机械设计基础(内燃机偏置凸轮设计) - 新

1、机械类职业教育实用系列教材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 模块五模块五 设计内燃机设计内燃机 配气机构中的配气机构中的 凸轮机构凸轮机构 任务二任务二 本节教学要求本节教学要求 1、了解凸轮机构的组成、分类、应用特点。、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。、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。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、熟练掌握利用反转法设计平面凸轮机构 的轮廓曲线。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、

2、凸轮的 基圆半径ro 以及凸轮 以等角速度顺时针 方向回转。要求根据 从动件运动规律绘出 此凸轮的轮廓。 任务引入任务引入 图图5-19 偏置直动偏置直动 从动件盘形凸轮从动件盘形凸轮 相关知识相关知识 1 1、凸轮机构的组成和应用、凸轮机构的组成和应用 一、凸轮机构的组成、应用和分类一、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触，迫使从动件作有规律的直 线往复运动（直动）或摆动。线往复运动（直动）或摆动。 （1） 凸轮机构凸轮机构： （2 2）、凸轮的组成）、凸轮的组成 u 由三个构件组成的一种由三个构件组成的一种高高 副副

3、机构机构 u 凸轮凸轮：具有曲线轮廓或凹：具有曲线轮廓或凹 槽的构件，为主动件。槽的构件，为主动件。 u 推杆推杆/ / 从动件从动件：运动规律：运动规律 由凸轮廓线和运动尺寸决定由凸轮廓线和运动尺寸决定 u 机架机架 推杆推杆 凸轮凸轮 内燃机配气机构 机架机架 1 1、凸轮机构的组成、应用和分类、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 弹簧弹簧 机架机架 动 画 1 、 凸轮机构的组成和应用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

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

5、实例凸轮的应用实例 缝纫机 凸轮的应用实例凸轮的应用实例 凸轮轴凸轮轴 盘盘 形形 凸凸 轮轮 凸轮的应用实例凸轮的应用实例 各各 式式 凸凸 轮轮 凸轮的应用实例凸轮的应用实例 作用作用：将凸轮的转动或移动转变为从动件：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的连续或间歇往复移动或摆动 应用应用：各种机械，特别是自动机械，适用各种机械，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从动件的运动规律决定了所需凸轮的轮廓形 状。状。 1 、凸轮机构的组成和应用、凸轮机构的组成和应用 讨论讨论活动活动

6、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：凸轮的轮廓形状 特征；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：任务： 2 2 、凸轮机构的分类、凸轮机构的分类 一、凸轮机构的组成、应用和分类一、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 、 凸轮机构的分类凸轮机构的分类 （3）.按从动件的运动形式 1

7、）移动从动件 2 、 凸轮机构的分类凸轮机构的分类 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：偏置移动从动件： 对心移动从动件：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机构的分类 凸轮的凸轮的 形状分形状分 盘形凸轮盘形凸轮平面凸轮，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。 圆柱凸轮圆柱凸轮空间结构，特点：将移动凸轮卷成圆柱。

8、 从动件从动件 型式分型式分 尖顶从动件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。 按从动按从动 件运动件运动 形式分形式分 凸凸 轮轮 机机 构构 的的 分分 类类 2 、 凸轮机构的分类（小结）凸轮机构的分类（小结） 移动从动件移动从动件 摆动从动件摆动从动件 凸轮机构的应用特点凸轮机构的应用特点 优点优点：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

9、。 缺点缺点：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二、凸轮与从动件运动关系 凸轮理论轮廓理论轮廓上最小向径为半径所画的圆。 w w O O rmin w w rmin O O e e 基圆基圆 偏距偏距 从动件导路偏离偏离凸轮回转

10、中心的距。 1 1、凸轮机构的基本术语、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 h s s 0 位移：s=r-r0 1 1、凸轮机构的基本术语、凸轮机构的基本术语 从动件位移曲线从动件位移曲线 r0 h B o t s 01 01 02 02 0 0 0 0 A D C B 以纵坐标代表从动件位移以纵坐标代表从动件位移s ，横坐标代表凸轮转，横坐标代表凸轮转 角角或或t，所画出的位移与转角之间的关系曲线。，所画出的位移与转角之间的

11、关系曲线。 上升上升停停降降停停 从动件位移曲线图决定从动件位移曲线图决定 于凸轮轮廓曲线的形状。于凸轮轮廓曲线的形状。 从动件的运动规律：从动件的运动规律：从动件的位移、速度和加速度随时从动件的位移、速度和加速度随时 间间t（或凸轮转角（或凸轮转角）的变化规律。）的变化规律。 从动件运动规律很多，常见的运动规律可用从动件运动规律很多，常见的运动规律可用位移曲线位移曲线表表 示如下：示如下： 2 2、从动件的常用运动规律、从动件的常用运动规律 2 2、从动件常用的运动规律、从动件常用的运动规律 （1）、等速运动）、等速运动 从动件运动的速度为常数时的从动件运动的速度为常数时的 运动规律，称为运

12、动规律，称为等速运动规律等速运动规律（直（直 线运动规律）。线运动规律）。 从动件在运动过程中是等速运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，度在理论上由零值突变为无穷大， 惯性力也为无穷大。由此的强烈冲惯性力也为无穷大。由此的强烈冲 击称为击称为刚性冲击。刚性冲击。适用于低速轻载适用于低速轻载 场合。场合。 h O S v O v O a 2 2、从动件常用的运动规律、从动件常用的运动规律 （2）、简谐运动）、简谐运动 运动规律的加速度曲线为运动规律的

13、加速度曲线为 1/2个周期的余弦曲线，位移曲个周期的余弦曲线，位移曲 线为线为简谐运动曲线简谐运动曲线（又称作余弦（又称作余弦 加速运动规律）。从加速度线图加速运动规律）。从加速度线图 可见，简谐运动开始和终止时，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度的变化量和冲击都是有限的这 种冲击称为种冲击称为柔性冲击柔性冲击，在高速状，在高速状 态下也会产生不良影响，因此简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谐远动规律只宜用于中低速凸轮 机构。机

14、构。 - 1 2 3 B1 B2 B2 B3 B3 B4 B4 三、凸轮轮廓曲线设计三、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-，此时凸 轮将静止不动，而推杆则 一边随其倒轨以角速度- 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、凸轮轮廓曲线设计三、凸轮轮廓曲线设计 开始开始 已知条件：从动件位移、偏置距已知条件：从动件位移、偏置距e、凸、凸 轮基圆半径轮基圆半径ro，凸轮角速度，凸轮角速度 作基圆、偏距圆作基圆、偏距圆 作出从动件的导路作

15、出从动件的导路 画出推程运动角，远休止角、回路运动画出推程运动角，远休止角、回路运动 角、近休止角角、近休止角 将推程角、休止角等平分均将推程角、休止角等平分均 分成若干份，得到分点分成若干份，得到分点 过分点作偏距圆切线，在切过分点作偏距圆切线，在切 线上取出从动件的位置量，线上取出从动件的位置量， 描点。描点。 连接各点，画出凸轮轮廓连接各点，画出凸轮轮廓 结束结束 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？ ？

16、 任务实施任务实施 （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-方向在基圆上画出 推程运动角180，远休 止角30，回程运动角 90，远休止角60.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：

17、（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。 s 0 h 120 0 60 0 90 0 90 任务实施 e O r0 B0 C0 B1 （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-方向

18、在基本上画 出推程角运动角120， 远休止角60，回程 90，远休止角90.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。 - C1 B2 C2 1 1 2 2 已知偏置尖顶凸轮的位移曲 线右上图，画出凸轮轮廓 小结画图步骤简记法小结画图步骤简记法： ：画两圆（基圆、偏距圆），找起点； ：反转方向画角度；（推程角、远休止角 、回程角、近休止角） ：位移图上分等份；（推程、回程） ：等分点上

19、作切线；（偏距圆的切线） ：切线上面量等长； ：光滑连接轮廓线。 其他凸轮轮廓的设计其他凸轮轮廓的设计 1 1、对心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓设计、对心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓设计 当偏心距当偏心距e=0e=0时，则成为对心尖顶直动从动时，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，其导路为过中心动中，其导路为过中心O O的径向射线，其的径向射线，其 设计方法与上述偏置尖顶直动从动件盘形设计方法与上述偏置尖顶直动从动件盘形 凸轮机构相同。凸轮机构相同。 知知 识识 展展 知知 识识 知知 识识 知知 识识 知知 识识 知知 展展 识

20、识 知知 展展 识识 知知 其他凸轮轮廓的设计其他凸轮轮廓的设计 1 1、对心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓设计、对心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓设计 当偏心距当偏心距e=0e=0时，则成为对心尖顶直动从时，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，其导路为过中心运动中，其导路为过中心O O的径向射线，的径向射线， 其设计方法与上述偏置尖顶直动从动件盘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。形凸轮机构相同。 展展 拓拓 识识 知知 60 r0 120 - 1 1 3 5 7 8 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1

21、2 13 14 90 90 A 1 8 7 6 5 4 3 2 14 13 12 11 10 9 60 1209090 1 3 5 7 8 911 13 15 s 9 11 13 12 14 10 展展 拓拓 识识 知知 设计对心尖顶直动设计对心尖顶直动从动件从动件凸轮轮廓凸轮轮廓 知知 识识 拓拓 展展 其他凸轮轮廓的设计其他凸轮轮廓的设计 2、滚子直动从动件盘形凸轮、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，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按上述方法同样可以求出一条轮廓曲线 上即为滚子中心的运动曲线。再以曲上即为滚子中心的运动曲线。

22、再以曲 线线上各点为中心，以滚子半径为半径上各点为中心，以滚子半径为半径 作一系列圆，最后作这些圆的包络线作一系列圆，最后作这些圆的包络线 ，它便是凸轮的，它便是凸轮的实际轮廓实际轮廓，而，而称为称为 凸轮的理论轮廓，如图凸轮的理论轮廓，如图5-28所示。所示。 图5-28 l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min表示，滚子半径用rT表示，则相 应位置实际轮廓的曲率半径 = min - rT 。 l当min rT 时，实际轮廓为一平滑曲线 l当当min = 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。 l当min rT b) min=rT min rT c) minrT 实际设计时，应保证实际轮廓实际设计时，应保证实际轮廓 = min -rT 35 min l通常取rT0.8min，同时15mm， l另外滚子半径还受强度、结构等的限制， l因而也不能做得太小，通常取滚子半径rT=0.4rmin。 本章小结：本章小结： 等速运动规律：等速运动规律： 有刚性冲击有刚性冲击 低速轻载低速轻载 简谐运动规律：简谐运动规律： 柔