机械设计基础(内燃机偏置凸轮设计) - 新

机械设计基础机械类职业教育实用系列教材韶关市机电技工学校

黄海燕

模块五

设计内燃机配气机构中的

凸轮机构任务二

本节教学要求1、了解凸轮机构的组成、分类、应用特点。2、理解凸轮机构的工作过程及基本术语。掌握从动件常用运动规律及特点。3、熟练掌握利用反转法设计平面凸轮机构的轮廓曲线。

如图5-19所示为一偏置直动从动件盘形凸轮，已知从动件位移图、偏置距e、凸轮的基圆半径ro以及凸轮以等角速度ɷ顺时针方向回转。要求根据从动件运动规律绘出此凸轮的轮廓。任务引入图5-19偏置直动从动件盘形凸轮

相关知识

1、凸轮机构的组成和应用一、凸轮机构的组成、应用和分类依靠凸轮轮廓直接与从动件接触，迫使从动件作有规律的直线往复运动（直动）或摆动。（1）凸轮机构：（2）、凸轮的组成

由三个构件组成的一种高副机构

凸轮：具有曲线轮廓或凹槽的构件，为主动件。

推杆/从动件：运动规律由凸轮廓线和运动尺寸决定

机架

推杆凸轮内燃机配气机构机架1、凸轮机构的组成、应用和分类1、凸轮机构的组成和应用凸轮等速回转时，轮廓使气门杆按一定要求上下往复运动，控制气门的开关。图5-20内燃机配气机构

弹簧机架动画

1、凸轮机构的组成和应用

凸轮的回转使扇形齿轮与刀架下的齿条啮合，刀架实现进退刀运动图5-21自动送料机1-圆柱凸轮；2-推杆3-机架圆柱凸轮作等速转动，带动从动件作往复远动，将工件推到指定的位置，从而完成自动送料任务。图5-22靠模车削机构1、凸轮机构的组成和应用

将凸轮的移动转变为从动件的移动或摆动1、工件；2、刀架；3、靠模2131、凸轮机构的组成和应用

在一些机械中，要求从动件的位移，速度和加速度必须严格地按照预定规律变化，此时可采用凸轮机构来实现。凸轮机构广泛应用于各种机械和自动控制装置中。

凸轮泵

凸轮的应用实例

缝纫机

凸轮的应用实例凸轮轴盘形凸轮

凸轮的应用实例各式凸轮

凸轮的应用实例作用：将凸轮的转动或移动转变为从动件

的连续或间歇往复移动或摆动

应用：各种机械，特别是自动机械，适用于传力不大的控制机构和调节机构。从动件的运动规律决定了所需凸轮的轮廓形状。

1、凸轮机构的组成和应用

讨论活动按组分卡片，请各组组长收集本组同学看完上面各凸轮应用的图片、动画后，总结：①凸轮的轮廓形状特征；②从动件接触处的形状特征。总结归纳各组同学们写的与凸轮轮廓、从动件有关的词组。任务：

2、凸轮机构的分类

一、凸轮机构的组成、应用和分类（1）.按凸轮的形状和运动分类1)盘形凸轮2)移动凸轮

2、凸轮机构的分类3)圆柱回转凸轮（2）.按从动件的形状分类1)尖顶从动件

2、凸轮机构的分类2)滚子从动件3)平底从动件

2、凸轮机构的分类（3）.按从动件的运动形式1）移动从动件

2、凸轮机构的分类对心移动从动件

偏置移动从动件动画一动画二偏置移动从动件：对心移动从动件：移动从动件的导路中心线若是通过盘形凸轮的轴心则称为对心移动从动件的导路中心线若是不通过盘形凸轮的轴心则称为偏置（3）.按从动件的运动形式2）摆动从动件

2、凸轮机构的分类凸轮的形状分盘形凸轮——平面凸轮，特点：绕固定轴线转动其具有半径变化的盘形零件。移动凸轮——平面凸轮，特点：回转中心趋于无穷远，凸轮沿机架作直线运动。圆柱凸轮——空间结构，特点：将移动凸轮卷成圆柱。从动件型式分尖顶从动件——用于低速，能与复杂凸轮轮廓保持接触，实现任意预期的运动规律，但点接触，磨损快滚子从动件——应用普通，尖顶处安装一滚子，接触处为滚动摩擦，耐磨损。平底从动件——应用高速，接触处为一平面，但不能与凹陷的凸轮轮廓接触。按从动件运动形式分凸轮机构的分类

2、凸轮机构的分类（小结）移动从动件摆动从动件凸轮机构的应用特点

优点：结构简单紧凑，工作可靠，设计适当的凸轮轮廓曲线，可使从动件获得任意预期的运动规律。

缺点：凸轮与从动件（杆或滚子）之间以点或线接触，不便于润滑，易磨损。

应用：多用于传力不大的场合，如自动机械、仪表、控制机构和调节机构中。

2、凸轮机构的分类

从动件的运动规律全面反映了从动件的运动特性及其变化规律性。设计凸轮机构时，首先应根据工作要求确定从动件的运动，然后按照这一运动规律设计凸轮轮廓线。凸轮回转时，从动件作“升→停→降→停”的运动循环。

二、凸轮与从动件运动关系

凸轮理论轮廓上最小向径为半径所画的圆。wOrminwrminOe基圆偏距从动件导路偏离凸轮回转中心的距。

1、凸轮机构的基本术语★推杆的运动规律：是指推杆在运动过程中，其位移、速度和加速度随时间变化（凸轮转角δ变化）的规律。★推程、推程运动角：★远休、远休止角：★回程、回程运动角：★近休、近休止角：★行程：h★位移：s=r-r0

1、凸轮机构的基本术语

从动件位移曲线r0hB’otδsδ01δ01δ02δ02δ0δ0δ’0δ’0ωADCB以纵坐标代表从动件位移s

，横坐标代表凸轮转角δ或t，所画出的位移与转角之间的关系曲线。上升—停—降—停

从动件位移曲线图决定于凸轮轮廓曲线的形状。从动件的运动规律：从动件的位移、速度和加速度随时间t（或凸轮转角φ）的变化规律。从动件运动规律很多，常见的运动规律可用位移曲线表示如下：

2、从动件的常用运动规律2、从动件常用的运动规律（1）、等速运动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）。

从动件在运动过程中是等速运动。这样从动件在开始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。适用于低速轻载场合。hOSvOvOa2、从动件常用的运动规律（2）、简谐运动运动规律的加速度曲线为1/2个周期的余弦曲线，位移曲线为简谐运动曲线（又称作余弦加速运动规律）。从加速度线图可见，简谐运动开始和终止时，加速度值有突变，导致惯性力突然变化而产生冲击，但此处加速度的变化量和冲击都是有限的这种冲击称为柔性冲击，在高速状态下也会产生不良影响，因此简谐远动规律只宜用于中低速凸轮机构。ω-ωφ1φ2φ3B1B2B’2B’3B3B’4B4

三、凸轮轮廓曲线设计

凸轮轮廓曲线设计所依据的基本原理是反转法。根据相对运动原理：如果给整个机构加上绕凸轮轴心O的公共角速度-ɷ，此时凸轮将静止不动，而推杆则一边随其倒轨以角速度-ɷ绕轴心O转动，一边又在导轨内作预期的往复移动，这样推杆的尖顶的运动轨迹即为凸轮轮廓曲线。O

三、凸轮轮廓曲线设计

开始已知条件：从动件位移、偏置距e、凸轮基圆半径ro，凸轮角速度ɷ

作基圆、偏距圆

作出从动件的导路画出推程运动角，远休止角、回路运动角、近休止角将推程角、休止角等平分均分成若干份，得到分点过分点作偏距圆切线，在切线上取出从动件的位置量，描点。连接各点，画出凸轮轮廓

结束图5-26凸轮轮廓曲线设计流程

根据【任务引入】如图所示的一偏置直动从动件盘形凸轮，已知从动件位移图、偏置距e、凸轮的基圆半径ro

以及凸轮以等角速度ɷ顺时针方向回转。要求根据从动件运动规律如何绘出此凸轮的轮廓？？？？

任务实施（4）将点B0B1B2……连接成光滑曲线，便得到所求的凸轮轮廓曲线。

任务实施图5-27偏置尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制

a)

b)（3）过C1、C2、C3….作偏距圆的一系列切线，它们便是反转后从动件导路的一系列位置。沿这些切线自基圆开始量取从动件相应的位置，即取线C1B1=11´,C2B2=22´……得反转后尖顶的一系列位置B1、B2、B3……（2）从OBO(CO)开始按-ɷ方向在基圆上画出推程运动角180º，远休止角30º，回程运动角90º，远休止角60º.并在相应段与位移图对应划分出若干等份，得分点C1、C2、C3….具体作图步骤：（1）以ro为半径作基圆，以e为半径作偏距圆。过偏距圆上任一点k作出偏距圆的切线作为从动件的导路，并与基圆交于一点CO,该点也是从动件的起始位置BO点。（4）将点B0B1B2……连接成光滑曲线，便得到所求的凸轮轮廓曲线。s0h

任务实施eOr0B0C0B1（3）过C1、C2、C3….作偏距圆的一系列切线，它们便是反转后从动件导路的一系列位置。沿这些切线自基圆开始量取从动件相应的位置，即取线C1B1=11´,C2B2=22´……得反转后尖顶的一系列位置B1、B2、B3……（2）从OBO(CO)开始按-ɷ方向在基本上画出推程角运动角120º，远休止角60º，回程90º，远休止角90º.并在相应段与位移图对应划分出若干等份，得分点C1、C2、C3….具体作图步骤：（1）以ro为半径作基圆，以e为半径作偏距圆。过偏距圆上任一点k作出偏距圆的切线作为从动件的导路，并与基圆交于一点CO,该点也是从动件的起始位置BO点。-ωC1B2C21'12'2已知偏置尖顶凸轮的位移曲线右上图，画出凸轮轮廓ω小结画图步骤简记法：①：画两圆（基圆、偏距圆），找起点；②：反转方向画角度；（推程角、远休止角、回程角、近休止角）③：位移图上分等份；（推程、回程）④：等分点上作切线；（偏距圆的切线）⑤：切线上面量等长；⑥：光滑连接轮廓线。

其他凸轮轮廓的设计1、对心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓设计当偏心距e=0时，则成为对心尖顶直动从动件盘形凸轮机构。这时，从动件在反转运动中，其导路为过中心O的径向射线，其设计方法与上述偏置尖顶直动从动件盘形凸轮机构相同。知

识

展知

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其他凸轮轮廓的设计1、对心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓设计当偏心距e=0时，则成为对心尖顶直动从动件盘形凸轮机构。这时，从动件在反转运动中，其导路为过中心O的径向射线，其设计方法与上述偏置尖顶直动从动件盘形凸轮机构相同。

展拓

识知60°r0120°-ω1’1’3’5’7’8’2’3’4’5’

6’7’

8’9’10’11’12’13’14’90°90°A1876543214131211109

60°120°90°90°135789111315s

φ9’11’13’12’14’10’

展拓

识知

设计对心尖顶直动从动件凸轮轮廓ω知

识拓

展

其他凸轮轮廓的设计2、滚子直动从动件盘形凸轮首选把滚子中心看作尖顶从动件的尖顶，按上述方法同样可以求出一条轮廓曲线ŋ上即为滚子中心的运动曲线。再以曲线ŋ上各点为中心，以滚子半径为半径作一系列圆，最后作这些圆的包络线ŋ´，它便是凸轮的实际轮廓，而ŋ称为凸轮的理论轮廓，如图5-28所示。图5-28滚子半径的大小对凸轮实际轮廓有很大影响。如5-29所示，当凸轮理论廓线为外凸的轮廓曲线时，设理论轮廓外凸部分的最小曲率半径用ρmin表示，滚子半径用rT表示，则相应位置实际轮廓的曲率半径ρ′=ρmin-rT

。当ρmin

>

rT时，实际轮廓为一平滑曲线当当ρmin

=

rT时，实际轮廓上产生尖点，极易磨损。磨损后，运动规律将会发生改变。当ρmin

<

rT时，实际轮廓线发生自交，交点上的轮廓曲线在加工时将被切去，使这一部分运动规律无法实现。

展拓

识知´min´min´rra)min>rTb)min=rTminrTc)min<rT图5-29滚子半径的大小对凸轮实际轮廓线的影响

知

识拓

展结论：内凹凸轮廓线：滚子半径无限制外凸凸轮廓线：理论轮廓的最小曲率半径大于滚子半径,即min>rT实际设计时，应保证实际轮廓´=min-rT3~5min通常取rT≤0.8ρmin，同时ρ′≥1~5mm，另外滚子半径还受强度、结构等的限制，因而也不能做得太小，通常取滚子半径rT=0.4rmin。

本章小结：等速运动规律：有刚性冲击低速轻载简谐运动规律：柔性冲击中、低速轻载运动规律运动特性适用场合1．凸轮机构的类型及其应用特点。2．凸轮机构从动件常用运动规律的工作特点。对心直动滚子从动件盘状凸轮轮廓设计3.盘状凸轮轮廓曲线设计偏心直动尖端从动件