機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(內(nèi)燃機(jī)偏置凸輪設(shè)計(jì)) - 新

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)機(jī)械類職業(yè)教育實(shí)用系列教材韶關(guān)市機(jī)電技工學(xué)校

黃海燕

模塊五

設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的

凸輪機(jī)構(gòu)任務(wù)二

本節(jié)教學(xué)要求1、了解凸輪機(jī)構(gòu)的組成、分類、應(yīng)用特點(diǎn)。2、理解凸輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程及基本術(shù)語(yǔ)。掌握從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律及特點(diǎn)。3、熟練掌握利用反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)平面凸輪機(jī)構(gòu)的輪廓曲線。

如圖5-19所示為一偏置直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪，已知從動(dòng)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(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)。要求根據(jù)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律繪出此凸輪的輪廓。任務(wù)引入圖5-19偏置直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪

相關(guān)知識(shí)

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

由三個(gè)構(gòu)件組成的一種高副機(jī)構(gòu)

凸輪：具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，為主動(dòng)件。

推桿/從動(dòng)件：運(yùn)動(dòng)規(guī)律由凸輪廓線和運(yùn)動(dòng)尺寸決定

機(jī)架

推桿凸輪內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)機(jī)架1、凸輪機(jī)構(gòu)的組成、應(yīng)用和分類1、凸輪機(jī)構(gòu)的組成和應(yīng)用凸輪等速回轉(zhuǎn)時(shí)，輪廓使氣門桿按一定要求上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，控制氣門的開關(guān)。圖5-20內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)

彈簧機(jī)架動(dòng)畫

1、凸輪機(jī)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(shí)現(xiàn)進(jìn)退刀運(yùn)動(dòng)圖5-21自動(dòng)送料機(jī)1-圓柱凸輪；2-推桿3-機(jī)架圓柱凸輪作等速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)從動(dòng)件作往復(fù)遠(yuǎn)動(dòng)，將工件推到指定的位置，從而完成自動(dòng)送料任務(wù)。圖5-22靠模車削機(jī)構(gòu)1、凸輪機(jī)構(gòu)的組成和應(yīng)用

將凸輪的移動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭?dòng)件的移動(dòng)或擺動(dòng)1、工件；2、刀架；3、靠模2131、凸輪機(jī)構(gòu)的組成和應(yīng)用

在一些機(jī)械中，要求從動(dòng)件的位移，速度和加速度必須嚴(yán)格地按照預(yù)定規(guī)律變化，此時(shí)可采用凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。凸輪機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械和自動(dòng)控制裝置中。

凸輪泵

凸輪的應(yīng)用實(shí)例

縫紉機(jī)

凸輪的應(yīng)用實(shí)例凸輪軸盤形凸輪

凸輪的應(yīng)用實(shí)例各式凸輪

凸輪的應(yīng)用實(shí)例作用：將凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭?dòng)件

的連續(xù)或間歇往復(fù)移動(dòng)或擺動(dòng)

應(yīng)用：各種機(jī)械，特別是自動(dòng)機(jī)械，適用于傳力不大的控制機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定了所需凸輪的輪廓形狀。

1、凸輪機(jī)構(gòu)的組成和應(yīng)用

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

2、凸輪機(jī)構(gòu)的分類

一、凸輪機(jī)構(gòu)的組成、應(yīng)用和分類（1）.按凸輪的形狀和運(yùn)動(dòng)分類1)盤形凸輪2)移動(dòng)凸輪

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

2、凸輪機(jī)構(gòu)的分類2)滾子從動(dòng)件3)平底從動(dòng)件

2、凸輪機(jī)構(gòu)的分類（3）.按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式1）移動(dòng)從動(dòng)件

2、凸輪機(jī)構(gòu)的分類對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件

偏置移動(dòng)從動(dòng)件動(dòng)畫一動(dòng)畫二偏置移動(dòng)從動(dòng)件：對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件：移動(dòng)從動(dòng)件的導(dǎo)路中心線若是通過(guò)盤形凸輪的軸心則稱為對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件的導(dǎo)路中心線若是不通過(guò)盤形凸輪的軸心則稱為偏置（3）.按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式2）擺動(dòng)從動(dòng)件

2、凸輪機(jī)構(gòu)的分類凸輪的形狀分盤形凸輪——平面凸輪，特點(diǎn)：繞固定軸線轉(zhuǎn)動(dòng)其具有半徑變化的盤形零件。移動(dòng)凸輪——平面凸輪，特點(diǎn)：回轉(zhuǎn)中心趨于無(wú)窮遠(yuǎn)，凸輪沿機(jī)架作直線運(yùn)動(dòng)。圓柱凸輪——空間結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)：將移動(dòng)凸輪卷成圓柱。從動(dòng)件型式分尖頂從動(dòng)件——用于低速，能與復(fù)雜凸輪輪廓保持接觸，實(shí)現(xiàn)任意預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但點(diǎn)接觸，磨損快滾子從動(dòng)件——應(yīng)用普通，尖頂處安裝一滾子，接觸處為滾動(dòng)摩擦，耐磨損。平底從動(dòng)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(dòng)件運(yùn)動(dòng)形式分凸輪機(jī)構(gòu)的分類

2、凸輪機(jī)構(gòu)的分類（小結(jié)）移動(dòng)從動(dòng)件擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，工作可靠，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞€，可使從動(dòng)件獲得任意預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

缺點(diǎn)：凸輪與從動(dòng)件（桿或滾子）之間以點(diǎn)或線接觸，不便于潤(rùn)滑，易磨損。

應(yīng)用：多用于傳力不大的場(chǎng)合，如自動(dòng)機(jī)械、儀表、控制機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中。

2、凸輪機(jī)構(gòu)的分類

從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律全面反映了從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)特性及其變化規(guī)律性。設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)工作要求確定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)，然后按照這一運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)凸輪輪廓線。凸輪回轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)件作“升→?！怠！钡倪\(yùn)動(dòng)循環(huán)。

二、凸輪與從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)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(dòng)件導(dǎo)路偏離凸輪回轉(zhuǎn)中心的距。

1、凸輪機(jī)構(gòu)的基本術(shù)語(yǔ)★推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：是指推桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其位移、速度和加速度隨時(shí)間變化（凸輪轉(zhuǎn)角δ變化）的規(guī)律?！锿瞥?、推程運(yùn)動(dòng)角：★遠(yuǎn)休、遠(yuǎn)休止角：★回程、回程運(yùn)動(dòng)角：★近休、近休止角：★行程：h★位移：s=r-r0

1、凸輪機(jī)構(gòu)的基本術(shù)語(yǔ)

從動(dòng)件位移曲線r0hB’otδsδ01δ01δ02δ02δ0δ0δ’0δ’0ωADCB以縱坐標(biāo)代表從動(dòng)件位移s

，橫坐標(biāo)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—停—降—停

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

2、從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律2、從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（1）、等速運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的速度為常數(shù)時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，稱為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律（直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律）。

從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是等速運(yùn)動(dòng)。這樣從動(dòng)件在開始起始位置和終止兩瞬時(shí)的速度有突變，故加速度在理論上由零值突變?yōu)闊o(wú)窮大，慣性力也為無(wú)窮大。由此的強(qiáng)烈沖擊稱為剛性沖擊。適用于低速輕載場(chǎng)合。hOSvOvOa2、從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（2）、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的加速度曲線為1/2個(gè)周期的余弦曲線，位移曲線為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)曲線（又稱作余弦加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律）。從加速度線圖可見，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)開始和終止時(shí)，加速度值有突變，導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生不良影響，因此簡(jiǎn)諧遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)律只宜用于中低速凸輪機(jī)構(gòu)。ω-ωφ1φ2φ3B1B2B’2B’3B3B’4B4

三、凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)

凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)所依據(jù)的基本原理是反轉(zhuǎn)法。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理：如果給整個(gè)機(jī)構(gòu)加上繞凸輪軸心O的公共角速度-?，此時(shí)凸輪將靜止不動(dòng)，而推桿則一邊隨其倒軌以角速度-?繞軸心O轉(zhuǎn)動(dòng)，一邊又在導(dǎo)軌內(nèi)作預(yù)期的往復(fù)移動(dòng)，這樣推桿的尖頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡即為凸輪輪廓曲線。O

三、凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)

開始已知條件：從動(dòng)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(dòng)件的導(dǎo)路畫出推程運(yùn)動(dòng)角，遠(yuǎn)休止角、回路運(yùn)動(dòng)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(diǎn)過(guò)分點(diǎn)作偏距圓切線，在切線上取出從動(dòng)件的位置量，描點(diǎn)。連接各點(diǎn)，畫出凸輪輪廓

結(jié)束圖5-26凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)流程

根據(jù)【任務(wù)引入】如圖所示的一偏置直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪，已知從動(dòng)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(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)。要求根據(jù)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律如何繪出此凸輪的輪廓？？？？

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

任務(wù)實(shí)施圖5-27偏置尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓的繪制

a)

b)（3）過(guò)C1、C2、C3….作偏距圓的一系列切線，它們便是反轉(zhuǎn)后從動(dòng)件導(dǎo)路的一系列位置。沿這些切線自基圓開始量取從動(dòng)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(yùn)動(dòng)角180o，遠(yuǎn)休止角30o，回程運(yùn)動(dòng)角90o，遠(yuǎn)休止角60o.并在相應(yīng)段與位移圖對(duì)應(yīng)劃分出若干等份，得分點(diǎn)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(guò)偏距圓上任一點(diǎn)k作出偏距圓的切線作為從動(dòng)件的導(dǎo)路，并與基圓交于一點(diǎn)CO,該點(diǎn)也是從動(dòng)件的起始位置BO點(diǎn)。（4）將點(diǎn)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(shí)施eOr0B0C0B1（3）過(guò)C1、C2、C3….作偏距圓的一系列切線，它們便是反轉(zhuǎn)后從動(dòng)件導(dǎo)路的一系列位置。沿這些切線自基圓開始量取從動(dòng)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(yùn)動(dòng)角120o，遠(yuǎn)休止角60o，回程90o，遠(yuǎn)休止角90o.并在相應(yīng)段與位移圖對(duì)應(yīng)劃分出若干等份，得分點(diǎn)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(guò)偏距圓上任一點(diǎn)k作出偏距圓的切線作為從動(dòng)件的導(dǎo)路，并與基圓交于一點(diǎn)CO,該點(diǎn)也是從動(dòng)件的起始位置BO點(diǎn)。-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(jiǎn)記法：①：畫兩圓（基圓、偏距圓），找起點(diǎn)；②：反轉(zhuǎn)方向畫角度；（推程角、遠(yuǎn)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(diǎn)上作切線；（偏距圓的切線）⑤：切線上面量等長(zhǎng)；⑥：光滑連接輪廓線。

其他凸輪輪廓的設(shè)計(jì)1、對(duì)心尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)當(dāng)偏心距e=0時(shí)，則成為對(duì)心尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)。這時(shí)，從動(dòng)件在反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，其導(dǎo)路為過(guò)中心O的徑向射線，其設(shè)計(jì)方法與上述偏置尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)相同。知

識(shí)

展知

識(shí)知

識(shí)知

識(shí)知

識(shí)知

展

識(shí)知

展

識(shí)知

其他凸輪輪廓的設(shè)計(jì)1、對(duì)心尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)當(dāng)偏心距e=0時(shí)，則成為對(duì)心尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)。這時(shí)，從動(dòng)件在反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，其導(dǎo)路為過(guò)中心O的徑向射線，其設(shè)計(jì)方法與上述偏置尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)相同。

展拓

識(shí)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(shí)知

設(shè)計(jì)對(duì)心尖頂直動(dòng)從動(dòng)件凸輪輪廓ω知

識(shí)拓

展

其他凸輪輪廓的設(shè)計(jì)2、滾子直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪首選把滾子中心看作尖頂從動(dòng)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(yùn)動(dòng)曲線。再以曲線?上各點(diǎn)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(shí)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(duì)凸輪實(shí)際輪廓有很大影響。如5-29所示，當(dāng)凸輪理論廓線為外凸的輪廓曲線時(shí)，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(shí)際輪廓的曲率半徑ρ′=ρmin-rT

。當(dāng)ρmin

>

rT時(shí)，實(shí)際輪廓為一平滑曲線當(dāng)當(dāng)ρmin

=

rT時(shí)，實(shí)際輪廓上產(chǎn)生尖點(diǎn)，極易磨損。磨損后，運(yùn)動(dòng)規(guī)律將會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)ρmin

<

rT時(shí)，實(shí)際輪廓線發(fā)生自交，交點(diǎn)上的輪廓曲線在加工時(shí)將被切去，使這一部分運(yùn)動(dòng)規(guī)律無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

展拓

識(shí)知′min′min′rra)min>rTb)min=rTminrTc)min<rT圖5-29滾子半徑的大小對(duì)凸輪實(shí)際輪廓線的影響

知

識(shí)拓

展結(jié)論：內(nèi)凹凸輪廓線：滾子半徑無(wú)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(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證實(shí)際輪廓′=min-rT3~5min通常取rT≤0.8ρmin，同時(shí)ρ′≥1~5mm，另外滾子半徑還受強(qiáng)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(yùn)動(dòng)規(guī)律：有剛性沖擊低速輕載簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律：柔性沖擊中、低速輕載運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)特性適用場(chǎng)合1．凸輪機(jī)構(gòu)的類型及其應(yīng)用特點(diǎn)。2．凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律的工作特點(diǎn)。對(duì)心直動(dòng)滾子從動(dòng)件盤狀凸輪輪廓設(shè)計(jì)3.盤狀凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)偏心直動(dòng)尖端從動(dòng)件