生产中对从动件的运动要求是多种多样的。例如:自动机床中用来控制刀具进给运动的凸轮,要求刀具(即从动件)在行程中作等速运动;内燃机配气凸轮,要求具有良好的动力学性能(主要指加速度要求);在某些控制系统中的凸轮,则只有行程要求。

在长期的理论研究和生产实践中,已经积累了能适应多种工作要求的从动件典型运动特性的运动曲线,即“常用运动规律”。因此设计凸轮机构时,通常只需根据工作要求,从常用运动规律中选择适当的运动曲线。

在一般情况下,推程是工作行程,要求比较严格,需要重点研究。回程一般要求较低,受力状况也比推程阶段有利,故不作专门讨论。

下面列举几种最基本的运动规律,来说明其类型和特点。

一、等速运动规律

等速运动规律又称直线位移运动规律、一次多项式运动规律。当凸轮作等速转动时,从动件在行程中运动速度为一常数。在推程中,推程开始,到推程终止,,所用时间为:,速度为。所以推程运动方程为:

同理可得回程运动方程为:

等速运动规律在推程段的运动线图如图3.2.2-1所示,其位移曲线是斜直线,速度曲线是水平直线,加速度为零。但在行程的开始和终止两个位置,速度有突变,故加速度理论上为无穷大,产生的惯性力值在理论上也为无穷大,会使机构产生强烈的冲击。当加速度为正时,它将增大凸轮压力,使凸轮轮廓严重磨损;当加速度为负时,可能会使力封闭凸轮机构的从动件与凸轮瞬间脱离接触,并加大封闭弹簧的符合。因此,这种运动规律只适用于低速,如自动机床进给机构,以及在低速下工作的一些凸轮控制机构。

二、等加速等减速运动规律

从动件在行程的前半段作等加速运动(加速段),后半段作等减速运动(减速段)。为了保证凸轮机构的运动平稳性,通常取加速度的绝对值相等,即在加速段和减速段凸轮的运动角和推杆的位移各占行程的一半。

在推程中,加速段的边界为:行程始点,;行程中点处

减速段的边界为:行程中点处,;行程中点处,,加速度a为常数。

从而可以推出等加速等减速运动规律行程运动方程:

推程前半段:

推程后半段:

等加速等减速运动规律的运动线图如图3.2.2-2所示。由图可知,加速度曲线是水平直线,速度曲线是斜直线,而位移曲线是两段在中点处光滑联接的抛物线。速度曲线是连续的,不会出现刚性冲击。但在行程的起点、中点和终点处加速度有突变,跃度为无穷大,即加速度引起的有限惯性力在一瞬间加到从动件上,引起所谓的“柔性冲击”。因此等加速等减速运动规律也不适用于高速。

等加速等减速运动规律位移线图曲线的作图方法如图3.2.2-3所示。在横轴上取0/2点,过此点作横轴垂线,并找到点1(h/2,0/2)。在横、纵轴上等分相同份数。等加速段,连接原点和纵等分点;等减速段,连接h点和纵等分点;横轴上等分点作纵轴平行线。取得一系列交点。使用光滑曲线连接这些交点,即得位移曲线。

回程段的运动方程式推导过程类似与推程段。不作过多研究。

三、余弦加速度

这种运动规律的加速度曲线为余弦曲线。为实现在一个行程中的先加速后减速运动,故仅取余弦曲线的1/2周期,其加速度变化率是正弦曲线,而位移曲线则是简谐运动曲线。推程运动方程为:

其运动线图如图3.2.2-4所示。由图可见,加速度曲线在全程范围内光滑连续,但在行程始末两处具有一定值。对于“停-升-停”型运动,在始末点仍有加速度突变,引起柔性冲击,故只适用于中、低速。但对于对称的“升-降-升”型运动来说,加速度曲线是连续曲线,无柔性冲击,这时也可以用于高速。

四、正弦加速度运动规律

这种运动规律的加速度曲线是整周期的正弦曲线。推程运动方程为:

推程段运动线图如图3.2.2-5所示。由图可见,这种运动规律的加速度曲线光滑连续,所以振动、噪音、磨损都比较小,故适用于高速。

上述几种基本运动规律的数学表达式简单,便于分析,而且按此设计出的凸轮,加工简单。但是,随着工业技术的不断发展,对凸轮机构的要求也越来越高,工作要求也更加多样复杂。为提高凸轮机构工作可靠性和寿命,减小中、高速凸轮的振动和噪音,适应中高速重载的要求,只用某种基本运动规律往往难以满足。因此提出了改进型运动规律。改进型运动规律可以通过两种方式来获得:一是将基本运动规律合理地加以组合;二是采用多项式表达的位移方程运动规律。

图3.2.2-6(a)所示,等加速等减速运动规律的行程起点、中点和终点处加速度有突变,会引起柔性冲击。在起点、中点和终点处组合一段正弦加速度运动规律,避免出现加速度突变的现象,减小了柔性冲击的影响。如图3.2.2-6(b)所示,余弦加速运动规律中,加速度曲线在全程范围内光滑连续,但在行程始末两处具有一定值。对于“停-升-停”型运动,在始末点仍有加速度突变,引起柔性冲击。在始末段组合一段正弦加速度运动规律,可以充分利用余弦加速度运动规律的优点,避免柔性冲击的影响,适用于高速重载凸轮机构的需要。

另外,也可以使用五次多项式,求出加速度曲线光滑连续的运动规律。这样可以使得振动、噪音和磨损都比较小,故适用于高速凸轮机构中。