本章主要任务：本章主要学习凸轮机构的类型和常用的从动件运动规律，以及根据从动件运动规律进行的凸轮轮廓的图解法设计。在凸轮设计的过程中，应注意滚子半径的选择对凸轮轮廓的影响以及凸轮机构的压力角与基圆半径的关系。 6.1 凸轮机构的应用及类型
6.1.1 凸轮机构的应用及特点
(a)内燃机配气机构 (b)绕线机凸轮机构
(c)靠模车削机构燃煤助燃剂 (d)自动送料机构
图6-1 凸轮机构的应用
设计机械时，常要求其中某些从动件的位移、速度、加速度按照预定的规律变化，此时常采用凸轮机构。凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，它通过与从动件的高副接触，在运动时可以获得连续或不连续的任意预期运动。凸轮机构具有多用性和灵活性，广泛应用于机械、仪器、操纵控制装置和自动生产线中，是自动化生产中主要的驱动和控制机构。
如图6-1a所示为内燃机配气机构。凸轮1匀速转动，通过其曲线轮廓向径的变化，驱动从动件2（气阀）按内燃机工作循环的要求有规律地开启和闭合，以控制进气或排气。
如图6-1b所示为绕线机的凸轮机构。当绕线轴快速旋转时，经过蜗杆传动带动凸轮1慢速转动，通过其轮廓的变化驱使从动件往复摆动，使线均匀地缠绕在绕线轴上。
如图6-1c所示为利用靠模法车削零件的凸轮机构。工件回转，凸轮1作为靠模被固定在床身上，刀架2在弹簧作用下与凸轮轮廓紧密接触。当拖板带动刀架横向移动时，刀具便走出与凸轮轮廓相同的轨迹，切削出与凸轮曲线一致的工件。
如图6-1d所示为自动送料凸轮机构。当具有凹槽的圆柱凸轮1回转时，其凹槽的侧面推动从动件2往复运动，将待加工的毛坯推到预定的位置。
在实际应用中，凸轮机构具有以下优点：只需要设计适当的凸轮轮廓曲线，从动件便可获得各种预期的运动规律，且结构简单、紧凑、设计方便，同时还可以实现从动件的间歇运动。但缺点是：凸轮机构是高副机构，易于磨损，因此只适用于传递动力不大的场合。
凸轮机构通常由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。
6.1.2 凸轮机构的分类
1. 按凸轮形状分类
（1）盘形凸轮：如图6-1a、b中的凸轮1。是绕固定轴转动，且有向径变化的的盘形构件，是凸轮的最基本形式。
（2）移动凸轮：如图6-1c中的凸轮1。凸轮作相对的往复直线运动，它可以看作是回转半径无限大的盘形凸轮。
（3）圆柱凸轮：如图6-1d中的凸轮1。凸轮绕轴线转动，它可以看作是将移动凸轮卷成圆柱体所形成，从动件与凸轮之间的相对运动为空间运动。
2. 按从动件的形状分类
（1）尖顶从动件：从动件与凸轮接触处是尖顶，如图6-1b所示的从动件2。尖顶从动件能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而实现从动件任意的运动规律。这种从动件结构最简单，但从动件与凸轮间是点接触条件下的滑动摩擦，易磨损，多用于受力不大的低速凸轮机构中。
（2）滚子从动件：如图6-1c、d所示的从动件2。在从动件的端部安装一个滚子，即成为滚子从动件。由于滚子与凸轮之间为滚动摩擦，磨损较小，可承受较大的载荷，在凸轮机
构中应用最广。
（3）平底从动件：如图6-1a所示节能转轮除湿机的从动件2。在从动件的端部固定一个平底，即成为平底从动件。从动件与凸轮之间为线接触，当不计凸轮与从动件间的摩擦时，凸轮与从动件间的作用力始终垂直于从动件的平底，传动效率高。且凸轮与从动件间容易形成油膜，润滑较好，常用于高速凸轮机构，但不能用于凸轮轮廓有内凹的情况。
3. 按从动件的运动形式分类
（1）直动从动件（移动从动件）：如图6-1a、c、d所示，从动件按一定的运动规律做往复直线运动。对于盘形凸轮，如果从动件导路的中心线通过凸轮的回转中心，称为对心直动从动件凸轮机构，如图6-1a所示；反之称为偏置直动从动件凸轮机构。
（2）摆动从动件：如图6-1b所示，从动件按一定的运动规律绕轴线做往复摆动。
6.2 从动件的常用运动规律
凸轮机构设计的任务是根据工作要求选定凸轮机构的类型、确定从动件的运动规律并根据从动件的运动要求设计凸轮轮廓。
6.2.1 凸轮轮廓与从动件运动的关系
如图6-2所示为一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构，凸轮上以最小向径rb为半径所作的圆称为凸轮基圆，rb为基圆半径。图示位置为从动件处于的最低位置，当凸轮以等角速度ω逆时针转动时，从动件开始上升，当凸轮转过时，从动件被推到最高的位置，这一过程称为推程，为推程运动角，用φT表示，AB'为从动件的最大位移，称为升程，用h直链烷基苯表示；
(a) (b)
图6-2 凸轮与从动件运动的关系
当凸轮继续转过时，从动件将停留在最高位置处不动，这一过程被称为休止，称为远程休止角，用φS表示；
凸轮再继续转过时，从动件将从最高位置下降亚克力抽奖箱h返回最低位置，这一过程称为回程，称为回程运动角，用φH表示；
凸轮继续转过时，从动件在最低位置处停留不动，这一过程仍称为休止，为近程休止角，用φS' 表示。
凸轮旋转360º，完成一个工作循环，随着凸轮的继续转动，从动件将重复升、停、降、停的上述运动循环。
以凸轮的转角φ1为横坐标，以从动件的位移s2为纵坐标，可绘制出从动件随凸轮轮廓的位移曲线，如图6-2b所示（图中AB、CD段由凸轮轮廓决定，不一定为直线）。由于凸轮匀速转动，凸轮的转角φ1与时间成正比，因此横坐标φ1也可以用时间t表示。
6.2.2 常用的从动件运动规律
从动件的运动规律是指从动件的位移s、速度v和加速度a随时间t的变化规律。从动件的运动规律较多，下面介绍两种基本的运动规律。
氟硅酸钙1. 等速运动规律
从动件运动速度不变的运动规律，为等速运动规律，如图6-3所示为从动件在推程中的等速运动规律曲线。由于速度不随着时间的改变而变化，因此速度曲线v-t为水平线；根据位移公式s=vt，则位移曲线s-t为过原点的斜直线；由于从动件等速运动，其加速度为零。
为了便于设计，常把公式中的时间t转变为凸轮转角φ进行计算，其表达式为：
（6-1）
式中，的变化区间为：0≤≤
6-3 等速运动规律 图6-4 等加速等减速运动规律
从动件在推程开始和结束时，速度会在瞬间突变，其加速度在理论上为无穷大，使从动件产生很大的惯性力，致使凸轮受到很大的冲击，这种冲击称为刚性冲击，因此等速运动规律只适用于轻载、低速的凸轮机构。
为了改善刚性冲击的影响，可将位移曲线的两端用圆弧或其他曲线进行修正，以避免速度的突变。
2. 等加速等减速运动规律
从动件在推程的前半个行程作等加速运动，后半个行程作等减速运动，为等加速等减速运动规律，通常加速度和减速度的绝对值相等。
如图6-4所示为从动件在推程中的等加速等减速运动规律曲线，由于加速度与减速度的绝对值相等，并且等加速段的初速度与等减速段的末速度均为零，因此在推程中，等加速度上升的时间与等减速度上升的时间相等，上升的距离也相等，均为h/2。
根据公式：vt=v0+at，s=v0t+at2/2，且把公式中的时间t转变为凸轮转角φ进行计算，其推程等加速段的运动方程式为：
（6-2）
式中，的变化区间为：0≤≤/2
同样地，可导出推程等减速段的运动方程式为：
（6-3）
式中，的变化区间为： /2<≤
根据位移方程，当=1，2，3…时，各段s之比分别为1∶4∶9…，因此从动件的位移曲线可以用作图法画出。图6-4的s-t曲线中，将等加速上升转角/2分为三等分1、2、3，三个等分点对应的纵坐标之比分别为1∶4∶9（同理可对等减速段进行等分），可借助坐标系外的辅助线O0按比例等分纵坐标，可求得位移曲线。
由加速度曲线可知，从动件在等加速等减速过渡时以及升程的始末，即图6-4的a-t曲线中
的A、B、C点处，加速度均发生有限值的突变，引起惯性力有限的突变，从而引起冲击，这种冲击称为柔性冲击。因此，等加速等减速运动规律适用于中、低速场合，不适合高速。
6.3 凸轮机构的图解法设计
6.3.1 图解法设计凸轮轮廓
当凸轮机构工作时，凸轮与从动件都是运动的。在设计时常采用“反转法”，使凸轮假想地处于静止状态。
如图6-5胎角所示，一尖顶对心直动从动件盘形凸轮以逆时针方向转动，转速为。假想地给整个凸轮机构加上一个转速相同、但方向相反的转速，凸轮与从动件的相对运动关系并没有改变。此时，凸轮静止，而从动件则变成一方面随着导路以角速度绕O轴旋转，另一方面还仍然在导路中按预定规律往复运动。当从动件以反转一圈后，其尖顶的运动轨迹便是凸轮轮廓曲线。
这种将凸轮看成静止，而假想地让从动件与导路反转的凸轮轮廓设计方法称为反转法。
图6-5 反转法
1. 尖顶对心直动从动件盘形凸轮设计
一尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构，已知从动件的运动规律如图6-6a所示，凸轮的基圆半径为rb，以角速度ω逆时针转动，要求设计该凸轮轮廓曲线。
用“反转法”进行设计，步骤如下：
（1）取与位移曲线相同的比例尺，以rb为半径画出基圆，基圆与导路的交点0' 便是从动件尖顶起点位置。如图6-6b所示。
（2）在从动件的运动规律曲线上，将推程角和回程角等分。本例将推程角等分4份，将回程角等分3份，每份均30º，得1、2、3、4、5、6、7、8点（点分得越多结果越精确）。
（3）自o0'开始沿方向依次取推程角120º、远程休止角60º、回程角90º及近程休止角90º，并将推程角和回程角分成与图6-6a对应的若干份，得到图6-6b所示基圆上的点1、2、3…8，连接各径向线o1、o2、o3…o8，得到从动件反转后的一系列位置。
（4）径向线自基圆开始量取从动件沿导路的位移量，即量取图6-6a中的11'等于图6.6b中的11'，22'=22'…，得到图6-6b所示的凸轮轮廓各点1'、2'、3'…。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议