凸輪機構傳動

1、汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章第九章凸輪機構傳動 汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章第九章 凸輪機構傳動本章的教學目標：）了解凸輪傳動機構的組成、分類及在汽車上的應用。）掌握凸輪從動件常用運動規(guī)律的特點及其選擇原則。）了解凸輪輪廓的設計方法，反轉法原理及確定基本尺寸時應考慮的問題。汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章目錄目錄第一節(jié) 凸輪傳動機構的組成、應用和分類第二節(jié) 凸輪傳動機構常用的運動規(guī)律第三節(jié) 凸輪機構設計與凸輪結構尺寸的確定第四節(jié) 凸輪傳動機構的材料、結構和強度校核汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章 發(fā)動機的配氣機構中的凸輪輪廓是怎樣形成的？它具有怎樣的特性呢？它是

2、如何保證汽車的緊密性的呢？動畫請同學門思考幾個問題請同學門思考幾個問題汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章 凸輪傳動是通過凸輪與從動件之間的接觸來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。傳遞運動和動力的，是一種常用的高副機構。 只要做出適當的凸輪輪廓，就可以使從動件只要做出適當的凸輪輪廓，就可以使從動件得到預定的復雜運動規(guī)律。得到預定的復雜運動規(guī)律。概述概述汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章圖1所示為內燃機配氣凸輪機構。凸輪1以等角速度回轉時，它的輪廓驅動從動件2（閥桿）按預期的運動規(guī)律啟閉閥門。一、凸輪機構的應用一、凸輪機構的應用第一節(jié)第一節(jié) 凸輪

3、傳動機構的組成、應用和分類凸輪傳動機構的組成、應用和分類動畫 凸輪機構能將主動件的連續(xù)等速運動變?yōu)閺膭蛹耐鶑妥兯龠\動或間歇運動。在自動機械、半自動機械中應用非常廣泛。汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章圖圖1 1 內內燃燃機機配配氣氣凸凸輪輪機機構構 點擊點擊動畫動畫1點擊點擊動畫動畫2汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章l配氣機構配氣機構 凸輪凸輪汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章圖汽車快怠速機構 圖9-3 自動車床中的凸輪組 汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章1.1.凸凸 輪輪具有曲線狀輪廓的構件具有曲線狀輪廓的構件 2.2.從動件從動件作往復移動或擺動的構件作往復移動或擺動

4、的構件 往復移動往復移動直動從動件直動從動件 往復擺動往復擺動擺動從動件擺動從動件 3.3.機機 架架機構中固定不動的構件機構中固定不動的構件凸輪機構的組成凸輪機構的組成直動從動件直動從動件擺動從動件擺動從動件汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章優(yōu)點：優(yōu)點：只需設計適當的凸輪輪廓，便可使從只需設計適當的凸輪輪廓，便可使從動件得到所需的運動規(guī)律，結構簡單、動件得到所需的運動規(guī)律，結構簡單、緊湊、設計方便。緊湊、設計方便。缺點：缺點：運動副為點接觸或線接觸，易磨損，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所以，通常多用于傳力不大的控制機構。構。凸輪傳動特點汽車機械基礎汽車

5、機械基礎 第九章第九章2按從動件的形狀分類（見圖橫排）：有尖端從動件、滾子從動件、平底從動件、曲面從動件凸輪。二、凸輪機構的分類二、凸輪機構的分類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。汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章圖圖5 按從動件分類的凸輪機構 汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章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，相對機架作往復直線運動。（3）擺動從動件：從動件相對機架作往復擺動。汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章鎖合鎖合保持從

6、動件與凸保持從動件與凸輪之間的高副接觸。輪之間的高副接觸。l（1 1）力鎖合凸輪機構）力鎖合凸輪機構 ： 依靠重力、彈簧力或其依靠重力、彈簧力或其他外力來保證鎖合（內燃他外力來保證鎖合（內燃機配氣凸輪機構、刀架送機配氣凸輪機構、刀架送給機構等）。給機構等）。4 4、按鎖合方式分：、按鎖合方式分：汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章l力鎖合凸輪機構力鎖合凸輪機構汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章l依靠凸輪和依靠凸輪和從動件幾何形從動件幾何形狀來保證鎖合。狀來保證鎖合。（2 2）形鎖合凸輪機構）形鎖合凸輪機構 ：汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章一、凸輪傳動的工作過程一、凸輪傳動的工作過

7、程 如圖為一對心移動尖頂從動件盤形凸輪機構，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系。 第二節(jié)第二節(jié) 凸輪傳動機構常用的運動規(guī)律凸輪傳動機構常用的運動規(guī)律 汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章凸輪傳動工作過程的有關凸輪傳動工作過程的有關名詞：名詞： 基圓基圓以凸輪的最小向徑為半徑所作的圓稱為以凸輪的最小向徑為半徑所作的圓稱為基圓，基圓半徑用基圓，基圓半徑用r rb b 表示。（基圓半徑表示。（基圓半徑 r rb b ） 凸輪轉角凸輪轉角； 推程推程 、回程、回程 、升程、升程h h 、近停程、遠停程；、近停程、遠停程； 推程運動角推程運動角0

8、0； 回程運動角回程運動角0 0 ； 遠停角遠停角s s ； 近停角近停角s s ；一般推程是凸輪機構的工作行程。一般推程是凸輪機構的工作行程。汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章推程、遠停程、回程推程、遠停程、回程當凸輪連續(xù)轉動時，從動件將重復上述運動過程。當凸輪連續(xù)轉動時，從動件將重復上述運動過程。 0 s 0 近停程近停程s 汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章如圖如圖b b所示，它簡稱為從動件位移曲線。所示，它簡稱為從動件位移曲線。汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章l生產中對凸輪機構從動件運動要求是多樣的；生產中對凸輪機構從動件運動要求是多樣的；l凸輪的輪廓形狀決定了從動件的運

9、動規(guī)律，反之，從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；動件的不同運動規(guī)律要求凸輪具有不同形狀的輪廓；l設計凸輪機構時，首先根據工作要求確定從動件的運設計凸輪機構時，首先根據工作要求確定從動件的運動規(guī)律，再據此來設計凸輪輪廓曲線。動規(guī)律，再據此來設計凸輪輪廓曲線。l從動件的運動規(guī)律從動件的運動規(guī)律其位移其位移s s、速度、速度v v和加速度和加速度a a等隨凸輪轉角等隨凸輪轉角 而變化的規(guī)律。而變化的規(guī)律。l從動件運動規(guī)律可用方程或線圖表示。從動件運動規(guī)律可用方程或線圖表示。)(tss )(tvv )(taa 第二節(jié)第二節(jié) 常用的從動件運動規(guī)

10、律常用的從動件運動規(guī)律汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章1 1、等速運動規(guī)律、等速運動規(guī)律從動件在推程或回程的運動速度為常數的運動規(guī)律。從動件在推程或回程的運動速度為常數的運動規(guī)律。汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章等速運動規(guī)律位移線等速運動規(guī)律位移線圖圖汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章l剛性沖擊剛性沖擊等速運動規(guī)律從動件在運動始末兩等速運動規(guī)律從動件在運動始末兩點，速度有突變，理論上瞬時加速度點，速度有突變，理論上瞬時加速度無窮大，因而無窮大，因而產生無窮大的慣性力。由于構件材料的彈性，加速度產生無窮大的慣性力。由于構件材料的彈性，加速度和慣性力達不到無窮大，但仍會對機構造成和

11、慣性力達不到無窮大，但仍會對機構造成強烈的沖強烈的沖擊擊。也稱為。也稱為“硬沖硬沖”。轉速很低以及輕載的轉速很低以及輕載的場合場合汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章 l從動件在一個行程從動件在一個行程中，前半行程作等加速運動，中，前半行程作等加速運動，后半行程作等減速運動的運后半行程作等減速運動的運動規(guī)律。動規(guī)律。l位移曲線為兩段光滑相連位移曲線為兩段光滑相連開口相反的拋物線；開口相反的拋物線；l速度曲線為斜直線；速度曲線為斜直線；l加速度曲線為平直線；加速度曲線為平直線；2 2、等加速等減速運動規(guī)律、等加速等減速運動規(guī)律l注意作圖方法注意作圖方法柔性沖擊：適用于中速、中載的場合。 汽車機

12、械基礎汽車機械基礎 第九章第九章圖圖8 8 等加速運動等加速運動 汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章3、簡諧運動規(guī)律、簡諧運動規(guī)律0202122001202cos2sin2cos12hahvhs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成的運動稱為簡諧運動，如圖9a。前半程： 汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章12212211212cos2sin2cos12hhhhhhahvhs后半程汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章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降升型連續(xù)運動，則加速度曲

13、線為光滑連續(xù)的余弦曲線，消除了“軟沖”，故可用于高速。 汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章三、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的使用場合、工作條件等。所選的運動規(guī)律首先應滿足凸輪在機械中執(zhí)行工作的要求。因此選擇運動規(guī)律應該： 1 1）、對于只要求從動件實現一定的位移，對運動規(guī)律無嚴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 2）、對從動件的運動規(guī)律有要求的凸輪傳動，應按其要求確定運動規(guī)律。 3 3）、在高速運轉下工作的凸輪，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動規(guī)

14、律。汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章第三節(jié) 凸輪設計與結構尺寸確定 設計方法：1.圖解法 2.解析法 設計一般精度凸輪時常被采用圖解法； 設計高精度凸輪，則必須用解析法，但計算復雜； 本節(jié)主要討論圖解法。 基本原理：反轉法原理。 汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章一、圖解法一、圖解法 “反轉法” 原理：給機構加上一個反向轉動，各構件間的相對運動并沒有改變。 圖圖11 11 圖解法設計圖解法設計凸輪是基于反轉法凸輪是基于反轉法原理原理 汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章1對心移動尖頂從動件盤形凸輪輪廓汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章（4）

15、將B0、B1、B2、.連成 光滑的曲線，得要求凸輪輪廓（圖a）。（1）按從動件運動規(guī)律作出位移線圖 （圖b），并將橫坐標等分分段。（2）沿1反方向取角度t、h、S，等分，得C1、C2、.點。連接OC1、OC2、.便是從動件導路的各個位置。（3）取B1C1=11、B2C2=22、 .得反轉后尖頂位置 B1、B2、A3、.。汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章實實際際輪輪廓廓曲曲線線 理理論論輪輪廓廓曲曲線線 對心滾子移動從動件盤形凸輪輪廓曲線的設計對心滾子移動從動件盤形凸輪輪廓曲線的設計 汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章3 3對心平底從動件盤形凸輪輪廓曲線對心平底從動件盤形凸輪輪廓曲線圖

16、圖14 14 對心平底從動件盤形凸輪對心平底從動件盤形凸輪汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章如圖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。但由于從動件導路的軸線不通過凸輪的轉動中心，其偏距為e。所以從動件在反轉過程中，其導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汽車機械基礎 第九章第九章圖圖1515偏置移動尖頂從動件盤形凸輪偏置移動尖頂從動件盤形凸輪汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章二、凸輪機構基本尺寸的確定設計凸輪機構，既要保證從動件能實現預定的運動規(guī)律，還須使機構傳力性能良

17、好，結構緊湊，滿足強度和安裝等要求，因此，應注意處理好下述問題： 1.1.凸輪機構的壓力角；凸輪機構的壓力角； 2.2.滾子半徑的選擇滾子半徑的選擇 ； 3.3.凸輪基圓半徑的確定；凸輪基圓半徑的確定； 4.4.凸輪機構的材料。凸輪機構的材料。 汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章1 1、壓力角、壓力角不計摩擦時，凸輪對從動件的作用力（法向力）與從動件上受力點速度方向所夾的銳角。汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章凸輪機構的壓力角：壓力角越小傳力越好。自鎖當凸輪機構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。臨界壓力角機構開始出現自鎖時的壓力角。有效

18、分力：有效分力：有害分力：有害分力： sincos12nnFFFF汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章凸輪機構的壓力角： 為了保證良好的傳力性能，設計時應使 amax a,許用值a的大小通常由經驗確定： 推程時: 對于直動從動件，取a=30； 對于擺動從動件，取a=45； 回程時：可取 a= 7080； 回程時從動件通常受彈簧力或重力的作用，不會引起自鎖，可不必校驗壓力角。 汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章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）； 壓力角有關因素：基圓半徑b等。 基圓半徑較大的凸輪對應點的壓力角較小，傳力性能好些，但結構尺寸較大； 基圓半徑小時，壓力角較

19、大，容易引起自鎖，但凸輪的結構比較緊湊。 汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章圖17 凸輪機構的壓力角與力的關系 汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章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：汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章 2、滾子半徑的選擇設計要求：設計要求：滾子尺寸的設計要滿足強度和運動特性。滾子尺寸的設計要滿足強度和運動特性。 從從強度要求強度要求考慮，滾子半徑一般應滿足：考慮，滾子半徑一般應滿足： 從從運動特性運動特性考慮，不能發(fā)生運動的失真現象。為避免發(fā)生這

20、種現象，考慮，不能發(fā)生運動的失真現象。為避免發(fā)生這種現象，要對滾子半徑加以限制。要對滾子半徑加以限制。 r rr r(0.1-0.5)r(0.1-0.5)rb bminr8.0r滾子尺寸與滾子尺寸與min關系汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章由上式可知：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)凸輪理論輪廓的內凹部分由圖18a可得：a= min+rT圖圖1818 滾子半徑對輪廓的影響 滾子尺寸滾子尺寸對輪廓的影響汽

21、車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章（2）當min =rT時，則有a= 0，如圖18c所示 ，在凸輪實際輪廓曲線上產生了尖點，這種尖點極易磨損，磨損后就會改變從動件預定的運動規(guī)律。（3）當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。 汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章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。就應當把凸輪基圓尺寸加大，重新設計凸輪輪廓曲線 。汽車機械基礎汽車機械基礎 第九章第九章3、基圓半徑的確定 基圓半徑越大，壓力角越基圓半徑越大，壓力角越小。從傳力的角度來看，基圓小。從傳力的角度來看，基圓半徑越大越好；從機構緊湊的半徑越大越好；從機構緊湊