《机械设计基础》教案——第四章 凸轮机构.docx

授课题目：第四章凸轮机构4.1概述4.2凸轮机构的运动特性授课方式（请打J）理论课J讨论课口实验课口习题课口其他口课时安拌2教学大纲要求：（1）了解凸轮机构的类型、特点和应用；（2）了解凸轮机构中常用的从动件的运动规律，掌握绘制位移-转角曲线的方法。教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：（1）了解凸轮机构的类型、特点和应用；（2）熟悉三种常用的从动件的运动规律，掌握绘制位移-转角曲线的方法。教学重点及难点：绘制位移-转角曲线的方法作业、讨论题、思考题：思考题4-l4-4课后总结分析：凸轮机构的类型、特点和应用;三种常用的运动规律；绘制位移-转角曲线的方法。教学内容：4.1 概述4.1.1 凸轮机构的应用和特点凸轮机构是由凸轮、从动件和机架组成的含有高副的传动机构。它广泛应用于各种机器中，下面举例说明其应用。应用举例如图4-1所示为内燃机中利用凸轮机构实现进排气门控制的配气机构，当具有一定曲线轮廓的凸轮1等速转动时，它的轮廓迫使从动件2（气门推杆）上下移动，以便按内燃机的工作循环要求启闭阀门，实现进气和排气。图41内燃机配气机构如图42所示为自动机床上控制刀架运动的凸轮机构。当圆柱凸轮1回转时，凸轮凹槽侧面迫使杆2运动，以驱使刀架运动。凹槽的形状将决定刀架的运动规律。图42控制刀架机构由以上举例可以看出，凸轮机构是由凸轮、从动件和机架组成的含有高副的传动机构。凸轮的曲线轮廓决定从动件的运动规律。为了使从动件与凸轮始终保持接触，可以利用弹簧力、从动件的重力或凸轮与从动件特殊的结构形状如凹槽来实现凸轮与从动件的运动锁合。凸轮机构可根据凸轮的形状和从动件的运动型式进行分类。（1） 按凸轮的形状分盘形凸轮这种凸轮是一个绕固定轴转动并且具有变化的轮廓向径的盘形构件，它是凸轮的最基本型式。如图41所示。圆柱凸轮将移动凸轮卷曲成圆柱体即成为圆柱凸轮。一般制成凹槽形状，如图43所示。移动凸轮当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对于机架作直线运动，如图44所示，这种凸轮称为移动凸轮。（2） 按从动件端部结构分尖顶式从动件如图42和图44所示，从动件工作端部为尖顶，工作时与凸轮点接触。其优点是：尖顶能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触而不失真，因而能实现任意预期的运动规律。但尖顶磨损快，所以只宜用于传力小和低速的场合。滚子从动件如图43、图44所示，在从动件的端部安装一个小滚轮，这样，使从动件与凸轮的滑动摩擦变为滚动摩擦，克服了尖顶式从动件易磨损的缺点。滚动从动件耐磨，可以承受较大载荷，是最常用的一种型式。平底式从动件如图41所示，这种从动件工作部分为一平面或凹曲面，所以它不能与有凹陷轮廓的凸轮轮廓保持接触，否则会运动失真。其优点是：当不考虑摩擦时，凸轮与从动件之间的作用力始终与从动件的平底相垂直，传力性能最好（压力角恒等于0°）；同时由于平面与凸轮为线接触，可用于较大载荷；接触面上可以储存润滑油，便于润滑。故常用于高速和较大载荷场合。但不能用于有内凹或直线轮廓的凸轮。（3） 按从动件的运动形式分可以把从动件分为往复直线运动的直动从动件（图41、图44）和作往复摆动的摆动从动件（图42和图43）。直动从动件又可分为对心式和偏置式，见表4Io（4） 按锁合方式分为了使凸轮机构能够正常工作，必须保证凸轮与从动件始终相接触，保持接触的措施称为锁合。锁合方式分为力锁合和形锁合两类。力锁合是利用从动件的重力、弹簧力（如图41、图42和图44）或其它外力使从动件与凸轮保持接触;凸轮机构的优点：(1)不论从动件要求的运动规律多么复杂，都可以通过适当地设计凸轮轮廓来实现，而且设计很简单。(2)结构简单紧凑、构件少，传动累积误差很小，因此，能够准确地实现从动件要求的运动规律。(3)能实现从动件的转动、移动、摆动等多种运动要求，也可以实现间歇运动要求。(4)工作可靠，非常适合于自动控制中。凸轮机构的缺点主要有：凸轮与从动件以点或线接触，易磨损，只能用于传力不大的场合；与圆柱面和平面相比，凸轮加工要困难得多。4.2 从动件常用运动规律从动件的运动规律是指从动件在推程或回程时，其位移、速度和加速度随时间或凸轮转角变化的规律。设计凸轮机构时，首先应根据生产实际要求确定凸轮机构的型式和从动件的运动规律，然后再按照其运动规律要求设计凸轮的轮廓曲线。从动件的运动规律表示方法：运动方程和运动线图4.2.1 凸轮机构的工作过程分析图4-6中给出了一组尖底直动从动件平面凸轮机构在运转过程中的四个位置。就尖底从动件而言，凸轮上以回转中心为圆心，以轮廓曲线上的最小向径为半径所画的圆称为基圆，基圆半径用Tb表示。在图。所示的位置上，从动件与凸轮轮廓上的A点接触，A点是凸轮的基圆弧与向径渐增区段AB的连接点。当凸轮按口方向回转时，从动件被凸轮推动而上升，直至B点转到最高位置时，从动件到达最高位置，如人所示。凸轮机构这一阶段的工作过程称为推程期，图Q为推程起始位置，图b为推程终止位置。从动件的最大运动距离称为冲程用h表示。与推程期对应的凸轮转角称为推程角，用表示。凸轮继续回转.接触点由6点转移至C点，如图C所示。BC段上各点向径不变，从动件在最远位置上停留,该过程称为远休止期所对应的凸轮转角称为远休止角，用奥表示。从接触点C开始至刀点,凸轮轮廓向径逐渐减小，从动件在外力作用下逐渐返回到初始位置，如图d所示。该段时期称为回程期，对应的凸轮转角称为回程角，用'表示。凸轮由图1所示位置针至图所示位置从动件在起始位置停留，称为近休止期。对应的凸轮运动角称为近休止角，用s,表示。在运转过程中，从动件的位移与凸轮转角间的函数关系可用图e所示的位移线图表示。当凸轮匀速回转时，横坐标也可表示凸轮的转动时间foCa)b)7VC)d)e)图4-6凸轮机构工作循环图a、b、c、d）凸轮机构运转的四个位置e）从动件位移线图4.2.2 从动件常用的运动规律及特点下面介绍几种常用的从动件的运动规律。表42从动件常用运动规律运动规律推程运动方程推程运动线图冲击L等速运动规律（直线运动规律）从动件在运动过程中，运动速度为定值的运动规律，称为等速运动规律。当凸轮以等角速度转动时，从动件在推程或回程中的速度为常数。其运动线图如表42所示，从加速度线图可以看出，在从动件运动的始末两点，理论上加速度为无穷大，致使从动件受的惯性力也为无穷大。而实际上，由于材料有弹性，加速度和惯性力均为有限值，但仍将造成巨大的冲击，故称为刚性冲击。这种刚性冲击对机构传动很不利，因此，等速运动规律很少单独使用，或只能应用于凸轮转速很低的场合。2 .等加速等减速运动规律（抛物线运动规律）从动件在运动过程的前半程等加速运动，后半程作等减速运动，两部分加速度的绝对值相等的运动规律称为等加速等减速运动规律。这种运动规律的运动线图如表42所示。可以看出，其加速度为两条平行于横坐标的直线；速度线图为两条斜率相反的斜直线；而位移线图是两条光滑连接的、曲率相反的抛物线，所以又称抛物线运动规律。由此可见，该运动规律在推程的始末两点及前半行程与后半行程的交界处，加速度存为有限值突变，产生的惯性冲击力也是有限的，故称为柔性冲击。但在高速下仍将导致严重的振动、噪声和磨损。因此，等加速等减速运动规律只适合于中、低速场合。如表4-2所示，当已知从动件的推程运动角为心和行程鼠等加速等减速运动规律时，从动件的位移曲线的作法如下：选取横坐标轴代表凸轮转角5,纵坐标轴代表从动件位移So选取适当的角度比例尺（度mm）和位移比例尺（m/mm或mmm）。在横坐标轴上按所选角度比例尺截取。和4/2,在纵坐标轴上按位移比例尺人截取h和h2o将"/2和Zz/2对应等分相同的份数（如6份），得分点1、2、3、和1'、2、3由抛物线顶点。与各交点1'、2'、3与过同名点1、2、3、所作的纵轴平行线相交,得交点1"、2"、3"。以光滑曲线连接顶点。与各交点1“、2”、3、即得等加速段的位移曲线。同理可得推程等减速段以及回程等加速、等减速段的位移曲线。3 .简谐运动规律（余弦加速度运动规律）简谐运动规律是指当一个质点沿直径为Zz的圆周上作等速圆周运动时，该点在直径上的投影所作的运动。其加速度按余弦曲线变化,所以又称为余弦加速度运动规律。简谐曲线的作图方法：以从动件的升程Zz为直径作一半圆，并将此半圆分成若干等分（由作图精确度要求确定，本例取6等分），得点1'、2'、3'、4'、5'、6'。然后把凸轮转角也分为同样等分，并把圆周上的等分点高度投影到相应的分点1、2、3、4、5、6±,即得各点的位移。最后光滑连接各点，即得从动件的位移线图。其作法如表42所示。由图可以看出，对于“停一升一停”型运动，该运动规律在运动的始末两处，从动件的加速度仍有较小的突变，即存在柔性冲击。因此，它只适用于中、低速的场合。但对于无停程的“升一降”型运动，加速度无突变，因而也没有冲击，这时可用于高速条件下工作。4 .正弦加速度运动规律（摆线运动规律）为了获得无冲击的运动规律，可采用正弦加速度运动规律。这种运动规律的加速度线图为一正弦曲线，其位移为摆线在纵轴上的投影，所以又称摆线运动运动规律，如表42所示。这种运动规律的加速度曲线光滑、连续，所以工作时振动、噪音都比较小，可以用于高速、轻载的场合。除了上述运动规律外，为了满足特殊工作要求，取长补短，可以采用组合运动规律，比如改进梯形加速度运动规律、改进正弦加速度运动规律等，以获得较理想的动力特性。从动件运动规律的选择，涉及到多方面的问题。首先应满足机器的工作要求，同时还应使凸轮机构具有良好的动力性能以及使设计的凸轮便于加工等，限于篇幅，不再赘述。授课题目：第4章凸轮机构4.3凸轮机构的传力特性授课方式（请打J）理论课J讨论课口实验课口习题课口其他口课时安排教学大纲要求：简介解析法设计；讲授凸轮机构设计的其它问题及处理；教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：掌握凸轮机构的压力角定义及标注、检验方法。教学重点及难点：重点：凸轮机构的压力角定义;难点：压力角的影响因素。作业、讨论题、思考题：思考题4-、4-、4-、4-；习题4-、4-。课后总结分析：掌握凸轮机构压力角的定义与检验。教学内容4.3凸轮机构的压力角及自锁现象(1)凸轮机构的压力角如图4-11所示为一尖顶式对心直动从动件盘形凸轮机构在推程中的一个位置。如果不考虑摩擦力，把凸轮作用于从动件的法向力工方向与从动件的运动方向间所夹的锐角称为压力角。法向力可以分解为沿导路方向和垂直于导路方向的两个力Ft=FnCOSdfFr=FnSina显然，匕是推动从动件运动的有效力，而工为垂直于导路方向将使从动件产生摩擦力的有害力。由上述关系可知，压力角越大，有效力£越小，有害力工越大，对传动不利。因此，压力角也是凸轮机构传力性能好坏的衡量标准。当压力角增大到一定数值时，有效力工将无法克服有害力工产生的摩擦力QFf=FQ,这时，无论外力工多大，从动件都不会运动，这种现象称为自锁。图4-11凸轮机构的压力角为了保证凸轮机构的正常工作，必须对凸轮机构的压力角加以限制。能够保证机构正常工作的压力角称为许用压力角，用&表示。设计时，应满足：Cmax<W。根据工程应用经验推荐推程的许用压力角为：移动从动件：=30°摆动从动件：Q=45°回程时，使从动件返回的力不是凸轮提供的，而是利用凸轮或从动件特殊的形或外力（如