机械零部件设计 第2版 课件 学习情境二 任务2.4设计凸轮机构

《机械零部件设计》

情境二

设计

内燃机中的常用机构

1、了解内燃机的组成及工作原理，学会进行内燃机结构分析。2、掌握平面机构运动简图绘制与自由度计算。3、掌握平面连杆机构的设计。4、掌握凸轮机构设计。5、培养学生分析和解决工程实际问题的能力，勇于创新、敬业乐业的工作作风和良好的职业道德以及团队协作精神。学习目标任务二任务三任务四任务一工作任务内燃机的结构分析平面机构运动简图绘制与自由度计算平面连杆机的设计凸轮机构设计任务四凸轮机构设计工作任务1、掌握凸轮机构的组成、分类、特点及应用；2、掌握从动件的常用运动规律；3、掌握用反转法原理设计凸轮轮廓曲线的一般方法；4、明确凸轮机构设计中应注意的问题。学习目标1、凸轮机构的组成、分类；2、从动件的常用运动规律；3、尖顶对心和对心滚子移动从动件盘形凸轮设计；4、凸轮机构设计中的几个问题；5、凸轮的材料选择。主要内容1、凸轮机构的组成：

凸轮机构是自动控制系统与自动机械的重要机构。凸轮机构由凸轮1、从动件2、机架3三个基本构件及锁合装置组成，是一种高副机构。其中凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通常凸轮为主动件作连续等速转动，从动件则在凸轮轮廓的控制下按预定的运动规律作往复移动或摆动。一、凸轮机构的组成、应用及特点2、凸轮机构的应用：

平面连杆机构虽然应用广泛，但它只能近似地实现给定的运动规律，且设计比较复杂。当从动件须精确地按预定运动规律尤其是复杂运动规律工作时，则常采用凸轮机构。内燃机配气阀门控制凸轮，凸轮连续转动时，从动件（气门）作断续往复运动，从而控制气门的开闭。一、凸轮机构的组成、应用及特点3、凸轮机构的特点：优点:只要正确地设计和制造出凸轮的轮廓曲线，就能把凸轮的回转运动准确可靠地转变为从动件所预期的复杂运动规律的运动，而且设计简单;凸轮机构结构简单、紧凑、运动可靠。缺点:凸轮与从动件之间为点或线接触，故难以保持良好的润滑，容易磨损。凸轮机构通常适用于传力不大的机械中。尤其广泛应用于自动机械、仪表和自动控制系统中。一、凸轮机构的组成、应用及特点1.按凸轮形状分

（1）盘形凸轮。其凸轮都是绕固定轴线转动且有变化向径的盘形构件。盘形凸轮机构简单，应用广泛，但限于凸轮径向尺寸不能变化太大，故从动件的行程较短。工作时，从动件随凸轮半径的变化而在垂直于凸轮轴线的平面内运动；或随凸轮作往复摆动或移动。二、凸轮机构的分类1.按凸轮形状分（2）移动凸轮。其凸轮是具有曲线轮廓、作往复直线移动的构件。由盘形凸轮演变而来，它可看成是转动轴线位于无穷远处的盘形凸轮。如右图所示，凸轮作往复移动，从而使从动件上下运动。二、凸轮机构的分类

靠模车削机构

1.按凸轮形状分（3）圆柱凸轮。由移动凸轮演变而来，其凸轮是圆柱面上开有凹槽的圆柱体，可

看成是绕卷在圆柱体上

的移动凸轮，利用它可

使从动件得到较大行程。

凸轮作空间回转运动。二、凸轮机构的分类圆柱凸轮机构2.按从动件末端形状分：

（1）尖顶从动件凸轮机构其从动件的端部呈尖点，特点是能与任何形状的凸轮轮廓上各点相接触，因而理论上可实现任意预期的运动规律。只能用于轻载低速的场合。二、凸轮机构的分类2.按从动件末端形状分：（2）滚子从动件凸轮机构其从动件的端部装有滚子，由于从动件与凸轮之间可形成滚动摩擦，所以磨损显著减少，能承受较大载荷，应用较广。不宜用于高速。二、凸轮机构的分类2.按从动件末端形状分：（3）平底从动件凸轮机构其从动件端部为一平底。传力性能良好，且凸轮与平底接触面间易形成润滑油膜，摩擦磨损小、效率高，故可用于高速，缺点是不能用于凸轮轮廓有内凹的情况。二、凸轮机构的分类3.按锁合方式分

锁合指保持从动件与凸轮之间的高副接触。

（1）力锁合。依靠重力、弹簧力或其他外力来保证锁合，如内燃机配气凸轮机构。

（2）形锁合。又称几何锁合。依靠凸轮和从动件几何形状来保证锁合。二、凸轮机构的分类4.按从动件相对机架的运动方式分

（1）移动从动件凸轮机构（2）摆动从动件凸轮机构二、凸轮机构的分类1.凸轮轮廓曲线与从动件运动规律的关系

生产中对从动件运动的要求是多种多样的。凸轮机构中，凸轮的轮廓形状决定了从动件的运动规律，反之，从动件的不同运动规律要求凸轮具有不同形状的轮廓。因此，设计凸轮机构时，应首先根据工作要求确定从动件的运动规律，再据此来设计凸轮的轮廓曲线。

从动件的运动规律是指其位移s、速度v和加速度a等随凸轮转角δ而变化的规律。这种规律可用方程表示，亦可用线图表示。二、从动件的常用运动规律

图a所示为一对心尖顶移动从动件盘形凸轮机构。图中，以凸轮的回转轴心O为圆心，以凸轮轮廓的最小向径r0为半径所作的圆称为凸轮的基圆，r0称为基圆半径。

推程AB段：当凸轮以等角速度ω顺时针转过角θ0时，从动件尖顶与凸轮轮廓AB接触并按图b对应的运动规律上升至最高位置点B′，这个过程称为推程，从动件移动的最大位移h称为行程，对应的凸轮转角θ0称为推程角。2、凸轮机构的工作过程分析

远休止BC段：当凸轮继续转过角θs时，从动件尖顶与凸轮轮廓BC段接触，由于BC是一段圆弧，向径没有变化，从动件处于最高位置点静止不动，这一过程称为远程休止，对应的凸轮转角θs称为远休止角，在图b中表现为一水平线段。（停）

回程段CD：当凸轮继续转过角θh时，从动件尖顶与凸轮轮廓CD段接触，从动件按一定规律由最高位置点B′下降至最低位置点A，这个过程称为回程，对应的转角θh为回程角。（降）

近休止段DA：当凸轮继续转过角θj时，从动件尖顶与凸轮轮廓圆弧段DA接触，从动件处于最低位置静止不动，这一过程称为近程休止，对应的转角为θj为近休止角。（停）2、凸轮机构的工作过程分析2、凸轮机构的工作过程分析当凸轮连续转动时，从动件将重复上述运动过程。推程、远停程（远休止）、回程、近停程（近休止）

等速运动规律：是指从动件在推程或回程的运动速度为常数的运动规律。凸轮以等角速度转动，从动件在推程中的行程为h。从动件作等速运动规律的运动线图如图所示。其位移曲线为斜直线，速度曲线为平直线，加速度曲线为零线。3、等速运动规律

由图可见，从动件在推程始末两点处，速度有突变，瞬时加速度理论上为无穷大，因而产生理论上亦为无穷大的惯性力。而实际上，由于构件材料的弹性变形，加速度和惯性力不至于达到无穷大，但仍会对机构造成强烈的冲击，这种冲击称为“刚性冲击”或“硬冲”。因此，单独采用这种运动规律时，只能用于凸轮转速很低以及轻载的场合。3、等速运动规律3、等速运动规律自动机床的进刀机构

等加速等减速运动规律：为了使从动件在开始和终止时的速度不发生突变，通常令推程或回程的前半程作等加速运动，后半程作等减速运动，且加速加速度与减速加速度的绝对值相等，这种运动规律称为等加速等减速运动规律。凸轮转速较高时，为了避免刚性冲击，可采用等加速等减速运动规律。4、等加速等减速运动规律

加速度曲线：从动件在等加速上升时，加速度a不变，因此从动件的a-δ曲线为一水平直线。a-δ曲线在速度转折处发生突变，则惯性力突变，但加速度不再是无穷大，由此将对机构造成有限大小的冲击，这种冲击称为“柔性冲击”或“软冲”。在高速情况下，柔性冲击仍会引起相当严重的振动、噪声和磨损，因此这种运动规律只适用于中速、中载的场合。

4、等加速等减速运动规律

4、等加速等减速运动规律运动线图及绘制：反转法原理：设想给凸轮机构加上一个绕凸轮轴心并与凸轮角速度等值反向的角速度。根据相对运动原理，机构中各构件间的相对运动并不改变，但凸轮已视为静止，而从动件则被看成随同导路以角速度绕点转动，同时沿导路按预定运动规律作往复移动。从动件尖顶的运动轨迹即为凸轮的轮廓。这就是图解法绘制凸轮轮廓曲线的原理，称为“反转法”。三、凸轮轮廓曲线的设计1、尖顶对心直动从动件盘形凸轮

已知，如图（1）选与位移线图一致的比例作凸轮的基圆；（2）将基圆分成与位移线图中相对应的等份；（3）分别自基圆圆周向外量取从动件位移线图中相应的位移量；（4）光滑连接各点即为所求的凸轮轮廓。基圆半径Rb2、对心滚子移动从动件盘形凸轮

滚子从动件与尖顶从动件的不同点，只是从动件端部不是尖顶，而是装了半径为rT的小滚子。由于滚子的中心是从动件上的一个定点，此点的运动就是从动件的运动。在应用反转法绘制凸轮轮廓曲线时，滚子中心的轨迹与尖顶从动件尖端的轨迹完全相同，可参照前述方法绘制凸轮轮廓。

2、对心滚子移动从动件盘形凸轮

实际轮廓曲线

理论轮廓曲线

1.滚子半径

滚子从动件有摩擦及磨损小的优点，若仅从强度和耐磨性考虑，滚子的半径宜大些，但滚子的半径rT受到凸轮轮廓曲线曲率半径的限制。四、凸轮机构设计中应注意的几个问题（1）内凹的轮廓曲线

可得：

ρa＝ρmin+rT

由于实际廓线的曲率半径ρa等于理论廓线最小曲率半径ρmin与滚子半径rT之和，所以无论滚子半径rT大小如何，对应的实际廓线的曲率半径ρa始终大于零，得到的是一条满足运动要求的光滑曲线。（2）外凸的轮廓曲线可得：

ρa＝ρmin-rT

（1）当ρmin＞rT时，ρa＞0，实际轮廓曲线为光滑曲线。（2）当ρmin

＝rT时，ρa

＝0，实际轮廓曲线出现尖点，凸轮轮廓在尖点处极易磨损而因之改变原定的运动规律。（3）当ρmin＜rT时，ρa＜0，实际轮廓曲线相交，其交点以外的部分（图中的阴影部分）加工时将被切去，这就使得从动件达不到预期的工作位置，一部分运动规律难以实现。这种现象称为“运动失真”。（2）外凸的轮廓曲线

为了避免上述后两种情形，必须使得ρa＞0，也就是说滚子半径必须小于凸轮理论轮廓线的最小曲率半径。设计时通常取rT≤0.8ρmin。为了减小凸轮和滚子间的接触应力和磨损，还同时要求实际廓线的最小曲率半径ρamin不小于1～5mm。如果不能满足上述要求，就应适当减小滚子半径（在满足强度要求的前提下）或增大基圆半径（使ρmin增大）。2.压力角图示为凸轮机构在推程的某个位置。当不计摩擦时，凸轮加给从动件的压力P沿凸轮的法线N-N方向传递。凸轮机构的压力角α是指从动件上某点速度v与该点的压力P方向（法线N-N方向）所夹的锐夹角，其意义与前述连杆机构的压力角相同。四、凸轮机构设计中应注意的几个问题2.压力角将力P分解成两个分力：（1）与从动件速度v方向一致的分力：P1=Pcosα；

（2）与速度v方向垂直的分力：P2=P

sinα。

P1是推动从动件运动的有效分力。当α增大时，P1减小，有害分力P2增大，摩擦阻力也增大。当α增大到某一数值时，从动件无法运动而被卡住，这种现象称为自锁。因此，设计中常对凸轮机构的压力角的最大值加以限制，推荐值如下：移动从动件的推程：α≤30°；摆动从动件的推程：α≤35°~45°。四、凸轮机构设计中应注意的几个问题2.压力角回程时，从动件靠重力和弹簧力复位，一般不会产生自锁，可取α=80°。压力角的检验：在凸轮轮廓曲线画出以后，在轮廓曲线较陡、变化较大的地方选取几点，分别作轮廓线的法线和从动件速度方向的直线，用量角器检查其夹角是否超过许用值（如图所示）。四、凸轮机构设计中应注意的几个问题3.基圆半径在设计凸轮轮廓时，基圆半径可采用初选的办法：

rb≥（1.6～2）rs+rg

其中：rs——凸轮轴半径；rg——滚子半径。

按初选的基圆半径rb设计凸轮轮廓，然后校核机构推程的压力角。

移动从动件盘形凸轮机构在推程时，最大压力角α一般出现在推程的起始位置，或从动件产生最大速度的位置附近。校核的办法如右图所示，设E为校核点，求该点的法线：四、凸轮机构设计中应注意的几个问题

平底从动件凸轮的失真

当发现压力角过大时，可加大基圆半径，按原位移曲线重画凸轮轮廓，以使压力角减小到允许范围内。对于平底从动件，当凸轮基圆半径过小时，凸轮有一部分工作轮廓（包络线）不能与从动件末端相切从而使运动出现失真。为了避免失真，也可采取加大基圆半径的方法。3.基圆半径四、凸轮机构设计中应注意的几个问题4.凸轮的材料、加工及固定（1）凸轮的材料