机械设计基础内燃机偏置凸轮设计-新

机械设计基础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

设计内燃机配气机构中的

凸轮机构任务二

本节教学要求1、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。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、凸轮的基圆半径ro以及凸轮以等角速度ɷ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。任务引入图5-19偏置直动从动件盘形凸轮

相关知识

1、凸轮机构的组成和应用一、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触，迫使从动件作有规律的直线往复运动（直动）或摆动。（1）凸轮机构：（2）、凸轮的组成

由三个构件组成的一种高副机构

凸轮：具有曲线轮廓或凹槽的构件，为主动件。

推杆/从动件：运动规律由凸轮廓线和运动尺寸决定

机架

推杆凸轮内燃机配气机构机架1、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

弹簧机架动画

1、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

将凸轮的移动转变为从动件的移动或摆动1、工件；2、刀架；3、靠模2131、凸轮机构的组成和应用

在一一些些机机械械中中，，要要求求从从动动件件的的位位移移，，速速度度和和加加速速度度必必须须严严格格地地按按照照预预定定规规律律变变化化，，此此时时可可采采用用凸凸轮轮机机构构来来实实现现。。凸凸轮轮机机构构广广泛泛应应用用于于各各种种机机械械和和自自动动控控制制装装置置中中。。凸轮轮泵泵

凸轮的应用实例缝纫纫机机

凸轮的应用实例凸轮轮轴轴盘形形凸凸轮轮

凸轮的应用实例各式式凸凸轮轮

凸轮的应用实例作用用：将将凸凸轮轮的的转转动动或或移移动动转转变变为为从从动动件件的连连续续或或间间歇歇往往复复移移动动或或摆摆动动应用用：各种种机机械械，，特特别别是是自自动动机机械械，，适适用用于于传传力力不不大大的的控控制制机机构构和和调调节节机机构构。从动动件件的的运运动动规规律律决决定定了了所所需需凸凸轮轮的的轮轮廓廓形形状状。。1、凸凸轮轮机机构构的的组组成成和和应应用用讨论论活动动按组组分分卡卡片片，，请请各各组组组组长长收收集集本本组组同同学学看看完完上上面面各各凸凸轮轮应应用用的的图图片片、、动动画画后后，，总总结结：：①①凸凸轮轮的的轮轮廓廓形形状状特特征征；；②②从从动动件件接接触触处处的的形形状状特特征征。。总结结归归纳纳各各组组同同学学们们写写的的与与凸凸轮轮轮轮廓廓、、从从动动件件有有关关的的词词组组。。任务务：：2、凸凸轮轮机机构构的的分分类类一、、凸凸轮轮机机构构的的组组成成、、应应用用和和分分类类（1）.按凸凸轮轮的的形形状状和和运运动动分分类类1)盘形形凸凸轮轮2)移动动凸凸轮轮2、凸凸轮轮机机构构的的分分类类3)圆柱柱回回转转凸凸轮轮（2）.按从从动动件件的的形形状状分分类类1)尖顶顶从从动动件件2、凸凸轮轮机机构构的的分分类类2)滚子子从从动动件件3)平底底从从动动件件2、凸凸轮轮机机构构的的分分类类（3）.按从动动件件的的运运动动形形式式1）移移动动从从动动件件2、凸凸轮轮机机构构的的分分类类对心心移移动动从从动动件件偏置置移移动动从从动动件件动画画一一动画画二二偏置置移移动动从从动动件件：：对心心移移动动从从动动件件：：移动动从从动动件件的的导导路路中中心心线线若若是是通通过过盘盘形形凸轮轮的的轴轴心心则则称称为为对对心心移动动从从动动件件的的导导路路中中心心线线若若是是不不通通过盘盘形形凸凸轮轮的的轴轴心心则则称称为为偏偏置置（3）.按从动动件件的的运运动动形形式式2）摆摆动动从从动动件件2、凸凸轮轮机机构构的的分分类类凸轮轮的的形形状状分分盘形形凸凸轮轮———平面面凸凸轮轮，，特特点点：：绕绕固固定定轴轴线线转转动动其其具有有半半径径变变化化的的盘盘形形零零件件。移动动凸凸轮轮———平面面凸凸轮轮，，特特点点：：回回转转中中心心趋趋于于无无穷穷远远，，凸轮轮沿沿机机架架作作直直线线运运动动。。圆柱柱凸凸轮轮———空间间结结构构，，特特点点：：将将移移动动凸凸轮轮卷卷成成圆圆柱柱。。从动动件件型型式式分分尖顶顶从从动动件件———用于于低低速速，，能能与与复复杂杂凸凸轮轮轮轮廓廓保保持持接接触触，，实实现现任任意意预预期期的的运运动动规规律律，，但但点点接接触触，，磨磨损损快快滚子子从从动动件件———应用用普普通通，，尖尖顶顶处处安安装装一一滚滚子子，，接接触触处处为为滚滚动动摩摩擦擦，，耐耐磨磨损损。。平底底从从动动件件———应用用高高速速，，接接触触处处为为一一平平面面，，但但不不能能与与凹凹陷的的凸凸轮轮轮轮廓廓接接触触。。按从从动动件件运运动动形形式式分分凸轮机构的分类2、凸凸轮轮机机构构的的分分类类（（小小结结））移动动从从动动件件摆动动从从动动件件凸轮轮机机构构的的应应用用特特点点优点点：结构构简简单单紧紧凑凑，，工工作作可可靠靠，，设设计计适适当当的的凸凸轮轮轮轮廓廓曲曲线线，，可可使使从从动动件件获获得得任任意意预预期期的的运运动动规规律律。。缺点点：凸凸轮轮与与从从动动件件（（杆杆或或滚滚子子））之之间间以以点点或或线线接接触触，，不不便便于于润润滑滑，，易易磨磨损损。。应用用：多多用用于于传传力力不不大大的的场场合合，，如如自自动动机机械械、、仪仪表表、、控控制制机机构构和和调调节节机机构构中中。。2、凸凸轮轮机机构构的的分分类类从动动件件的的运运动动规规律律全全面面反反映映了了从从动动件件的的运运动动特特性性及及其其变变化化规规律律性性。。设设计计凸凸轮轮机机构构时时，，首首先先应应根根据据工工作作要要求求确确定定从从动动件件的的运运动动，，然然后后按按照照这这一一运运动动规规律律设设计计凸凸轮轮轮轮廓廓线线。。凸轮轮回回转转时时，，从从动动件件作作““升→→停停→→降降→→停停”的的运运动动循循环环。。二、、凸凸轮轮与与从从动动件件运运动动关关系系凸轮轮理论论轮轮廓廓上最最小小向向径径为为半半径径所所画画的的圆圆。。wOrminwrminOe基圆圆偏距距从动动件件导导路路偏离离凸轮轮回回转转中中心心的的距距。。1、凸凸轮轮机机构构的的基基本本术术语语★推杆杆的的运运动动规规律律：：是是指指推推杆杆在在运运动动过过程程中中，，其其位位移移、、速速度度和和加加速速度度随随时时间间变变化化（（凸凸轮轮转转角角δ变化化）的的规规律律。。★推程程、、推推程程运运动动角角：：★远休休、、远远休休止止角角：：★回程程、、回回程程运运动动角角：：★近休、近休休止角：★行程：h★位移：s=r-r01、凸轮机构构的基本术术语从动件位移移曲线r0hB’otδsδ01δ01δ02δ02δ0δ0δ’0δ’0ωADCB以纵坐标代代表从动件件位移s，横坐标代代表凸轮转转角δ或t，所画出的的位移与转转角之间的的关系曲线线。上升—停—降—停从动件位移移曲线图决决定于凸轮轮轮廓曲线线的形状。。从动件的运运动规律：：从动件的位位移、速度度和加速度度随时间间t（或凸轮转转角φ）的变化规规律。从动件运动动规律很多多，常见的的运动规律律可用位移曲线表示如下：：

2、从动件的常用运动规律2、从动件常常用的运动动规律（1）、等速运运动从动件运动动的速度为为常数时的的运动规律律，称为等速运动规规律（直线运动动规律）。。从动件在运运动过程中中是等速运运动。这样样从动件在在开始起始始位置和终终止两瞬时时的速度有有突变，故故加速度在在理论上由由零值突变变为无穷大大，惯性力力也为无穷穷大。由此此的强烈冲冲击称为刚性冲击。。适用于低速速轻载场合合。hOSvOvOa2、从动件常常用的运动动规律（2）、简谐运运动运动规律的的加速度曲曲线为1/2个周期的余余弦曲线，，位移曲线线为简谐运动曲曲线（又称作余余弦加速运运动规律））。从加速速度线图可可见，简谐谐运动开始始和终止时时，加速度度值有突变变，导致惯惯性力突然然变化而产产生冲击，，但此处加加速度的变变化量和冲冲击都是有有限的这种种冲击称为为柔性性冲冲击击，在在高高速速状状态态下下也也会会产产生生不不良良影影响响，，因因此此简简谐谐远远动动规规律律只只宜宜用用于于中中低低速速凸凸轮轮机机构构。。ω-ωφ1φ2φ3B1B2B’’2B’’3B3B’’4B4三、、凸凸轮轮轮轮廓廓曲曲线线设设计计凸轮轮轮轮廓廓曲曲线线设设计计所所依依据据的的基基本本原原理理是是反转转法法。根根据据相相对对运运动动原原理理：：如如果果给给整整个个机机构构加加上上绕绕凸凸轮轮轴轴心心O的公公共共角角速速度度-ɷɷ，此此时时凸凸轮轮将将静静止止不不动动，，而而推推杆杆则则一一边边随随其其倒倒轨轨以以角角速速度度-ɷɷ绕轴轴心心O转动动，，一一边边又又在在导导轨轨内内作作预预期期的的往往复复移移动动，，这这样样推推杆杆的的尖尖顶顶的的运运动动轨轨迹迹即即为为凸凸轮轮轮轮廓廓曲曲线线。。O三、、凸凸轮轮轮轮廓廓曲曲线线设设计计

开始已知条件：从动件位移、偏置距e、凸轮基圆半径ro，凸轮角速度ɷ

作基圆、偏距圆

作出从动件的导路画出推程运动角，远休止角、回路运动角、近休止角将推程角、休止角等平分均分成若干份，得到分点过分点作偏距圆切线，在切线上取出从动件的位置量，描点。连接各点，画出凸轮轮廓

结束图5-26凸轮轮轮轮廓廓曲曲线线设设计计流流程程

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ɷ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？？？？？？任务务实实施施（4）将将点点B0B1B2………连接接成成光光滑滑曲曲线线，，便便得得到到所所求求的的凸凸轮轮轮轮廓廓曲曲线线。。任务务实实施施图5-27偏置置尖尖顶顶直直动动从从动动件件盘盘形形凸凸轮轮轮轮廓廓的的绘绘制制a)b)（3）过过C1、C2、C3….作偏偏距距圆圆的的一一系系列列切切线线，，它它们们便便是是反反转转后后从从动动件件导导路路的的一一系系列列位位置置。。沿沿这这些些切切线线自自基基圆圆开开始始量量取取从从动动件件相相应应的的位位置置，，即即取取线线C1B1=11´´,C2B2=22´´…………得反反转转后后尖尖顶顶的的一一系系列列位位置置B1、B2、B3………（2）从从OBO(CO)开始始按按-ɷɷ方向向在在基基圆圆上上画画出出推推程程运运动动角角180ºº，远远休休止止角角30ºº，回回程程运运动动角角90ºº，远远休休止止角角60ºº.并在在相相应应段段与与位位移移图图对对应应划划分分出出若若干干等等份份，，得得分分点点C1、C2、C3….具体体作作图图步步骤骤：：（1）以以ro为半半径径作作基基圆圆，，以以e为半半径径作作偏偏距距圆圆。。过过偏偏距距圆圆上上任任一一点点k作出出偏偏距距圆圆的的切切线线作作为为从从动动件件的的导导路路，，并并与与基基圆圆交交于于一一点点CO,该点点也也是是从从动动件件的的起起始始位位置置BO点。。（4）将将点点B0B1B2………连接接成成光光滑滑曲曲线线，，便便得得到到所所求求的的凸凸轮轮轮轮廓廓曲曲线线。。s0h任务务实实施施eOr0B0C0B1（3）过过C1、C2、C3….作偏偏距距圆圆的的一一系系列列切切线线，，它它们们便便是是反反转转后后从从动动件件导导路路的的一一系系列列位位置置。。沿沿这这些些切切线线自自基基圆圆开开始始量量取取从从动动件件相相应应的的位位置置，，即即取取线线C1B1=11´´,C2B2=22´´…………得反反转转后后尖尖顶顶的的一一系系列列位位置置B1、B2、B3………（2）从OBO(CO)开始始按按-ɷɷ方向向在在基基本本上上画画出出推推程程角角运运动动角角120ºº，远远休休止止角角60ºº，回回程程90ºº，远远休休止止角角90ºº.并在在相相应应段段与与位位移移图图对对应应划划分分出出若若干干等等份份，，得得分分点点C1、C2、C3….具体体作作图图步步骤骤：：（1）以以ro为半半径径作作基基圆圆，，以以e为半半径径作作偏偏距距圆圆。。过过偏偏距距圆圆上上任任一一点点k作出出偏偏距距圆圆的的切切线线作作为为从从动动件件的的导导路路，，并并与与基基圆圆交交于于一一点点CO,该点点也也是是从从动动件件的的起起始始位位置置BO点。。-ωωC1B2C21'12'2已知知偏偏置置尖尖顶顶凸凸轮轮的的位位移移曲曲线线右右上上图图，，画画出出凸凸轮轮轮轮廓廓ω小结结画画图图步步骤骤简简记记法法：①：：画画两两圆圆（（基基圆圆、、偏偏距距圆圆）），，找找起起点点；；②：：反反转转方方向向画画角角度度；；（（推推程程角角、、远远休休止止角角、、回回程程角角、、近近休休止止角角））③：：位位移移图图上上分分等等份份；；（（推推程程、、回回程程））④：：等等分分点点上上作作切切线线；；（（偏偏距距圆圆的的切切线线））⑤：：切切线线上上面面量量等等长长；；⑥：：光光滑滑连连接接轮轮廓廓线线。。其他他凸凸轮轮轮轮廓廓的的设设计计1、对对心心尖尖顶顶直直动动从从动动件件盘盘形形凸凸轮轮轮轮廓廓设设计计当偏偏心心距距e=0时，，则则成成为为对对心心尖尖顶顶直直动动从从动动件件盘盘形形凸凸轮轮机机构构。。这这时时，，从从动动件件在在反反转转运运动动中中，，其其导导路路为为过过中中心心O的径径向向射射线线，，其其设设计计方方法法与与上上述述偏偏置置尖尖顶顶直直动动从从动动件件盘盘形形凸凸轮轮机机构构相相同同。。知识展知识知识知识知识知展识知展识知其他凸轮轮轮廓的的设计1、对心尖尖顶直动动从动件件盘形凸凸轮轮廓廓设计当偏心距距e=0时，则成成为对心心尖顶直直动从动动件盘形形凸轮机机构。这这时，从从动件在在反转运运动中，，其导路路为过中中心O的径向射射线，其其设计方方法与上上述偏置置尖顶直直动从动动件盘形形凸轮机机构相同同。

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识知60°r0120°-ω1’1’3’5’7’8’2’3’4’5’

6’7’

8’9’10’11’12’13’14’90°90°A1876543214131211109

60°120°90°90°135789111315s

φ9’11’13’12’14’10’

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识知设计对心心尖顶直直动从动件凸轮轮廓廓ω知识拓展其他凸轮轮轮廓的的设计2、滚子直直动从动动件盘形形凸轮首选把滚滚子中心心看作尖尖顶从动动件的尖尖顶，按按上述方方法同样样可以求求出一条条轮廓曲曲线ŋ上即为滚滚子中心心的运动动曲线。。再以曲曲线ŋ上各点为为中心，，以滚子子半径为为半径作作一系列列圆，最最后作这这些圆的的包络线线ŋ´，它便是是凸轮的的实际轮廓廓，而ŋ称为凸轮轮的理论论轮廓，，如图5-28所示。图5-28滚子半径径的大小小对凸轮轮实际轮轮廓有很很大影响响。如5-29所示，当当凸轮理理论廓线线为外凸凸的轮廓廓曲线时时，设理理论轮廓廓外凸部部分的最最小曲率率半径用用ρmin表示，滚滚子半径径用rT表示，则则相应位位置实际际轮廓的的曲率半半径ρ′=ρmin-rT。当ρmin>rT时，实际际轮廓为为一平滑滑曲线当当ρmin=rT时，实际际轮廓上上产生尖尖点，极极易磨损损。磨损损后，运运动规律律将会发发生改变变。当ρmin<rT时，实际际轮廓线线发生自自交，交交点上的的轮廓曲曲线在加加工时将将被切去去，使这这一部分分运动规规律无法法实现。。

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识知´min´min´rra)min>rTb)min=rTminrTc)min<rT图5-29滚子半径径的大小小对凸轮轮实际轮轮廓线的的影响知识拓展结论：内凹凸轮轮廓线：：滚子半径径无限制制外凸凸轮轮廓线：：理论轮廓廓的最小小曲率半半径大于于滚子半半径,即min>rT实际设计计时，应应保证实实