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1、1 第三章 凸輪機構(gòu)與間歇運動機構(gòu) 【 能力目標 】 【 案例導入 】 【 知識要點 】 3.1 凸輪機構(gòu)的類型和識別 3.2 凸輪機構(gòu)的運行特性分析 3.3 用圖解法設計盤行凸輪輪廓 3.4 間歇運行機構(gòu) 棘輪機構(gòu) 3.5 間歇運行機構(gòu) 槽輪機構(gòu) 【 能力訓練 】 本章小結(jié) 2 【 能力目標 】 1. 熟悉凸輪機構(gòu)的分類、從動件運動規(guī)律及其特性。 2. 熟練掌握平面凸輪輪廓曲線的圖解法設計。 3. 了解滾子半徑、壓力角和基圓半徑之間的關系。 4. 熟悉間歇運動機構(gòu)的特點和應用。 5. 掌握棘輪機構(gòu)和槽輪機構(gòu)的工作原理和特點。 返回目錄 3 【 案例導入 】 當向徑變化的凸輪輪廓 與氣門的平底

2、接觸時， 氣門產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)燃機正常工作。 返回目錄 圖 3-1 內(nèi)燃機配氣機構(gòu) 4 3.1凸輪機構(gòu)的類型識別 3.1.1凸輪機構(gòu)的組成 、 特點和應用 凸輪機構(gòu)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(gòu) ， 由 凸輪 、 從 動件 、 機架以及輔助裝置 組成 。 圖 3-2所示為一 自動機床的進刀機構(gòu) 。 當 圓 柱凸輪 1回轉(zhuǎn)時

3、， 其 凹槽的側(cè)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 5 圓柱凸輪是一個具有曲 線輪廓或凹槽的構(gòu)件 ， 被凸輪直接推動的構(gòu)件 稱為從動件 （ 或稱為推 桿 ） 。 凸輪通常作等速 轉(zhuǎn)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(gòu) 是由凸輪 、 從動件和機 架三個基本構(gòu)件組成的 高副機構(gòu) 。 返回目錄 圖 3-2 自動機床進刀機構(gòu) 圖 3-2 自動機床進刀機構(gòu) 6 凸輪機構(gòu)在自動送料機構(gòu) 、 仿形機床進刀機

4、構(gòu) 、 內(nèi)燃機配氣機構(gòu) 、 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(gòu) 。 返回目錄 7 凸輪機構(gòu)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(jié) 構(gòu)簡單緊湊、設計方便。 凸輪機構(gòu)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(gòu)多用在要求準確實現(xiàn)預期 運動規(guī)律且傳遞力不大的場合。 8 3.1.2凸輪機構(gòu)的類型 返回目錄 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 9 3.1.2凸輪機構(gòu)的類型 盤狀凸輪

5、:這種凸輪是 繞固定軸線轉(zhuǎn)動并具有變化 向徑的盤形零件 。它是凸輪最常見的形式。 移動凸輪 ：當盤形凸輪的 回轉(zhuǎn)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。 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。 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(gòu) ；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(gòu) 。 10 返回目錄 2、從動件的形狀：尖頂 滾子、平底 3、從動件運動：直動、 擺動 11 3.1.2凸輪機構(gòu)的類型 從動件的結(jié)構(gòu)形式： (1) 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

6、件實現(xiàn)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(gòu)。 (2) 滾子從動件 ：這種從動件的端部裝有可以自由轉(zhuǎn)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(chǎn)生噪音。 所以適用于重載和中、低速的凸輪機構(gòu)。 (3) 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，從動件受力比 較平穩(wěn)，傳動效果好，故常用于高速凸輪機構(gòu)中。缺點是不適用于輪 廓有內(nèi)凹的凸輪。 12 返回目錄 2、從動件的形狀：尖頂 滾子、平底 3、從動件運動：直

7、動、 擺動 13 3.1.2凸輪機構(gòu)的類型 從動件的運動形式： (1)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(gòu) 從動件導路的中心 線通過凸輪的回轉(zhuǎn)中心 。 偏置直動從動件機構(gòu) （圖 3-3a) (2)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。 14 3.2凸輪機構(gòu)的運動特性分析 凸輪機構(gòu)的基本名詞術(shù)語 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 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

8、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(zhuǎn)角 稱為 推程運動角 ， 如 圖 3-4所示 。 返回目錄 15 3.2凸輪機構(gòu)的運動特性分析 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(zhuǎn)角稱為遠休止角 s。 回程和回程運動角 ：當凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角 稱為回程角 。 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(zhuǎn)角

9、稱為近休 止角。 凸輪運動一周，從動件就重復上述升 停 回 停 的循環(huán)過程。 偏距 ：從動件的中心線偏離凸輪轉(zhuǎn)動中心 0的距離。 16 3.2凸輪機構(gòu)的運動特性分析 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(zhuǎn)角，則可以畫出從動件 與凸輪轉(zhuǎn)角之間的關系曲線，則為 從動件 的位移線圖。 凸輪的輪廓形狀決定從動件的運動規(guī)律， 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 輪廓 之前應首先 確定從動件的運動規(guī)律 。 17 返回目錄 h A B O O r0 a b c D B a b c d S 基圓 回程運動角 近休止角 推程運動角 遠

10、休止角 C 18 從動件常用的運動規(guī)律 返回目錄 1、等速運動規(guī)律： 凸輪以角速度勻 速運動，從動件以恒定的速度運動。 s()= CS ()=C a()= 0 特點 ： 1）剛性沖擊運動 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于無 窮大。 2）只適用于低速輕載的凸輪機構(gòu)。 19 返回目錄 2、等加速等減速運動規(guī)律 :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。 s()= CS 2 ()=C a()= Ca （常數(shù)） 特點 ： 1）柔性沖擊 從動件在 某瞬時加速度發(fā)生有限值 的突變所引起的沖擊。 2）適用于中、低速的凸 輪機構(gòu)。 20 返回目錄 3、間諧運動規(guī)律：

11、 當動點在一圓周上做勻速轉(zhuǎn)動時，由該在 此圓上直徑上的投影所構(gòu)成的運動規(guī)律。 s()=h(1-cos/0)/2 ()=C sin/0 a()= Cacos/0 特點 ： 1）僅在運動始末兩處有柔 性沖擊。 2）適用于高速凸輪機構(gòu)。 21 3.3用圖解法設計盤形 凸輪輪廓 返回目錄 22 用圖解法設計盤形凸輪輪廓 設計步驟 根據(jù) 機器的工作要求選定了 從動件的運動規(guī)律 后，還要根 據(jù)凸輪傳力性能是否良好、凸輪輪廓是否便于加工、結(jié)構(gòu) 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 。 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

12、算量大，常常 利用計算機輔助設計與制造 技術(shù) 。圖解法簡單易行，可以滿足一般精度要求的機械設 計。 本章介紹圖解法設計一般精度的凸輪輪廓。 23 3.3.1直動從動件盤形凸輪輪廓的 設計 用圖解法繪制凸輪輪廓曲線所依據(jù)的方法是“反 轉(zhuǎn)法”。 采用反轉(zhuǎn)法繪制盤形凸輪工作輪廓的步驟： 1）確定從動件的運動規(guī)律； 2）確定凸輪的轉(zhuǎn)速和基圓半徑； 3）選定繪制平面 凸輪與圖紙平面相對靜止， 且方便在圖紙上繪制； 4）反轉(zhuǎn)，即機架和從動件繞凸輪中心相對轉(zhuǎn)動。 24 返回目錄 3.3.1直動從動件盤形凸輪輪廓的設計 1.反轉(zhuǎn)法作圖的原理 a)在凸輪輪廓作用下從動件向上移動 b)機架和從動件繞凸輪中心相對轉(zhuǎn)

13、動 圖 3-8 反轉(zhuǎn)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 （ 1）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 。 做凸輪基圓 ， 并確定從動件的初始位置 。 在基圓上 ， 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

14、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(zhuǎn)后尖頂所占據(jù)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 繪制方法類似： 滾子式可改善尖頂型從動件與凸輪 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(nèi)包絡線 ，就得到滾子從動件 凸 輪的實際廓線

15、 。 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 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(gòu)設計基本參數(shù) 1、壓力角： 從動件與凸輪在 接觸點處的 受力方向 與其在 該點絕對速度方向（ 運動方 向 ）之間所夾的銳角 ser e ss eOP B

16、D PD 22 00 d s / d t a n 31 凸輪作用于從動件的 法向力 Fn可分解為兩 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(chǎn)生摩擦力，是有害力。 凸輪機構(gòu)自鎖現(xiàn)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(shù)值時，必將出現(xiàn)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(xiàn)象稱為自鎖。 凸輪上不同位置的壓力角值是不同的。 32 許用壓力角： 為改善凸輪機構(gòu)的受力情況、提高 機械效率，規(guī)定了允許采用的最

17、大壓力角 。 推程 （工作行程）推薦的許用壓力角為： 直動從動件 擺動從動件 回程 （空回行程） m a x 00 8070 00 4535 00 4030 返回目錄 33 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(zhuǎn)動， 從動件偏置在凸輪轉(zhuǎn)動中心左側(cè)時壓力角 較小；若凸輪逆時針轉(zhuǎn)動，從動件偏置在 凸輪轉(zhuǎn)動中心右側(cè)時壓力角較小 出現(xiàn)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 由圖 3-12可以看出： 從動件的位移 S2; 凸輪 K點處的半徑為 r; rb為凸輪的基圓半徑， 則有： S2=r-rb

18、 35 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 從動件運動規(guī)律相同 時，當凸輪轉(zhuǎn)過相同 的轉(zhuǎn)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。 37 為了減小壓力角，宜取較大的基圓半徑； 為了使結(jié)構(gòu)緊湊，則應盡可能較小基圓半 徑。 在設計凸輪機構(gòu)時，凸輪的基圓半徑可根 據(jù)凸輪的結(jié)構(gòu)選取。 為保證凸輪機構(gòu)在整個運動周期中均能滿 足 ，應選取計算結(jié)果中的最大 值作為凸輪的基圓半徑。 m a x 38 凸輪軸基圓半徑的選取 凸輪軸，基圓半徑應大于軸的半徑

19、和滾 子半徑之和，即 rbr+rr 當凸輪與軸單獨制造時 ,取 ： rb 1.8r+(10-20)mm 39 3、滾子半徑的選擇 滾子半徑的選擇，要綜合考慮滾子的結(jié)構(gòu)、 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。 40 3、滾子半徑的選擇 凸輪工作輪廓曲率半徑 和凸輪理論輪廓曲率半 徑 的之間的關系 ： 當凸輪輪廓內(nèi)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。 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(xiàn) 尖點， 工作時

20、極易磨損 ，如圖 3-15c所示； 0時， 凸輪工作輪廓出現(xiàn)交叉，加工時將被切掉，不能 實現(xiàn)預期運動規(guī)律，這就是 運動失真 現(xiàn)象，如圖 3-15d所示； 41 3、滾子半徑的選擇 外凸凸輪廓線 0r r 0 m i nm i n 0 m i n 返回目錄 42 滾子半徑大小對凸輪實際輪廓的影響 r T r T a a r T r T a ) b ) d )c ) 返回目錄 43 0r r 0 m i nm i n 0 m i n 實際廓線出現(xiàn)交叉，從動件 不能準確地實現(xiàn)預期的運動 規(guī)律 運動失真 返回目錄 44 運動失真 原因： 避免方法： 滾子半徑的選擇 r 0.80min 0min 3-5

21、mm rm i n0 m i n0 m i n0 增大增大 )8.0(減 小 滾 子半 徑 br rr 返回目錄 45 返回目錄 3.4間歇運動機構(gòu) 棘輪機構(gòu) 3.4.1棘輪機構(gòu)的工作原理 46 一 、 棘輪 類型 返回目錄 組成： 擺桿、棘爪、棘輪、止動爪。 工作原理： 擺桿往復擺動，棘爪推動棘輪間 歇轉(zhuǎn)動。 優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運動可靠、轉(zhuǎn) 角可調(diào)。 缺點： 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 合。 47 返回目錄 只能夠?qū)崿F(xiàn)單向間歇運動 外接棘輪機構(gòu) 48 返回目錄 內(nèi)接棘輪機構(gòu) 49 返回目錄 雙向式棘輪機構(gòu) 棘爪可翻轉(zhuǎn)的矩形棘齒可以獲得不同

22、轉(zhuǎn)向的間歇運動。 50 返回目錄 雙動式棘輪機構(gòu) 運動特點：搖桿來回擺動都能使棘輪向同一方向轉(zhuǎn)動。 51 a) 加調(diào)節(jié)搖桿 b)加遮板 圖 3-19 調(diào)節(jié)棘輪轉(zhuǎn)角的方法 返回目錄 52 返回目錄 3.4.2棘輪機構(gòu)的應用 :可用于進給、制動、 轉(zhuǎn)位分度和超越機構(gòu)。 在提升機 做制動器 這種制動 器安全可靠， 使用方便。 53 返回目錄 間歇送進 54 返回目錄 超越、離合 55 返回目錄 3.5間歇運動機構(gòu) 槽輪機構(gòu) 3.5.1棘輪機構(gòu)的工作原理 典型槽輪機構(gòu)的組成： 由主動撥 盤、從動槽輪和機架等組成。 槽輪機構(gòu)的工作原理： 主動撥盤 連續(xù)轉(zhuǎn)動，當主動撥盤的圓銷 A 未進入槽輪徑向槽時，槽輪

23、 的內(nèi) 凹鎖住弧被構(gòu)件 1的外凸圓弧卡 住， 靜止不動；當主動撥盤的圓 銷 A進入槽輪徑向槽時，槽輪受 圓銷 A驅(qū)動而轉(zhuǎn)動。從而使槽輪 做間歇運動。 56 返回目錄 3.5.2槽輪機構(gòu)的特點及應用 槽輪機構(gòu)的特點 ： 結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)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(gòu)相 比運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角 大小不能調(diào)節(jié) 57 一般用于轉(zhuǎn)速不很高的自動機械、輕工機 械或儀器儀表中。 電 影 放 映 機 的 送 片 機 構(gòu) 返回目錄 58 應用舉例 用反轉(zhuǎn)法設計一個凸輪機構(gòu)，已知：從動

24、件運動規(guī)律曲線如圖 3-24所示，推程運動 角 1=900，遠程休止角 2=600，回程運動 角 3=1500，近程休止角 4=600，凸輪以等 角速度順時針轉(zhuǎn)動，偏距為 e，基圓半徑為 rb。 分析：如圖 3-25所示。 1）以 rb為半徑做基圓，以 e為半徑作偏距圓。 2）作從動件移動方向與偏距圓的切點 K。 59 應用舉例 3）以 K點為反轉(zhuǎn)的起點，在偏距圓中標出推程角 1，遠程休止角 2，回程運動角 3，近程休止角 4。 4）在偏距圓中，將 1等分 3等分，將 3等分 6等分， 得到 10分點。過這些分點作偏距圓的切線，交于 基圓，得 B1、 B2、 B3、 B 10各點。 5）作位移

25、線圖，按轉(zhuǎn)角對應得到 10個等分點。 60 應用舉例 6）應用反轉(zhuǎn)法，量取從動件在各切線對應 位置上的位移，由位移線圖中量取從動件 位移，得 A1、 A2， ，即 A1B1 11， A2B2=22， 將 B、 A1、 A2、 A 10連成光 滑曲線，即為所求凸輪輪廓曲線。 圖 3-25即為所求凸輪輪廓曲線的作圖過程。 61 【 能力訓練 1】 1問題提出 (1)尖頂偏置直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制； (2)若將從動件改為對心尖頂直動從動件，如何測 量該機構(gòu)的壓力角； (3)若將尖頂從動件改為滾子從動件，試分析滾子 半徑、壓力角和基圓半徑對該機構(gòu)工作特性的影 響。 返回目錄 62 【 能力訓練 2】 1問題提出 試分析自行車的后軸上的飛輪結(jié)構(gòu)是什么機構(gòu) ？ 工作原理如何 ？ 返回目錄 63 第 3章小結(jié) 本章內(nèi)容： 凸輪機構(gòu)的特點、類型與應用；從動 件常用運動規(guī)律；凸輪廓線設計；設計凸輪機構(gòu) 應注意的問題。 基本概念： 升程、基圓、推程角、回程角、從動 件運動線圖、剛性沖擊、柔性沖擊、反轉(zhuǎn)法 要求的技能： 能根據(jù)給定運動規(guī)律正確繪制從動 件位移線圖；能正確進行凸輪廓線的圖解設計。 返回目錄