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1、汽車機械基礎(chǔ) 第九章,第九章凸輪機構(gòu)傳動,汽車機械基礎(chǔ),,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,第九章 凸輪機構(gòu)傳動,本章的教學(xué)目標(biāo)：,）了解凸輪傳動機構(gòu)的組成、分類及在汽車上的應(yīng)用。 ）掌握凸輪從動件常用運動規(guī)律的特點及其選擇原則。 ）了解凸輪輪廓的設(shè)計方法，反轉(zhuǎn)法原理及確定基本尺寸時應(yīng)考慮的問題。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,目錄,第一節(jié) 凸輪傳動機構(gòu)的組成、應(yīng)用和分類,第二節(jié) 凸輪傳動機構(gòu)常用的運動規(guī)律,第三節(jié) 凸輪機構(gòu)設(shè)計與凸輪結(jié)構(gòu)尺寸的確定,第四節(jié) 凸輪傳動機構(gòu)的材料、結(jié)構(gòu)和強度校核,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,發(fā)動機的配氣機構(gòu)中的凸輪輪廓是怎樣形成的？它具有怎樣的特性呢？它是如何保證汽車的緊密性的呢？

2、,動畫,請同學(xué)門思考幾個問題,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,凸輪傳動是通過凸輪與從動件之間的接觸來傳遞運動和動力的，是一種常用的高副機構(gòu)。 只要做出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，就可以使從動件得到預(yù)定的復(fù)雜運動規(guī)律。,概述,,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,圖1所示為內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu)。凸輪1以等角速度回轉(zhuǎn)時，它的輪廓驅(qū)動從動件2（閥桿）按預(yù)期的運動規(guī)律啟閉閥門。,一、凸輪機構(gòu)的應(yīng)用,第一節(jié) 凸輪傳動機構(gòu)的組成、應(yīng)用和分類,動畫,凸輪機構(gòu)能將主動件的連續(xù)等速運動變?yōu)閺膭蛹耐鶑?fù)變速運動或間歇運動。在自動機械、半自動機械中應(yīng)用非常廣泛。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,圖1 內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu),點擊動畫1,點擊動畫2,,,汽

3、車機械基礎(chǔ) 第九章,配氣機構(gòu) 凸輪,,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,,圖汽車快怠速機構(gòu),圖9-3 自動車床中的凸輪組,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,1.凸 輪具有曲線狀輪廓的構(gòu)件 2.從動件作往復(fù)移動或擺動的構(gòu)件 往復(fù)移動直動從動件 往復(fù)擺動擺動從動件 3.機 架機構(gòu)中固定不動的構(gòu)件,凸輪機構(gòu)的組成,直動從動件,擺動從動件,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,優(yōu)點：,只需設(shè)計適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞憧墒箯膭蛹玫剿璧倪\動規(guī)律，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便。,缺點：,運動副為點接觸或線接觸，易磨損，所以，通常多用于傳力不大的控制機構(gòu)。,凸輪傳動特點,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,2按從動件的形狀分類（見圖橫排）：有尖端從

4、動件、滾子從動件、平底從動件、曲面從動件凸輪。,二、凸輪機構(gòu)的分類,1按凸輪的形狀分類,（1）盤形凸輪，如圖所示。,（2）圓柱凸輪，如圖所示。,（3）移動凸輪，如圖所示。,,,,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,圖5 按從動件分類的凸輪機構(gòu),當(dāng)位置要求準(zhǔn)確,當(dāng)受力較大時,當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時,從動件使用的場合,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,3按從動件的運動形式分類（見圖5豎排）：,（1）移動從動件：從動件相對機架作往復(fù)直線運動。,（2）偏移放置：即不對心放置的移動從動件，相對機架作往復(fù)直線運動。,（3）擺動從動件：從動件相對機架作往復(fù)擺動。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,鎖合保持從動件與凸輪之間的高副接觸。 （1）力

5、鎖合凸輪機構(gòu) ： 依靠重力、彈簧力或其他外力來保證鎖合（內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu)、刀架送給機構(gòu)等）。,4、按鎖合方式分：,,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,,力鎖合凸輪機構(gòu),,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,依靠凸輪和從動件幾何形狀來保證鎖合。,,（2）形鎖合凸輪機構(gòu) ：,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,一、凸輪傳動的工作過程 如圖為一對心移動尖頂從動件盤形凸輪機構(gòu)，其工作過程： 即s=s（），v=v（），a=a（）。通常用從動件運動線圖直觀地表述這些關(guān)系。,第二節(jié) 凸輪傳動機構(gòu)常用的運動規(guī)律,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,凸輪傳動工作過程的有關(guān)名詞：,,,,,基圓以凸輪的最小向徑為半徑所作的圓稱為基圓，基圓半徑用rb

6、表示。（基圓半徑 rb） 凸輪轉(zhuǎn)角； 推程、回程、升程h、近停程、遠(yuǎn)停程； 推程運動角0； 回程運動角0 ； 遠(yuǎn)停角s ； 近停角s ； 一般推程是凸輪機構(gòu)的工作行程。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,,,,,推程、遠(yuǎn)停程、回程,當(dāng)凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動時，從動件將重復(fù)上述運動過程。,,,0 s 0,,,,近停程,s ,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,如圖b所示，它簡稱為從動件位移曲線。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,生產(chǎn)中對凸輪機構(gòu)從動件運動要求是多樣的； 凸輪的輪廓形狀決定了從動件的運動規(guī)律，反之，從動件的不同運動規(guī)律要求凸輪具有不同形狀的輪廓； 設(shè)計凸輪機構(gòu)時，首先根據(jù)工作要求確定從動件的運動規(guī)律，再據(jù)此來

7、設(shè)計凸輪輪廓曲線。 從動件的運動規(guī)律其位移s、速度v和加速度a等隨凸輪轉(zhuǎn)角 而變化的規(guī)律。 從動件運動規(guī)律可用方程或線圖表示。,,第二節(jié) 常用的從動件運動規(guī)律,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,1、等速運動規(guī)律,,,,,,,從動件在推程或回程的運動速度為常數(shù)的運動規(guī)律。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,等速運動規(guī)律位移線圖,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,剛性沖擊等速運動規(guī)律從動件在運動始末兩點，速度有突變，理論上瞬時加速度無窮大，因而產(chǎn)生無窮大的慣性力。由于構(gòu)件材料的彈性，加速度和慣性力達(dá)不到無窮大，但仍會對機構(gòu)造成強烈的沖擊。也稱為“硬沖”。,轉(zhuǎn)速很低以及輕載的場合,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,,從動件在一個行

8、程中，前半行程作等加速運動，后半行程作等減速運動的運動規(guī)律。 位移曲線為兩段光滑相連開口相反的拋物線； 速度曲線為斜直線； 加速度曲線為平直線；,2、等加速等減速運動規(guī)律,注意作圖方法,柔性沖擊：適用于中速、中載的場合。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,圖8 等加速運動,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,3、簡諧運動規(guī)律,點在圓周上作勻速運動時，它在這個圓的直徑上的投影所構(gòu)成的運動稱為簡諧運動，如圖9a。前半程：,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,后半程,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,余弦加速度運動規(guī)律：,由圖可見，在推程始末點處仍有加速度的有限值的突變，即存在“軟沖”； 因此只適用于中、低速； 但若從動件作無停歇的升

9、降升型連續(xù)運動，則加速度曲線為光滑連續(xù)的余弦曲線，消除了“軟沖”，故可用于高速。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,三、從動件運動規(guī)律的選擇： 選擇從動件運動規(guī)律時，需考慮凸輪傳動機構(gòu)的使用場合、工作條件等。所選的運動規(guī)律首先應(yīng)滿足凸輪在機械中執(zhí)行工作的要求。因此選擇運動規(guī)律應(yīng)該： 1）、對于只要求從動件實現(xiàn)一定的位移，對運動規(guī)律無嚴(yán)格要求的低速凸輪傳動，可選易于加工的圓弧和直線作為凸輪的輪廓。 2）、對從動件的運動規(guī)律有要求的凸輪傳動，應(yīng)按其要求確定運動規(guī)律。 3）、在高速運轉(zhuǎn)下工作的凸輪，選擇從動件運動規(guī)律時要考慮它的特性、加速度變化情況，力求避免過大的慣性力，減小沖擊和振動。宜選用余弦加速度運

10、動規(guī)律。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,為什么汽車發(fā)動機要不定期檢測凸輪軸？,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,第三節(jié) 凸輪設(shè)計與結(jié)構(gòu)尺寸確定,設(shè)計方法：1.圖解法 2.解析法 設(shè)計一般精度凸輪時常被采用圖解法； 設(shè)計高精度凸輪，則必須用解析法，但計算復(fù)雜； 本節(jié)主要討論圖解法。 基本原理：反轉(zhuǎn)法原理。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,一、圖解法,“反轉(zhuǎn)法” 原理：給機構(gòu)加上一個反向轉(zhuǎn)動，各構(gòu)件間的相對運動并沒有改變。,圖11 圖解法設(shè)計凸輪是基于反轉(zhuǎn)法原理,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,1對心移動尖頂從動件盤形凸輪輪廓,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,（4）將B0、B1、B2、...連成 光滑的曲線，得要求凸輪輪廓（圖

11、a）。,（1）按從動件運動規(guī)律作出位移線圖 （圖b），并將橫坐標(biāo)等分分段。,（2）沿1反方向取角度t、h、 S，等分，得C1、C2、...點。連接OC1、OC2、...便是從動件導(dǎo)路的各個位置。,（3）取B1C1=11、B2C2=22、 ...得反轉(zhuǎn)后尖頂位置 B1、B2、A3、...。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,,,,,,,,,,,實際輪廓曲線,,理論輪廓曲線,對心滾子移動從動件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,3對心平底從動件盤形凸輪輪廓曲線,圖14 對心平底從動件盤形凸輪,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,如圖15所示，偏置移動尖頂從動件盤形凸輪輪廓曲線的繪制方法也與前述相似

12、。但由于從動件導(dǎo)路的軸線不通過凸輪的轉(zhuǎn)動中心，其偏距為e。所以從動件在反轉(zhuǎn)過程中，其導(dǎo)路軸線始終與以偏距e為半徑所作的偏距圓相切，因此從動件的位移應(yīng)沿這些切線量取。,4偏置移動尖頂從動件盤形凸輪輪廓,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,圖15偏置移動尖頂從動件盤形凸輪,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,二、凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定,設(shè)計凸輪機構(gòu)，既要保證從動件能實現(xiàn)預(yù)定的運動規(guī)律，還須使機構(gòu)傳力性能良好，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足強度和安裝等要求，因此，應(yīng)注意處理好下述問題： 1.凸輪機構(gòu)的壓力角； 2.滾子半徑的選擇 ； 3.凸輪基圓半徑的確定； 4.凸輪機構(gòu)的材料。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,1、壓力角不計摩擦?xí)r，凸輪對

13、從動件的作用力（法向力）與從動件上受力點速度方向所夾的銳角。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,凸輪機構(gòu)的壓力角：,壓力角越小傳力越好。 自鎖當(dāng)凸輪機構(gòu)處于壓力角大到使有效分力不足以克服摩擦阻力的位置，不論推力多大，都不能使從動件運動。 臨界壓力角機構(gòu)開始出現(xiàn)自鎖時的壓力角。,有效分力： 有害分力：,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,凸輪機構(gòu)的壓力角：,為了保證良好的傳力性能，設(shè)計時應(yīng)使 amax

14、,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,凸輪壓力角的測量及影響因素：,測量方法：量角器（下頁）； 壓力角有關(guān)因素：基圓半徑b等。 基圓半徑較大的凸輪對應(yīng)點的壓力角較小，傳力性能好些，但結(jié)構(gòu)尺寸較大； 基圓半徑小時，壓力角較大，容易引起自鎖，但凸輪的結(jié)構(gòu)比較緊湊。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,凸輪壓力角的測量,,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,圖17 凸輪機構(gòu)的壓力角與力的關(guān)系,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,因受力較小且無自鎖問題，故許用壓力角可取得大些，通常=80,推程（工作行程）：,移動從動件 =30,擺動從動件 =45,回程：,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,2、滾子半徑的選擇 設(shè)計要求：滾子尺寸的設(shè)計要滿足強度和運動特

15、性。,從強度要求考慮，滾子半徑一般應(yīng)滿足：,從運動特性考慮，不能發(fā)生運動的失真現(xiàn)象。為避免發(fā)生這種現(xiàn)象，要對滾子半徑加以限制。,rr(0.1-0.5)rb,滾子尺寸與min關(guān)系,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,由上式可知：實際輪廓曲率半徑總大于理論輪廓曲率半徑。因而，不論選擇多大的滾子，都能做出實際輪廓。,2)凸輪理論輪廓的外凸部分,由圖18b可得a=min-r T （1）當(dāng)min rT時，則有a 0，如圖18b所示，實際輪廓為一平滑曲線。,1)凸輪理論輪廓的內(nèi)凹部分 由圖18a可得：a= min+rT,圖18 滾子半徑對輪廓的影響,滾子尺寸對輪廓的影響,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,（2）當(dāng)min =

16、rT時，則有a= 0，如圖18c所示 ，在凸輪實際輪廓曲線上產(chǎn)生了尖點，這種尖點極易磨損，磨損后就會改變從動件預(yù)定的運動規(guī)律。,（3）當(dāng)min rT時，則有a 0 時，如圖18d所示，這時實際輪廓曲線發(fā)生相交，圖中陰影部分的輪廓曲線在實際加工時被切去，使這一部分運動規(guī)律無法實現(xiàn)。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,為了使凸輪輪廓在任何位置既不變尖也不相交，滾子半徑必須小于理論輪廓外凸部分的最小曲率半徑min。 如果min過小，按上述條件選擇的滾子半徑太小而不能滿足安裝和強度要求時。就應(yīng)當(dāng)把凸輪基圓尺寸加大，重新設(shè)計凸輪輪廓曲線 。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,3、基圓半徑的確定,基圓半徑越大，壓力角越小

17、。從傳力的角度來看，基圓半徑越大越好；從機構(gòu)緊湊的角度來看，基圓半徑越小越好。 在設(shè)計時，應(yīng)在滿足許用壓力角要求的前提下，選取最小的基圓半徑。 通常要求rb(1.62)d,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,第四節(jié) 凸輪傳動機構(gòu)的材料,凸輪傳動機構(gòu)中，凸輪輪廓與從動件之間理論上為點或線接觸。接觸處有相對運動并承受較大的反復(fù)作用的接觸應(yīng)力，，因此容易發(fā)生磨損和疲勞點蝕，這要求凸輪和滾子的工作表面硬度高、耐磨、有足夠的表面接觸強度，心部有較大的韌性。凸輪常用的材料及熱處理可參考下表：,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,從動件接觸端（包括尖頂、滾子或平底）可采用與凸輪相同的材料。 在生產(chǎn)實際中，從動件一般可用45鋼，接觸端經(jīng)表面淬火。對高速、重載或使用靠模凸輪時，可采用碳素工具鋼T8、T10。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,小結(jié),本章要求重點掌握： 1、凸輪機構(gòu)的組成和應(yīng)用。 2、凸輪機構(gòu)的類型、從動的運動規(guī)律。 3、凸輪機構(gòu)的設(shè)計和基本尺寸的確定。 4、凸輪、從動件材料的選擇。,,,汽車機械基礎(chǔ) 第九章,課后習(xí)題 9-2、9-3、9-4、9-8、9-9、9-10、9-14,,,