的凸轮机构，即利用推杆的重力、弹簧力或其他外力使推杆与凸轮保持接触的。如 2) 几何封闭的凸轮机构，即利用凸轮或推杆的特殊几何结构使凸轮与推杆保持接触。 教学内容提要凸轮机构的类型选择：根据使用场合和工作要求选择凸轮机构的类型，是凸轮机构设计的第一步，又称为凸轮机构的型综合。由于凸轮及从动件的形状有多种，加之从动件的运动形式有移动和摆动之分，凸轮与从动件维持高副接触的方法又有力封闭型和形封闭型两种，故凸轮机构的形式多种多样，这就为合理选择凸轮机构的形式提供可能。 在设计凸轮机构时，应根据使用场合和工作要求的不同加以选择。（1）各种凸轮机构的特点及使用场合凸轮
8、机构类型特点使用场合尖端从动件凸轮机构 优点：结构最简单 缺点：尖端处极易磨损 只适用于作用力不大和速度较低的场合（如用于仪表机构中），其他场合极少使用。滚子从动件凸轮机构 优点：滚子与凸轮廓线间是滚动摩擦，磨损较少，可用来传递较大的动力， 缺点：加上滚子后结构复杂些。应用最广。 平底从动件凸轮机构 优点：平底与凸轮廓线接触处易形成油膜、能减少磨损，受力平稳，传动效率较高。 缺点：仅能与轮廓曲线全部外凸的凸轮相作用。适用于高速场合。 盘形凸轮机构 移动凸轮机构 均属于平面凸轮机构。 特点：凸轮与从动件之间的相对运动是平面运动。当主动凸轮作定轴转动时，采用盘形凸轮机构；当主动凸轮作往复移动时，采
9、用移动凸轮机构。 结构上较圆柱凸轮机构简单，特别是盘形凸轮机构应用广泛。教学内容提要圆柱凸轮机构 属空间凸轮机构。 优点：凸轮与从动件之间的相对运动是空间运动，当工作要求从动件的移动行程较大时，采用圆柱凸轮机构要比盘形凸轮机构尺寸更为紧凑。 缺点：结构较盘形凸轮复杂，且不宜用在从动件摆角过大的场合 适用于从动件的运动平面与凸轮轴线平行的场合力封闭型凸轮机构 优点：封闭方式简单。 缺点：当从动件行程较大时，所需要的回程弹簧太大。 适用于各种类型的从动件，且对从动件的运动规律没有限制。槽凸轮机构 优点：封闭方式简单，且从动件的运动规律不受限制 缺点：增大了凸轮的尺寸及重量，且不能采用平底从动件。
10、等宽和等直径凸轮机构 共同缺点：当180范围内的凸轮廓线确定后，另外180的廓线必须根据等宽或者等径的原则确定，从而使从动件运动规律选择受到限制。 前者只适用于凸轮廓线全部外凸的场合；后者可允许凸轮廓线有内凹部分。共扼凸轮机构 优点：从动件的运动规律不受限制，可在360范围内任意选取。 缺点：结构比较复杂。教学内容提要（2）选择凸轮机构型式时应考虑的因素1）运动学方面的因素主要包括：工作所需要的从动件的输出运动是摆动的还是移动的；从动件和凸轮之间的相对运动是平面的还是空间的；凸轮机构在整个机械系统中所允许占据的空间大小；凸轮轴与摆动输出中心之间距离的大小等等。例如当工作要求从动件的输出运动是移
11、动时，需选用移动从动件凸轮机构；当从动件的移动距离较大而凸轮机构在整个机械中所允许占据的空间又相对较小时，选择圆柱凸轮机构要比选择盘形凸轮机构更适宜；当工作对360度范围内的运动规律均有要求时，不能选用等宽或等径凸轮机构2）动力学方面的因素主要包括：工作所要求的凸轮运转速度的高低；加在凸轮和从动件上的载荷以及被驱动质量的大小等。例如：当工作要求凸轮的转动速度较高时，可选用平底从动件凸轮机构；当工作要求传递的动力较大时，可选用滚子从动件凸轮机构3）环境方面的因素考虑凸轮机构运动的环境条件，工作时凸轮机构的环境要求（如噪声、清洁度等）4）经济方面的因素考虑加工制造的成本，维护费用等。在选择凸轮机构
12、型式时，简单性总是首要考虑的因素。因此在满足运动学、动力学、环境、经济性等要求的情况下，选择的凸轮机构型式越简单越好。第二节 推杆的运动规律 凸轮机构设计的基本任务，是根据工作要求选定合适的凸轮机构的型式、推杆的运动规律和有关的基本尺寸，然后根据选定的推杆运动规律设计出凸轮应有的轮廓曲线。所以根据工作要求选定推杆的运动规律，乃是凸轮轮廓曲线设计的前提。 以尖端移动从动件盘形凸轮机构为例，说明从动件的运动规律与凸轮廓线之间的相互关系。 基本概念： 基圆以凸轮的转动轴心O为圆心，以凸轮的最小向径为半径r0所作的圆。r0称为凸轮的基圆半径。教学内容提要 推程当凸轮以等角速度逆时针转动时，推杆在凸轮廓
13、线的推动下，将由最低位置被推到最高位置时，推杆运动的这一过程。而相应的凸轮转角0称为推程运动角。远休凸轮继续转动，推杆将处于最高位置而静止不动时的这一过程。与之相应的凸轮转角01 称为远休止角。回程凸轮继续转动，推杆又由最高位置回到最低位置的这一过程。相应的凸轮转角0称为回程运动角。 近休当凸轮转过角02时，推杆与凸轮廓线上向径最小的一段圆弧接触，而将处在最低位置静止不动的这一过程。角02称为近休止角。行程推杆在推程或回程中移动的距离h 。2.推杆常用的运动规律 所谓推杆的运动规律是指推杆在运动时，其位移s、速度v 和加速度a 随时间t 变化的规律。又因凸轮一般为等速运动，即其转角与时间t 成
14、正比，所以推杆的运动规律更常表示为推杆的运动参数随凸轮转角变化的规律。推杆常用运动规律主要有如下三类：(1) 多项式运动规律推杆的多项式运动规律的一般表达式为 s = C0 + C11 + C22 + + Cnn 式中为凸轮转角；s为推杆位移；C0、C1、C2、Cn为待定系数，可利用边界条件等来确定。而常用的有以下几种多项式运动规律。1)一次多项式运动规律等速运动规律取n =1的多项式类方程：s=c0+c1;v=c1;a=0边界条件：=0，s=0; = 0 ，s=h;得：c0=0; c1=h/;得0方程： s= （h ）/ 0 ; v=h/ 0 =c ； a=0教学内容提要 等加速等减速运动规律取n =2的多项式类方程：s=c0+c1+ c22; v= c1+ 2c2 ; a=2c22边界条件：=0，s=0;=，s=h/2; =0，v=0;得待定系数：c0=0; c1=0; c2=2h/2;等加速段方程： s=（2h2）/01 ; v=(4h) / 02 ； a=4h2/ 02从动件在推程或回程的前半段作等加速运动，后半段作等减速运动。通常加速度和减速度绝对值相等，位移曲线关于O点对称。 特点：速度曲线连续，不会产生刚性冲击；因加速度曲线在运动的起始、中间和终止位置有突变
