機械設(shè)計基礎(chǔ)(內(nèi)燃機偏置凸輪設(shè)計) - 新

機械設(shè)計基礎(chǔ)機械類職業(yè)教育實用系列教材韶關(guān)市機電技工學校

黃海燕

模塊五

設(shè)計內(nèi)燃機配氣機構(gòu)中的

凸輪機構(gòu)任務(wù)二

本節(jié)教學要求1、了解凸輪機構(gòu)的組成、分類、應(yīng)用特點。2、理解凸輪機構(gòu)的工作過程及基本術(shù)語。掌握從動件常用運動規(guī)律及特點。3、熟練掌握利用反轉(zhuǎn)法設(shè)計平面凸輪機構(gòu)的輪廓曲線。

如圖5-19所示為一偏置直動從動件盤形凸輪，已知從動件位移圖、偏置距e、凸輪的基圓半徑ro以及凸輪以等角速度?順時針方向回轉(zhuǎn)。要求根據(jù)從動件運動規(guī)律繪出此凸輪的輪廓。任務(wù)引入圖5-19偏置直動從動件盤形凸輪

相關(guān)知識

1、凸輪機構(gòu)的組成和應(yīng)用一、凸輪機構(gòu)的組成、應(yīng)用和分類依靠凸輪輪廓直接與從動件接觸，迫使從動件作有規(guī)律的直線往復運動（直動）或擺動。（1）凸輪機構(gòu)：（2）、凸輪的組成

由三個構(gòu)件組成的一種高副機構(gòu)

凸輪：具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，為主動件。

推桿/從動件：運動規(guī)律由凸輪廓線和運動尺寸決定

機架

推桿凸輪內(nèi)燃機配氣機構(gòu)機架1、凸輪機構(gòu)的組成、應(yīng)用和分類1、凸輪機構(gòu)的組成和應(yīng)用凸輪等速回轉(zhuǎn)時，輪廓使氣門桿按一定要求上下往復運動，控制氣門的開關(guān)。圖5-20內(nèi)燃機配氣機構(gòu)

彈簧機架動畫

1、凸輪機構(gòu)的組成和應(yīng)用

凸輪的回轉(zhuǎn)使扇形齒輪與刀架下的齒條嚙合，刀架實現(xiàn)進退刀運動圖5-21自動送料機1-圓柱凸輪；2-推桿3-機架圓柱凸輪作等速轉(zhuǎn)動，帶動從動件作往復遠動，將工件推到指定的位置，從而完成自動送料任務(wù)。圖5-22靠模車削機構(gòu)1、凸輪機構(gòu)的組成和應(yīng)用

將凸輪的移動轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭蛹囊苿踊驍[動1、工件；2、刀架；3、靠模2131、凸輪機構(gòu)的組成和應(yīng)用

在一些機械中，要求從動件的位移，速度和加速度必須嚴格地按照預(yù)定規(guī)律變化，此時可采用凸輪機構(gòu)來實現(xiàn)。凸輪機構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種機械和自動控制裝置中。

凸輪泵

凸輪的應(yīng)用實例

縫紉機

凸輪的應(yīng)用實例凸輪軸盤形凸輪

凸輪的應(yīng)用實例各式凸輪

凸輪的應(yīng)用實例作用：將凸輪的轉(zhuǎn)動或移動轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭蛹?/p>

的連續(xù)或間歇往復移動或擺動

應(yīng)用：各種機械，特別是自動機械，適用于傳力不大的控制機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)。從動件的運動規(guī)律決定了所需凸輪的輪廓形狀。

1、凸輪機構(gòu)的組成和應(yīng)用

討論活動按組分卡片，請各組組長收集本組同學看完上面各凸輪應(yīng)用的圖片、動畫后，總結(jié)：①凸輪的輪廓形狀特征；②從動件接觸處的形狀特征?？偨Y(jié)歸納各組同學們寫的與凸輪輪廓、從動件有關(guān)的詞組。任務(wù)：

2、凸輪機構(gòu)的分類

一、凸輪機構(gòu)的組成、應(yīng)用和分類（1）.按凸輪的形狀和運動分類1)盤形凸輪2)移動凸輪

2、凸輪機構(gòu)的分類3)圓柱回轉(zhuǎn)凸輪（2）.按從動件的形狀分類1)尖頂從動件

2、凸輪機構(gòu)的分類2)滾子從動件3)平底從動件

2、凸輪機構(gòu)的分類（3）.按從動件的運動形式1）移動從動件

2、凸輪機構(gòu)的分類對心移動從動件

偏置移動從動件動畫一動畫二偏置移動從動件：對心移動從動件：移動從動件的導路中心線若是通過盤形凸輪的軸心則稱為對心移動從動件的導路中心線若是不通過盤形凸輪的軸心則稱為偏置（3）.按從動件的運動形式2）擺動從動件

2、凸輪機構(gòu)的分類凸輪的形狀分盤形凸輪——平面凸輪，特點：繞固定軸線轉(zhuǎn)動其具有半徑變化的盤形零件。移動凸輪——平面凸輪，特點：回轉(zhuǎn)中心趨于無窮遠，凸輪沿機架作直線運動。圓柱凸輪——空間結(jié)構(gòu)，特點：將移動凸輪卷成圓柱。從動件型式分尖頂從動件——用于低速，能與復雜凸輪輪廓保持接觸，實現(xiàn)任意預(yù)期的運動規(guī)律，但點接觸，磨損快滾子從動件——應(yīng)用普通，尖頂處安裝一滾子，接觸處為滾動摩擦，耐磨損。平底從動件——應(yīng)用高速，接觸處為一平面，但不能與凹陷的凸輪輪廓接觸。按從動件運動形式分凸輪機構(gòu)的分類

2、凸輪機構(gòu)的分類（小結(jié)）移動從動件擺動從動件凸輪機構(gòu)的應(yīng)用特點

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工作可靠，設(shè)計適當?shù)耐馆嗇喞€，可使從動件獲得任意預(yù)期的運動規(guī)律。

缺點：凸輪與從動件（桿或滾子）之間以點或線接觸，不便于潤滑，易磨損。

應(yīng)用：多用于傳力不大的場合，如自動機械、儀表、控制機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)中。

2、凸輪機構(gòu)的分類

從動件的運動規(guī)律全面反映了從動件的運動特性及其變化規(guī)律性。設(shè)計凸輪機構(gòu)時，首先應(yīng)根據(jù)工作要求確定從動件的運動，然后按照這一運動規(guī)律設(shè)計凸輪輪廓線。凸輪回轉(zhuǎn)時，從動件作“升→停→降→?！钡倪\動循環(huán)。

二、凸輪與從動件運動關(guān)系

凸輪理論輪廓上最小向徑為半徑所畫的圓。wOrminwrminOe基圓偏距從動件導路偏離凸輪回轉(zhuǎn)中心的距。

1、凸輪機構(gòu)的基本術(shù)語★推桿的運動規(guī)律：是指推桿在運動過程中，其位移、速度和加速度隨時間變化（凸輪轉(zhuǎn)角δ變化）的規(guī)律?！锿瞥?、推程運動角：★遠休、遠休止角：★回程、回程運動角：★近休、近休止角：★行程：h★位移：s=r-r0

1、凸輪機構(gòu)的基本術(shù)語

從動件位移曲線r0hB’otδsδ01δ01δ02δ02δ0δ0δ’0δ’0ωADCB以縱坐標代表從動件位移s

，橫坐標代表凸輪轉(zhuǎn)角δ或t，所畫出的位移與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系曲線。上升—?！怠?/p>

從動件位移曲線圖決定于凸輪輪廓曲線的形狀。從動件的運動規(guī)律：從動件的位移、速度和加速度隨時間t（或凸輪轉(zhuǎn)角φ）的變化規(guī)律。從動件運動規(guī)律很多，常見的運動規(guī)律可用位移曲線表示如下：

2、從動件的常用運動規(guī)律2、從動件常用的運動規(guī)律（1）、等速運動從動件運動的速度為常數(shù)時的運動規(guī)律，稱為等速運動規(guī)律（直線運動規(guī)律）。

從動件在運動過程中是等速運動。這樣從動件在開始起始位置和終止兩瞬時的速度有突變，故加速度在理論上由零值突變?yōu)闊o窮大，慣性力也為無窮大。由此的強烈沖擊稱為剛性沖擊。適用于低速輕載場合。hOSvOvOa2、從動件常用的運動規(guī)律（2）、簡諧運動運動規(guī)律的加速度曲線為1/2個周期的余弦曲線，位移曲線為簡諧運動曲線（又稱作余弦加速運動規(guī)律）。從加速度線圖可見，簡諧運動開始和終止時，加速度值有突變，導致慣性力突然變化而產(chǎn)生沖擊，但此處加速度的變化量和沖擊都是有限的這種沖擊稱為柔性沖擊，在高速狀態(tài)下也會產(chǎn)生不良影響，因此簡諧遠動規(guī)律只宜用于中低速凸輪機構(gòu)。ω-ωφ1φ2φ3B1B2B’2B’3B3B’4B4

三、凸輪輪廓曲線設(shè)計

凸輪輪廓曲線設(shè)計所依據(jù)的基本原理是反轉(zhuǎn)法。根據(jù)相對運動原理：如果給整個機構(gòu)加上繞凸輪軸心O的公共角速度-?，此時凸輪將靜止不動，而推桿則一邊隨其倒軌以角速度-?繞軸心O轉(zhuǎn)動，一邊又在導軌內(nèi)作預(yù)期的往復移動，這樣推桿的尖頂?shù)倪\動軌跡即為凸輪輪廓曲線。O

三、凸輪輪廓曲線設(shè)計

開始已知條件：從動件位移、偏置距e、凸輪基圓半徑ro，凸輪角速度?

作基圓、偏距圓

作出從動件的導路畫出推程運動角，遠休止角、回路運動角、近休止角將推程角、休止角等平分均分成若干份，得到分點過分點作偏距圓切線，在切線上取出從動件的位置量，描點。連接各點，畫出凸輪輪廓

結(jié)束圖5-26凸輪輪廓曲線設(shè)計流程

根據(jù)【任務(wù)引入】如圖所示的一偏置直動從動件盤形凸輪，已知從動件位移圖、偏置距e、凸輪的基圓半徑ro

以及凸輪以等角速度?順時針方向回轉(zhuǎn)。要求根據(jù)從動件運動規(guī)律如何繪出此凸輪的輪廓？？？？

任務(wù)實施（4）將點B0B1B2……連接成光滑曲線，便得到所求的凸輪輪廓曲線。

任務(wù)實施圖5-27偏置尖頂直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制

a)

b)（3）過C1、C2、C3….作偏距圓的一系列切線，它們便是反轉(zhuǎn)后從動件導路的一系列位置。沿這些切線自基圓開始量取從動件相應(yīng)的位置，即取線C1B1=11′,C2B2=22′……得反轉(zhuǎn)后尖頂?shù)囊幌盗形恢肂1、B2、B3……（2）從OBO(CO)開始按-?方向在基圓上畫出推程運動角180o，遠休止角30o，回程運動角90o，遠休止角60o.并在相應(yīng)段與位移圖對應(yīng)劃分出若干等份，得分點C1、C2、C3….具體作圖步驟：（1）以ro為半徑作基圓，以e為半徑作偏距圓。過偏距圓上任一點k作出偏距圓的切線作為從動件的導路，并與基圓交于一點CO,該點也是從動件的起始位置BO點。（4）將點B0B1B2……連接成光滑曲線，便得到所求的凸輪輪廓曲線。s0h

任務(wù)實施eOr0B0C0B1（3）過C1、C2、C3….作偏距圓的一系列切線，它們便是反轉(zhuǎn)后從動件導路的一系列位置。沿這些切線自基圓開始量取從動件相應(yīng)的位置，即取線C1B1=11′,C2B2=22′……得反轉(zhuǎn)后尖頂?shù)囊幌盗形恢肂1、B2、B3……（2）從OBO(CO)開始按-?方向在基本上畫出推程角運動角120o，遠休止角60o，回程90o，遠休止角90o.并在相應(yīng)段與位移圖對應(yīng)劃分出若干等份，得分點C1、C2、C3….具體作圖步驟：（1）以ro為半徑作基圓，以e為半徑作偏距圓。過偏距圓上任一點k作出偏距圓的切線作為從動件的導路，并與基圓交于一點CO,該點也是從動件的起始位置BO點。-ωC1B2C21'12'2已知偏置尖頂凸輪的位移曲線右上圖，畫出凸輪輪廓ω小結(jié)畫圖步驟簡記法：①：畫兩圓（基圓、偏距圓），找起點；②：反轉(zhuǎn)方向畫角度；（推程角、遠休止角、回程角、近休止角）③：位移圖上分等份；（推程、回程）④：等分點上作切線；（偏距圓的切線）⑤：切線上面量等長；⑥：光滑連接輪廓線。

其他凸輪輪廓的設(shè)計1、對心尖頂直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計當偏心距e=0時，則成為對心尖頂直動從動件盤形凸輪機構(gòu)。這時，從動件在反轉(zhuǎn)運動中，其導路為過中心O的徑向射線，其設(shè)計方法與上述偏置尖頂直動從動件盤形凸輪機構(gòu)相同。知

識

展知

識知

識知

識知

識知

展

識知

展

識知

其他凸輪輪廓的設(shè)計1、對心尖頂直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計當偏心距e=0時，則成為對心尖頂直動從動件盤形凸輪機構(gòu)。這時，從動件在反轉(zhuǎn)運動中，其導路為過中心O的徑向射線，其設(shè)計方法與上述偏置尖頂直動從動件盤形凸輪機構(gòu)相同。

展拓

識知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’

展拓

識知

設(shè)計對心尖頂直動從動件凸輪輪廓ω知

識拓

展

其他凸輪輪廓的設(shè)計2、滾子直動從動件盤形凸輪首選把滾子中心看作尖頂從動件的尖頂，按上述方法同樣可以求出一條輪廓曲線?上即為滾子中心的運動曲線。再以曲線?上各點為中心，以滾子半徑為半徑作一系列圓，最后作這些圓的包絡(luò)線?′，它便是凸輪的實際輪廓，而?稱為凸輪的理論輪廓，如圖5-28所示。圖5-28滾子半徑的大小對凸輪實際輪廓有很大影響。如5-29所示，當凸輪理論廓線為外凸的輪廓曲線時，設(shè)理論輪廓外凸部分的最小曲率半徑用ρmin表示，滾子半徑用rT表示，則相應(yīng)位置實際輪廓的曲率半徑ρ′=ρmin-rT

。當ρmin

>

rT時，實際輪廓為一平滑曲線當當ρmin

=

rT時，實際輪廓上產(chǎn)生尖點，極易磨損。磨損后，運動規(guī)律將會發(fā)生改變。當ρmin

<

rT時，實際輪廓線發(fā)生自交，交點上的輪廓曲線在加工時將被切去，使這一部分運動規(guī)律無法實現(xiàn)。

展拓

識知′min′min′rra)min>rTb)min=rTminrTc)min<rT圖5-29滾子半徑的大小對凸輪實際輪廓線的影響

知

識拓

展結(jié)論：內(nèi)凹凸輪廓線：滾子半徑無限制外凸凸輪廓線：理論輪廓的最小曲率半徑大于滾子半徑,即min>rT實際設(shè)計時，應(yīng)保證實際輪廓′=min-rT3~5min通常取rT≤0.8ρmin，同時ρ′≥1~5mm，另外滾子半徑還受強度、結(jié)構(gòu)等的限制，因而也不能做得太小，通常取滾子半徑rT=0.4rmin。

本章小結(jié)：等速運動規(guī)律：有剛性沖擊低速輕載簡諧運動規(guī)律：柔性沖擊中、低速輕載運動規(guī)律運動特性適用場合1．凸輪機構(gòu)的類型及其應(yīng)用特點。2．凸輪機構(gòu)從動件常用運動規(guī)律的工作特點。對心直動滾子從動件盤狀凸輪輪廓設(shè)計3.盤狀凸輪輪廓曲線設(shè)計偏心直動尖端從動件