汽车机械基础课件（35讲）：第14讲 凸轮机构设计

1、汽车机械基础技术应用 课题:凸轮机构设计汽车机械基础技术应用 为什么汽车发动机要不定期检测凸轮轴？汽车机械基础技术应用 一、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。 （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。 如图：图解法设计凸轮是基于反转法原理 汽车机械基础技术应用 1对心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓（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

2、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、B3、.。汽车机械基础技术应用 1.一从动件的运动规律为：从动件按简谐运动规律上升30mm，对应凸轮转角=180；从动件以等加、等减速运动规律返回原处，对应凸轮转角是120；当凸轮转过剩余角度时，从动件不动。试绘制出从动件的位移曲线。2.设计一对心直动滚子从动件盘形凸轮。已知凸轮基圆半径rb=40mm,滚子半径r=10mm,凸轮顺时针回转，从动件按上题运动规律运动。 汽车机械基础技术应用 设计汽车机

3、械基础技术应用 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 汽车机械基础技术应用 (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，应注意处理好下面问题： 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。 汽车机械基础技术应用 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。（要小，避免自锁）汽车机械基础技术应用 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

4、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：汽车机械基础技术应用 习题汽车机械基础技术应用 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。 汽车机械基础技术应用 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

5、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。 汽车机械基础技术应用 凸轮压力角的测量汽车机械基础技术应用 图17 凸轮机构的压力角与力的关系 习题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：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关系汽车机械基础技术应用 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

6、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18 滚子半径对轮廓的影响 滚子尺寸对轮廓的影响（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。 为了使凸轮轮廓在任何位置既不变尖也不

7、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 。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(1.62)d二. 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. 失效形式：磨损和疲劳点蚀， 材料要求：表面硬度高、耐磨、有足够的表面接触强

8、度，心部有较大的韧性。汽车机械基础技术应用 常用的凸轮、滚子的材料 常用的凸轮材料： 40Cr、 20Cr、 40CrMnTi常用的滚子材料： 20Cr 滚动轴承钢汽车机械基础技术应用 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。在生产实际中，从动件一般可用45钢，接触端经表面淬火。对高速、重载或使用靠模凸轮时，可采用碳素工具钢T8、T10。凸轮常用的材料及热处理可参考下表：使用场合材料热处理速度较低、载荷不大的一般场合45调质 230260HBSHT200，HT250，HT300170250HBSQT600-3190270HBS速度较高、载荷较大的重要场合45，40Cr表面淬

9、火4050HRC高频淬火 5258HRC20Cr，20CrMnTi渗碳淬火 5662HRC38CrMoAlA，35CrAlA氮化 60HRC发动机常用凸轮轴材料及热处理工艺 用 途材 料预备热处理最终热处理工艺硬度（HB）工艺层深（mm）硬度（HB）小拖拉机轿车吉普QT600-3合金铸铁45正火去应力退火调质229302241302187229贝氏体等温淬火贝氏体等温淬火氮碳共渗感应淬火0.10.153.06.04350700HV颈5563齿4558载重车拖拉机45QT600-3正火去应力退火163197230280感应淬火贝氏体等温淬火2.55.5颈5563齿455845重型车20QT600

10、-350 去应力退火正火170渗碳、淬火回火贝氏体等温淬火感应淬火、回火1.31.71.52.0586243515963大马力柴油机船20CrMnTi正火-渗碳、淬火、回火1.72.25661机 车50Mn退火去应力退火241285感应淬火 凸轮轴颈251.545862556245正火-感应淬火、回火1.32.55055汽车机械基础技术应用 凸轮轮廓的加工方法 1.铣、锉削加工低速、轻载场合的凸轮采用铣床或用手工锉削办法加工而成。2.数控加工采用数控线切割机床对淬火凸轮进行加工这是目前最常用的一种凸轮加工方法。 凸轮轮廓的加工凸轮轮廓的加工方法通常有两种：1.铣、锉削加工 对用于低速、轻载场合的凸轮，可以应用反转法原理在未淬火凸轮轮坯上通过作图法绘制轮廓曲线，采用铣床或用手工锉削办法加工而成。必要时可进行淬火处理，但用这种方法则凸轮的变形难以得到修正。 凸轮轮廓的加工凸轮轮廓的加工方法通常有两种2.数控加工 采用数控线切割机床对淬火凸轮进行加工，这是