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1、第3章凸轮机构与间歇运动机构,1,第三章 凸轮机构与间歇运动机构,【能力目标】 【案例导入】 【知识要点】 3.1 凸轮机构的类型和识别 3.2 凸轮机构的运行特性分析 3.3 用图解法设计盘行凸轮轮廓 3.4 间歇运行机构棘轮机构 3.5 间歇运行机构槽轮机构 【能力训练】 本章小结,第3章凸轮机构与间歇运动机构,2,【能力目标】,熟悉凸轮机构的分类、从动件运动规律及其特性。 熟练掌握平面凸轮轮廓曲线的图解法设计。 了解滚子半径、压力角和基圆半径之间的关系。 熟悉间歇运动机构的特点和应用。 掌握棘轮机构和槽轮机构的工作原理和特点。,返回目录,第3章凸轮机构与间歇运动机构,3,【案例导入】,当
2、向径变化的凸轮轮廓与气门的平底接触时，气门产生向下开启或向上关闭的往复运动(向上运动是借助弹簧的弹力作用)；当以凸轮回转中心为圆心的圆弧段轮廓与气门接触时，气门将静止不动。因此，当具有某种轮廓曲线的凸轮2连续转动时，气门1可获得间歇的、按预期规律的开闭运动,从而使内燃机正常工作。,返回目录,图3-1 内燃机配气机构,第3章凸轮机构与间歇运动机构,4,3.1凸轮机构的类型识别,3.1.1凸轮机构的组成、特点和应用 凸轮机构广泛应用于自动机械和自动控制装置中，它是一种常见的高副机构，由凸轮、从动件、机架以及辅助装置组成 。 图3-2所示为一自动机床的进刀机构。当圆柱凸轮1回转时，其凹槽的侧面迫使从
3、动件2做往复摆动，通过从动件2上的扇形齿轮与固定在刀架上的齿条啮合，控制刀架作进刀和退刀运动。,返回目录,第3章凸轮机构与间歇运动机构,5,圆柱凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，被凸轮直接推动的构件称为从动件（或称为推杆）。凸轮通常作等速转动，但也有作往复摆动或者往复直线移动等其他运动。从动件通过凸轮的曲线轮廓与其以高副接触从而获得预期的运动，所以凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。,返回目录,图3-2 自动机床进刀机构,图3-2 自动机床进刀机构,第3章凸轮机构与间歇运动机构,6,凸轮机构在自动送料机构、仿形机床进刀机构、内燃机配气机构、汽车的凸轮式制动器以及印刷机、
4、纺织机、插秧机、闹钟和各种电气开关等传力不大的控制装置中得到广泛应用。如下图纺织机械里的绕线机构。,返回目录,第3章凸轮机构与间歇运动机构,7,凸轮机构的主要优点： 只要适当设计凸轮的轮廓曲线，就可以使从动件获得各种预期的运动规律，而且结构简单紧凑、设计方便。 凸轮机构的缺点: 凸轮与从动件之间为点、线高副接触，易磨损，故该机构多用在要求准确实现预期运动规律且传递力不大的场合。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,8,3.1.2凸轮机构的类型,返回目录,凸轮可以按不同的属性进行分类。 1、按凸轮形状分类：盘形、圆柱、移动凸轮,第3章凸轮机构与间歇运动机构,9,3.1.2凸轮机构的类型,盘状凸轮:这种
5、凸轮是绕固定轴线转动并具有变化向径的盘形零件。它是凸轮最常见的形式。 移动凸轮：当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架做直线运动，这种凸轮称为移动凸轮。 圆柱凸轮：这种凸轮可以认为是将移动凸轮首尾相接卷成圆柱体而形成。 盘状凸轮和移动凸轮与从动件之间的相对运动为平面，属于平面凸轮机构；而圆柱凸轮与从动件之间的相对运动为空间运动，属于空间凸轮机构。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,10,返回目录,2、从动件的形状：尖顶滚子、平底,3、从动件运动：直动、摆动,第3章凸轮机构与间歇运动机构,11,3.1.2凸轮机构的类型,从动件的结构形式： (1) 尖顶从动件：尖顶能与任意复杂的凸轮轮廓保持接
6、触，从而使从动件实现任意运动。但尖顶与凸轮之间是滑动摩擦，易于磨损，故使用传力不大的低速凸轮机构。 (2) 滚子从动件：这种从动件的端部装有可以自由转动的滚子，因而摩擦较小，可传递较大的力，但零件多，滚子轴磨损后会产生噪音。所以适用于重载和中、低速的凸轮机构。 (3) 平底从动件：这种从动件与凸轮的轮廓表面的接触面为一个平面。平面与凸轮接触处易形成油膜，故润滑良好，能大大减少磨损。当不考虑摩擦时，凸轮对从动件的作用力始终垂直了平底，从动件受力比较平稳，传动效果好，故常用于高速凸轮机构中。缺点是不适用于轮廓有内凹的凸轮。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,12,返回目录,2、从动件的形状：尖顶滚子、
7、平底,3、从动件运动：直动、摆动,第3章凸轮机构与间歇运动机构,13,3.1.2凸轮机构的类型,从动件的运动形式： (1)直动从动件：从动件相对于机架做往复直线运动。 对心直动从动件凸轮机构从动件导路的中心线通过凸轮的回转中心。 偏置直动从动件机构 （图3-3a) (2)摆动从动件：从动件按照一定的运动规律绕自身轴作往复摆动。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,14,3.2凸轮机构的运动特性分析,凸轮机构的基本名词术语 基圆、基圆半径以凸轮轮廓最小向径rmin为半径所作的圆称为凸轮的基圆， rmin 称为基圆半径。如图3-4所示。 推程、升程、推程运动角从动件在凸轮轮廓的作用下由距凸轮轴心最近位置
8、被推到距凸轮轴心最远位置的过程称为从动件的推程，在推程中从动件所走过的距离称为从动件的升程h，推程对应的凸轮转角称为推程运动角，如图3-4所示。,返回目录,第3章凸轮机构与间歇运动机构,15,3.2凸轮机构的运动特性分析,远休止角s：当凸轮以BC圆弧段与尖顶接触时，从动件处于最高位置而静止不动，该过程称为远程休止，相应的凸轮转角称为远休止角s。 回程和回程运动角：当凸轮继续转动，从动件与凸轮CD段接触，由点C至D，向径逐渐减小，从动件由最高位C回到最低位置，该过程称为回程运动，凸轮相应的转角称为回程角。 近休止角：从动件在DA段接触时，从动件在最低位置静止不动，该过程称为近程休止，凸轮相应的转
9、角称为近休止角。 凸轮运动一周，从动件就重复上述升停回停的循环过程。 偏距：从动件的中心线偏离凸轮转动中心0的距离。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,16,3.2凸轮机构的运动特性分析,从动件的位移线图 以直角坐标系的纵坐标代表从动件的位移，横坐标代表凸轮转角，则可以画出从动件与凸轮转角之间的关系曲线，则为从动件的位移线图。 凸轮的轮廓形状决定从动件的运动规律，反之，从动件不同的运动规律要求凸轮具有不同的轮廓曲线形状，因此在设计凸轮轮廓之前应首先确定从动件的运动规律。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,17,返回目录,h,h,A,B,O,O,r0,a,b,c,D,B,a,b,c,d,S,基圆,回程运
10、动角,近休止角,推程运动角,远休止角,C,第3章凸轮机构与间歇运动机构,18,从动件常用的运动规律,返回目录,1、等速运动规律：凸轮以角速度匀速运动，从动件以恒定的速度运动。,s()= CS ,()=C,a()= 0,特点： 1）刚性冲击运动从动件在某瞬时速度突变，其加速度及惯性力在理论上均趋于无穷大。 2）只适用于低速轻载的凸轮机构。,s()= CS ,()=C,a()= 0,s()= CS ,()=C,第3章凸轮机构与间歇运动机构,19,返回目录,2、等加速等减速运动规律:凸轮以角速度匀速运动，从动件先做等加速运动后做等减速运动。,s()= CS 2,()=C ,a()= Ca （常数）,
11、特点： 1）柔性冲击从动件在某瞬时加速度发生有限值的突变所引起的冲击。 2）适用于中、低速的凸轮机构。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,20,返回目录,3、间谐运动规律：当动点在一圆周上做匀速转动时，由该在此圆上直径上的投影所构成的运动规律。,s()=h(1-cos/0)/2,()=C sin/0,a()= Cacos/0,特点： 1）仅在运动始末两处有柔性冲击。 2）适用于高速凸轮机构。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,21,3.3用图解法设计盘形凸轮轮廓,返回目录,第3章凸轮机构与间歇运动机构,22,用图解法设计盘形凸轮轮廓,设计步骤 根据机器的工作要求选定了从动件的运动规律后，还要根据凸轮传
12、力性能是否良好、凸轮轮廓是否便于加工、结构是否紧凑、运动的可靠性等因素，来进行凸轮轮廓曲线的设计。 凸轮轮廓曲线设计的方法： 有图解法和解析法。解析法用于精度要求较高的高速凸轮、靠模凸轮等，计算量大，常常利用计算机辅助设计与制造技术。图解法简单易行，可以满足一般精度要求的机械设计。 本章介绍图解法设计一般精度的凸轮轮廓。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,23,3.3.1直动从动件盘形凸轮轮廓的设计,用图解法绘制凸轮轮廓曲线所依据的方法是“反转法”。 采用反转法绘制盘形凸轮工作轮廓的步骤： 1）确定从动件的运动规律； 2）确定凸轮的转速和基圆半径； 3）选定绘制平面凸轮与图纸平面相对静止，且方便在
13、图纸上绘制； 4）反转，即机架和从动件绕凸轮中心相对转动。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,24,返回目录,3.3.1直动从动件盘形凸轮轮廓的设计 1.反转法作图的原理,a)在凸轮轮廓作用下从动件向上移动 b)机架和从动件绕凸轮中心相对转动 图 3-8 反转法原理,第3章凸轮机构与间歇运动机构,25,返回目录,尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制过程（1）尖顶从动件,第3章凸轮机构与间歇运动机构,26,选取适当比例（包括长度比例和角度比例），按照从动件运动规律，做相应的位移线图。 做凸轮基圆，并确定从动件的初始位置。 在基圆上，由从动件尖顶起始位置A0处开始，沿-方向分别取推程运动角(900)、
14、远程休止角(600)、回程运动角(1800)、近休止角(300)，并将推程运动角(900)和回程运动角(1800)与位移线图对应等分，在基圆上得A1、A2、A3、A4、A5诸点，自圆心做径向线。,返回目录,第3章凸轮机构与间歇运动机构,27,沿各径向自基圆取从动件对应位移线图上的位移量，使A1B1=11、A2B2=22、A3B3=33、得反转后尖顶所占据的一系列位置B1、B2、B3、。 将A0、B1、B2、B3、连成光滑曲线，便是所要求的凸轮轮廓曲线。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,28,滚子直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制过程,绘制方法类似： 滚子式可改善尖顶型从动件与凸轮接触处的摩擦、磨损情况
15、，其凸轮轮廓设计方法如右图所示。把滚子中心看作尖顶从动件的尖顶，按上述方法求出一条理论轮廓0，再以0上各点为圆心，以滚子半径为半径，作一系列圆，并作这一系列圆的内包络线，就得到滚子从动件凸轮的实际廓线。 凸轮的基圆半径是指理论轮廓线的最小向径。,返回目录,第3章凸轮机构与间歇运动机构,29,返回目录,平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制过程,绘制方法类似： 把平底与导路的交点A0看作尖顶从动件的尖顶，按照尖顶从动件凸轮轮廓的绘制方法，求出理论轮廓上一系列点A1、A2、A3、； 过这些点画平底的各个位置A0B0、A1B1、A2B2、A3B3、； 作这些平底的包络线，便得到平底从动件凸轮的轮廓曲线。,第3
16、章凸轮机构与间歇运动机构,30,返回目录,3.3.2盘形凸轮机构设计基本参数,1、压力角：从动件与凸轮在接触点处的受力方向与其在该点绝对速度方向（运动方向）之间所夹的锐角,第3章凸轮机构与间歇运动机构,31,凸轮作用于从动件的法向力Fn可分解为两个分力：Fx和Fy。 Fr沿导路方向推动从动件做有用公功，是有效分力，除了克服工作阻力之外，还要克服导路的摩擦力； Fx使从动件压紧导路，产生摩擦力，是有害力。 凸轮机构自锁现象 在Fn一定的条件下，压力角越大，有效分力越小，有害分力越大。当压力角增大到某一数值时，必将出现有效分力小于摩擦力的情况，这时，不论施加多大的力，都不能使从动件运动，这种现象称
17、为自锁。 凸轮上不同位置的压力角值是不同的。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,32,许用压力角：为改善凸轮机构的受力情况、提高机械效率，规定了允许采用的最大压力角。 推程（工作行程）推荐的许用压力角为： 直动从动件 摆动从动件 回程（空回行程）,返回目录,第3章凸轮机构与间歇运动机构,33,当采用偏置从动件时，如图3-13所示，对于凸轮的同一位置，若凸轮顺时针转动，从动件偏置在凸轮转动中心左侧时压力角较小；若凸轮逆时针转动，从动件偏置在凸轮转动中心右侧时压力角较小 出现压力角大于或等于许用压力角时，可将对心式改为偏置式从动件，以减小推程中的压力角。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,34,基圆半径的
18、选取,由图3-12可以看出： 从动件的位移S2; 凸轮K点处的半径为r; rb为凸轮的基圆半径， 则有：S2=r-rb,第3章凸轮机构与间歇运动机构,35,由图3-12图中的速度多边形可知： 由式3-1可知，当w1、v2和s2一定时，如果要减小压力角，就必须增大凸轮的基圆半径。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,36,压力角和基圆半径的关系,从动件运动规律相同 时，当凸轮转过相同 的转角时，从动件上 升相同的位移，基圆 较大的凸轮轮廓较平 缓，压力角较小。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,37,为了减小压力角，宜取较大的基圆半径；为了使结构紧凑，则应尽可能较小基圆半径。 在设计凸轮机构时，凸轮的基圆
19、半径可根据凸轮的结构选取。 为保证凸轮机构在整个运动周期中均能满足，应选取计算结果中的最大值作为凸轮的基圆半径。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,38,凸轮轴基圆半径的选取 凸轮轴，基圆半径应大于轴的半径和滚子半径之和，即 rbr+rr 当凸轮与轴单独制造时,取： rb1.8r+(10-20)mm,第3章凸轮机构与间歇运动机构,39,3、滚子半径的选择,滚子半径的选择，要综合考虑滚子的结构、强度、凸轮轮廓曲线形状等因素，特别是不能因滚子半径选得过大造成从动件运动规律失真。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,40,3、滚子半径的选择,凸轮工作轮廓曲率半径和凸轮理论轮廓曲率半径的之间的关系： 当凸轮轮廓
20、内凹时：=+r，无论滚子半径取多大，凸轮轮廓总是光滑曲线，如图3-15a所示，所以此时滚子半径的大小不受限制。 当凸轮轮廓外凸时，=-r，0时，凸轮轮廓光滑，如图3-15b所示；=0时，凸轮工作轮廓出现尖点，工作时极易磨损，如图3-15c所示；0时，凸轮工作轮廓出现交叉，加工时将被切掉，不能实现预期运动规律，这就是运动失真现象，如图3-15d所示；,第3章凸轮机构与间歇运动机构,41,3、滚子半径的选择 外凸凸轮廓线,返回目录,第3章凸轮机构与间歇运动机构,42,滚子半径大小对凸轮实际轮廓的影响,返回目录,第3章凸轮机构与间歇运动机构,43,实际廓线出现交叉，从动件不能准确地实现预期的运动规律
21、运动失真,返回目录,第3章凸轮机构与间歇运动机构,44,运动失真 原因： 避免方法： 滚子半径的选择 r0.80min 0min3-5mm,返回目录,第3章凸轮机构与间歇运动机构,45,返回目录,3.4间歇运动机构棘轮机构,3.4.1棘轮机构的工作原理,第3章凸轮机构与间歇运动机构,46,一、,棘轮 类型,返回目录,组成：摆杆、棘爪、棘轮、止动爪。 工作原理：摆杆往复摆动，棘爪推动棘轮间歇转动。 优点：结构简单、制造方便、运动可靠、转角可调。 缺点：工作时有较大的冲击和噪音，运动精度较差。适用于速度较低和载荷不大的场合。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,47,返回目录,只能够实现单向间歇运动,外
22、接棘轮机构,第3章凸轮机构与间歇运动机构,48,返回目录,内接棘轮机构,第3章凸轮机构与间歇运动机构,49,返回目录,双向式棘轮机构,棘爪可翻转的矩形棘齿可以获得不同转向的间歇运动。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,50,返回目录,双动式棘轮机构,运动特点：摇杆来回摆动都能使棘轮向同一方向转动。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,51,a) 加调节摇杆 b)加遮板 图3-19 调节棘轮转角的方法,返回目录,第3章凸轮机构与间歇运动机构,52,返回目录,3.4.2棘轮机构的应用:可用于进给、制动、转位分度和超越机构。,在提升机做制动器 这种制动器安全可靠，使用方便。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,53
23、,返回目录,间歇送进,第3章凸轮机构与间歇运动机构,54,返回目录,超越、离合,第3章凸轮机构与间歇运动机构,55,返回目录,3.5间歇运动机构槽轮机构,3.5.1棘轮机构的工作原理,典型槽轮机构的组成：由主动拨盘、从动槽轮和机架等组成。 槽轮机构的工作原理：主动拨盘连续转动，当主动拨盘的圆销A未进入槽轮径向槽时，槽轮的内凹锁住弧被构件1的外凸圆弧卡住，静止不动；当主动拨盘的圆销A进入槽轮径向槽时，槽轮受圆销A驱动而转动。从而使槽轮做间歇运动。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,56,返回目录,3.5.2槽轮机构的特点及应用,槽轮机构的特点： 结构简单，转位迅速，效率较高，工作可靠，能较平稳、间歇
24、地进行换位。与棘轮机构相比运转平稳，但因圆柱销突然进入与脱离径向槽，传动存在柔性冲击，不适用于高速场合。制造与装配精度要求较高，且槽轮转角大小不能调节,第3章凸轮机构与间歇运动机构,57,一般用于转速不很高的自动机械、轻工机械或仪器仪表中。,返回目录,第3章凸轮机构与间歇运动机构,58,应用举例,用反转法设计一个凸轮机构，已知：从动件运动规律曲线如图3-24所示，推程运动角1=900，远程休止角2=600，回程运动角3=1500，近程休止角4=600，凸轮以等角速度顺时针转动，偏距为e，基圆半径为rb。 分析：如图3-25所示。 1）以rb为半径做基圆，以e为半径作偏距圆。 2）作从动件移动方
25、向与偏距圆的切点K。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,59,应用举例,3）以K点为反转的起点，在偏距圆中标出推程角1，远程休止角2，回程运动角3，近程休止角4。 4）在偏距圆中，将1等分3等分，将3等分6等分，得到10分点。过这些分点作偏距圆的切线，交于基圆，得B1、B2、B3、B10各点。 5）作位移线图，按转角对应得到10个等分点。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,60,应用举例,6）应用反转法，量取从动件在各切线对应位置上的位移，由位移线图中量取从动件位移，得A1、A2，即A1B111，A2B2=22，将B、A1、A2、A10连成光滑曲线，即为所求凸轮轮廓曲线。 图3-25即为所求凸轮轮廓曲线的作图过程。,第3章凸轮机构与间歇运动机构,61,【能力训练2】,1问题提出 试分析自行车的后轴上的飞轮结构是什么机构？工作原理如何？,返回目录,第3章凸轮机构与间歇运动机构,62,第3章小结,本章内容：凸轮机构的特点、类型与应用；从动件常用运动规律；凸轮廓线设计；设计凸轮机构应注意的问题。 基本概念：升程、基圆、推程角、回程角、从动件运动线图、刚性冲击、柔性冲击、反转法 要求的技能：能根据给定运动规律正确绘制从动件位移线图；能正确进行凸轮廓线的图解设计。,返回目录,