机械设计基础
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机械设计基础 (上 ). 200 5 年 3 月. 机械概述. 机械的重要性 机器的组成 通用零件与常见机构 机器的特征 机械设计基础课程主要内容与要求 思考题. 返回. *机械的重要性. 1、日常生活离不开机械---洗衣机、缝纫机、冰 箱、电梯、电脑等。 2、现代生产中起重要作用----汽车、生产自动线、 机床等 3、机械发展程度是一个国家工业水平的重要标志 4、工程技术人员必须掌握一定机械基础知识. 返回. 机器的组成. 内燃机—由 齿 轮、轴、凸轮、弹簧、连杆、机架组成。. 内燃机

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Presentation Transcript

机械设计基础(上)

2005年 3月


机械概述

  • 机械的重要性

  • 机器的组成

  • 通用零件与常见机构

  • 机器的特征

  • 机械设计基础课程主要内容与要求

  • 思考题

返回


*机械的重要性

1、日常生活离不开机械---洗衣机、缝纫机、冰

箱、电梯、电脑等。

2、现代生产中起重要作用----汽车、生产自动线、

机床等

3、机械发展程度是一个国家工业水平的重要标志

4、工程技术人员必须掌握一定机械基础知识

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机器的组成

内燃机—由齿轮、轴、凸轮、弹簧、连杆、机架组成。

内燃机

—由连杆机构、齿轮机构、凸轮机构组成。


打油机

打油机

—由电机、带传动、减速器(齿轮机构)、曲柄摇杆机构等组成


原动机部分

传动部分

执行机构

控制部分

机器的组成

传动部分:有机械的、液压的、气动的和电气的等

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机械传动装置

机构

构件

零件

机械传动装置的组成

组成机器的不可拆卸的基本单元,是制造单元

机构中的运动单元,具有独立运动特性

连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等

在各类机械中都经常遇到的零件。齿轮、螺栓、轴承、轴等

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*输送机

返回


*减速器

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*机器的特征

  • 机器---具有的特征为:

  • (1)它是若干人为实体的组合;

  • (2)各实体之间具有确定的相对运动;

  • (3)能代替或减轻人的体力或脑力劳动,提高效率。

  • 机构---仅具有机器的前两个特征。

  • 机械---通常是机器与机构的统称。

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*机械设计基础课程主要内容与要求

  • 主要内容:

  • 常用机构和通用零件的工作原理、结构特点、基本设计理论和计算方法。

  • 主要要求:

  • 掌握常用机构的结构、运动特性,初步具有分析和设计简单常用机构的能力。

  • 掌握通用零件的工作原理、结构特点及维护基本知识,具有设计简单传动装置的能力。

  • 具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力。

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*思考题0

机构与机器具有的共同特征为:

(1)它们都是若干实体的;

(2)各实体之间具有;

而机器还具有:

(3)能代替人类完成有用的特征。

构件和零件不同:

(1)零件是组成机构的单元;

(2)构件是组成机构的单元。构件可以是

一个零件,也可以是多个零件的刚性组合。

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机械设计基础主要内容

平面机构的运动简图及自由度

  • 平面连杆机构

  • 凸轮机构

  • 间歇运动机构

  • 齿 轮 传 动

  • 齿 轮 系

  • 带 传 动

  • 链 传 动

  • 轴/轴承/联轴器

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Unit1
Unit1 平面机构的运动简图及自由度

  • 平面机构的构成

  • 自由度计算

  • 机构简图

    思考题与作业

返回


一、平面机构的构成

构件与运动副

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Z

Z

O

O

Y

Y

X

X

1、构件及其自由度

构件—机构中的运动单元

构件自由度—构件可能出现的自由度。

物体在空间皆有六个自由度。

平面运动构件只有三个自由度。

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2、运动副与约束

约束—对物体运动的限制

运动副(kinematics pairs)—使两个构件直接接触而又彼此有一定相对运动 的联接

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Lower pairs or full joint
低副(lower pairs or full joint)

使两构件通过面接触形成的运动副。

引入两个约束,保留一个自由度。

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Higher pairs or half joint
平面高副(higher pairs or half joint)

使两构件通过点或线接触形成的运动副

引入一个约束,保留两个自由度。

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空间运动副

螺旋副、

球面副等

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二、自由度计算

1、平面机构的自由度---机构中各构件相对于机架的所能有的独立运动的数目。

F=3n-2PL-PH

n—机构中,可动件个数

PL—低副个数

PH—高副个数

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例 题

返回


3、自由度计算注意事项

(1)复合铰---K个构件铰接,含有(K-1)个转动副

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练 习

是否有复合铰链存在?机构有几个自由度?

F=3×5-2×7-0=15-14=1

F=3×5-2×7-0=15-14=1

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自由度计算注意事项(续)

(2)局部自由度---预先排除

返回


自由度计算注意事项(续)

(3)虚约束---有些运动副带入的约束是重复的,排除。

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练 习

返回


构件系统具有确立运动的条件

通过构件自由度的计算可知,构件成为机构的

必要条件为F>0

构件自由度是机构中各构件相对机架所具有的

独立运动的个数.

从动件是不能独立运动的

运动是由主动件提供的

机构自由度F=主动件个数

构件系统成为机构的充分必要条件:

(1)F>0; (2)原动件个数=自由度

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三、机构简图

机构件图----用特定的构件和运动副符号绘制的表示机构运动特性的简图—用于机构运动分析

1、运动副符号

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3、机构简图

简图绘制步骤:

(1)选择合理的视图平面

(2)确定机构中包含常见机构的类型

(3)确定运动副的种类

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例 题

F=3n-2PL-PH=3×5-2×6-2=1

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例 题

简易冲床

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练 习

卡车自动卸车机构

手摇唧筒

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练 习

返回


4、机构中构件分类

原动件(主动件)--有驱动力或运动规律已知的构件。

从动件--除主动件外,随主动件运动而运动的构件。

机架(固定构件)--机构中固定于定参考系的构件。

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思考题

  • 两构件通过接触形成的运动副称为低副。低副又分和。

  • 两构件通过或接触形成的运动副称为高副

  • 平面机构中每个高副引入约束,保留自由度;而每个低副引入约束,保留自由度。

  • 构件系统成为机构的必要充分条件为构件系统的自由度F,且原动件件数构件系统的自由度数。

  • 所有构件均在运动的机构称为平面机构。

  • 由运动副联接组成的构件系统(A,一定,B,不一定,C,一定不)是机构。

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作 业

  • 计算图示机构自由度,并指出局部自由度和虚约束

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Unit 2
Unit 2 平面连杆机构

  • 铰链四杆机构的基本组成

  • 铰链四杆机构的演化

  • 平面四杆机构的基本特性

  • 平面四杆机构的设计

    思考题与作业

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2

1

3

4

一、铰链四杆机构的组成

平面连杆机构(planar link)—所有构件均作平行于某一平面的运动,且构件之间只有低副连接。

1、铰链四杆机构的组成

机架—固定不动构件

连架杆—与机架以运动副相连的杆

曲柄---能做整周转动

摇杆---摆动一定角度

(曲柄摇杆、双曲柄、双摇杆)

连杆—不直接与机架相连的杆

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2、铰链四杆机构的基本形式

(1)曲柄摇杆机构

(crank-rocker)

(2)双摇杆机构

(double-crank)

(3)双曲柄机构

(double-rocker)

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二、铰链四杆机构的演化

1、一个转动副转化为移动副(自由度个数不变)

返回





2、两个转动副转化为移动副

自由度个数仍然不变

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2

2

2

1

2

1

4

3

3

1

1

4

3

3

4

4

四杆机构取不同构件为机架的派生型式

曲柄滑块机构

曲柄移动导杆机构

曲柄摇杆机构

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3、曲柄摇杆机构的演化

(1)取不同构件为机架,曲柄摇杆机构、双曲柄、双摇杆可以相互演化

曲柄摇杆

双曲柄

双摇杆

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2 grashof

2

2

2

3

1

1

1

3

3

4

4

4

(2)曲柄存在的条件(GRASHOF)

(a)最短杆+最长杆≤其他两杆长度之和---格拉肖夫判别式

以最短杆为机架时----必为双曲柄机构

以最短杆的相邻杆为机架时----必为曲柄摇杆机构

以最短杆的对面杆为机架时----必为双摇杆机构

(b)不满足格拉肖夫判别式时,以任何杆为机架,皆为双摇杆机构

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B

C

2

1

3

4

A

D

例 题

例:AB=30,BC=50,CD=40,AD=45,

取不同杆为机架时,分别为何种机构

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4、曲柄滑块机构的演化

取不同构件为机架

曲柄转动(摆动)导杆

曲柄滑块

曲柄摇块

定块机构

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3

2

1

4

摆动导杆机构实例

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曲柄摇块与定块机构实例

曲柄摇块

定块机构

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5、曲柄移动导杆机构演化

双滑块机构

曲柄移动导杆机构

双转块机构

摆动导杆滑块机构

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摆动导杆滑块机构与双转块机构实例

摆动导杆滑块机构

双转块机构

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三、平面四杆机构的基本特性

1、急回特性—速度与效率

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行程速度变化系数K

C点平均速度:

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极位夹角θ

极位夹角θ:输出件位于两极限位置时,对应输入件曲柄两位置之间的夹角(锐角)。

连杆机构具有急回特性的条件:1)输入件整周转动,2)输出件往返运动,3)极位夹角θ >0。

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2、压力角与传动角—力与效率

机构压力角α:不计摩擦、惯性和重力时,从动件上某点所受作用力的方向与该点速度方向之间所夹的锐角。

压力角α,愈小愈好

机构传动角γ:压力角的余角,γ=900-α。(度量方便,γ愈大愈好,一般γ>400,大功率γ>500)

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3、死点

死点:α=900位置。

1)此时无论驱动力多大,不能驱动从动件,应予以避免。

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死点分析

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四、平面四杆机构的设计(几何法)

1、给定连杆位置时,四杆机构的设计

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2、给定K时四杆机构的设计

例:已知摇杆长度LCD,摇杆摆角ψ及行程速度变化系数K,设计曲柄摇杆机构。(1) LCD=1.5m,ψ=300,K=1.5;

(2) LCD=150mm,K=1。

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3、给定运动轨迹时四杆机构的设计

连杆曲线是一条高次方的代数曲线,一般借助连杆曲线图谱来设计四杆机构

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思考题四/1

  • 格拉肖夫判别式是指:铰链四杆机构中最短杆与最常杆长度之和其他两杆长度之和。

  • 机构的压力角指:从动件上某点所受的方向与该点的方向所夹锐角,设计机构时注意控制最大压力角αmax 许用压力角。

  • 机构传动角γ指:压力角的,γ值愈愈好,理想情况γ=。

  • 机构处于死点位置时,机构的压力角α=度。

  • 在杆长不等的铰链四杆机构中,若L1=L2=L3<L4,且四边长顺序铰接,则以L4为机架时,该机构是机构。

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思考题四/2

  • 在杆长不等的铰链四杆机构中,若L1=L2=L3>L4,且四边长顺序铰接,则:以L4为机架时,该机构是机构;以L3为机架时,该机构是机构;以L2为机架时,该机构是机构。

  • 曲柄摇杆机构中,曲柄为主动件。当从动件处于两极限位置时,(A,摇杆,B,曲柄,C,连杆)在该两位置时所夹的锐角为极位夹角。

  • 曲柄摇杆机构中,当(A,曲柄,B,摇杆)为主动件,在曲柄与(A,机架,B,连杆)共线时,机构处于死点位置。此时机构的压力角=900。

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思考题四/3

  • 四杆机构中,已知各杆长度,LAB=40mm,LBC=90mm,LCD=60mm,LAD=80mm。试问:固定杆,为曲柄摇杆机构;固定杆,为双曲柄机构;固定 杆,为双摇杆机构。

  • 当行程速比系数K=(A,〈1,B,=1,C,〉1)时,表明该机构具有急回特性。

  • 什么是极位夹角?它与行程速度比系数K有什么关系?K=1表示什么意义?

  • 机构的什么位置叫死点?用什么方法使机构通过死点?

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作业四

  • 判别下列机构的类型(构件1为原动件) 。

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作业四

  • 画出机构在图示位置的压力角及传动角(标出转向的构件为主动件),并判断机构有无死点。

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Unit 3
Unit 3 凸轮机构

  • 凸轮机构分类与应用

  • 盘形凸轮机构几何参数

  • 常用从动件运动规律

  • 盘形凸轮轮廓曲线设计

  • 凸轮机构设计应注意的问题

    思考题与作业

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一、凸轮机构分类与应用

1、按凸轮(cam)形状分类:盘形、圆柱、移动凸轮

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从动件形状与运动

2、从动件的形状:尖顶(mushroom)、滚子(rotation)、平底(flat)

3、从动件运动:移动(translating)、摆动(oscillating)

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4、凸轮与从动件保持接触方式

力封闭、形封闭

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h

二、盘形凸轮机构几何参数

1、凸轮基圆r0—以凸轮轮廓曲线的最小向径r0为半径所作的圆。

2、升程h—从动件远离凸轮 中心时,移动的距离。

δ0—推程运动角,

δS—远休止角。

3、回程h—从动件移向凸轮中心的行程。

δh—回程运动角,

δS’—近休止角。

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4、从动件位移曲线

从动件运动规律—从动件位移、速度、加速度随时间变化的规律,即s(t)、υ(t)、a(t)。因为δ=ωt,通常用s(δ)、υ(δ)、a(δ)表示从动件运动规律。

从动件位移曲线—从动件位移s与凸轮转角δ之间的关系曲线s(δ) 。

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5、盘形凸轮轮廓设计方法

设计对心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓:凸轮顺时针转动,基圆半径为r0,从动件运动符合图示位移曲线规律。

反转法

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例 题

例1:设计一对心移动尖顶从动件盘形凸轮,已知:凸轮以等角速度顺时针回转,凸轮基园半径 r0 =40mm, δ0=1500, δS =300, δh =1200, δS’ =600,从动件运动规律如下图所示,行程h=20mm,试用图解解法绘出凸轮的轮廓。

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例 题

例2:图示为一对心移动尖顶从动件单圆弧盘形凸轮(偏心轮)机构,偏心轮几何中心O’距离凸轮转动轴心O为 loo’=15mm,偏心轮半径 R=30mm,凸轮以等角速顺时针转动,试作出从动件位移图s2-。

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三、常用从动件运动规律

1、等速运动规律

s(δ)= CS δ

υ(δ)=Cυ

a(δ)= 0

特点:

1)刚性冲击—从动件在某瞬时速度突变,其加速度及惯性力在理论上均趋于无穷大。

2)只适用于低速轻载的凸轮机构。

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2、等加速等减速运动规律

s(δ)= CS δ2

υ(δ)=Cυ δ

a(δ)= Ca (常数)

特点:

1)柔性冲击—从动件在某瞬时加速度发生有限值的突变所引起的冲击。

2)适用于中、低速的凸轮机构。

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3、简谐(余弦加速度)运动规律

s(δ)=h(1-cosδ/δ0)/2

υ(δ)=Cυ sinδ/δ0

a(δ)= Cacosδ/δ0

特点:

1)仅在运动始末两处有柔性冲击。

2)适用于高速凸轮机构。

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四、盘形凸轮轮廓设计

1、设计对心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓:设计一对心移动尖顶从动件盘形凸轮,已知:凸轮以等角速度顺时针回转,凸轮基园半径 r0 =40mm, δ0=1500, δS =300, δh =1200, δS’ =600,从动件运动规律在推程作匀速运动,在回程作等加速等减速运动,行程h=20mm,试用图解解法绘出凸轮的轮廓。

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四、盘形凸轮轮廓设计

r0 =40mm,

δ0=1500,

δS =300,

δh =1200,

δS’ =600,

ds’

δ0

δh

δs

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2、对心移动滚子从动件盘形凸轮轮廓设计

理论轮廓基圆半径

r’0=r0+rT

rT=10mm

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4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

e=10mm

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5、摆动从动件盘形凸轮轮廓设计4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

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五、凸轮机构设计应注意的问题4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

1、滚子半径的选择

2、凸轮压力角的选择与检验

凸轮压力角α —凸轮处于某一位置时,对从动件的法向推力F与从动件受力点的速度方向所夹锐角。

自锁-- α 增大到一定程度时,工作推力F引起的摩擦阻力大于有效分力Ft时,无论F多大,从动件都不能运动。

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凸轮机构设计应注意的问题(续)4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

αmax≤ [α]推程:移动从动件:[α]=300

摆动从动件:[α]=450

回程: [α]=800(无自锁问题)

3、基圆半径的确定

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思考题五4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

  • 按凸轮形状分类,凸轮机构分、、。

  • 凸轮机构中,使凸轮与从动件保持接触的方法有:和。

  • 凸轮机构从动件运动规律是从动件、、随变化规律;当凸轮作匀速转动时,亦可表达为随凸轮变化规律。

  • 凸轮机构从动件瞬时加速度发生的突变所引起的冲击为柔性冲击;而瞬时加速度发生的突变所引起的冲击为刚性冲击。

  • 以凸轮轮廓的所作的圆称为凸轮的基圆,凸轮实际廓线必须满足能严格实现的运动规律。


作业五4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

  • 设计一对心移动尖顶从动件盘形凸轮,已知:凸轮以等角速度顺时针回转,凸轮基园半径 r0 =40mm, δ0=1500, δS =300, δh =1200, δS’ =600,从动件运动规律在推程作等加速等减速运动,在回程作匀速运动,行程h=20mm,试用图解解法绘出凸轮的轮廓。


Unit 4
Unit 4 4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计间歇运动机构

  • 间歇运动机构

  • 棘轮机构

  • 槽轮机构

  • 不完全齿轮机构

  • 凸轮式间歇机构

    思考题与作业

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间歇运动机构4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

主动件作连续运动,从动件作周期性时动、时停间歇运动。

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一、棘轮机构4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

棘轮机构组成:棘轮、摇杆、棘爪、止动爪

1、单动棘轮机构

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2、双动棘轮机构4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

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3、可变向棘轮机构4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

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4、摩擦式棘轮机构4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

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应用实例4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

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应用实例4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

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二、槽轮机构4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

1、外啮合槽轮机构

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2、内啮合槽轮机构4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

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槽轮机构应用4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

刀架转位槽轮机构

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三、不完全齿轮机构4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

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四、凸轮式间歇机构4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

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思考题六4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计

  • 将主动件的连续运动变为从动件时动时停运动的机构称为机构。

  • 间歇运动机构为主动件作,运动,而从动件作周期、 间歇运动。

  • 常见间歇运动机构有、、和四种。

  • 棘轮机构由、和组成。

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