機械設計基礎機械類職業教育實用系列教材韶關市機電技工學校

黃海燕

模塊五

設計內燃機配氣機構中的

凸輪機構任務二

本節教學要求1、了解凸輪機構的組成、分類、應用特點。2、理解凸輪機構的工作過程及基本術語。掌握從動件常用運動規律及特點。3、熟練掌握利用反轉法設計平面凸輪機構的輪廓曲線。

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。要求根據從動件運動規律繪出此凸輪的輪廓。任務引入圖5-19偏置直動從動件盤形凸輪

相關知識

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

由三個構件組成的一種高副機構

凸輪：具有曲線輪廓或凹槽的構件，為主動件。

推桿/從動件：運動規律由凸輪廓線和運動尺寸決定

機架

推桿凸輪內燃機配氣機構機架1、凸輪機構的組成、應用和分類1、凸輪機構的組成和應用凸輪等速回轉時，輪廓使氣門桿按一定要求上下往復運動，控制氣門的開關。圖5-20內燃機配氣機構

彈簧機架動畫

1、凸輪機構的組成和應用

凸輪的回轉使扇形齒輪與刀架下的齒條嚙合，刀架實現進退刀運動圖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。圖5-22靠模車削機構1、凸輪機構的組成和應用

將凸輪的移動轉變為從動件的移動或擺動1、工件；2、刀架；3、靠模2131、凸輪機構的組成和應用

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定規律變化，此時可采用凸輪機構來實現。凸輪機構廣泛應用于各種機械和自動控制裝置中。

凸輪泵

凸輪的應用實例

縫紉機

凸輪的應用實例凸輪軸盤形凸輪

凸輪的應用實例各式凸輪

凸輪的應用實例作用：將凸輪的轉動或移動轉變為從動件

的連續或間歇往復移動或擺動

應用：各種機械，特別是自動機械，適用于傳力不大的控制機構和調節機構。從動件的運動規律決定了所需凸輪的輪廓形狀。

1、凸輪機構的組成和應用

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用的圖片、動畫后，總結：①凸輪的輪廓形狀特征；②從動件接觸處的形狀特征。總結歸納各組同學們寫的與凸輪輪廓、從動件有關的詞組。任務：

2、凸輪機構的分類

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

2、凸輪機構的分類3)圓柱回轉凸輪（2）.按從動件的形狀分類1)尖頂從動件

2、凸輪機構的分類2)滾子從動件3)平底從動件

2、凸輪機構的分類（3）.按從動件的運動形式1）移動從動件

2、凸輪機構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：回轉中心趨于無窮遠，凸輪沿機架作直線運動。圓柱凸輪——空間結構，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，實現任意預期的運動規律，但點接觸，磨損快滾子從動件——應用普通，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的分類

2、凸輪機構的分類（小結）移動從動件擺動從動件凸輪機構的應用特點

優點：結構簡單緊湊，工作可靠，設計適當的凸輪輪廓曲線，可使從動件獲得任意預期的運動規律。

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。

應用：多用于傳力不大的場合，如自動機械、儀表、控制機構和調節機構中。

2、凸輪機構的分類

從動件的運動規律全面反映了從動件的運動特性及其變化規律性。設計凸輪機構時，首先應根據工作要求確定從動件的運動，然后按照這一運動規律設計凸輪輪廓線。凸輪回轉時，從動件作“升→停→降→停”的運動循環。

二、凸輪與從動件運動關系

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中心的距。

1、凸輪機構的基本術語★推桿的運動規律：是指推桿在運動過程中，其位移、速度和加速度隨時間變化（凸輪轉角δ變化）的規律。★推程、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、凸輪機構的基本術語

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

，橫坐標代表凸輪轉角δ或t，所畫出的位移與轉角之間的關系曲線。上升—停—降—停

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

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

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為無窮大，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律（2）、簡諧運動運動規律的加速度曲線為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，在高速狀態下也會產生不良影響，因此簡諧遠動規律只宜用于中低速凸輪機構。ω-ωφ1φ2φ3B1B2B’2B’3B3B’4B4

三、凸輪輪廓曲線設計

凸輪輪廓曲線設計所依據的基本原理是反轉法。根據相對運動原理：如果給整個機構加上繞凸輪軸心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轉動，一邊又在導軌內作預期的往復移動，這樣推桿的尖頂的運動軌跡即為凸輪輪廓曲線。O

三、凸輪輪廓曲線設計

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

結束圖5-26凸輪輪廓曲線設計流程

根據【任務引入】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。要求根據從動件運動規律如何繪出此凸輪的輪廓？？？？

任務實施（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的位置，即取線C1B1=11′,C2B2=22′……得反轉后尖頂的一系列位置B1、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.并在相應段與位移圖對應劃分出若干等份，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

任務實施eOr0B0C0B1（3）過C1、C2、C3….作偏距圓的一系列切線，它們便是反轉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的位置，即取線C1B1=11′,C2B2=22′……得反轉后尖頂的一系列位置B1、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.并在相應段與位移圖對應劃分出若干等份，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小結畫圖步驟簡記法：①：畫兩圓（基圓、偏距圓），找起點；②：反轉方向畫角度；（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。

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

識

展知

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展

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展

識知

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

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

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設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，實際輪廓上產生尖點，極易磨損。磨損后，運動規律將會發生改變。當ρmin

<

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

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

展結論：內凹凸輪廓線：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實際設計時，應保證實際輪廓′=min-rT3~5min通常取rT≤0.8ρmin，同時ρ′≥1~5mm，另外滾子半徑還受強度、結構等的限制，因而也不能做得太小，通常取滾子半徑rT=0.4rmin。

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