凸轮机构和齿轮机构资料课件.ppt
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1、第7章 凸轮机构和齿轮机构,7.1 概述,7.1.1 凸轮机构的组成 一种高副机构,可将连续转动和移动转换成从动件的移动和摆动。广泛应用于各种机械,尤其是自动机械中。,1.凸 轮具有曲线状轮廓的构件 2.从动件作往复移动或摆动的构件 往复移动直动从动件 往复摆动摆动从动件 3.机 架机构中固定不动的构件,凸轮机构的组成,优点:,只需设计适当的凸轮轮廓,便可使从动件得到所需的运动规律,结构简单、紧凑、设计方便。,缺点:,运动副为点接触或线接触,易磨损,所以,通常多用于传力不大的控制机构。,凸轮传动特点,7.1.2 凸轮机构的分类,1按凸轮的形状分类,(1)盘形凸轮,如图所示。,(2)移动凸轮,如
2、图所示。,(3)圆柱凸轮,如图所示。,2.按从动件的运动方式分类 移动从动件 摆动从动件,3.按从动件端部的结构分类 1.尖底从动件 a)2.滚子从动件 b)3.平底从动件 c),(2)滚子从动件:从动件端部装有可以自由转动的滚子,滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦,借以减小与凸轮轮廓接触表面的磨损。,(3)平底从动件:从动件的端部是一平底,这种从动件与凸轮轮廓接触处在一定条件下易形成油膜,利于润滑,能传动较大的作用力。,(1)尖端从动件:从动件端部以尖顶与凸轮轮廓接触,这种从动件结构最简单,尖顶能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触。,按从动件分类的凸轮机构,当位置要求准确,当受力较大时,当转速较高时,从
3、动件使用的场合,锁合保持从动件与凸轮之间的高副接触。(1)力锁合凸轮机构:依靠重力、弹簧力或其他外力来保证锁合(内燃机配气凸轮机构、刀架送给机构等)。,4、按锁合方式分:,内燃机配气凸轮机构,依靠凸轮和从动件几何形状来保证锁合。,(2)形锁合凸轮机构:,7.2 从动件的常用运动规律,从动件运动规律,是指从动件的位移S、速度v、加速度a、及加速度的变化率(跃度j)随时间 t 或凸轮转角()变化的规律。这种变化的规律可以用线图来表示,既运动线图。,凸轮传动工作过程的有关名词:,基圆以凸轮的最小向径为半径所作的圆称为基圆,基圆半径用rb 表示。凸轮转角;推程、回程、升程h、近停程、远停程;推程运动角
4、0;回程运动角0;远停角s;近停角s;一般推程是凸轮机构的工作行程。,推程、远停程、回程,当凸轮连续转动时,从动件将重复上述运动过程。,0 s 0,近停程,s,7.2.1 等速运动规律,推程的运动方程:,从动件运动的速度为常数时的运动规律,称为等速运动规律(直线运动规律)。,从动件在运动起始位置和终止两瞬时的速度有突变,故加速度在理论上由零值突变为无穷大,惯性力也为无穷大。由此的强烈冲击称为刚性冲击。,实际上,由于构件材料有弹性,加速度和惯性力不至于达到无穷大,但仍将造成强烈冲击。当加速度为正时,它将增大凸轮压力,使凸轮轮廓严重磨损;加速度为负时,可能会造成用力封闭的从动件与凸轮轮廓瞬时脱离接
5、触,并加大力封闭弹簧的负荷。因此这种运动规律只适用于低速,如自动机床刀具进给机构以及在低速下工作的一些凸轮控制机构。,7.2.2 等加速等减速运动规律,从动件在运动过程的前半程做等加速运动,后半程做等减速运动,两部分加速度的绝对值相等,这种运动规律称为等加速等减速运动规律。,简谐运动(余弦加速度)点在圆周上作匀速运动时,它在这个圆的直径上的投影所构成的运动称为简谐运动。加速度有变化柔性冲击,只适于中速。,常用从动见运动规律的比较,7.3 凸轮轮廓线的设计,根据工作条件要求,确定从动件的运动规律,选定凸轮的转动方向、基圆半径等,进而对凸轮轮廓曲线进行设计。设计方法:1.图解法。简便易行、直观,但
6、精度较低,可用于设计一般精度要求的凸轮机构。2.解析法:精度高,但计算量大,多用于设计精度要求较高的凸轮机构。,7.3.1 尖顶对心直动从动件盘形凸轮已知:从动件的运动规律 凸轮的基圆半径 方法:反转法 原理:设想凸轮固定不 动,从动件一方面随导路绕凸轮轴心反方向转动,同时又按给定的运动规律在导路中作相对运动,从动 件尖底的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。,(4)将B0、B1、B2、.连成 光滑的曲线,得要求凸轮轮廓(图a)。,(1)按从动件运动规律作出位移线图(图b),并将横坐标等分分段。,(2)沿1反方向取角度t、h、S,等分,得C1、C2、.点。连接OC1、OC2、.便是从动件导路的各个位置
7、。,(3)取B1C1=11、B2C2=22、.得反转后尖顶位置 B1、B2、A3、.。,实际轮廓曲线,理论轮廓曲线,7.3.2 对心滚子移动从动件盘形凸轮,7.3.3 摆动从动件盘形凸轮 已知:凸轮轴心与从动件的回转中心距a 凸轮基圆半径rb,从动件长 L 凸轮以等角速度逆时针方向转动 从动件的摆角-转角曲线图,绘制方法,7.3.4 凸轮机构设计中的几个问题,设计滚子从动件时若从强度和耐用性考虑,滚子的半径应取大些。滚子半径取大时,对凸轮的实际轮廓曲线影响很大,有时甚至使从动件不能完成预期的运动规律。,1 滚子半径的选择,滚子半径的选择,1)r rr时 r 0这时所得的凸轮实际轮廓为光滑的曲线
8、。,2)r=rr 时r=0,实际轮廓线变尖,极易磨损,不能使用。,3)r rr 时r 0,即实际曲线出现交叉会出现失真。,minrr,min=rr,minrr,一般推荐rT0.8min。为了避免出现尖点,一般要求a35mm。为了结构紧凑可采用滚动轴承。,2、压力角不计摩擦时,凸轮对从动件的作用力(法向力)与从动件上受力点速度方向所夹的锐角。,压力角越小传力越好。自锁当凸轮机构处于压力角大到使有效分力不足以克服摩擦阻力的位置,不论推力多大,都不能使从动件运动。临界压力角机构开始出现自锁时的压力角。,有效分力:有害分力:,为了保证良好的传力性能,设计时应使amax a,许用值a的大小通常由经验确定
9、:推程时:对于直动从动件,取a=30;对于摆动从动件,取a=45;回程时:可取 a=7080;回程时从动件通常受弹簧力或重力的作用,不会引起自锁,可不必校验压力角。,凸轮压力角的测量,3、基圆半径,基圆半径越大,压力角越小。从传力的角度来看,基圆半径越大越好;从机构紧凑的角度来看,基圆半径越小越好。在设计时,应在满足许用压力角要求的前提下,选取最小的基圆半径。通常要求rb(1.62)rs+rg,7.3.5 凸轮的材料、加工及固定,凸轮的材料,凸轮的主要失效形式为磨损和疲劳点蚀。,对凸轮和滚子的材料要求:,工作表面硬度高耐磨有足够的表面接触强度凸轮芯部有较强的韧性,常用的凸轮材料:45 40Cr
10、、20Cr、40CrMnTi,凸轮的加工方法:划线加工微小分度法数控铣床及线切割加工运动加工靠模加工法,凸轮的精度凸轮在轴上的固定 键固定 螺钉固定 法兰盘连接,凸轮的结构,1.凸轮轴,2.整体式,凸轮轴:当凸轮的径向尺寸与轴的直径尺寸相差不大时,凸轮与轴做成一体,整体式凸轮 可调式凸轮,7.4 CAD方法在凸轮轮廓曲线设计中的应用,略,7.5 齿轮机构简介,齿轮传动是用来传递任意两轴间的运动和动力的,它是应用最为广泛的一种机械传动。(1)主要优点 1)适用的圆周速度和功率范围广;2)机械效率高;3)可实现准确的传动比、且传动平稳;4)寿命长;5)工作可靠;6)可实现平行轴、相交轴、交错轴之间
11、的传动;7)结构紧凑。(2)主要缺点 1)要求有较高的制造和安装精度,成本相对较高;2)不适宜于远距离两轴之间的传动。,1、平面齿轮机构直齿轮,内啮合齿轮传动 两齿轮的转动方向相同,齿轮齿条传动 齿条相当于一个半径为无穷大的齿轮,外啮合齿轮传动 两齿轮的转动方向相反,齿轮机构的分类:,平面齿轮机构斜齿轮、人字齿轮,斜齿圆柱齿轮机构 轮齿与其轴线倾斜一个角度,人字齿圆柱齿轮 由两个螺旋角相反的斜齿轮组成,空间齿轮机构圆锥齿轮,直齿圆锥齿轮机构,斜齿圆锥齿轮机构,空间齿轮机构交错轴斜齿圆柱齿轮传动,用于传递两交错轴之间的运动,空间齿轮机构蜗杆蜗轮机构,用于传递两交错轴之间的运动,其两轴的交错角一般
12、为90,一、渐开线形成,7.5.2 渐开线齿廓的形成,二、渐开线特性,2.法线切于基圆.,B,A,rK,rb,3.B点为曲率中心,BK为曲率半径。渐开线起始点A处曲率半径为0。可以证明,4.渐开线形状取决于基圆,5.基圆内无渐开线。,当rb,变成直线。,6.同一基圆上任意两条渐开线的公法线处处相等。,由性质和有:,两条反向渐开线,两条同向渐开线:,B1E1=A1E1A1B1,B2E2=A2E2A2B2,B1E1=B2E2,顺口溜:弧长等于发生线,基圆切线是法线,曲线形状随基圆,基圆内无渐开线。,7.5.3 渐开线齿轮的几何尺寸,1渐开线齿轮各部分的名称,齿顶圆,ra,da,齿根圆,rf,df,
13、齿 厚,任意圆齿厚 si,分度圆齿厚 s,齿槽宽,任意圆齿槽宽ei,分度圆齿槽宽 e,齿 距,任意圆齿距 pi=si+ei,分度圆齿距 p=s+e,分度圆,r,d,齿顶,,齿顶高,ha,齿根,,齿根高,hf,齿全高,h=ha+hf,基圆,rb,db,标准直齿圆柱外齿轮,基圆齿距,Pb、Pn,齿 宽,B,2.主要参数 模数m:由于齿轮的分度圆直径 d 可由其周长 zp 确定,即 d=zp/。为便于设计、计算、制造和检验,令 p/=m,m称为齿轮的模数,其单位为mm。m已标准化了(表7-4),它是决定齿轮大小的主要参数。d=mz,0.35 0.7 0.9 1.75 2.25 2.75(3.25)3
14、.5(3.75)第二系列 4.5 5.5(6.5)7 9(11)14 18 22 28(30)36 45,分度圆压力角,压力角:啮合时Ki点正压力方向与速度方向所夹锐角。我国规定分度圆上的压力角为标准值,=20。离中心越远,渐开线上 的压力角越大。,cos rb/r,齿顶高系数ha*和顶隙系数C*齿顶高系数是决定了齿轮的有效高度,这个高度直接影响着啮合齿轮副的重合度。顶隙:C*.m,在齿轮副中,一个齿轮的齿根圆柱面与配对齿轮的齿顶圆柱面之间在连心线上量度的距离。顶隙的作用有方便存油滑油,防止啮合时齿顶和齿根干涩等作用。,标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸的计算公式,二、渐开线齿廓的传动特性,要使两齿轮
15、作定传动比传动,则两轮的齿廓无论在任何位置接触,过接触点所作公法线必须与两轮的连心线交于一个定点。,两齿廓在任意点K啮合时,过K作两齿廓的法线N1N2,是基圆的切线,为定直线。,传动比i=1/2=O2P/O1P=常数,工程意义:i12为常数可减少因速度变化所产生的附加动载荷、振动和噪音,延长齿轮的使用寿命,提高机器的工作精度。,两轮中心连线也为定直线,故交点P必为定点。在位置K时同样有此结论。,1.渐开线齿廓满足定传动比要求,齿廓间正压力方向不变,N1N2是啮合点的轨迹,称为啮合线,由渐开线的性质可知:啮合线又是接触点的法线,正压力总是沿法线方向,故正压力方向不变。该特性对传动的平稳性有利。,
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