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第九章凸轮机构传动汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章第九章 凸轮机构传动本章的教学目标：）了解凸轮传动机构的组成、分类及在汽车上的应用。）掌握凸轮从动件常用运动规律的特点及其选择原则。）了解凸轮轮廓的设计方法，反转法原理及确定基本尺寸时应考虑的问题。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章目录目录第一节 凸轮传动机构的组成、应用和分类第二节 凸轮传动机构常用的运动规律第三节 凸轮机构设计与凸轮结构尺寸的确定第四节 凸轮传动机构的材料、结构和强度校核汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章发动机的配气机构中的凸轮轮廓是怎样形成的？它具有怎样的特性呢？它是如何保证汽车的紧密性的呢？动画请同学门思考几个问题请同学门思考几个问题汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章 凸轮传动是通过凸轮与从动件之间的接触来传凸轮传动是通过凸轮与从动件之间的接触来传递运动和动力的，是一种常用的高副机构。递运动和动力的，是一种常用的高副机构。只要做出适当的凸轮轮廓，就可以使从动件得只要做出适当的凸轮轮廓，就可以使从动件得到预定的复杂运动规律。到预定的复杂运动规律。概述概述汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章图1所示为内燃机配气凸轮机构。凸轮1以等角速度回转时，它的轮廓驱动从动件2（阀杆）按预期的运动规律启闭阀门。一、凸轮机构的应用一、凸轮机构的应用第一节第一节 凸轮传动机构的组成、应用和分类凸轮传动机构的组成、应用和分类动画凸轮机构能将主动件的连续等速运动变为从动件的往复变速运动或间歇运动。在自动机械、半自动机械中应用非常广泛。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章图图1 1 内内燃燃机机配配气气凸凸轮轮机机构构 点击点击动画动画1点击点击动画动画2汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章l配气机构配气机构 凸轮凸轮汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章图汽车快怠速机构 图9-3 自动车床中的凸轮组汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章1.1.凸凸 轮轮具有曲线状轮廓的构件具有曲线状轮廓的构件 2.2.从动件从动件作往复移动或摆动的构件作往复移动或摆动的构件 往复移动往复移动直动从动件直动从动件 往复摆动往复摆动摆动从动件摆动从动件 3.3.机机 架架机构中固定不动的构件机构中固定不动的构件凸轮机构的组成凸轮机构的组成直直动从从动件件摆动从从动件件汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章优点：优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到所需的运动规律，结构简单、动件得到所需的运动规律，结构简单、紧凑、设计方便。紧凑、设计方便。缺点：缺点：运动副为点接触或线接触，易磨损，运动副为点接触或线接触，易磨损，所以，通常多用于传力不大的控制机所以，通常多用于传力不大的控制机构。构。凸轮传动特点汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章2按从动件的形状分类（见图横排）：有尖端从动件、滚子从动件、平底从动件、曲面从动件凸轮。二、凸轮机构的分类二、凸轮机构的分类1按凸轮的形状分类（1）盘形凸轮，如图所示。（2）圆柱凸轮，如图所示。（3）移动凸轮，如图所示。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章图图5按从动件分类的凸轮机构当位置要求准确当位置要求准确当位置要求准确当位置要求准确当受力较大时当受力较大时当受力较大时当受力较大时当转速较高时当转速较高时当转速较高时当转速较高时从动从动从动从动件使件使件使件使用的用的用的用的场合场合场合场合汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章3按从动件的运动形式分类（见图5竖排）：（1）移动从动件：从动件相对机架作往复直线运动。（2）偏移放置：即不对心放置的移动从动件，相对机架作往复直线运动。（3）摆动从动件：从动件相对机架作往复摆动。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章锁合锁合保持从动件与凸保持从动件与凸轮之间的高副接触。轮之间的高副接触。l（1 1）力锁合凸轮机构）力锁合凸轮机构 ：依靠重力、弹簧力或其依靠重力、弹簧力或其他外力来保证锁合（内燃他外力来保证锁合（内燃机配气凸轮机构、刀架送机配气凸轮机构、刀架送给机构等）。给机构等）。4 4、按锁合方式分：、按锁合方式分：汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章l力锁合凸轮机构力锁合凸轮机构汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章l依靠凸轮和依靠凸轮和从动件几何形从动件几何形状来保证锁合。状来保证锁合。（2 2）形锁合凸轮机构）形锁合凸轮机构 ：汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章一、凸轮传动的工作过程一、凸轮传动的工作过程 如图为一对心移动尖顶从动件盘形凸轮机构，其工作过程：即s=s（），v=v（），a=a（）。通常用从动件运动线图直观地表述这些关系。第二节第二节 凸轮传动机构常用的运动规律凸轮传动机构常用的运动规律 汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章凸轮传动工作过程的有关凸轮传动工作过程的有关名词：名词：基圆基圆以凸轮的最小向径为半径所作的圆称为以凸轮的最小向径为半径所作的圆称为基圆，基圆半径用基圆，基圆半径用r rb b 表示。（基圆半径表示。（基圆半径 r rb b）凸轮转角凸轮转角；推程推程、回程、回程、升程、升程h h、近停程、远停程；近停程、远停程；推程运动角推程运动角0 0；回程运动角回程运动角0 0 ；远停角远停角s s；近停角近停角s s ；一般推程是凸轮机构的工作行程。一般推程是凸轮机构的工作行程。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章推程、远停程、回程推程、远停程、回程当凸轮连续转动时，从动件将重复上述运动过程。当凸轮连续转动时，从动件将重复上述运动过程。0s0近停程近停程s汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章如图如图b b所示，它简称为从动件位移曲线。所示，它简称为从动件位移曲线。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章l生产中对凸轮机构从动件运动要求是多样的；生产中对凸轮机构从动件运动要求是多样的；l凸轮的轮廓形状决定了从动件的运动规律，反之，从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；动件的不同运动规律要求凸轮具有不同形状的轮廓；l设计凸轮机构时，首先根据工作要求确定从动件的运设计凸轮机构时，首先根据工作要求确定从动件的运动规律，再据此来设计凸轮轮廓曲线。动规律，再据此来设计凸轮轮廓曲线。l从动件的运动规律从动件的运动规律其位移其位移s s、速度速度v v和加速度和加速度a a等随凸轮转角等随凸轮转角 而变化的规律。而变化的规律。l从动件运动规律可用方程或线图表示。从动件运动规律可用方程或线图表示。第二节第二节 常用的从动件运动规律常用的从动件运动规律汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章1 1、等速运动规律、等速运动规律从动件在推程或回程的运动速度为常数的运动规律。从动件在推程或回程的运动速度为常数的运动规律。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章等速运动规律位移线等速运动规律位移线图图汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章l刚性冲击刚性冲击等速运动规律从动件在运动始末两等速运动规律从动件在运动始末两点，速度有突变，理论上瞬时加速度点，速度有突变，理论上瞬时加速度无穷大，因而无穷大，因而产生无穷大的惯性力。由于构件材料的弹性，加速度产生无穷大的惯性力。由于构件材料的弹性，加速度和惯性力达不到无穷大，但仍会对机构造成和惯性力达不到无穷大，但仍会对机构造成强烈的冲强烈的冲击击。也称为。也称为“硬冲硬冲”。转速很低以及轻载的转速很低以及轻载的场合场合汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章 l从动件在一个行程从动件在一个行程中，前半行程作等加速运动，中，前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动的运后半行程作等减速运动的运动规律。动规律。l位移曲线为两段光滑相连位移曲线为两段光滑相连开口相反的抛物线；开口相反的抛物线；l速度曲线为斜直线；速度曲线为斜直线；l加速度曲线为平直线；加速度曲线为平直线；2 2、等加速等减速运动规律、等加速等减速运动规律l注意作图方法注意作图方法柔性冲击：适用于中速、中载的场合。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章图图8 8 等加速运动等加速运动 汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章3、简谐运动规律、简谐运动规律点在圆周上作匀速运动时，它在这个圆的直径上的投影所构成的运动称为简谐运动，如图9a。前半程：汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章后半程汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章余弦加速度运动规律：由图可见，在推程始末点处仍有加速度的有限值的突变，即存在“软冲”；因此只适用于中、低速；但若从动件作无停歇的升降升型连续运动，则加速度曲线为光滑连续的余弦曲线，消除了“软冲”，故可用于高速。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章三、从动件运动规律的选择：选择从动件运动规律时，需考虑凸轮传动机构的使用场合、工作条件等。所选的运动规律首先应满足凸轮在机械中执行工作的要求。因此选择运动规律应该：1 1）、对于只要求从动件实现一定的位移，对运动规律无严格要求的低速凸轮传动，可选易于加工的圆弧和直线作为凸轮的轮廓。2 2）、对从动件的运动规律有要求的凸轮传动，应按其要求确定运动规律。3 3）、在高速运转下工作的凸轮，选择从动件运动规律时要考虑它的特性、加速度变化情况，力求避免过大的惯性力，减小冲击和振动。宜选用余弦加速度运动规律。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章为什么汽车发为什么汽车发为什么汽车发为什么汽车发动机要不定期动机要不定期动机要不定期动机要不定期检测凸轮轴？检测凸轮轴？检测凸轮轴？检测凸轮轴？汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章第三节 凸轮设计与结构尺寸确定设计方法：1.图解法 2.解析法设计一般精度凸轮时常被采用图解法；设计高精度凸轮，则必须用解析法，但计算复杂；本节主要讨论图解法。基本原理：反转法原理。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章一、图解法一、图解法“反转法”原理：给机构加上一个反向转动，各构件间的相对运动并没有改变。图图11 11 图解法设计图解法设计凸轮是基于反转法凸轮是基于反转法原理原理 汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章1对心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章（4）将B0、B1、B2、.连成 光滑的曲线，得要求凸轮轮廓（图a）。（1）按从动件运动规律作出位移线图 （图b），并将横坐标等分分段。（2）沿1反方向取角度t、h、S，等分，得C1、C2、.点。连接OC1、OC2、.便是从动件导路的各个位置。（3）取B1C1=11、B2C2=22、.得反转后尖顶位置 B1、B2、A3、.。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章实实际际轮轮廓廓曲曲线线 理理论论轮轮廓廓曲曲线线 对心滚子移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计对心滚子移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计 汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章3 3对心平底从动件盘形凸轮轮廓曲线对心平底从动件盘形凸轮轮廓曲线图图14 14 对心平底从动件盘形凸轮对心平底从动件盘形凸轮汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章如图15所示，偏置移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制方法也与前述相似。但由于从动件导路的轴线不通过凸轮的转动中心，其偏距为e。所以从动件在反转过程中，其导路轴线始终与以偏距e为半径所作的偏距圆相切，因此从动件的位移应沿这些切线量取。4偏置移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章图图1515偏置移动尖顶从动件盘形凸轮偏置移动尖顶从动件盘形凸轮汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章二、凸轮机构基本尺寸的确定设计凸轮机构，既要保证从动件能实现预定的运动规律，还须使机构传力性能良好，结构紧凑，满足强度和安装等要求，因此，应注意处理好下述问题：1.1.凸轮机构的压力角；凸轮机构的压力角；2.2.滚子半径的选择滚子半径的选择 ；3.3.凸轮基圆半径的确定；凸轮基圆半径的确定；4.4.凸轮机构的材料。凸轮机构的材料。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章1 1、压力角、压力角不计摩擦时，凸轮对从动件的作用力（法向力）与从动件上受力点速度方向所夹的锐角。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章凸轮机构的压力角：压力角越小传力越好。自锁当凸轮机构处于压力角大到使有效分力不足以克服摩擦阻力的位置，不论推力多大，都不能使从动件运动。临界压力角机构开始出现自锁时的压力角。有效分力：有效分力：有害分力：有害分力：汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章凸轮机构的压力角：为了保证良好的传力性能，设计时应使 amax a,许用值a的大小通常由经验确定：推程时:对于直动从动件，取a=30；对于摆动从动件，取a=45；回程时：可取 a=7080；回程时从动件通常受弹簧力或重力的作用，不会引起自锁，可不必校验压力角。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章凸轮压力角的测量及影响因素：测量方法：量角器（下页）；压力角有关因素：基圆半径b等。基圆半径较大的凸轮对应点的压力角较小，传力性能好些，但结构尺寸较大；基圆半径小时，压力角较大，容易引起自锁，但凸轮的结构比较紧凑。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章凸轮压力凸轮压力角的测量角的测量汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章图17 凸轮机构的压力角与力的关系汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章因受力较小且无自锁问题，故许用压力角可取得大些，通常=80 推程（工作行程）：移动从动件 =30摆动从动件 =45回程：汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章2、滚子半径的选择设计要求：设计要求：滚子尺寸的设计要满足强度和运动特性。滚子尺寸的设计要满足强度和运动特性。从从强度要求度要求考考虑，滚子半径一般子半径一般应满足：足：从从运运动特特性性考考虑，不不能能发生生运运动的的失失真真现象象。为避避免免发生生这种种现象象，要要对滚子半径加以限制。子半径加以限制。r rr r(0.1-0.5)r(0.1-0.5)rb b滚子尺寸与滚子尺寸与min关系汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章由上式可知：实际轮廓曲率半径总大于理论轮廓曲率半径。因而，不论选择多大的滚子，都能做出实际轮廓。2)凸轮理论轮廓的外凸部分由图18b可得a=min-r T（1）当min rT时，则有a 0，如图18b所示，实际轮廓为一平滑曲线。1)凸轮理论轮廓的内凹部分由图18a可得：a=min+rT图图1818滚子半径对轮廓的影响滚子尺寸滚子尺寸对轮廓的影响汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章（2）当min=rT时，则有a=0，如图18c所示，在凸轮实际轮廓曲线上产生了尖点，这种尖点极易磨损，磨损后就会改变从动件预定的运动规律。（3）当min rT时，则有a 0 时，如图18d所示，这时实际轮廓曲线发生相交，图中阴影部分的轮廓曲线在实际加工时被切去，使这一部分运动规律无法实现。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章为了使凸轮轮廓在任何位置既不变尖也不相交，滚子半径必须小于理论轮廓外凸部分的最小曲率半径min。如果min过小，按上述条件选择的滚子半径太小而不能满足安装和强度要求时。就应当把凸轮基圆尺寸加大，重新设计凸轮轮廓曲线。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章3、基圆半径的确定 基基圆圆半半径径越越大大，压压力力角角越越小小。从从传传力力的的角角度度来来看看，基基圆圆半半径径越越大大越越好好；从从机机构构紧紧凑凑的的角度来看，基圆半径越小越好。角度来看，基圆半径越小越好。在在设设计计时时，应应在在满满足足许许用用压压力力角角要要求求的的前前提提下下，选选取取最最小的基圆半径。小的基圆半径。通常要求通常要求r rb b(1.62)d(1.62)d汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章第四节第四节 凸轮传动机构的材料凸轮传动机构的材料凸轮传动机构中，凸轮轮廓与从动件之间理论上为点或线接触。接触处有相对运动并承受较大的反复作用的接触应力，因此容易发生磨损和疲劳点蚀，这要求凸轮和滚子的工作表面硬度高、耐磨、有足够的表面接触强度，心部有较大的韧性。凸轮常用的材料及热处理可参考下表：汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章从动件接触端（包括尖顶、滚子或平底）可采用与从动件接触端（包括尖顶、滚子或平底）可采用与凸轮相同的材料。凸轮相同的材料。在生产实际中，从动件一般可用在生产实际中，从动件一般可用4545钢，接触端经表钢，接触端经表面淬火。对高速、重载或使用靠模凸轮时，可采面淬火。对高速、重载或使用靠模凸轮时，可采用碳素工具钢用碳素工具钢T8T8、T10T10。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章小结本章要求重点掌握：本章要求重点掌握：1 1、凸轮机构的组成和应用。、凸轮机构的组成和应用。2 2、凸轮机构的类型、从动的运动规律。、凸轮机构的类型、从动的运动规律。3 3、凸轮机构的设计和基本尺寸的确定。、凸轮机构的设计和基本尺寸的确定。4 4、凸轮、从动件材料的选择。、凸轮、从动件材料的选择。汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章课后习题课后习题9-2、9-3、9-4、9-8、9-9、9-10、9-14汽车机械基础汽车机械基础 第九章第九章