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汽车机械基础第九章 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 汽车机械基础第九章 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 汽车机械基础第九章 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 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 概述 汽车机械基础第九章 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 第一节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 汽车机械基础第九章 图1内燃机配气凸轮机构 点击动画1 点击动画2 汽车机械基础第九章 配气机构凸轮 汽车机械基础第九章 图 汽车快怠速机构 图9 3自动车床中的凸轮组 汽车机械基础第九章 1 凸轮 具有曲线状轮廓的构件2 从动件 作往复移动或摆动的构件往复移动 直动从动件往复摆动 摆动从动件3 机架 机构中固定不动的构件 凸轮机构的组成 直动从动件 摆动从动件 汽车机械基础第九章 优点 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 紧凑 设计方便 缺点 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构 凸轮传动特点 汽车机械基础第九章 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 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 汽车机械基础第九章 图5按从动件分类的凸轮机构 当位置要求准确 当受力较大时 当转速较高时 从动件使用的场合 汽车机械基础第九章 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 汽车机械基础第九章 锁合 保持从动件与凸轮之间的高副接触 1 力锁合凸轮机构 依靠重力 弹簧力或其他外力来保证锁合 内燃机配气凸轮机构 刀架送给机构等 4 按锁合方式分 汽车机械基础第九章 力锁合凸轮机构 汽车机械基础第九章 依靠凸轮和从动件几何形状来保证锁合 2 形锁合凸轮机构 汽车机械基础第九章 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 第二节凸轮传动机构常用的运动规律 汽车机械基础第九章 凸轮传动工作过程的有关名词 基圆 以凸轮的最小向径为半径所作的圆称为基圆 基圆半径用rb表示 基圆半径rb 凸轮转角 推程 回程 升程h 近停程 远停程 推程运动角 0 回程运动角 0 远停角 s 近停角 s 一般推程是凸轮机构的工作行程 汽车机械基础第九章 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 0 s 0 近停程 s 汽车机械基础第九章 如图b所示 它简称为从动件位移曲线 汽车机械基础第九章 生产中对凸轮机构从动件运动要求是多样的 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 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 从动件的运动规律 其位移s 速度v和加速度a等随凸轮转角而变化的规律 从动件运动规律可用方程或线图表示 第二节常用的从动件运动规律 汽车机械基础第九章 1 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 汽车机械基础第九章 等速运动规律位移线图 汽车机械基础第九章 刚性冲击 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 无穷大 因而产生无穷大的惯性力 由于构件材料的弹性 加速度和惯性力达不到无穷大 但仍会对机构造成强烈的冲击 也称为 硬冲 转速很低以及轻载的场合 汽车机械基础第九章 从动件在一个行程中 前半行程作等加速运动 后半行程作等减速运动的运动规律 位移曲线为两段光滑相连开口相反的抛物线 速度曲线为斜直线 加速度曲线为平直线 2 等加速等减速运动规律 注意作图方法 柔性冲击 适用于中速 中载的场合 汽车机械基础第九章 图8等加速运动 汽车机械基础第九章 3 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 汽车机械基础第九章 后半程 汽车机械基础第九章 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 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 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 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 汽车机械基础第九章 为什么汽车发动机要不定期检测凸轮轴 汽车机械基础第九章 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 汽车机械基础第九章 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11图解法设计凸轮是基于反转法原理 汽车机械基础第九章 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 汽车机械基础第九章 实际轮廓曲线 理论轮廓曲线 对心滚子移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计 汽车机械基础第九章 3 对心平底从动件盘形凸轮轮廓曲线 图14对心平底从动件盘形凸轮 汽车机械基础第九章 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 汽车机械基础第九章 图15偏置移动尖顶从动件盘形凸轮 汽车机械基础第九章 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 凸轮机构的压力角 2 滚子半径的选择 3 凸轮基圆半径的确定 4 凸轮机构的材料 汽车机械基础第九章 1 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 有害分力 汽车机械基础第九章 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 70 80 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 汽车机械基础第九章 凸轮压力角的测量 汽车机械基础第九章 图17凸轮机构的压力角与力的关系 汽车机械基础第九章 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 汽车机械基础第九章 2 滚子半径的选择设计要求 滚子尺寸的设计要满足强度和运动特性 从强度要求考虑 滚子半径一般应满足 从运动特性考虑 不能发生运动的失真现象 为避免发生这种现象 要对滚子半径加以限制 rr 0 1 0 5 rb 滚子尺寸与 min关系 汽车机械基础第九章 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 rT 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18滚子半径对轮廓的影响 滚子尺寸对轮廓的影响 汽车机械基础第九章 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 汽车机械基础第九章 3 基圆半径的确定 基圆半径越大 压力角越小 从传力的角度来看 基圆半径越大越好 从机构紧凑的角度来看 基圆半径越小越好 在设计时 应在满足许用压力角要求的前提下 选取最小的基圆半径 通常要求rb 1 6 2 d 汽车机械基础第九章 第四节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 汽车机械基础第九章 从动件接触端 包括尖顶 滚