第3章凸輪機構與間歇運動機構

1、1第三章第三章 凸輪機構與間歇運動機構凸輪機構與間歇運動機構【能力目標能力目標】【案例導入案例導入】【知識要點知識要點】3.1 凸輪機構的類型和識別凸輪機構的類型和識別3.2 凸輪機構的運行特性分析凸輪機構的運行特性分析3.3 用圖解法設計盤行凸輪輪廓用圖解法設計盤行凸輪輪廓3.4 間歇運行機構間歇運行機構棘輪機構棘輪機構3.5 間歇運行機構間歇運行機構槽輪機構槽輪機構【能力訓練能力訓練】本章小結2【能力目標能力目標】 n熟悉凸輪機構的分類、從動件運動規(guī)律及其特性。n熟練掌握平面凸輪輪廓曲線的圖解法設計。n了解滾子半徑、壓力角和基圓半徑之間的關系。n熟悉間歇運動機構的特點和應用。n掌握棘輪機構

2、和槽輪機構的工作原理和特點。返回目錄3【案例導入案例導入】 n當向徑變化的凸輪輪廓與氣門的平底接觸時，氣門產生向下開啟或向上關閉的往復運動(向上運動是借助彈簧的彈力作用)；當以凸輪回轉中心為圓心的圓弧段輪廓與氣門接觸時，氣門將靜止不動。因此，當具有某種輪廓曲線的凸輪2連續(xù)轉動時，氣門1可獲得間歇的、按預期規(guī)律的開閉運動,從而使內燃機正常工作。返回目錄圖圖3-1 3-1 內燃機配氣機構內燃機配氣機構43.1凸輪機構的類型識別凸輪機構的類型識別3.1.1凸輪機構的組成、特點和應用凸輪機構的組成、特點和應用 凸輪機構廣泛應用于自動機械和自動控制裝置中，它是一種常見的高副機構，由凸輪、從動件、機架以及

3、輔助裝置組成 。 圖3-2所示為一自動機床的進刀機構。當圓柱凸輪1回轉時，其凹槽的側面迫使從動件2做往復擺動，通過從動件2上的扇形齒輪與固定在刀架上的齒條嚙合，控制刀架作進刀和退刀運動。 返回目錄5n圓柱凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構件，被凸輪直接推動的構件稱為從動件（或稱為推桿）。凸輪通常作等速轉動，但也有作往復擺動或者往復直線移動等其他運動。從動件通過凸輪的曲線輪廓與其以高副接觸從而獲得預期的運動，所以凸輪機構是由凸輪、從動件和機架三個基本構件組成的高副機構。 返回目錄圖圖3-2 3-2 自動機床進刀機構自動機床進刀機構圖圖3-2 自動機床進刀機構自動機床進刀機構6n凸輪機構在自動送料機

4、構、仿形機床進刀機構、內燃機配氣機構、汽車的凸輪式制動器以及印刷機、紡織機、插秧機、鬧鐘和各種電氣開關等傳力不大的控制裝置中得到廣泛應用。如下圖紡織機械里的繞線機構。返回目錄7n凸輪機構的主要優(yōu)點凸輪機構的主要優(yōu)點： 只要適當設計凸輪的輪廓曲線，就可以使從動件獲得各種預期的運動規(guī)律，而且結構簡單緊湊、設計方便。n凸輪機構的缺點凸輪機構的缺點: 凸輪與從動件之間為點、線高副接觸，易磨損，故該機構多用在要求準確實現預期運動規(guī)律且傳遞力不大的場合。83.1.2凸輪機構的類型凸輪機構的類型 返回目錄凸輪可以按不同的屬性進行分類。凸輪可以按不同的屬性進行分類。1、按凸輪形狀分類：盤形、圓柱、移動凸輪、按

5、凸輪形狀分類：盤形、圓柱、移動凸輪93.1.2凸輪機構的類型凸輪機構的類型n盤狀凸輪盤狀凸輪:這種凸輪是繞固定軸線轉動并具有變化向徑的盤形零件。它是凸輪最常見的形式。n移動凸輪移動凸輪：當盤形凸輪的回轉中心趨于無窮遠時，凸輪相對機架做直線運動，這種凸輪稱為移動凸輪。n圓柱凸輪圓柱凸輪：這種凸輪可以認為是將移動凸輪首尾相接卷成圓柱體而形成。n盤狀凸輪和移動凸輪與從動件之間的相對運動為平面，屬于平面凸輪機構平面凸輪機構；而圓柱凸輪與從動件之間的相對運動為空間運動，屬于空間凸輪機構空間凸輪機構。10返回目錄2、從動件的形狀：尖頂、從動件的形狀：尖頂滾子、平底滾子、平底3、從動件運動：直動、從動件運動

6、：直動、擺動擺動113.1.2凸輪機構的類型凸輪機構的類型n從動件的結構形式：n(1) 尖頂從動件尖頂從動件：尖頂能與任意復雜的凸輪輪廓保持接觸，從而使從動件實現任意運動。但尖頂與凸輪之間是滑動摩擦，易于磨損，故使用傳力不大的低速凸輪機構。n(2) 滾子從動件滾子從動件：這種從動件的端部裝有可以自由轉動的滾子，因而摩擦較小，可傳遞較大的力，但零件多，滾子軸磨損后會產生噪音。所以適用于重載和中、低速的凸輪機構。n(3) 平底從動件平底從動件：這種從動件與凸輪的輪廓表面的接觸面為一個平面。平面與凸輪接觸處易形成油膜，故潤滑良好，能大大減少磨損。當不考慮摩擦時，凸輪對從動件的作用力始終垂直了平底，從

7、動件受力比較平穩(wěn)，傳動效果好，故常用于高速凸輪機構中。缺點是不適用于輪廓有內凹的凸輪。12返回目錄2、從動件的形狀：尖頂、從動件的形狀：尖頂滾子、平底滾子、平底3、從動件運動：直動、從動件運動：直動、擺動擺動133.1.2凸輪機構的類型凸輪機構的類型n從動件的運動形式：n(1)直動從動件直動從動件：從動件相對于機架做往復直線運動。 對心直動從動件凸輪機構對心直動從動件凸輪機構從動件導路的中心線通過凸輪的回轉中心。 偏置直動從動件機構偏置直動從動件機構 （圖3-3a)n(2)擺動從動件擺動從動件：從動件按照一定的運動規(guī)律繞自身軸作往復擺動。143.2凸輪機構的運動特性分析 凸輪機構的基本名詞術語

8、凸輪機構的基本名詞術語基圓、基圓半徑基圓、基圓半徑以凸輪輪廓最小向徑rmin為半徑所作的圓稱為凸輪的基圓， rmin 稱為基圓半徑。如圖3-4所示。推程、升程、推程運動角推程、升程、推程運動角從動件在凸輪輪廓的作用下由距凸輪軸心最近位置被推到距凸輪軸心最遠位置的過程稱為從動件的推程，在推程中從動件所走過的距離稱為從動件的升程h，推程對應的凸輪轉角稱為推程運動角，如圖3-4所示。返回目錄153.2凸輪機構的運動特性分析n遠休止角遠休止角s：當凸輪以BC圓弧段與尖頂接觸時，從動件處于最高位置而靜止不動，該過程稱為遠程休止，相應的凸輪轉角稱為遠休止角s。n回程和回程運動角回程和回程運動角：當凸輪繼續(xù)

9、轉動，從動件與凸輪CD段接觸，由點C至D，向徑逐漸減小，從動件由最高位C回到最低位置，該過程稱為回程運動，凸輪相應的轉角稱為回程角。n近休止角：近休止角：從動件在DA段接觸時，從動件在最低位置靜止不動，該過程稱為近程休止，凸輪相應的轉角稱為近休止角。n凸輪運動一周，從動件就重復上述升?；赝５难h(huán)過程。n偏距偏距：從動件的中心線偏離凸輪轉動中心0的距離。163.2凸輪機構的運動特性分析n從動件的位移線圖從動件的位移線圖 以直角坐標系的縱坐標代表從動件的位移，橫坐標代表凸輪轉角，則可以畫出從動件與凸輪轉角之間的關系曲線，則為從動件從動件的位移線圖。的位移線圖。n凸輪的輪廓形狀決定從動件的運動規(guī)律，

10、反之，從動件不同的運動規(guī)律要求凸輪具有不同的輪廓曲線形狀，因此在設計凸輪設計凸輪輪廓輪廓之前應首先確定從動件的運動規(guī)律確定從動件的運動規(guī)律。17返回目錄hhA BOOr0abcDBabcdS基圓基圓回程運動角回程運動角近休止角近休止角推程運動角推程運動角遠休止角遠休止角C18從動件常用的運動規(guī)律從動件常用的運動規(guī)律 返回目錄1、等速運動規(guī)律：、等速運動規(guī)律：凸輪以角速度勻凸輪以角速度勻速運動，從動件以恒定的速度運動。速運動，從動件以恒定的速度運動。s()= CS ()=Ca()= 0特點特點：1）剛性沖擊運動）剛性沖擊運動從動件在某瞬時速度突從動件在某瞬時速度突變，其加速度及慣性力在理論上均趨

11、于無變，其加速度及慣性力在理論上均趨于無窮大。窮大。2）只適用于低速輕載的凸輪機構。）只適用于低速輕載的凸輪機構。s()= CS ()=Ca()= 0s()= CS ()=C19返回目錄2、等加速等減速運動規(guī)律、等加速等減速運動規(guī)律:凸輪以角速度勻速運動，從動凸輪以角速度勻速運動，從動件先做等加速運動后做等減速運動。件先做等加速運動后做等減速運動。s()= CS 2()=C a()= Ca （常數）（常數）特點特點：1）柔性沖擊）柔性沖擊從動件在從動件在某瞬時加速度發(fā)生有限值某瞬時加速度發(fā)生有限值的突變所引起的沖擊。的突變所引起的沖擊。2）適用于中、低速的凸）適用于中、低速的凸輪機構。輪機構。

12、20返回目錄3、間諧運動規(guī)律：、間諧運動規(guī)律：當動點在一圓周上做勻速轉動時，由該在當動點在一圓周上做勻速轉動時，由該在此圓上直徑上的投影所構成的運動規(guī)律。此圓上直徑上的投影所構成的運動規(guī)律。s()=h(1-cos/0)/2()=C sin/0a()= Cacos/0特點特點：1）僅在運動始末兩處有柔）僅在運動始末兩處有柔性沖擊。性沖擊。2）適用于高速凸輪機構。）適用于高速凸輪機構。213.3用圖解法設計盤形用圖解法設計盤形凸輪輪廓凸輪輪廓返回目錄22用圖解法設計盤形凸輪輪廓用圖解法設計盤形凸輪輪廓n設計步驟設計步驟 根據機器的工作要求選定了從動件的運動規(guī)律后，還要根據凸輪傳力性能是否良好、凸輪

13、輪廓是否便于加工、結構是否緊湊、運動的可靠性等因素，來進行凸輪輪廓曲線的設計。n凸輪輪廓曲線設計的方法凸輪輪廓曲線設計的方法： 有圖解法和解析法。解析法用于精度要求較高的高速凸輪、靠模凸輪等，計算量大，常常利用計算機輔助設計與制造技術。圖解法簡單易行，可以滿足一般精度要求的機械設計。n本章介紹圖解法設計一般精度的凸輪輪廓。233.3.1直動從動件盤形凸輪輪廓的直動從動件盤形凸輪輪廓的設計設計n用圖解法繪制凸輪輪廓曲線所依據的方法是“反轉法”。n采用反轉法繪制盤形凸輪工作輪廓的步驟：n1）確定從動件的運動規(guī)律；n2）確定凸輪的轉速和基圓半徑；n3）選定繪制平面凸輪與圖紙平面相對靜止，且方便在圖紙

14、上繪制；n4）反轉，即機架和從動件繞凸輪中心相對轉動。24返回目錄3.3.1直動從動件盤形凸輪輪廓的設計直動從動件盤形凸輪輪廓的設計1.反轉法作圖的原理反轉法作圖的原理a)a)在凸輪輪廓作用下從動件向上移動在凸輪輪廓作用下從動件向上移動 b)b)機架和從動件繞凸輪中心相對轉動機架和從動件繞凸輪中心相對轉動圖圖 3-83-8 反轉法原理反轉法原理25返回目錄尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制過程尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制過程（1）尖頂從動件）尖頂從動件 26 選取適當比例（包括長度比例和角度比例），按照從動件運動規(guī)律，做相應的位移線圖位移線圖。 做凸輪基圓，并確定從動件的初始位置。在

15、基圓上，由從動件尖頂起始位置A0處開始，沿-方向分別取推程運動角(900)、遠程休止角(600)、回程運動角(1800)、近休止角(300)，并將推程運動角(900)和回程運動角(1800)與位移線圖對應等分，在基圓上得A1、A2、A3、A4、A5諸點，自圓心做徑向線。返回目錄27沿各徑向自基圓取從動件對應位移線圖上的位移量，使A1B1=11、A2B2=22、A3B3=33、得反轉后尖頂所占據的一系列位置B1、B2、B3、。 將A0、B1、B2、B3、連成光滑曲線，便是所要求的凸輪輪廓曲線。28滾子直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制過程滾子直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制過程繪制方法類似：滾子式可改善尖

16、頂型從動件與凸輪接觸處的摩擦、磨損情況，其凸輪輪廓設計方法如右圖所示。把滾子中心看作尖頂從動件的尖頂，按上述方法求出一條理論輪廓0，再以0上各點為圓心，以滾子半徑為半徑，作一系列圓，并作這一系列圓的內包絡線，就得到滾子從動件凸輪的實際廓線。凸輪的基圓半徑是指理論輪廓線的最小向徑。返回目錄29返回目錄平底從動件盤形凸輪輪廓的繪制過程平底從動件盤形凸輪輪廓的繪制過程繪制方法類似：繪制方法類似：把平底與導路的交點A0看作尖頂從動件的尖頂，按照尖頂從動件凸輪輪廓的繪制方法，求出理論輪廓上一系列點A1、A2、A3、；過這些點畫平底的各個位置A0B0、A1B1、A2B2、A3B3、；作這些平底的包絡線，便

17、得到平底從動件凸輪的輪廓曲線。30返回目錄3.3.2盤形凸輪機構設計基本參數盤形凸輪機構設計基本參數1 1、壓力角：、壓力角：從動件與凸輪在從動件與凸輪在接觸點處的接觸點處的受力方向受力方向與其在與其在該點絕對速度方向（該點絕對速度方向（運動方運動方向向）之間所夾的銳角）之間所夾的銳角seresseOPBDPD2200ds/dtan31n凸輪作用于從動件的凸輪作用于從動件的法向力法向力Fn可分解為兩可分解為兩個分力個分力：Fx和Fy。 Fr沿導路方向推動從動件做有用公功，是有效分力，除了克服工作阻力之外，還要克服導路的摩擦力； Fx使從動件壓緊導路，產生摩擦力，是有害力。n凸輪機構自鎖現象凸輪

18、機構自鎖現象 在Fn一定的條件下，壓力角越大，有效分力越小，有害分力越大。當壓力角增大到某一數值時，必將出現有效分力小于摩擦力的情況，這時，不論施加多大的力，都不能使從動件運動，這種現象稱為自鎖。n凸輪上不同位置的壓力角值是不同的。凸輪上不同位置的壓力角值是不同的。32 許用壓力角：許用壓力角：為改善凸輪機構的受力情況、提高為改善凸輪機構的受力情況、提高機械效率，規(guī)定了允許采用的最大壓力角。機械效率，規(guī)定了允許采用的最大壓力角。推程推程（工作行程）推薦的許用壓力角為：（工作行程）推薦的許用壓力角為：直動從動件直動從動件擺動從動件擺動從動件回程回程（空回行程）（空回行程）max008070004

19、535004030返回目錄33n當采用偏置從動件時，如圖3-13所示，對于凸輪的同一位置，若凸輪順時針轉動，從動件偏置在凸輪轉動中心左側時壓力角較??；若凸輪逆時針轉動，從動件偏置在凸輪轉動中心右側時壓力角較小n出現壓力角大于或等于許用壓力角時，可將對心式改為偏置式從動件，以減小推程中的壓力角。34基圓半徑的選取基圓半徑的選取n由圖3-12可以看出：n從動件的位移S2;n凸輪K點處的半徑為r;nrb為凸輪的基圓半徑，n則有：S2=r-rb35 由圖3-12圖中的速度多邊形可知： 由式3-1可知，當w1、v2和s2一定時，如果要減小壓力角，就必須增大凸輪的基圓半徑。36壓力角和基圓半徑的關系壓力角

20、和基圓半徑的關系n從動件運動規(guī)律相同 時，當凸輪轉過相同 的轉角時，從動件上 升相同的位移，基圓 較大的凸輪輪廓較平 緩，壓力角較小。37n為了減小壓力角，宜取較大的基圓半徑；為了使結構緊湊，則應盡可能較小基圓半徑。n在設計凸輪機構時，凸輪的基圓半徑可根據凸輪的結構選取。n為保證凸輪機構在整個運動周期中均能滿足，應選取計算結果中的最大值作為凸輪的基圓半徑。max38n凸輪軸基圓半徑的選取凸輪軸基圓半徑的選取 凸輪軸，基圓半徑應大于軸的半徑和滾子半徑之和，即 rbr+rr 當凸輪與軸單獨制造時,?。?rb1.8r+(10-20)mm393 3、滾子半徑的選擇、滾子半徑的選擇n滾子半徑的選擇，要綜

21、合考慮滾子的結構、強度、凸輪輪廓曲線形狀等因素，特別是不能因滾子半徑選得過大造成從動件運動規(guī)律失真。403 3、滾子半徑的選擇、滾子半徑的選擇n凸輪工作輪廓曲率半徑凸輪工作輪廓曲率半徑和凸輪理論輪廓曲率半和凸輪理論輪廓曲率半徑徑的之間的關系的之間的關系：n當凸輪輪廓內凹時：=+r，無論滾子半徑取多大，凸輪輪廓總是光滑曲線，如圖3-15a所示，所以此時滾子半徑的大小不受限制。n當凸輪輪廓外凸時，=-r，0時，凸輪輪廓光滑，如圖3-15b所示；=0時，凸輪工作輪廓出現尖點，工作時極易磨損，如圖3-15c所示；0時，凸輪工作輪廓出現交叉，加工時將被切掉，不能實現預期運動規(guī)律，這就是運動失真現象，如圖

22、3-15d所示；413 3、滾子半徑的選擇、滾子半徑的選擇 n外凸凸輪廓線0rr0minmin0min 返回目錄42滾子半徑大小對凸輪實際輪廓的影響 rTrTaarTrTa)b)d)c)返回目錄43 0rr0minmin0min實際廓線出現交叉，從動件不能準確地實現預期的運動規(guī)律運動失真返回目錄44n運動失真原因：避免方法：n滾子半徑的選擇 r0.80min 0min3-5mmrmin0min0min0大大)8 .0(減小滾子半徑brrr返回目錄45返回目錄3.4間歇運動機構間歇運動機構棘輪機構棘輪機構3.4.1棘輪機構的工作原理46一、一、棘輪棘輪類型類型返回目錄組成：組成：擺桿、棘爪、棘輪

23、、止動爪。擺桿、棘爪、棘輪、止動爪。工作原理：工作原理：擺桿往復擺動，棘爪推動棘輪間擺桿往復擺動，棘爪推動棘輪間歇轉動。歇轉動。優(yōu)點：優(yōu)點：結構簡單、制造方便、運動可靠、轉結構簡單、制造方便、運動可靠、轉角可調。角可調。缺點：缺點：工作時有較大的沖擊和噪音，運動精工作時有較大的沖擊和噪音，運動精度較差。適用于速度較低和載荷不大的場度較差。適用于速度較低和載荷不大的場合。合。47返回目錄只能夠實現單向間歇運動只能夠實現單向間歇運動外接棘輪機構外接棘輪機構48返回目錄內接棘輪機構內接棘輪機構49返回目錄雙向式棘輪機構雙向式棘輪機構棘爪可翻轉的矩形棘齒可以獲得不同轉向的間歇運動。棘爪可翻轉的矩形棘齒

24、可以獲得不同轉向的間歇運動。50返回目錄雙動式棘輪機構雙動式棘輪機構運動特點：搖桿來回擺動都能使棘輪向同一方向轉動。運動特點：搖桿來回擺動都能使棘輪向同一方向轉動。51a) a) 加調節(jié)搖桿加調節(jié)搖桿 b)b)加遮板加遮板圖圖3-193-19 調節(jié)棘輪轉角的方法調節(jié)棘輪轉角的方法返回目錄52返回目錄3.4.2棘輪機構的應用:可用于進給、制動、轉位分度和超越機構。在提升機在提升機做制動器做制動器u這種制動這種制動器安全可靠，器安全可靠，使用方便。使用方便。53返回目錄間歇送進間歇送進54返回目錄超越、離合超越、離合55返回目錄3.5間歇運動機構間歇運動機構槽輪機構槽輪機構3.5.1棘輪機構的工作

25、原理典型槽輪機構的組成：典型槽輪機構的組成：由主動撥由主動撥盤、從動槽輪和機架等組成。盤、從動槽輪和機架等組成。 槽輪機構的工作原理：槽輪機構的工作原理：主動撥盤主動撥盤連續(xù)轉動，當主動撥盤的圓銷連續(xù)轉動，當主動撥盤的圓銷A未進入槽輪徑向槽時，槽輪未進入槽輪徑向槽時，槽輪的內的內凹鎖住弧被構件凹鎖住弧被構件1的外凸圓弧卡的外凸圓弧卡住，住，靜止不動；當主動撥盤的圓靜止不動；當主動撥盤的圓銷銷A進入槽輪徑向槽時，槽輪受進入槽輪徑向槽時，槽輪受圓銷圓銷A驅動而轉動。從而使槽輪驅動而轉動。從而使槽輪做間歇運動。做間歇運動。56返回目錄3.5.2槽輪機構的特點及應用槽輪機構的特點槽輪機構的特點：結構簡單，轉位迅速，效率較高，工作可靠，能較平穩(wěn)、間歇地進行換位。與棘輪機構相比運轉平穩(wěn)，但因圓柱銷突然進入與脫離徑向槽，傳動存在柔性沖擊，不適用于高速場合。制造與裝配精度要求較高，且槽輪轉角大小不能調節(jié) 57 一般用于