機械設計基礎凸輪機構
導語：滾子從動件凸輪機構由凸輪、滾子、從動件、復位彈簧和機架等組成，是一個複雜的多自由度系統，以下小編為大家介紹機械設計基礎凸輪機構文章，歡迎大家閱讀參考!
機械設計基礎凸輪機構
設計凸輪機構時常將機構各組成構件看作剛體進行靜態設計，對低速凸輪機構可滿足工程實際要求。凸輪機構高速運轉時，構件的彈性變形、質量和慣性力變化會導致輸出端運動規律偏離預期要求，產生不容忽視的動態運動偏差，並伴隨衝擊、振動和噪聲，採用靜態設計方法已不能滿足設計要求，因此應進行動態設計。從動件能否精確實現預定要求決定凸輪機構設計好壞，同時也是凸輪輪廓曲線設計依據。凸輪廓線設計方法有作圖法和解析法兩種。作圖法簡便、直觀，但誤差較大、不精確，只適用於低速或不重要場合;對於高速凸輪或對精確度1要求較高凸輪，需用解析法設計，並藉助計算機程式設計軟體精確計算凸輪廓線各點座標值，以便在數控機床上精確加工。由於高速凸輪機構不再把各組成構件看作剛體，從動件輸出端和從動件與凸輪接觸點的運動規律不相等，因此提出依據凸輪機構動力學方程反求從動件與凸輪接觸點運動規律，進而獲得凸輪輪廓曲線來精確保證從動件輸出端運動規律的方法，並用例項證明方法可靠性和實用性。
1 凸輪機構的動力學模型
滾子從動件凸輪機構由凸輪、滾子、從動件、復位彈簧和機架等組成，是一個複雜的多自由度系統，形成的微分方程組求解十分困難。考慮到實際結構中凸輪和凸輪軸、滾子的剛性較大，忽略彈性變形，因此可將多自由度系統簡化為等效彈簧-質量-阻尼單自由度系統(圖 1)進行研究。簡化方法是將各構件的動力學要素向機構工作端轉化，轉化原則是不改變該構件力學特性，即轉化前後動能不變求等效質量、勢能不變求等效剛度，模型構件間無傳動比時各構件的質量累加、有傳動比時消去傳動比，剛度按構件連線形式進行等效計算。
2 凸輪輪廓線的動態設計
高速凸輪機構要求工作時的衝擊與振動較小，因此需採用加速度曲線沒有突變的運動規律。分析現有凸輪機構常用運動規律可知，擺線運動規律(正弦加速度運動規律)為正弦曲線，在運動起始和終了階段加速度為 0，沒有衝擊，機構執行的平穩性較好，以此運動規律為例說明本文的方法。
按前述方法求得凸輪與從動件接觸點處的位移 s 後，依據凸輪基圓的.大小按一定比例尺繪製基圓，並等分相應的推程角、回程角，按文獻[5]方法找到對應等分點的工作位置，各位置點擬合為光滑曲線，即可獲得原設計下考慮動力學行為的凸輪輪廓線。
3 例項
已知某偏置尖端從動件凸輪機構的從動件輸出端按升-停-回-停的運動特徵作往復直線運動，升程和回程段均按擺線運動規律運動。從動件行程為 20 mm，推程和回程角均為 120，遠休止和近休止角均為 60。推杆材料 45 鋼，凸輪軸材料 HT25(0灰口鑄鐵)，凸輪材料 40Cr，表面淬火。凸輪轉速 n=1200 r/min，從動件剛度 k=5000 N/mm，復位彈簧剛度 80 N/mm，外載荷 F=500 N(不計阻尼、彈簧質量、機架彈性和凸輪機構間隙)，偏心距 e=12 mm，基圓半徑 rb=80 mm，滾子半徑 rr=10 mm;=0.25。
4 結論
本文以動力學理論為基礎，建立凸輪機構的動力學模型及其運動方程式，匯出從動件出端的運動規律下凸輪與從動件接觸點的運動規律，以此為依據設計凸輪輪廓曲線，用擺線運動規律的偏置滾子從動件凸輪機構進行模擬驗證，並討論機構工作頻率對凸輪廓線的影響。模擬結果表明，凸輪機構工作過程中凸輪與從動件接觸點位移和從動件的輸出位移存在一定偏差，用本文的方法對凸輪廓線進行修正後可精確再現從動件輸出端運動規律，提高凸輪機構運動的可靠性，是凸輪機構設計的新嘗試。
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