《機(jī)械原理》課件第9章凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì).ppt
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第9章凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì),9-1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類(lèi),9-2推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,9-3凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì),9-4凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定,一、凸輪廓線設(shè)計(jì)方法的基本原理,二、用圖解法設(shè)計(jì)凸輪廓線,1)對(duì)心直動(dòng)尖頂推桿盤(pán)形凸輪,2)對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤(pán)形凸輪,3)對(duì)心直動(dòng)平底推桿盤(pán)形凸輪,4)偏置直動(dòng)尖頂推桿盤(pán)形凸輪,5)擺動(dòng)尖頂推桿盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu),6)直動(dòng)推桿圓柱凸輪機(jī)構(gòu),7)擺動(dòng)推桿圓柱凸輪機(jī)構(gòu),三、用解析法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線,,內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)靠彈簧力封閉,機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)幾何形狀封閉,,9-1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類(lèi),9-1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類(lèi)(續(xù)),1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn):三個(gè)構(gòu)件、盤(pán)(柱)狀曲線輪廓、從動(dòng)件呈桿狀。,2、作用:將凸輪的連續(xù)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭?dòng)件直線移動(dòng)或擺動(dòng)。,3、優(yōu)點(diǎn):可精確實(shí)現(xiàn)任意運(yùn)動(dòng)規(guī)律,簡(jiǎn)單緊湊。,4、缺點(diǎn):高副,線接觸,易磨損,傳力不大。,1)按凸輪形狀分:盤(pán)形、移動(dòng)、圓柱凸輪(端面)。,5、應(yīng)用:內(nèi)燃機(jī)、牙膏生產(chǎn)等自動(dòng)線、補(bǔ)鞋機(jī)、配鑰匙機(jī)等。,6、分類(lèi):,2)按推桿形狀分:尖頂、滾子、平底從動(dòng)件。,3).按推桿運(yùn)動(dòng)分:直動(dòng)(對(duì)心、偏置)、擺動(dòng),特點(diǎn):尖頂--構(gòu)造簡(jiǎn)單、易磨損、用于儀表機(jī)構(gòu);,滾子――磨損小,應(yīng)用廣;,平底――受力好、潤(rùn)滑好,用于高速傳動(dòng)。,4).按保持接觸方式分:力封閉(重力、彈簧等)幾何形狀封閉(凹槽、等寬、等徑、主回凸輪),,,,,內(nèi)燃機(jī)氣門(mén)機(jī)構(gòu)靠彈簧力封閉,機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)幾何形狀封閉,,9-1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類(lèi)(續(xù)),r1+r2=const,凹槽凸輪,主回凸輪,等寬凸輪,等徑凸輪,9-2推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是根據(jù)工作要求選定凸輪機(jī)構(gòu)的型式、推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律、合理確定結(jié)構(gòu)尺寸、設(shè)計(jì)輪廓曲線。而根據(jù)工作要求選定推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律,是設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線的前提。,,,,,,名詞術(shù)語(yǔ):,運(yùn)動(dòng)規(guī)律:推桿在推程或回程時(shí),其位移S、速度V、和加速度a隨時(shí)間t的變化規(guī)律。,分類(lèi):多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律、三角函數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。,S=S(t)V=V(t)a=a(t),1.推桿的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律,基圓、,推程運(yùn)動(dòng)角、,基圓半徑、,推程、,遠(yuǎn)休止角、,回程運(yùn)動(dòng)角、,回程、,近休止角、,行程。,,,,,,,,,遠(yuǎn)休、,近休、,邊界條件:凸輪轉(zhuǎn)過(guò)推程運(yùn)動(dòng)角δ0-從動(dòng)件上升h凸輪轉(zhuǎn)過(guò)回程運(yùn)動(dòng)角δ’0-從動(dòng)件下降h,1、多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律,一般表達(dá)式:s=C0+C1δ+C2δ2+…+Cnδn(1),求一階導(dǎo)數(shù)得速度方程:v=ds/dt,求二階導(dǎo)數(shù)得加速度方程:a=dv/dt=2C2ω2+6C3ω2δ…+n(n-1)Cnω2δn-2,其中:δ-凸輪轉(zhuǎn)角,dδ/dt=ω-凸輪角速度,Ci-待定系數(shù)。,a)一次多項(xiàng)式(等速運(yùn)動(dòng))運(yùn)動(dòng)規(guī)律,在推程起始點(diǎn):δ=0,s=0,代入得:C0=0,C1=h/δ0,推程運(yùn)動(dòng)方程:s=hδ/δ0,v=hω/δ0a=0,,,,在推程終止點(diǎn):δ=δ0,s=h,剛性沖擊,,=C1ω+2C2ωδ+…+nCnωδn-1,,,,,,,同理得回程運(yùn)動(dòng)方程:s=h(1-δ/δ’0),,b)二次多項(xiàng)式(等加等減速)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,位移曲線為一拋物線。加、減速各占一半。,推程加速上升段邊界條件:,起始點(diǎn):δ=0,s=0,v=0,中間點(diǎn):δ=δ0/2,s=h/2,求得:C0=0,C1=0,C2=2h/δ02,加速段推程運(yùn)動(dòng)方程為:,s=2hδ2/δ02,推程減速上升段邊界條件:,終止點(diǎn):δ=δ0,s=h,v=0,中間點(diǎn):δ=δ0/2,s=h/2,求得:C0=-h(huán),C1=4h/δ0,C2=-2h/δ02,減速段推程運(yùn)動(dòng)方程為:,s=h-2h(δ-δ0)2/δ02,,v=4hωδ/δ02,a=4hω2/δ02,v=-4hω(δ-δ0)/δ02,a=-4hω2/δ02,,,,,,柔性沖擊,v=-hω/δ’0,a=0,c)五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律,s=C0+C1δ+C2δ2+C3δ3+C4δ4+C5δ5,v=ds/dt=C1ω+2C2ωδ+3C3ωδ2+4C4ωδ3+5C5ωδ4,a=dv/dt=2C2ω2+6C3ω2δ+12C4ω2δ2+20C5ω2δ3,邊界條件:,起始點(diǎn):δ=0,s=0,v=0,a=0,終止點(diǎn):δ=δ0,s=h,v=0,a=0,求得:C0=C1=C2=0,C3=10h/δ03,C4=15h/δ04,C5=6h/δ05,位移方程:s=10h(δ/δ0)3-15h(δ/δ0)4+6h(δ/δ0)5,,,,s,v,a,,無(wú)沖擊,適用于高速凸輪。,2、三角函數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,a)余弦加速度(簡(jiǎn)諧)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,推程:s=h[1-cos(πδ/δ0)]/2,v=πhωsin(πδ/δ0)δ/2δ0,a=π2hω2cos(πδ/δ0)/2δ02,回程:s=h[1+cos(πδ/δ0’)]/2,v=-πhωsin(πδ/δ0’)δ/2δ0’,a=-π2hω2cos(πδ/δ0’)/2δ’02,,,,,,,,,,,,,,,在起始和終止處理論上a為有限值,產(chǎn)生柔性沖擊。,,b)正弦加速度(擺線)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,推程:s=h[δ/δ0-sin(2πδ/δ0)/2π],v=hω[1-cos(2πδ/δ0)]/δ0,a=2πhω2sin(2πδ/δ0)/δ02,回程:s=h[1-δ/δ0’+sin(2πδ/δ0’)/2π],v=hω[cos(2πδ/δ0’)-1]/δ0’,a=-2πhω2sin(2πδ/δ0’)/δ’02,,,,,,,,,,無(wú)沖擊,但amax較大。,,,,c)改進(jìn)型運(yùn)動(dòng)規(guī)律,將幾種運(yùn)動(dòng)規(guī)律組合,以改善運(yùn)動(dòng)特性。,正弦改進(jìn)等速,二、選擇運(yùn)動(dòng)規(guī)律,選擇原則:,1.機(jī)器的工作過(guò)程只要求凸輪轉(zhuǎn)過(guò)一角度δ0時(shí),推桿完成一行程h(直動(dòng)推桿)或φ(擺動(dòng)推桿),對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律并無(wú)嚴(yán)格要求。則應(yīng)選擇直線或圓弧等易加工曲線作為凸輪的輪廓曲線。如夾緊凸輪。,2.機(jī)器的工作過(guò)程對(duì)推桿運(yùn)動(dòng)有要求,則應(yīng)嚴(yán)格按工作要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)設(shè)計(jì)凸輪廓線。如刀架進(jìn)給凸輪。,3.對(duì)高速凸輪,要求有較好的動(dòng)力特性,除了避免出現(xiàn)剛性或柔性沖擊外,還應(yīng)當(dāng)考慮Vmax和amax。,,,,,二、選擇運(yùn)動(dòng)規(guī)律,選擇原則:,1.機(jī)器的工作過(guò)程只要求凸輪轉(zhuǎn)過(guò)一角度δ0時(shí),推桿完成一行程h(直動(dòng)推桿)或φ(擺動(dòng)推桿),對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律并無(wú)嚴(yán)格要求。則應(yīng)選擇直線或圓弧等易加工曲線作為凸輪的輪廓曲線。如夾緊凸輪。,2.機(jī)器的工作過(guò)程對(duì)推桿運(yùn)動(dòng)有要求,則應(yīng)嚴(yán)格按工作要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)設(shè)計(jì)凸輪廓線。如刀架進(jìn)給凸輪。,3.對(duì)高速凸輪,要求有較好的動(dòng)力特性,除了避免出現(xiàn)剛性或柔性沖擊外,還應(yīng)當(dāng)考慮Vmax和amax。,,,,,,高速重載凸輪要選Vmax和amax比較小的理由:,②amax↑,等加等減速2.04.0柔性中速輕載,五次多項(xiàng)式1.885.77無(wú)高速中載,余弦加速度1.574.93柔性中速中載,正弦加速度2.06.28無(wú)高速輕載,改進(jìn)正弦加速度1.765.53無(wú)高速重載,→動(dòng)量mv↑,,若機(jī)構(gòu)突然被卡住,則沖擊力將很大,(F=mv/t)。,對(duì)重載凸輪,則適合選用Vmax較小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。,→慣性力F=-ma↑,對(duì)強(qiáng)度和耐磨性要求↑。,對(duì)高速凸輪,希望amax愈小愈好。,①Vmax↑,,Pn↑,1.凸輪廓線設(shè)計(jì)方法的基本原理,9-3凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì),2.用作圖法設(shè)計(jì)凸輪廓線,1)對(duì)心直動(dòng)尖頂推桿盤(pán)形凸輪,2)對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤(pán)形凸輪,3)對(duì)心直動(dòng)平底推桿盤(pán)形凸輪,4)偏置直動(dòng)尖頂推桿盤(pán)形凸輪,5)擺動(dòng)尖頂推桿盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu),6)直動(dòng)推桿圓柱凸輪機(jī)構(gòu),7)擺動(dòng)推桿圓柱凸輪機(jī)構(gòu),3.用解析法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線,1、凸輪廓線設(shè)計(jì)方法的基本原理,一、凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì),反轉(zhuǎn)法原理:,依據(jù)此原理可以用幾何作圖的方法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線,,,,,,給整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)施以-ω時(shí),不影響各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),此時(shí),凸輪將靜止,而從動(dòng)件尖頂復(fù)合運(yùn)動(dòng)的軌跡即凸輪的輪廓曲線。,2、用作圖法設(shè)計(jì)凸輪廓線,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,,,,對(duì)心直動(dòng)尖頂推桿凸輪機(jī)構(gòu)中,已知凸輪的基圓半徑r0,角速度ω和推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。,設(shè)計(jì)步驟小結(jié):,①選比例尺μl作基圓r0。,②反向等分各運(yùn)動(dòng)角。原則是:陡密緩疏。,③確定反轉(zhuǎn)后,從動(dòng)件尖頂在各等分點(diǎn)的位置。,④將各尖頂點(diǎn)連接成一條光滑曲線。,1)對(duì)心直動(dòng)尖頂推桿盤(pán)形凸輪,,,,,,,,,,,,,,,,,,,對(duì)心直動(dòng)滾子推桿凸輪機(jī)構(gòu)中,已知凸輪的基圓半徑r0,角速度ω和推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。,,,,,,,,,,,,,,,,⑤作各位置滾子圓的內(nèi)(外)包絡(luò)線(中心軌跡的等距曲線)。,,2)對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤(pán)形凸輪,,理論輪廓,,實(shí)際輪廓,對(duì)心直動(dòng)平底推桿凸輪機(jī)構(gòu)中,已知凸輪的基圓半徑r0,角速度ω和推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。,④作平底直線族的內(nèi)包絡(luò)線。,3)對(duì)心直動(dòng)平底推桿盤(pán)形凸輪,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,偏置直動(dòng)尖頂推桿凸輪機(jī)構(gòu)中,已知凸輪的基圓半徑r0,角速度ω和推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和偏心距e,設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。,4)偏置直動(dòng)尖頂推桿盤(pán)形凸輪,,擺動(dòng)尖頂推桿凸輪機(jī)構(gòu)中,已知凸輪的基圓半徑r0,角速度ω,擺動(dòng)推桿長(zhǎng)度l以及擺桿回轉(zhuǎn)中心與凸輪回轉(zhuǎn)中心的距離d,擺桿角位移方程,設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。,5)擺動(dòng)尖頂推桿盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu),,,,6)直動(dòng)推桿圓柱凸輪機(jī)構(gòu),思路:將圓柱外表面展開(kāi),得一長(zhǎng)度為2πR的平面移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu),,其移動(dòng)速度為V=ωR,以-V反向移動(dòng)平面凸輪,相對(duì)運(yùn)動(dòng)不變,,滾子反向移動(dòng)后其中心點(diǎn)的軌跡即為理論輪廓,其內(nèi)外包絡(luò)線為實(shí)際輪廓。,,,,,,,,,,,,,,,,,,7’,6’,5’,4’,3’,2’,1’,,,β,β,,,,,,,,,,,,β",,6)直動(dòng)推桿圓柱凸輪機(jī)構(gòu),已知:圓柱凸輪的半徑R,從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,設(shè)計(jì)該圓柱凸輪機(jī)構(gòu)。,,,,,7)擺動(dòng)推桿圓柱凸輪機(jī)構(gòu),已知:圓柱凸輪的半徑R,滾子半徑rr從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,設(shè)計(jì)該凸輪機(jī)構(gòu)。,,,,,,,,,,,,,,,,2”,3”,7”,8”,9”,1”,A,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,中線,,,,3.用解析法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線,3.1偏置直動(dòng)滾子推桿盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu),由圖可知:s0=(r02-e2)1/2,實(shí)際輪廓線-為理論輪廓的等距線。,曲線任意點(diǎn)切線與法線斜率互為負(fù)倒數(shù):,(1)求導(dǎo)得:dx/dδ=(ds/dδ-e)sinδ+(s0+s)cosδdy/dδ=(ds/dδ-e)cosδ-(s0+s)sinδ,原理:反轉(zhuǎn)法。,設(shè)計(jì)結(jié)果:輪廓的參數(shù)方程。,式中“-”對(duì)應(yīng)于內(nèi)等距線,“+”對(duì)應(yīng)于外等距線。,實(shí)際輪廓為B’點(diǎn)的坐標(biāo):x’=y’=,,x=,(s0+s)sinδ,+ecosδ,y=,(s0+s)cosδ,-esinδ,,,,tgθ=-dx/dy,=(dx/dδ)/(-dy/dδ),=sinθ/cosθ,x-rrcosθ,,,r0,,y-rrsinθ,3.2對(duì)心直動(dòng)平底推桿盤(pán)形凸輪,OP=v/ω,y=,x=,,建立坐標(biāo)系如圖:反轉(zhuǎn)δ后,推桿移動(dòng)距離為S,,P點(diǎn)為相對(duì)瞬心,,(r0+s)sinδ,+(ds/dδ)cosδ,(r0+s)cosδ,-ds/dδ)sinδ,推桿移動(dòng)速度為:,=(ds/dt)/(dδ/dt),=ds/dδ,,v=vp=OPω,,,,,3.3擺動(dòng)滾子推桿盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu),式中:a-中心距,l-擺桿長(zhǎng)度,理論廓線方程:,實(shí)際輪廓方程的求法同前。,,x=asinδ-lsin(δ+φ+φ0),y=acosδ-lcos(δ+φ+φ0),,9-4凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定,上述設(shè)計(jì)廓線時(shí)的凸輪結(jié)構(gòu)參數(shù)r0、e、rr和平底尺寸等,是預(yù)先給定的。實(shí)際上,這些參數(shù)也是根據(jù)機(jī)構(gòu)的受力情況是否良好、動(dòng)作是否靈活、尺寸是否緊湊等因素由設(shè)計(jì)者確定的。,1.凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角,2.凸輪基圓半徑的確定,3.滾子半徑的確定,4.平底尺寸l的確定,1、凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角,受力圖中,由∑Fx=0,∑Fy=0,∑MB=0有:,-Fsin(α+φ1)+(R1-R2)cosφ2=0,-Q+Fcos(α+φ1)-(R1+R2)sinφ2=0,R2cosφ2(l+b)-R1cosφ2b=0,由以上三式消去R1、R2得:,推桿所受正壓力方向與推桿上B點(diǎn)速度方向之間的夾角α,,α↑,→分母↓,→F↑,,若α大到使分母趨于0,,則F→∞,,機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖。,稱(chēng)αc=arctg[1/(1+2b/l)tgφ2]-φ1為臨界壓力角,增大導(dǎo)軌長(zhǎng)度l或減小懸臂尺寸b可提高αc,工程上要求:αmax≤[α],直動(dòng)推桿:[α]=30,擺動(dòng)推桿:[α]=35~45,回程:[α]’=70~80,問(wèn):平底推桿α=?,0,,P點(diǎn)為相對(duì)瞬心:,由△BCP得:,2、凸輪基圓半徑的確定,ds/dδ,OP=v/ω,=[ds/dt]/[dδ/dt],=[ds/dδ],運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定之后,凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角α與基圓半徑r0直接相關(guān)。,=(ds/dδ-e)/[(r02-e2)1/2+s],,設(shè)計(jì)時(shí)要求:,問(wèn)題:在設(shè)計(jì)一對(duì)心凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),當(dāng)出現(xiàn)α≥[α]的情況,在不改變運(yùn)動(dòng)規(guī)律的前提下,可采取哪些措施來(lái)進(jìn)行改進(jìn)?,確定上述極值r0min不方便,工程上常根據(jù)諾模圖來(lái)確定r0,1)加大基圓半徑r0,2)將對(duì)心改為偏置,,3)采用平底從動(dòng)件。,α≤[α],于是有:,對(duì)心布置有:tgα=ds/dδ/[(r0+s],tgα=(OP-e)/BC,,諾模圖,應(yīng)用實(shí)例:一對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu),δ0=45,h=13mm,推桿以正弦加速度運(yùn)動(dòng),要求αmax≦30,試確定凸輪的基圓半徑r0。,作圖得:h/r0=0.26,r0=≧50mm,3、滾子半徑的確定,ρa(bǔ)—工作輪廓的曲率半徑,ρ—理論輪廓的曲率半徑,rr—滾子半徑,,ρa(bǔ)=ρ+rr,ρ>rr,ρa(bǔ)=ρ-rr,,ρ=rr,ρa(bǔ)=ρ-rr=0,,ρ- 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