Transcript 凸轮机构
第九章 凸轮机构传动 汽车机械基础 第九 第九章 凸轮机构传动 本章的教学目标： １）了解凸轮传动机构的组成、分类及在汽车上的应用。 ２）掌握凸轮从动件常用运动规律的特点及其选择原则。 ３）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 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 请同学门思考几个问题 • 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 汽车机械基础 第九 概述 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。 汽车机械基础 第九 第一节 凸轮传动机构的组成、应用和分类 一、凸轮机构的应用 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。 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。 动画 汽车机械基础 第九 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 配气机构 凸轮 汽车机械基础 第九 图９－２ 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 凸轮机构的组成 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 摆动从动件 直动从动件 汽车机械基础 第九 凸轮传动特点 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。 汽车机械基础 第九 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。 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。 汽车机械基础 第九 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 图5 按从动件分类的凸轮机构 汽车机械基础 第九 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 4、按锁合方式分： 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）。 汽车机械基础 第九 力锁合凸轮机构 汽车机械基础 第九 （2）形锁合凸轮机构 ： 依靠凸轮和 从动件几何形 状来保证锁合。 汽车机械基础 第九 第二节 凸轮传动机构常用的运动规律 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。 汽车机械基础 第九 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δ； 推程 、回程 、升程h 、近停程、远停程； 推程运动角δ0； 回程运动角δ0´ ； 远停角δs ； 近停角δs ´ ； 一般推程是凸轮机构的工作行程。 汽车机械基础 第九 δs ´ 近停程 δ0 δs δ0 ´ 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。 汽车机械基础 第九 如图b所示，它简称为从动件位移曲线。 汽车机械基础 第九 第二节 常用的从动件运动规律 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。 s s (t ) v v (t ) 汽车机械基础 a a (t ) 第九 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 等速运动规律位移线图 汽车机械基础 第九 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α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 转速很低以及轻载的 击。也称为“硬冲”。 场合 汽车机械基础 第九 注意作图方法 2、等加速等减速运动规律 ——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； 柔性冲击：适用于中速、 中载的场合。 汽车机械基础 第九 图8 等加速运动 汽车机械基础 第九 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： s2 h 1 cos 2 0 v2 a2 h1 2 0 sin 0 2 h 12 2 0 2 cos 0 汽车机械基础 第九 后半程 h s 2 1 cos 1 2 h v2 h1 2 h h1 2 a2 2 2 h 2 sin 1 h cos 1 h 汽车机械基础 第九 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 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 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 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 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 1．对心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓 汽车机械基础 第九 （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、...。 （4）将B0、B1、B2、...连成 光滑的曲线，得要求凸轮轮廓（图a）。 汽车机械基础 第九 对心滚子移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计 理 论 轮 廓 曲 线 实 际 轮 廓 曲 线 汽车机械基础 第九 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 4．偏置移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓 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。 汽车机械基础 第九 图15偏置移动尖顶从动件盘形凸轮 汽车机械基础 第九 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 •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 凸轮机构的压力角： 有效分力：F 2 F n cos 有害分力：F1 F n sin •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。 汽车机械基础 第九 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 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гb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 凸轮压力 角的测量 汽车机械基础 第九 图17 凸轮机构的压力角与力的关系 汽车机械基础 第九 推程（工作行程）： 移动从动件 =30 摆动从动件 =45 回程： 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 汽车机械基础 第九 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。 rr≥(0.1-0.5)rb 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。 r 0 .8 r min 滚子尺寸与 min关系 汽车机械基础 第九 1)凸轮理论轮廓的内凹部分 由图18a可得：a= min+rT 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。 滚子尺寸对轮 廓的影响 图18 滚子半径 对轮廓的影响 汽车机械基础 第九 （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 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 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 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 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。 汽车机械基础 第九 小结 • • • • • 本章要求重点掌握： 1、凸轮机构的组成和应用。 2、凸轮机构的类型、从动的运动规律。 3、凸轮机构的设计和基本尺寸的确定。 4、凸轮、从动件材料的选择。 汽车机械基础 第九 课后习题 9-2、9-3、9-4、9-8、9-9、9-10、914 汽车机械基础 第九