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凸轮从动件运动分析平台

设计者：xxxxxxx
指引教师：xxxxxxxx
xxxxxxxxxx大学
4月

凸轮从动件运动分析平台

设计者：xxxxxxxxxxxxx
指引教师：xxxxxxx
（中南林业科技大学 机电工程学院，长沙410004）
摘要：本设计研究目是解决凸轮机构教学演示问题。依照凸轮机构运动和动力性能，运用机械原理、机械设计等知识设计出能绘出凸轮从动件位移、速度、加速度图绘图平台。本设计重要涉及杆组装置、传动装置、支撑构造和走纸机构设计。拟定装置几何参数、合理选取电机、设计出挡板、传动轴，并对齿轮和输出轴进行了强度校核计算。该设备能对凸轮性能进行测试,具备使用以便、易于理解等长处,能提高学生课堂积极性。
核心词：凸轮—连杆机构；弦线法；从动件运动规律

作品内容简介
本作品是依照本届机械创新设计大赛主题设计，属于教学演示仪器。此设备主体为凸轮—连杆机构，可以绘出凸轮从动件运动规律图。
凸轮从动件运动分析平台是通过三组相隔固定角度凸轮带动一系列杆件运动，从而带动杆件上绘图笔持续平滑画出三条运动曲线，所用原理为弦线法，简朴易懂。 凸轮转速为0.614r/min，是用1400r/min，120W小电机通过五级减速实现。
通过此教学技术平台可以解决凸轮教学演示问题，将动作抽象难以理解凸轮机构清晰呈现出来。

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1 研制背景及意义
凸轮机构基本特点在于只要作出恰当凸轮轮廓，就能使从动件获得较复杂运动规律、实现各种复杂运动（涉及直线、摆动、等速和不等速运动）规定，且构造简朴紧凑，占据空间小，设计比较以便。近年来，各种凸轮机构越来越多，应用越来越广，已经成为一种重要传动机构。但在机械原理凸轮机构教学中，从理论上解说，它动作抽象不好理解，学生们在上学时无法真实清晰地看到它运动轨迹，只能依照已有知识和思维来抽象地描绘。因此在教学中凸轮机构传动成了重点和难点。
2 设计方案
2.1基本设计理念
凸轮机构重要特性是其具有一种曲面轮廓——凸轮，依托凸轮曲面轮廓控制从动件运动规律，加上凸轮转速不同，予以从动件不同速度和加速度，从而使从动件能按预期运动规律运动。
2.2总体设计构想
为了使凸轮构造教学课堂化，让同窗们更直接明了地理解凸轮机构运动规律，咱们设计了凸轮从动件运动分析平台，其可以持续精确地画出从动件位移图、速度图、加速度图，凭借这个多功能小平台，咱们可以清晰地分析凸轮在各个时刻，各个状态下运动状况，更加以便教学，增进并发散学生思维，使整个教学过程更引人入胜。

2.3凸轮运动规律曲线绘制平台总设计方案

凸轮从动件运动分析平台依照制作出凸轮绘制出其从动件运动规律图。对于位移图，该平台可以较为容易画出，由于其值就是从动件径向移动距离通过和图纸运动合成而得到轨迹。而速度图、加速度图则比较复杂。经小组讨论，咱们得到了两种方案。

方案一：打点法。参照此前机械原理课课程设计，运用弦线法，依照公式V=△S/△t，即单位时间内位移量为该段位移平均速度。在画位移图时，通过感应机构感应单位时间内位移量，依照公式所示意义，通过打点记录方式，在位移图纸打出一系列点，再连接起来即可得到位移曲线，同步在图纸上把速度运动规律记录下来，由于感应机构和打点机构存在一定复杂性，尚有无法较好地完毕加速度曲线绘制，因此该办法具备明显局限性。

方案二：凸轮机构与连杆机构组合画图。与方案一原理相似，依照公式V=△S/△t，变形为V=△S*K,其中K=1/△t为比例系数，运用相似三角形感应出位移变化量即可求得速度，加速度同理。详细实行是通过三组相隔固定角度凸轮带动一系列杆件运动，从而带动杆件上绘图笔巧妙地将凸轮从动件位移图、速度图与加速度图画出来。虽然此方案用杆件较多，制造稍费时间，但构造可靠。画出图为持续，不需要再继续描点画线。

综合考虑，采用方案二，有三组相似单偏差一定角度凸轮机构带动一系列杆件运动，同步得到从动件位移速度加速度图。重要涉及了传动装置、连杆机构和走纸机构设计。

2.3.1支撑构造设计
由于本装置为教学演示仪器，故要小巧直观，且要轻量化，便于移动，但也必要有一定强度和刚度，保证能承受住电机、齿轮及其附件重量，有一定有刚度则保障其在加工过程中不会有过大振动，避免杆件变形过大，防止给作图带来困难。经讨论决定设计成两边为有机玻璃制成挡板，中间为不锈钢杆件或肋板形式。在挡板上面开出若干个孔用以固定各杆件或肋板位置，这样设计不但能合理运用空间，又能最大限度地减轻重量，使机构轻便，并且可以满足强度和刚度规定。这样设计，让咱们教学演示更直观。

2.3.2杆组机构设计
摆杆某些作为本装置核心，其分为三层，与三根推杆相相应，摆杆与摆杆之间通过铰接连成X形式，在画速度图时X杆组两个端点是铰接在两根相邻推杆上，此外尚有一种端点固定，剩余那个端点相对固定端点距离就是两推杆位移差，通过此位移差即可获得速度，所用原理为相似三角形原理。三组推杆得两个速度，同理可得一种加速度。为将三个图起点移在同一端面上，速度和位移都采用了一根平行推杆将笔移在一端与加速度相应。与杆组配合尚有弹簧、法兰直线轴承，其中弹簧为三根推杆回答提供动力，轴承作为摆杆在定位细长轴上滑动载体，目是减小摩擦力。为防止轴承在杆上转动，有些还采用一对轴承配合使用形式。

2.3.3走纸机构设计
在走纸机构设计中，咱们参照打印机出纸器，用九对三组滚轮同步输出，并在滚轮中间装上一块垫板用来支撑图纸，输出端那组滚轮为驱动轮，此外两组为从动轮，将纸从输入端装入，画图装置则在纸上画出相应有轨迹，直到从输出端滚出来为止，这样，背面纸带就能在开机时自动输出。

2.3.4传动装置设计
由于机构所需转速很低，且功率较大，因此咱们用120W，1400r/min单项电机驱动，通过联轴器将电机接入减速箱，经四级传动比为5.25直齿圆柱齿轮减速至1.84r/min。后分为两个某些，，一某些经1:3锥齿轮转向带动凸轮轴转动，另一某些经传动比为3直齿圆柱齿轮减速后由同步带轮远距离传给走纸轮动力轴，实现走纸机构和凸轮组同步，三组相隔固定角度凸轮转动，从而推动三根推杆轴向移动，带动一系列摆杆摆动。

3 理论设计计算
3.1总体尺寸设计
为满足设计需求，并且使得所设计出产品不但实惠，并且实用。设计中应一方面考虑产品设计尺寸，因而也就离不开对产品设计计算。下面将对产品尺寸来进行概述：
凸轮从动件运动分析平台其初始整体尺寸为长600mm×宽450mm×高300mm

3.2某些重要机构设计阐明
此作品对杆件强度设计没有特别规定，必然满足使用条件。对比工业机床，咱们参照了市场上性能类似选材，并结合此作品构造及设计规定进行了选取校核

3.2.1 电机选取 坯料及凸轮转速不不不大于 ，选取电机 工作转速，电动机型号：JX5624
3.2.2 传动比分派 ，大齿轮于小齿轮传动比普通3~5，不超过10.减速箱为展开式四级直齿圆柱减速箱，取
3.2.3 轴及齿轮选取 轴直径d=12mm，材料为不锈钢，调制解决
选用直齿圆柱齿轮规格为：，锥齿轮规格：
3.2.4 计算轴各轴转速功率转矩计算

(η1、η2、η3分别为联轴器、闭式齿轮传动、滚动轴承效率)
3.2.5齿轮强度校核
低速机齿轮比高速机齿轮强度规定高，因此优先校核低速级。
设备低速小齿轮=1.843 r/min,=0.111kw,=575.176 N.m
支持圆柱齿轮压力角为=20°，7级精度，齿面材料均为45钢，表面硬度240HBS
1.几何尺寸计算
计算分度圆直径：==25；==75
计算中心距：=50mm

2.按齿面接触疲劳强度校核
由直齿轮接触疲劳强度条件：
1) 计算接触疲劳强度许用应力
查得小齿轮和大齿轮接触疲劳极限分别为： =550Mpa；=550Mpa
计算应力循环次数：

查取接触疲劳寿命系数
取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-14）得：

取和中较小者作为该齿轮副接触疲劳需用应力，即=665.5Mpa
2) 拟定式中各参数
查得

选用齿宽系数 查得材料弹性影响系数
3） 计算实际载荷系数
①　 查得使用系数
②　 圆周速度，由，7级精度，由图10-8查得动载系数
③　 齿轮圆周力

查得齿间载荷分布系数
④　 用插值法查得7级精度，小齿轮相对支撑轴对称分布时，得齿向载荷分布系数，由此得实际载荷分布系数
4） 强度校核

齿面接触疲劳强度满足规定。
3.齿根弯曲疲劳强度校核
齿根弯曲疲劳强度校核条件：
1) 拟定公式中各参数
①　 计算玩去疲劳强度用重叠度系数
②　 查得齿形系数
③　 查得应力修正系数：
④　 查得小齿轮和大齿轮齿根弯曲疲劳极限分别为：
查得弯曲疲劳寿命系数为
取弯曲疲劳安全系数为S=1.4，由式（10-14）得：
计算实际载荷系数
1． 查表得：
2． 由结合b/h=4.44得
则载荷系数为：
齿根弯曲疲劳强度满足规定

3.2.6强度与刚度校核
低速机齿轮比高速机齿轮强度规定高，因此优先校核低速级。两设备低速轴.
（1）求作用在轴上力

在竖直平面内：
合力即
弯矩即
挠度即
解得：
在水平面内：
合力即
弯矩即
挠度即

解得：

(2) 按弯曲扭转合成应力校核轴强度
进行校核时,普通只校核轴上承受最大弯矩和扭矩截面,取α=0.6.
轴应力计算
已知选轴材料为不锈钢，查表得，数值比较小，故此轴比较安全。

3.4 绘图装置
3.4.1 正弦运动规律凸轮曲线方程
回程及推程方程式

h=100mm
当= v有最大值
当= a有最大值
假设其她条件为常数,从动件速度与凸轮转速呈线性关系,加速度与凸轮转速二次方呈线性。
3.4.2 凸轮曲线图形

3.4某些工程图

4 工作原理及性能
4.1工作原理

（1）从动件运动位移图绘制原理
直接测量办法，通过从动件带动杆上下移动在同步纸带上画出位移图。

（2）从动件运动速度图绘制原理
基本原理弧线法，是依照公式V=△S/△t，变形为V=△S*K,其中K=1/△t为比例系数，运用相似三角形感应出位移变化量即可求得速度，加速度同理。

（3）从动件运动加速度图绘制原理
同速度图原理，两个速度“感应”出一种加速度。

4.2性能
（1）凸轮运动规律曲线绘制平台尺寸长600mm×宽450mm×高300mm，出图大小为：
（2）可放置于实验室进行实验学习，凸轮运动规律曲线绘制平台更换凸轮能绘出不同凸轮机构运动规律图。

5 实物照片

6 创新点及应用
6.1创新点
1、凸轮从动件运动分析平台是使用弦线法，创造性使用机械办法，获得各种形状凸轮从动件运动规律装置，构造新颖，办法创新。
2、纯熟地掌握课本知识，合理地运用既有材料及加工现况，充分考虑教学困难，把抽象难懂加工过程生动形象地再现出来，科学合理又经济性强，使人眼前一亮。
6.2应用
1、此套机构直观地展示凸轮从动件运动规律绘制过程，加深学生对机械构造以及凸轮理解，激发学生学习兴趣，提高学生动手能力，发展学生创新思维，有效提高教学质量和效率，教学意义深远。
2、此产品使用了直齿圆柱齿轮机构，锥齿轮机构，同步带传动，凸轮机构，多杆机构，摩擦轮机构，构造新颖，办法创新，实用性强，且大批生产时成本低廉，具备较强市场力。

参照文献
[1] 濮良贵，陈国定，吴立言. 机械设计 高等教诲出版社.第九版
[2] 潘存云 机械原理 中南大学出版社 第二版
[3] 刘鸿文．材料力学．高等教诲出版社．第五版
[4] 吴宗泽，高志，罗圣国，李威 机械设计课程设计手册．高等教诲出版社．第四版
[5] 闻欣荣，陶平等 关于机械原理中凸轮机构教学新尝试实践 武汉科技大学机械自动化学院
[6] 贺炜，曹巨江等 国内凸轮机构研究回顾与展望 陕西科技大学机电工程学院咸阳
[7] 孙荣平 凸轮设计与加工中计算机应用技术
[8]王鑫铝 盘形凸轮轮廓曲线设计和加工实践探讨
[9]张琳 平动式凸轮仿形机构凸轮曲线设计
[10]郑展升,葛正浩,彭国勋.凸轮机构从动件运动规律通用表达式.1996
[11]葛正浩,冯涛 可以任意增长局部控制条件凸轮机构通用多项式运动规律.1998
[12]陈敏卿 凸轮轮廓曲线设计矩阵法