凸轮_机械原理
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给整个凸轮机构施以-ω时, 不影响各构件之间的相对运动, 此时,凸轮将静止,而从动件 尖顶复合运动的轨迹即凸轮的 轮廓曲线。
依据此原理可以用几何作图 的方法设计凸轮的轮廓曲线.
-ω 1
3’ 2’ 1’ ω O 2 1 2 3
3
二、图解法的方法和步骤 设计凸轮廓线的图解法是根据反转法原理作出从动件推杆尖顶 在反转运动中依次占据的各位置,然后作出其高副元素所形成 的曲线族;并作从动件高副元素所形成的曲线族的包络线,即 是所求的凸轮轮廓曲线。
•
二、凸轮机构的类型
1、按凸轮的形状 和运动分类 (1)、盘形回转凸轮
凸轮呈盘状,具有变化 的向径,绕固定轴线回 转,从动件在垂直于凸 轮轴线的平面内运动
(2)、移动凸轮 相当于盘形凸轮机构的 轴线位于无穷远,凸轮 相对于机架作往复直线 运动
(3)、圆柱凸轮
它可以看成是将移动凸轮 卷绕在圆柱体的外表面上而形 成的,属于空间凸轮机构.
推程时,设凸轮推程运动角为Φ,从动件升程为h, 相应的推程时间为T,则从动件的速度为:
h
初始条件为:t=0时,s=0; t=T时,s=h,利用位移方程 位移方程为: 得到C1=0和C=h/T。 t s vdt Ct C1 因此有 s h T dv O h a 0 v dt T a 由于凸轮转角φ=t,Φ=T, a 0 代入式,则得推程时从动件用转角 φ表示的运动方程:
2. 等加速等减速运动规律 (抛物线运动规律)
0 1 4
s
从动件在推程(或回程)中, 9 前半段作等加速运动,后半段作等 4 减速运动,加速度为常数。且通常 1 0 两部分加速度的绝对值相等 .由于从 动件等加速段的初速度和等减速段 v 的末速度为零,故两段升程所需的 时间必相等,即凸轮转角均φt/2; 两段升程也必相等,即均为h/2。 0 推程等加速运动的方程式为: 2h 2 在运动规律推程的始末点和前 a s 由于是等加速运动, 2 后半程的交接处,加速度虽为有限值, 因此s=a0t 2/2 但加速度对时间的变化率理论上为无穷 4 h 0 h 1 T a v 2 大。由此引起的冲击称为柔性冲击。 2 2 j 2 适用于低速场合。 4h 4h
设计凸轮机构时,通常只需根据工作要求,从常用 运动规律中选择适当的运动曲线。在一般情况下,推程 是工作行程,要求比较严格,需要进行仔细研究。回程 一般要求较低,受力情况也比推程阶段有利,故不作专 门讨论。
1. 等速运动规律 S 从动件运动的速度为常数时的运动规律, 称为等速运动规律(直线运动规律)。
2 0 2
1
2
3 4
5
6
/2
/2
a 2 a0
1 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 4h 2 T t
a
将上式积分两次,并代入 初始条件:φ=0v=0,s=0
2
2
/2
0
3、简谐运动规律(余弦加速度运动规律): 当质点在(半径R)圆周上作匀速运动时,其在该圆直径上的 投影所构成的运动称为简谐运动,由于其加速度曲线为余弦曲线, 故又称为余弦加速度运动规律。
ω
工件
• (3) 对于高速轻载的凸轮机构,当凸轮高速转动时,将
使从动件产生很大的惯性力从而增大运动副中的动压力和 摩擦力,加剧磨损、降低使用寿命。因此,使其最大加速 度不要太大,以减小惯性力,改善其动力性能,就成为选 择从动件运动规律的主要依据。 对于大质量的从动件,由于其动量mv较大,当从动 件突然被阻止时,将出现很大的冲击力。因此对这类从动 件应注意最大速度不宜太大。
生产中对工作构件的运动要求是多种多样的。例如自动机床 中用来控制刀具进给运动的凸轮机构,要求刀具(从动件)在工 作行程时作等速运动(速度要求)。内燃机配气凸轮机构,则要 求凸轮具有良好的动力学性能(主要是加速度要求)。在某些控制 机构中则只有简单的升距要求。
人们经过长期的理论研究和生产实践,已经积累了能 适应多种工作要求的从动件典型运动特性的运动曲线,即 所谓“常用运动规律”。 凸轮的轮廓形状决定了从动件的运动规律。反之,从 动件不同的运动规律要求凸轮具有不同形状的轮廓曲线, 也即是说,凸轮轮廓曲线的形状取决于凸轮机构从动件的 运动参数。
从动件的运动线图 将从动件在一个运动循环中的运动规律表示成凸轮转角的 函数,与之对应的图形称为从动件的运动线图。 以凸轮的转角(或对应的时间)为横坐标,以从动件的位移为纵 坐标所作的曲线,称为从动件的位移曲线。 即s=s(φ) 表示v=v(φ)和a=a(φ)的线图分别称为速度线图和加速 度线图
二
从动件常用的运动规律
• (2)当机械的工作过程只要求从动件实现一定的工作行 •
程,而对其运动规律无特殊要求时,低速时考虑使凸轮机 构具有较好的动力特性和便于加工。高速时主要考虑以减 小惯性力和冲击为依据来选择从动件的运动规律。 例如,用于机床操纵机构中的凸轮机构,主要是要求 凸轮转过一定角度,从动件摆动一定角度。至于从动件按 什么规律运动并不重要。所以从动件运动规律的选择是在 满足位移要求的前提下,尽可能使凸轮便于加工,例如, 用圆弧和直线组成凸轮的轮廓曲线。
•
§3 用图解法设计盘形凸轮轮廓曲线
前面说过,凸轮的轮廓形状决定了从动件的运动规律。反 之,从动件不同的运动规律要求凸轮具有不同形状的轮廓曲线, 也即是说,凸轮轮廓曲线的形状取决于凸轮机构从动件的 运动参数。根据已知从动件运动规律求轮廓曲线既凸轮机构 的设计. 按给定从动件位移线图设计凸轮廓线是画位移线图的逆过程 一、图解法的原理---反转法 假想给整个机构加一公共角速度-ω 凸轮:相对静止不动 推杆:一方面随导轨以-ω绕 凸轮轴心转动另一方面又沿 导轨作预期的往复移动 推杆尖顶在这种复合运动中 的运动轨迹即为凸轮轮廓曲线
力锁合凸轮:
如靠重力、弹簧力锁合的凸轮等;
形锁合凸轮:
如沟槽凸轮、等径及等宽凸轮、
§2 从动件运动规律
一、凸轮传动的运动特性
★基圆:以凸轮最小半径rb所作 的圆,rb称为凸轮的基圆半径。 ★推程、推程运动角:δ0
s ★回程、回程运动角: h ★近休、近休止角: ' s
★远休、远休止角: ★行程:h ★推杆的运动规律:是指推杆在 运动过程中,其位移、速度和加
由位移线图可以看出, 其位移曲线方程为: S=R-Rcosθ 而R=h/2及 θ/π=φ/Φ 代入上式得:
h s [1 cos( )] 2 r h sin( ) v 2 r r 2 h a cos( ) r 2 r
3、特点: (1)只需设计适当的凸轮轮廓,便可使从动件得到所需的运 动规律. (2)结构简单、紧凑,工作可靠,容易设计; (3)高副接触,易磨损.
4、应用: 适用于传力不大的控制机构和调节机构
•
凸轮是由一种具有曲线轮廓或凹槽 的构件,多为主动件,通常作等速连续 转动,从动件作连续或间歇往复摆动、 移动或平面复杂运动。从动件的运动规 律完全取决于凸轮轮廓或沟槽的形状。 凸轮机构是含有凸轮的一种高副机 构,由凸轮、从动件和机架三个构件、 两个低副和一个高副组成的单自由度机 构。
1、对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构 设计要求:已知凸轮的基圆半径为rb,凸轮沿逆时针方向等速回 转。而推杆的运动规律如图所示。试设计该对心直动尖顶从动件 盘形凸轮机构的凸轮廓线。
1、对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构
-ω
8’ 9’ 10’ 7’ 11’ 5’ 12’ 3’ 13’ 1’ 14’ 9 11 13 15 1 3 5 78
凸轮机构
§1 凸轮机构的应用及分类
§2 从动件运动规律及其选择 §3 按预定运动规律设计盘型凸轮轮廓
§4 盘型凸轮机构基本尺寸的确定
§5 空间凸轮机构简介
本章要求了解凸轮机构的组成、分类、应用;从 动件常用的运动规律;凸轮轮廓的设计方法。
重点:推杆常用运动规律的特点及其选择原则; 盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线的设计。 难点:凸轮基圆半径与压力角的关系。
盘形凸轮是最基本的形 式,应用较为广泛,故本章只 研究盘形凸轮机构.
2、按从动件的形状分类
(1)、尖顶从动件
(2)、滚子从动件
(3)、平底从动件
3、按从动件的运动形式分类
(1)直(移)动从动件
对心直动从动件
偏置直动从动件
(2)摆动从动件
3、按锁合方式分类
维持运动副中两个构件之间的接触方式称为锁合.
ds 求v 得 dt dv 求a 得 dt
运动特性:这种运动规律的加速度在起点和终点时有有限数值 的突变,故也有柔性冲击。 适用场合: 中速、中载。
4.摆线运动规律 如下图所示,一滚圆沿纵轴(S轴)作匀速纯滚动,圆上任一 点A的轨迹为摆线。滚圆转一周,A点回到纵轴上。A点作摆线 运动时,在纵轴上的投影即构成从动件摆线运动规律的位移曲 线。其加速度曲线为正弦曲线。 从位移线图可以看出,
ω
设计步骤小结: ①选比例尺μ l作基圆rb。 ②反向等分各运动角。原则是:陡密缓疏。 ③确定反转后从动件尖顶在各等份点的位置。 ④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。
V=c=常数
O v
v
s h / 推程的运动方程: v h / a0
O
从动件在运动起始位置和终止两瞬时的速 度有突变,故加速度在理论上由零值突变为无 穷大,惯性力也为无穷大。由此的强烈冲击称 为刚性冲击。适用于低速场合。
•
实际上,由于构件材料有弹性,加速度和 惯性力不至于达到无穷大,但仍将造成强烈冲 击。当加速度为正时,它将增大凸轮压力,使 凸轮轮廓严重磨损;加速度为负时,可能会造 成用力封闭的从动件与凸轮轮廓瞬时脱离接触, 并加大力封闭弹簧的负荷。因此这种运动规律 只适用于低速,如自动机床刀具进给机构以及 在低速下工作的一些凸轮控制机构。
0
+
s+ h
+
s '
从动件的运动规律
由于凸轮以等角速度ω作等速转动,因此在凸轮运动的任意 瞬时,凸轮的转角与转动时间t成线性关系,即φ=ωt。 从动件的运动规律是指在推程和回程中,从动件的位移、速度、 加速度随凸轮转角或时间变化的规律。 对于直动从动件来说,存在着如下的函数关系: s=s(φ) v=v(φ) a=a(φ)
速度随时间变化(凸轮转角δ变
化)的规律。
凸轮机构的工作原理
s
B
C
行程
hs rb
A B
近休止角
o
D
S
2
S
e
D
C
推程运动角
远休止角
回程运动角
凸轮的基圆
该位置为初始位置
在凸轮机构的一个运动循环中,凸轮以等角速ω转动一周, 而且凸轮的转角存在着下面的关系 =360° 在这个运动循环中,凸轮作连续的等速转动,而从动件经历 了推程、停歇、回程和停歇四个阶段,从动件的运动是间歇运动。
所以得:
运动特点:整个推程运动过程中的速度和加速度曲线都是连续 变化的,加速度没有任何突变,因此就不会产生惯性力的突变,故 不会产生任何冲击。
三、从动件运动规律的选择 1. 选择推杆运动规律的基本要求 ◆满足机器的工作要求; ◆使凸轮机构具有良好的动力特性; ◆使所设计的凸轮便于加工。 2. 根据工作条件确定推杆运动规律几种常见情况 • (1)当机械的工作过程对从动件的运动规律有特殊要求, 凸轮转速不太高时,首先满足从动件的运动规律,其次考 虑动力特性和便于加工。 • 例如各种机床中控制刀架进给的凸轮机构,为了加工出表 面光滑的零件,并使机床载荷稳定,要求进刀时刀具作等 速运动,故从动件应选择等速运动规律。内燃机配气凸轮 机构,工作要求气门的开关愈快愈好,全开的时间保持得 愈长愈好,同时为了避免产生过大的惯性力,减小冲击和 噪音,从动件可选用等加速等减速运动规律。
§1 凸轮机构的应用及分类
凸轮机构是通过凸轮与从动件间的接触来传递运动和动 力,是一种常见的高副机构,结构简单,只要设计出适 当的凸轮轮廓曲线,就可以使从动件实现任何预定的复 杂运动规律。 一.凸轮机构应用和分类 1、组成: 凸 轮:具有曲线轮廓的构件,称为凸轮. 从动件:与凸轮保持接触的杆,称为从动 件或推杆。 机 架 2、作用:将凸轮的转动或移动转变 为从动件的移动或摆动