凸輪機構傳動

章凸輪機構傳動汽車機械基礎2021/6/271汽車機械基礎章第九章凸輪機構傳動本章的教學目標：１）了解凸輪傳動機構的組成、分類及在汽車上的應用。２）掌握凸輪從動件常用運動規(guī)律的特點及其選擇原則。３）了解凸輪輪廓的設計方法，反轉法原理及確定基本尺寸時應考慮的問題。2021/6/272汽車機械基礎第九章目錄第一節(jié)凸輪傳動機構的組成、應用和分類第二節(jié)凸輪傳動機構常用的運動規(guī)律第三節(jié)凸輪機構設計與凸輪結構尺寸的確定第四節(jié)凸輪傳動機構的材料、結構和強度校核2021/6/273汽車機械基礎第九章發(fā)動機的配氣機構中的凸輪輪廓是怎樣形成的？它具有怎樣的特性呢？它是如何保證汽車的緊密性的呢？動畫請同學門思考幾個問題2021/6/274汽車機械基礎第九章

凸輪傳動是通過凸輪與從動件之間的接觸來傳遞運動和動力的，是一種常用的高副機構。只要做出適當?shù)耐馆嗇喞?，就可以使從動件得到預定的復雜運動規(guī)律。概述2021/6/275汽車機械基礎第九章

圖1所示為內燃機配氣凸輪機構。凸輪1以等角速度回轉時，它的輪廓驅動從動件2（閥桿）按預期的運動規(guī)律啟閉閥門。一、凸輪機構的應用第一節(jié)凸輪傳動機構的組成、應用和分類動畫

凸輪機構能將主動件的連續(xù)等速運動變?yōu)閺膭蛹耐鶑妥兯龠\動或間歇運動。在自動機械、半自動機械中應用非常廣泛。2021/6/276汽車機械基礎第九章圖1

內燃機配氣凸輪機構

點擊動畫1點擊動畫22021/6/277汽車機械基礎第九章配氣機構凸輪2021/6/278汽車機械基礎第九章圖９－２汽車快怠速機構圖9-3自動車床中的凸輪組

2021/6/279汽車機械基礎第九章1.凸輪——具有曲線狀輪廓的構件

2.從動件——作往復移動或擺動的構件往復移動——直動從動件往復擺動——擺動從動件

3.機架——機構中固定不動的構件凸輪機構的組成直動從動件擺動從動件2021/6/2710汽車機械基礎第九章優(yōu)點：只需設計適當?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到所需的運動規(guī)律，結構簡單、緊湊、設計方便。缺點：運動副為點接觸或線接觸，易磨損，所以，通常多用于傳力不大的控制機構。凸輪傳動特點2021/6/2711汽車機械基礎第九章2．按從動件的形狀分類（見圖橫排）：有尖端從動件、滾子從動件、平底從動件、曲面從動件凸輪。二、凸輪機構的分類1．按凸輪的形狀分類（1）盤形凸輪，如圖所示。（2）圓柱凸輪，如圖所示。（3）移動凸輪，如圖所示。2021/6/2712汽車機械基礎第九章圖5

按從動件分類的凸輪機構

當位置要求準確當受力較大時當轉速較高時從動件使用的場合2021/6/2713汽車機械基礎第九章3．按從動件的運動形式分類（見圖5豎排）：（1）移動從動件：從動件相對機架作往復直線運動。（2）偏移放置：即不對心放置的移動從動件，相對機架作往復直線運動。（3）擺動從動件：從動件相對機架作往復擺動。2021/6/2714汽車機械基礎第九章鎖合——保持從動件與凸輪之間的高副接觸。（1）力鎖合凸輪機構：依靠重力、彈簧力或其他外力來保證鎖合（內燃機配氣凸輪機構、刀架送給機構等）。4、按鎖合方式分：2021/6/2715汽車機械基礎第九章力鎖合凸輪機構2021/6/2716汽車機械基礎第九章依靠凸輪和從動件幾何形狀來保證鎖合。（2）形鎖合凸輪機構：2021/6/2717汽車機械基礎第九章一、凸輪傳動的工作過程

如圖為一對心移動尖頂從動件盤形凸輪機構，其工作過程：即s=s（

），v=v（

），a=a（

）。通常用從動件運動線圖直觀地表述這些關系。第二節(jié)凸輪傳動機構常用的運動規(guī)律

2021/6/2718汽車機械基礎第九章凸輪傳動工作過程的有關名詞：

基圓——以凸輪的最小向徑為半徑所作的圓稱為基圓，基圓半徑用rb

表示。（基圓半徑rb

）凸輪轉角δ；

推程

、回程

、升程h

、近停程、遠停程；推程運動角δ0；

回程運動角δ0′；

遠停角δs；近停角δs′

；一般推程是凸輪機構的工作行程。2021/6/2719汽車機械基礎第九章推程、遠停程、回程當凸輪連續(xù)轉動時，從動件將重復上述運動過程。

δ0δsδ0′近停程δs′2021/6/2720汽車機械基礎第九章如圖b所示，它簡稱為從動件位移曲線。2021/6/2721汽車機械基礎第九章生產(chǎn)中對凸輪機構從動件運動要求是多樣的；凸輪的輪廓形狀決定了從動件的運動規(guī)律，反之，從動件的不同運動規(guī)律要求凸輪具有不同形狀的輪廓；設計凸輪機構時，首先根據(jù)工作要求確定從動件的運動規(guī)律，再據(jù)此來設計凸輪輪廓曲線。從動件的運動規(guī)律——其位移s、速度v和加速度a等隨凸輪轉角而變化的規(guī)律。從動件運動規(guī)律可用方程或線圖表示。第二節(jié)常用的從動件運動規(guī)律2021/6/2722汽車機械基礎第九章1、等速運動規(guī)律——從動件在推程或回程的運動速度為常數(shù)的運動規(guī)律。2021/6/2723汽車機械基礎第九章等速運動規(guī)律位移線圖2021/6/2724汽車機械基礎第九章剛性沖擊——等速運動規(guī)律從動件在運動始末兩點，速度有突變，理論上瞬時加速度α無窮大，因而產(chǎn)生無窮大的慣性力。由于構件材料的彈性，加速度和慣性力達不到無窮大，但仍會對機構造成強烈的沖擊。也稱為“硬沖”。轉速很低以及輕載的場合2021/6/2725汽車機械基礎第九章

——從動件在一個行程中，前半行程作等加速運動，后半行程作等減速運動的運動規(guī)律。位移曲線為兩段光滑相連開口相反的拋物線；速度曲線為斜直線；加速度曲線為平直線；2、等加速等減速運動規(guī)律注意作圖方法柔性沖擊：適用于中速、中載的場合。

2021/6/2726汽車機械基礎第九章圖8等加速運動

2021/6/2727汽車機械基礎第九章3、簡諧運動規(guī)律

點在圓周上作勻速運動時，它在這個圓的直徑上的投影所構成的運動稱為簡諧運動，如圖9a。前半程：

2021/6/2728汽車機械基礎第九章后半程2021/6/2729汽車機械基礎第九章余弦加速度運動規(guī)律：由圖可見，在推程始末點處仍有加速度的有限值的突變，即存在“軟沖”；因此只適用于中、低速；但若從動件作無停歇的升—降—升型連續(xù)運動，則加速度曲線為光滑連續(xù)的余弦曲線，消除了“軟沖”，故可用于高速。2021/6/2730汽車機械基礎第九章三、從動件運動規(guī)律的選擇：

選擇從動件運動規(guī)律時，需考慮凸輪傳動機構的使用場合、工作條件等。所選的運動規(guī)律首先應滿足凸輪在機械中執(zhí)行工作的要求。因此選擇運動規(guī)律應該：

1）、對于只要求從動件實現(xiàn)一定的位移，對運動規(guī)律無嚴格要求的低速凸輪傳動，可選易于加工的圓弧和直線作為凸輪的輪廓。

2）、對從動件的運動規(guī)律有要求的凸輪傳動，應按其要求確定運動規(guī)律。

3）、在高速運轉下工作的凸輪，選擇從動件運動規(guī)律時要考慮它的特性、加速度變化情況，力求避免過大的慣性力，減小沖擊和振動。宜選用余弦加速度運動規(guī)律。2021/6/2731汽車機械基礎第九章為什么汽車發(fā)動機要不定期檢測凸輪軸？2021/6/2732汽車機械基礎第九章第三節(jié)凸輪設計與結構尺寸確定設計方法：1.圖解法2.解析法設計一般精度凸輪時常被采用圖解法；設計高精度凸輪，則必須用解析法，但計算復雜；本節(jié)主要討論圖解法。基本原理：反轉法原理。

2021/6/2733汽車機械基礎第九章一、圖解法 “反轉法”

原理：給機構加上一個反向轉動，各構件間的相對運動并沒有改變。

圖11圖解法設計凸輪是基于反轉法原理

2021/6/2734汽車機械基礎第九章1．對心移動尖頂從動件盤形凸輪輪廓2021/6/2735汽車機械基礎第九章（4）將B0、B1、B2、...連成光滑的曲線，得要求凸輪輪廓（圖a）。（1）按從動件運動規(guī)律作出位移線圖（圖b），并將橫坐標等分分段。（2）沿

1反方向取角度

t、

h、

S，等分，得C1、C2、...點。連接OC1、OC2、...便是從動件導路的各個位置。（3）取B1C1=11’、B2C2=22’、

...得反轉后尖頂位置B1、B2、A3、...。2021/6/2736汽車機械基礎第九章實際輪廓曲線

理論輪廓曲線

對心滾子移動從動件盤形凸輪輪廓曲線的設計

2021/6/2737汽車機械基礎第九章3．對心平底從動件盤形凸輪輪廓曲線圖14對心平底從動件盤形凸輪2021/6/2738汽車機械基礎第九章

如圖15所示，偏置移動尖頂從動件盤形凸輪輪廓曲線的繪制方法也與前述相似。但由于從動件導路的軸線不通過凸輪的轉動中心，其偏距為e。所以從動件在反轉過程中，其導路軸線始終與以偏距e為半徑所作的偏距圓相切，因此從動件的位移應沿這些切線量取。

4．偏置移動尖頂從動件盤形凸輪輪廓2021/6/2739汽車機械基礎第九章圖15偏置移動尖頂從動件盤形凸輪2021/6/2740汽車機械基礎第九章二、凸輪機構基本尺寸的確定設計凸輪機構，既要保證從動件能實現(xiàn)預定的運動規(guī)律，還須使機構傳力性能良好，結構緊湊，滿足強度和安裝等要求，因此，應注意處理好下述問題：

1.凸輪機構的壓力角；

2.滾子半徑的選擇；

3.凸輪基圓半徑的確定；

4.凸輪機構的材料。

2021/6/2741汽車機械基礎第九章1、壓力角——不計摩擦時，凸輪對從動件的作用力（法向力）與從動件上受力點速度方向所夾的銳角。2021/6/2742汽車機械基礎第九章凸輪機構的壓力角：壓力角越小傳力越好。自鎖——當凸輪機構處于壓力角大到使有效分力不足以克服摩擦阻力的位置，不論推力多大，都不能使從動件運動。臨界壓力角——機構開始出現(xiàn)自鎖時的壓力角。有效分力：有害分力：2021/6/2743汽車機械基礎第九章凸輪機構的壓力角：為了保證良好的傳力性能，設計時應使amax<[a],許用值[a]的大小通常由經(jīng)驗確定：推程時:對于直動從動件，取[a]=30°；對于擺動從動件，取[a]=45°；回程時：可取[a]=

70°～80°；回程時從動件通常受彈簧力或重力的作用，不會引起自鎖，可不必校驗壓力角。

2021/6/2744汽車機械基礎第九章凸輪壓力角的測量及影響因素：測量方法：量角器（下頁）；壓力角有關因素：基圓半徑гb等。基圓半徑較大的凸輪對應點的壓力角較小，傳力性能好些，但結構尺寸較大；基圓半徑小時，壓力角較大，容易引起自鎖，但凸輪的結構比較緊湊。

2021/6/2745汽車機械基礎第九章凸輪壓力角的測量2021/6/2746汽車機械基礎第九章圖17凸輪機構的壓力角與力的關系

2021/6/2747汽車機械基礎第九章因受力較小且無自鎖問題，故許用壓力角可取得大些，通常

=80

推程（工作行程）：移動從動件

=30

擺動從動件

=45

回程：2021/6/2748汽車機械基礎第九章

2、滾子半徑的選擇設計要求：滾子尺寸的設計要滿足強度和運動特性。

從強度要求考慮，滾子半徑一般應滿足：

從運動特性考慮，不能發(fā)生運動的失真現(xiàn)象。為避免發(fā)生這種現(xiàn)象，要對滾子半徑加以限制。rr≥(0.1-0.5)rb滾子尺寸與

min關系2021/6/2749汽車機械基礎第九章由上式可知：實際輪廓曲率半徑總大于理論輪廓曲率半徑。因而，不論選擇多大的滾子，都能做出實際輪廓。2)凸輪理論輪廓的外凸部分由圖18b可得

a=

min-rT（1）當

min

rT時，則有

a

0，如圖18b所示，實際輪廓為一平滑曲線。1)凸輪理論輪廓的內凹部分由圖18a可得：

a=

min+rT圖18

滾子半徑對輪廓的影響

滾子尺寸對輪廓的影響2021/6/2750汽車機械基礎第九章（2）當

min=rT時，則有

a=0，如圖18c所示，在凸輪實際輪廓曲線上產(chǎn)生了尖點，這種尖點極易磨損，磨損后就會改變從動件預定的運動規(guī)律。（3）當

min

rT時，則有

a

0時，如圖18d所示，這時實際輪廓曲線發(fā)生相交，圖中陰影部分的輪廓曲線在實際加工時被切去，使這一部分運動規(guī)律無法實現(xiàn)。

2021/6/2751汽車機械基礎第九章

為了使凸輪輪廓在任何位置既不變尖也不相交，滾子半徑必須小于理論輪廓外凸部分的最小曲率半徑

min。如果

min過小，按上述條件選擇的滾子半徑太小而不能滿足安裝和強度要求時。就應當把凸輪基圓尺寸