贵州大学机械原理教案第九章1.docx
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贵州大学机械原理教案第九章1
贵州大学教案
课程名称:
机械原理
授课教师
***
所在单位
机械基础教研室
课程类别
课堂理论教学
授课时间
0~0学年1学期周
授课内容
第九章凸轮机构及其设计
授课对象
机械学院XXXX班、选课人
教学内容提要
第一节 凸轮机构的应用、特点及分类
1.凸轮机构的应用
凸轮机构是由具有曲线轮廓或凹槽的构件,通过高副接触带动从动件实现预期运动规律的一种高副机构。
它广泛地应用于各种机械,特别是自动机械、自动控制装置和装配生产线中。
在设计机械时,当需要其从动件必须准确地实现某种预期的运动规律时,常采用凸轮机构。
常用于将“简单转动”→“复杂移动”、“复杂摆动”、“与其它机构组合得到复杂的运动”。
内燃机的配气机构
图示为内燃机配气凸轮机构。
具有曲线轮廓的构件1叫做凸轮,当它作等速转动时,其曲线轮廓通过与推杆2的平底接触,使气阀有规律地开启和闭合。
工作对气阀的动作程序及其速度和加速度都有严格的要求,这些要求都是通过凸轮的轮廓曲线来实现的。
当凸轮运动时,通过其上的曲线轮廓与从动件的高副接触,可使从动件获得预期的运动。
自动机床的进刀机构
实现有特定运动规律要求的工作行程
自动机床上的进刀机构,就是利用凸轮机构实现复杂运动规律的一个实例。
通常刀具的进给运动包括以下几个动作:
到位行程:
即刀具以较快的速度接近工件的过程式
工作行程:
即刀具等速前进切削工件的过程;
返回行程:
即刀具完成切削动作后快速退回的过程;
停歇行程:
即刀具复位后停留一段时间,以便进行更换工件等动作,然后开始下一个运动循环。
这样一个复杂的运动规律,就是由一摆动从动件圆柱凸轮机构来实现的。
教学内容提要
2.凸轮机构及其特点
(1)凸轮机构的组成
凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。
凸轮通常作等速转动,但也有作往复摆动或移动的。
推杆是被凸轮直接推动的构件。
因为在凸轮机构中推杆多是从动件,故又常称其为从动件。
凸轮机构就是由凸轮、推杆和机架三个主要构件所组成的高副机构。
(2)凸轮机构的特点
1)优点:
只需改变凸轮廓线,就可以得到复杂的运动规律;设计方法简便;构件少、结构紧凑;与其它机构组合可以得到很复杂的运动规律
2)缺点:
凸轮廓线与推杆之间为点、线接触,易磨损,所以凸轮机构多用在传力不大的场合。
从动件的行程不宜过大;特殊的凸轮廓线有时加工困难。
3.凸轮机构的分类
凸轮机构的类型很多,常就凸轮和推杆的形状及其运动形式的不同来分类。
(1)按凸轮的形状分
(1)盘形凸轮 这种凸轮是一个绕固定轴转动并且具有变化向径的盘形零件,如。
当其绕固定轴转动时,可推动从动件在垂直于凸轮转轴的平面内运动。
它是凸轮的最基本型式,结构简单,应用最广。
(2)移动凸轮
当盘形凸轮的转轴位于无穷远处时,就演化成了图示的移动凸轮(或楔形凸轮)。
凸轮呈板状,它相对于机架作直线移动。
在以上两种凸轮机构中,凸轮与从动件之间的相对运动均为平面运动,故又统称为平面凸轮机构。
(3)圆柱凸轮
如果将移动凸轮卷成圆柱体即演化成圆柱凸轮。
图示为自动机床的进刀机构。
在这种凸轮机构中凸轮与从动件之间的相对运动是空间运动,故属于空间凸轮机构
图中具有曲线凹槽的构件叫凸轮,当它作等速回转时,其上曲线凹槽的侧面推动从动件绕O点作复摆动,通过扇形齿轮和固结在刀架上的齿条,控制刀架作进刀和退刀运动。
刀架的运动规律则取决于凸轮上曲线凹槽的形状。
教学内容提要
2.按照从动件的形状分类
尖端从动件
从动件的尖端能够与任意复杂的凸轮轮廓保持接触,从而使从动件实现任意的运动规律。
这种从动件结构最简单,但尖端处易磨损,故只适用于速度较低和传力不大的场合。
滚子从动件
为减小摩擦磨损,在从动件端部安装一滚轮,把从动件与凸轮之间的滑动摩擦变成滚动摩擦,因此摩擦磨损较小,可用来传递较大的动力,故这种形式的从动件应用很广。
平底从动件
从动件与凸轮轮廓之间为线接触,接触处易形成油膜,润滑状况好。
此外,在不计摩擦时,凸轮对从动件的作用力始终垂直于从动件的平底,受力平稳,传动效率高,常用于高速场合。
缺点是与之配合的凸轮轮廓必须全部为外凸形状。
3.按照从动件的运动形式分类
1)直动推杆。
即往复直线运动的推杆。
在直动推杆中,若其轴线通过凸轮的回转轴心,则称其为对心直动推杆,否则称为偏置直动推杆。
2)摆动推杆。
即作往复摆动的推杆,分为:
摆动尖顶推杆、摆动滚子推杆和摆动平底推杆。
4.按凸轮与推杆保持接触的方法分
1)力封闭的凸轮机构,即利用推杆的重力、弹簧力或其他外力使推杆与凸轮保持接触的。
如
2)几何封闭的凸轮机构,即利用凸轮或推杆的特殊几何结构使凸轮与推杆保持接触。
教学内容提要
凸轮机构的类型选择:
根据使用场合和工作要求选择凸轮机构的类型,是凸轮机构设计的第一步,又称为凸轮机构的型综合。
由于凸轮及从动件的形状有多种,加之从动件的运动形式有移动和摆动之分,凸轮与从动件维持高副接触的方法又有力封闭型和形封闭型两种,故凸轮机构的形式多种多样,这就为合理选择凸轮机构的形式提供可能。
在设计凸轮机构时,应根据使用场合和工作要求的不同加以选择。
(1)各种凸轮机构的特点及使用场合
凸轮机构类型
特点
使用场合
尖端从动件凸轮机构
优点:
结构最简单
缺点:
尖端处极易磨损
只适用于作用力不大和速度较低的场合(如用于仪表机构中),其他场合极少使用。
滚子从动件凸轮机构
优点:
滚子与凸轮廓线间是滚动摩擦,磨损较少,可用来传递较大的动力,
缺点:
加上滚子后结构复杂些。
应用最广。
平底从动件凸轮机构
优点:
平底与凸轮廓线接触处易形成油膜、能减少磨损,受力平稳,传动效率较高。
缺点:
仅能与轮廓曲线全部外凸的凸轮相作用。
适用于高速场合。
盘形凸轮机构
移动凸轮机构
均属于平面凸轮机构。
特点:
凸轮与从动件之间的相对运动是平面运动。
当主动凸轮作定轴转动时,采用盘形凸轮机构;当主动凸轮作往复移动时,采用移动凸轮机构。
结构上较圆柱凸轮机构简单,特别是盘形凸轮机构应用广泛。
教学内容提要
圆柱凸轮机构
属空间凸轮机构。
优点:
凸轮与从动件之间的相对运动是空间运动,当工作要求从动件的移动行程较大时,采用圆柱凸轮机构要比盘形凸轮机构尺寸更为紧凑。
缺点:
结构较盘形凸轮复杂,且不宜用在从动件摆角过大的场合
适用于从动件的运动平面与凸轮轴线平行的场合
力封闭型凸轮机构
优点:
封闭方式简单。
缺点:
当从动件行程较大时,所需要的回程弹簧太大。
适用于各种类型的从动件,且对从动件的运动规律没有限制。
槽凸轮机构
优点:
封闭方式简单,且从动件的运动规律不受限制
缺点:
增大了凸轮的尺寸及重量,且不能采用平底从动件。
等宽和等直径凸轮机构
共同缺点:
当180°范围内的凸轮廓线确定后,另外180°的廓线必须根据等宽或者等径的原则确定,从而使从动件运动规律选择受到限制。
前者只适用于凸轮廓线全部外凸的场合;后者可允许凸轮廓线有内凹部分。
共扼凸轮机构
优点:
从动件的运动规律不受限制,可在360º范围内任意选取。
缺点:
结构比较复杂。
教学内容提要
(2)选择凸轮机构型式时应考虑的因素
1)运动学方面的因素
主要包括:
工作所需要的从动件的输出运动是摆动的还是移动的;从动件和凸轮之间的相对运动是平面的还是空间的;凸轮机构在整个机械系统中所允许占据的空间大小;凸轮轴与摆动输出中心之间距离的大小等等。
例如当工作要求从动件的输出运动是移动时,需选用移动从动件凸轮机构;当从动件的移动距离较大而凸轮机构在整个机械中所允许占据的空间又相对较小时,选择圆柱凸轮机构要比选择盘形凸轮机构更适宜;当工作对360度范围内的运动规律均有要求时,不能选用等宽或等径凸轮机构
2)动力学方面的因素
主要包括:
工作所要求的凸轮运转速度的高低;加在凸轮和从动件上的载荷以及被驱动质量的大小等。
例如:
当工作要求凸轮的转动速度较高时,可选用平底从动件凸轮机构;当工作要求传递的动力较大时,可选用滚子从动件凸轮机构
3)环境方面的因素
考虑凸轮机构运动的环境条件,工作时凸轮机构的环境要求(如噪声、清洁度等)
4)经济方面的因素
考虑加工制造的成本,维护费用等。
在选择凸轮机构型式时,简单性总是首要考虑的因素。
因此在满足运动学、动力学、环境、经济性等要求的情况下,选择的凸轮机构型式越简单越好。
第二节推杆的运动规律
凸轮机构设计的基本任务,是根据工作要求选定合适的凸轮机构的型式、推杆的运动规律和有关的基本尺寸,然后根据选定的推杆运动规律设计出凸轮应有的轮廓曲线。
所以根据工作要求选定推杆的运动规律,乃是凸轮轮廓曲线设计的前提。
以尖端移动从动件盘形凸轮机构为例,说明从动件的运动规律与凸轮廓线之间的相互关系。
基本概念:
基圆——以凸轮的转动轴心O为圆心,以凸轮的最小向径为半径r0所作的圆。
r0称为凸轮的基圆半径。
教学内容提要
推程——当凸轮以等角速度ω逆时针转动时,推杆在凸轮廓线的推动下,将由最低位置被推到最高位置时,推杆运动的这一过程。
而相应的凸轮转角δ0称为推程运动角。
远休——凸轮继续转动,推杆将处于最高位置而静止不动时的这一过程。
与之相应的凸轮转角δ01称为远休止角。
回程——凸轮继续转动,推杆又由最高位置回到最低位置的这一过程。
相应的凸轮转角δ’0称为回程运动角。
近休——当凸轮转过角δ02时,推杆与凸轮廓线上向径最小的一段圆弧接触,而将处在最低位置静止不动的这一过程。
角δ02称为近休止角。
行程——推杆在推程或回程中移动的距离h。
2.推杆常用的运动规律
所谓推杆的运动规律是指推杆在运动时,其位移s、速度v和加速度a随时间t变化的规律。
又因凸轮一般为等速运动,即其转角δ与时间t成正比,所以推杆的运动规律更常表示为推杆的运动参数随凸轮转角δ变化的规律。
推杆常用运动规律主要有如下三类:
(1)多项式运动规律
推杆的多项式运动规律的一般表达式为s=C0+C1δ1+C2δ2+…+Cnδn
式中δ为凸轮转角;s为推杆位移;C0、C1、C2、…Cn为待定系数,可利用边界条件等来确定。
而常用的有以下几种多项式运动规律。
1)一次多项式运动规律
等速运动规律
取n=1的多项式类方程:
s=c0+c1δ;v=c1ω;a=0边界条件:
δ=0,s=0;δ=δ0,s=h;得:
c0=0;c1=h/;得δ0方程:
s=(hδ)/δ0;
v=ωh/δ0=c;
a=0
教学内容提要
等加速等减速运动规律
取n=2的多项式类方程:
s==c0+c1δ+c2δ2;v=c1+2c2ωδ;a=2c2ω2边界条件:
δ=0,s=0;δ=Ф,s=h/2;δ=0,v=0;得待定系数:
c0=0;c1=0;c2=2h/Ф2;等加速段方程:
s=(2hδ2)/δ01;
v=(4hωδ)/δ02;
a=4hω2/δ02
从动件在推程或回程的前半段作等加速运动,后半段作等减速运动。
通常加速度和减速度绝对值相等,位移曲线关于O点对称。
特点:
速度曲线连续,不会产生刚性冲击;因加速度曲线在运动的起始、中间和终止位置有突变,会产生柔性冲击。
适用场合:
中速轻载。
3-4-5次多项式运动规律
取n=5的多项式类方程:
s=c0+c1δ+c2δ2+c3δ3+c4δ4+c5δ5
边界条件:
δ=0,s=0、v=0、a=0;
δ=Ф,s=h、v=0、a=0
位移方程式:
s=(10h/Ф3)δ3-(15h/Ф4)δ4+(6h/Ф5)δ5
位移方程式中多项式剩余项的次数为3、4、5,故称3-4-5次多项式运动规律。
也称五次多项式运动规律。
特点:
速度曲线和加速度曲线均连续无突变,故既无刚性冲击也无柔性冲击。
适用场合:
高速中载。
教学内容提要
(2)三角函数运动规律
简谐运动规律
当质点在(半径R)圆周上作匀速运动时,其在该圆直径上的投影所构成的运动称为简谐运动,由于其加速度曲线为余弦曲线,故又称为余弦加速度运动规律。
特点:
速度曲线连续,故不会产生刚性冲击,但在运动的起始和终止位置加速度曲线不连续,故会产生柔性冲击。
适用场合:
中速中载。
当从动件作无停歇的升--降--升连续停歇运动时,加速度曲线变成连续曲线,可用于高速场合。
位移方程:
(取R=h/2)
S=h(1-cosθ)/2;θ/π=φ/Φ
S=h[1-cos(πφ/Φ)]/2
微分后可求出速度、加速度方程
摆线运动规律
当滚圆沿纵坐标轴作匀速纯滚动时,圆周上一点的轨迹为一摆线。
此时该点在纵坐标轴上的投影随时间变化的规律称摆线运动规律,由于其加速度曲线为正弦曲线,故又称为正弦加速度运动规律。
特点:
速度曲线和加速度曲线均连续无突变,故既无刚性冲击也无柔性冲击。
适用场合:
高速轻载。
位移方程:
取R=h/2π
S=A0B-Rsinθ=AB-Rsinθ
=Rθ-Rsinθ=R(θ-sinθ)
另外:
θ/2π=φ/Φ所以:
S=h[φ/Φ-sin(2πφ/Φ)/2
教学内容提要
(3)组合型运动规律
除上面介绍的推杆常用的几种运动规律外,根据工作需要,还可以选择其他类型的运动规律,或者将上述常用的运动规律组合使用,以改善推杆的运动特性,满足生产上的
在高速凸轮机构中,为了避免冲击,推杆不宜采用加速度有突变的运动规律。
可是如果工作过程又要求推杆必须采用等速运动规律,则在此情况下,为了同时满足推杆等速运动及加速度不产生突变的要求,可将等速运动规律适当地加以修正。
如把推杆的等速运动规律在其行程两端与正弦加速度运动规律组合起来,以使其动力特性得到改善等等。
构造组合型运动规律的一个重要问题是,要保证各段运动规律在衔接点上的运动参数(位移、速度、加速度等)保持连续,在运动的起始和终止处,运动参数满足边界条件
3.推杆的运动规律的选择
在选择或设计从动件规律时,通常需要考虑以下因素:
满足工作对从动件的运动的要求、保证凸轮机构具有良好的动力特性、考虑设计出的凸轮廓线便于加工等。
一般来说,这些因素往往是互相制约的。
因此需要根据工作要求和使用场合等情况分清主次,综合考虑。
工况特点
在工程实际的多数情况下,工作仅要求凸轮的从动件完成一个规定的推程或回程,而对其在推程或回程中的运动规律并无具体的要求。
在这种情况下,初看起来位移曲线的形状似乎并不重要,好像无论选择哪种运动规律都能满足规定的推程或回程。
但是要特别注意,凸轮和从动件正好是机械动力系统的一个环节,而该系统的性能可能就取决于凸轮和从动件的惯性与冲击特性。
因此,从动件的速度曲线、加速度曲线,甚至在某些情况下其跃度曲线的特性也是很重要的。
在选择从动件运动规律时,对这一情况必须加以考虑,而初学者往往容易忽视这一点,凸在轮高速运转的清况下,首先应考虑的因素是使凸轮机构具有良好的动力特性,因此从动件运动规律应从摆线运动规律和
教学内容提要
3-4-5次多项式运动规律中选取,因为它们均既无刚性冲击也无柔性冲击,具有较好的动力特性;在低速轻载的情况下,首先应考虑的因素是凸轮廓线便于加工,其次兼顾其动力特性,因为速度较低,动力特性不是主要的。
例如,在对心平底从动件盘形凸轮机构的情况下,选择简谐运动规律要比选择抛物线运动规律更适宜,因为虽然两者动力特性是相似的,但前者所对应的凸轮廓线较后者更便于加工。
运动特性要求
某些情况下,有时会遇到机械对从动件的运动特性有某些特殊要求,而只用一种常用运动规律又难以满足这些要求的情况,这时应考虑根据运动要求设计新的运动规律。
通常有两条途径:
其一是通过将不同规律运动曲线拼接的方法构造所谓改进型规律;其二是利用多项式推导出满足工作要求的运动规律。
将不同规律的运动曲线拼接起来组成新的运动规律是本章的难点之一。
拼接后所形成的新运动规律应满足下列三个条件:
满足工作对从动件特殊的运动要求;满足运动规律拼接的边界条件,即各段运动规律的位移、速度和加速度值在连接点处应分别相等;使最大速度和最大加速度的值尽可能小。
前一个条件是拼接的目的,后两个条件是保证设计的新运动规律具有良好的动力性能
另一种愈来愈多被采用的方法是利用多项式来设计新的运动规律。
标准的多项式方程为s=C0+C1φ+C2φ2+...+Cnφn其中S为行程,φ为凸轮转角,Ci为常数,它取决于边界条件。
设计时,根据工作对从动件的特殊的运动和动力要求适当地选择边界条件和多项式的次数,就能方便地推导出合适的运动规律。
需要指出的是,随着边界条件增多,解析计算也变得愈复杂。
在工程实际中,通常多采用8次以下的多项式。
动力学要求
许多情况下,一部机器的关键部分可能是远离凸轮从动件的一些构件。
正是在这个远离而不是直接位于凸轮从动件的部位上,工作对其运动或动力特性有某些要求。
在这种情况下,设计凸轮从动件的运动规律时,必须将机器关键部分的运动学特性追溯到凸轮从动件上,以便在设计凸轮廊线之前就建立了一个经过补偿了的从动件运动规律。
教学内容提要
从动件常用运动规律的特点及适用场合:
运动规律
冲击
特性
vmax/(hw/)
amax/(hw2/2)
jmax/(hw3/3)
适用场合
等速
(直线)
刚性
1.00
∞
-
低速轻载
等加等减速
(抛物线)
柔性
2.00
4.00
∞
中速轻载
简谐
(余弦加速度)
柔性
1.57
4.93
∞
中速中载
摆线
(正弦加速度)
无
2.00
6.28
39.5
高速轻载
3-4-5次多项式
(五次多项式)
无
1.88
5.77
60.0
高速中载
在工程实际中,常会遇到机械对从动件的运动和动力特性有多种要求,而只用一种常用运动规律又难于完全满足这些要求的情况。
这时,为了获得更好的运动和动力特性,可把几种常用运动规律组合起来加以使用,这种组合称为运动曲线的拼接。
●组合后的从动件运动规律应满足的条件:
(1)满足工作对从动件特殊的运动要求。
(2)各段运动规律的位移、速度和加速度曲线在连接点处其值应分别相等,避免刚性冲击和柔性冲击,这是运动规律组合时应满足的边界条件。
(3)应使最大速度vmax和最大加速度amax的值尽可能小,以避免过大的动量和惯性力对机构运转造成不利的影响。
教学内容提要
时间分配及备注
本次课总结:
1)根据使用场合和工作要求选择凸轮机构的类型,是凸轮机构设计的第一步,又称为凸轮机构的型综合。
由于凸轮及从动件的形状有多种,加之从动件的运动形式有移动和摆动之分,凸轮与从动件维持高副接触的方法又有力封闭型和形封闭型两种,故凸轮机构的形式多种多样,这就为合理选择凸轮机构的形式提供可能。
在设计凸轮机构时,应根据使用场合和工作要求的不同加以选择。
2)在选择或设计从动件运动规律时,应考虑:
a.是否满足机械的具体工作要求?
b.凸轮机构是否具有良好的动力特性?
c.所设计的凸轮廓线是否便于加工?
另外还有一些其它因素。
而这些因素又往往是互相制约的。
因此,在选择或设计从动件运动规律时,必须根据使用场合、工作条件等分清主次综合考虑,确定选择或设计运动规律的主要根据。
第页
教学目的
及要求
1.了解凸轮机构的类型及各类凸轮机构的特点和适用场合,学会根据工作要求和使用场合选择凸轮机构的类型。
2.掌握从动件几种常用运动规律的特点和适用场合以及不同运动规律位移曲线的拼接方法,学会根据工作要求选择或设计从动件的运动规律。
教学重点
与难点
重点:
1。
根据工作要求和使用场合选择凸轮机构的类型。
2.选择或设计从动件运动规律
教学手段
CAI(动画)、板书(即兴讲解)、结合
参考资料
参看其它有关教材及论文
课后小结
课后根据课堂教学效果总结
作业
习题
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- 贵州 大学 机械 原理 教案 第九