项目3凸轮与间歇运动机构

项目3设计内燃机配气机构凸轮轮廓轮廓曲线汽车上最常见的汽油机与柴油机都属于往复活塞式内燃机，内燃机工作时，气缸的内空气与燃料的混合气在点火装置的引燃条件下，产生燃烧、膨胀，高压气体推动曲柄连杆机构产生扭矩，再通过曲轴对外做功，使燃料的化学能转化为曲轴旋转的动能。

往复活塞式内燃机的工作周期被分为进气、压缩、做功、排气共四个过程。

通过进气与排气，将燃料与工作介质进行更换，执行和完成这一套动作的核心即是凸轮机构。

本项目从了解内燃机配气凸轮机构入手，解读凸轮机构的功能和结构特点，然后学习盘形凸轮的手工和电子制图，最后学习关于其它间歇运动机构的知识。

任务1熟悉内燃机配气机构1.1任务目标【知识目标】1.理解内燃机配气机构中凸轮机构的特点与功能原理；2.理解凸轮与其它机构配合可实现的运动；【技能目标】1.能够根据凸轮形状分析运动轨迹；【课时建议】4学时1.2任务引入内燃机车配气机构是凸轮机构运动副最典型的应用场景之一，通过凸轮的旋转，配合从动件产生所需的规律性运动，有序控制适时开闭进气门和排气门，控制内燃机进气与排气。

那么凸轮到底是一种什么样的零件，如何组成一类运动机构实现运动轨迹控制的呢？1.3相关知识点1.3.1内燃机工作时进出气门的工作过程描述当发动机启动，启动马达带动曲轴旋转，随着活塞正常运转后，凸轮轴随即通过链条获得由曲轴输出的旋转动力，凸轮推动进、排气门上下往复式运动，形成开闭状态来吸入新鲜空气或释放燃烧后的废气。

由于在凸轮两侧布置着进、排气门，所以当凸轮每旋转一周则会分别控制进、排气门各自开启一次，而当凸轮轴上的凸轮旋转脱离气门瞬间，气门就会失去推动力然后自动由弹簧关闭严密。

在我们常见的四冲程（进气、压缩、做功、排气）发动机中，进、排气门仅分别在进气和排气冲程时开启，而在每个进、排气循环过程中，控制进、图3.1内燃机配气机构排气门的两根凸轮轴分别旋转1圈，带动它们的曲轴则需要旋转2圈，即曲轴与凸轮轴的传动比为2:1。

图3.2内燃机配气机构工作示意图上图所示的内燃机配气机构凸轮轴的布置位置是顶置式的，是内燃机凸轮轴主流的位置布置方式。

中置式和下置式在结构上距气门较远，所以通常辅以气门推杆对气门进行控制，目前这两种布置方式仅在一些大型发动机或摩托车上能看到。

凸轮轴顶置式配气机构，最常见的组合就是双顶置凸轮轴16气门（Double Overhead Camshaft 16Valve，DOHC 16V）结构，其特点是凸轮轴和进、排气门采用顶置式，每气缸4气门，进、排气门分别由两根独立的凸轮轴分别控制开闭。

由于凸轮轴和曲轴各自处于发动机的顶端和低端，而为了降低运转噪音和维护成本，目前已有大多数轿车发动机都是采用这种配气机构，比如大众POLO、铃木利亚纳、福特福克斯以及标致307。

1.3.2凸轮机构的组成凸轮机构一般是由凸轮、从动件和机架几个基本构件组成，其接触一般是线或点接触，属于高副运动机构。

凸轮是曲面形态，可连接的几何形状可有多种，因此可以实现和完成比较复杂的运动。

1.3.3凸轮机构的分类与应用图3.3凸轮机构示意图从动件凸轮机架凸轮机构应用广泛，根据其自身形状、从动件形状和接触方式可以做如下划分：1.根据凸轮形状进行分类（1）盘型凸轮盘型凸轮呈现非规则盘状，在绕固定轴线转动时，具有不断变化的径向尺寸，可与从动件配合实现设定动作。

盘型凸轮结构简单，应用最为广泛，如内燃机配气机构、胶印机递纸装置、间歇式自运动机械等。

应用举例：如图3.5a)所示，当盘型凸轮在转轴的带动下旋转时，因径向尺寸不断变化，平底从动件在弹簧的顶力作用下（或在沟槽中）保持紧靠凸轮，从而使方块连着的杆子做伸缩运动。

图3.5b)使用的内槽盘形凸轮，当凸轮旋转，滚子保持在沟槽内运动，带动链接的杆子做伸缩运动。

（2）圆柱凸轮圆柱凸轮是在圆柱轴上开具曲线凹槽，当其绕固定轴线转动时，连接件可按照圆柱上曲线进行指定轨迹运行。

如图3.6所示，圆柱凸轮结构相对更加紧凑，外部尺寸不变化，从动件的运动轨迹可以实现较大的变化。

图3.4盘行凸轮与凸轮轴图3.5盘行凸轮机构图3.6圆柱凸轮平底从动件滚子从动件a)b)应用举例：如图3.7所示，是工厂机械中常用的自动送料机构，当启动电机，圆柱凸轮1保持连续转动，带动嵌在槽中的滑块连着送料杆2沿着箭头方向往复推拉，从而将右边料框中的零件一个一个地推出去，实现自动送料。

（3）移动凸轮移动凸轮的凸轮形状呈板状，做往复直线运动，可带动从动件实现移动、摆动、转动，它可看做是盘型凸轮的一部分。

如图3.8所示，移动凸轮输入的是移动，输出的是伸缩或仿形运动。

应用举例：如图3.9所示，在仿形加工中，仿形的靠模和随动机构其实就是一套移动凸轮机构，刀架的移动轨迹与样板（移动凸轮）形状完全一致，就可以加工出椭圆形零部件。

这种仿形，在我们日常生活中配钥匙的机械也有典型应用。

图3.7使用圆柱凸轮的送料机构图3.8移动凸轮图3.9移动凸轮的应用——机床靠模加工2.根据凸轮机构从动件的形状分类（1）顶尖类从动件从动件与凸轮接触的形式是点接触，结构简单，反应灵敏，受干涉可能性较小；但因是点接触，顶尖很容易磨损，只适合低速、轻载场合，如简易仪表上。

（2）滚子类从动件滚子类从动件是在顶尖部安装一个棍子，改顶尖的点接触为线接触，接触方式也从滑动摩擦改为滚动摩擦，比顶尖类从动件耐用，承载能力也加大了，因此应用最为广泛。

（3）平底类从动件平底类从动件与凸轮的接触方式为线面接触，接触区域易形成油膜，润滑好，且结构的传动角恒定定于90°，传动持续平稳，效率高，适用于高速场合。

但不能应用再有凹槽轮廓的凸轮结构中，输出运动的规律受到一定的限制。

3.根据凸轮与从动件接触的方法分类（1）力锁合凸轮机构力锁合凸轮机构凸轮与从动件保持接触的方法是通过重力、弹簧力或其它外力使凸轮与从动件在动力传输过程中时刻保持连接、不分离。

（2）形锁合凸轮机构形锁合是利用盘型凸轮或圆柱凸轮中的曲槽与从动件的滚子保持接触，滚子的运动始终在设定的曲槽中进行而无法脱离。

了解和熟悉凸轮机构的分类，可以详细参看图3.10凸轮机构的分类：1.3.4凸轮机构输出的运动规律分析当盘型凸轮和圆柱凸轮转动、移动凸轮移动时，与其连接的从动件可以产生预定的运动图3.10凸轮机构的分类形态。

常用的从动件运动规律有等速运动规律，等加速-等减速运动规律、余弦加速度运动规律以及正弦运动规律等。

1.等速运动规律从动件在推程或回程过程中，保持匀速状态运动，称之为等速运动规律。

以推程为例（参看下图3.11a），当凸轮以等角速度ω转动时，凸轮转过的推程角度δ0，从动件的升程为h，对应的推程时间为t，其运动速度曲线为一平行线。

从速度曲线可知，从动件在推程开始和,其加速度和惯性力在理论上为无穷大，致使凸轮机构产生终结的瞬时，速度由0突变为V0,强烈的冲击、噪声和磨损，这种冲击为刚性冲击。

因此，等速运动规律只适用于低速、轻载的场合。

回程也是一样，请参照图b）进行分析。

Array图3.11等速运动推程（a）回程（b）2.等加速等减速运动规律如图3.12所示，从动件在一个行程h中，前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动，这种运动规律称为等加速等减速运动规律。

图3.12等加速度等减速度运动规律由上图3.12可知，这种运动规律的加速度在A、B、C 三处存在有限的突变，因而会在机构中产生有限的冲击，这种冲击称为柔性冲击。

与等速运动规律相比，其冲击程度大为减小。

因此，等加速等减速运动规律适用于中速、中载的场合。

3.简谐运动规律（余弦加速度运动规律）当一质点在圆周上作匀速运动时，它在该圆直径上投影的运动规律称为简谐运动。

因其加速度运动曲线为余弦曲线故也称余弦运动规律，其运动规律运动线图如图所示。

由加速度线图可知，此运动规律在行程的始末两点加速度存在有限突变，故也存在柔性冲击，只适用于中速场合。

但当从动件作无停歇的升—降—升连续往复运动时，则得到连续的余弦曲线，柔性冲击被消除，这种情况下可用于高速场合。

4.摆线运动规律（正弦加速度运动规律）当一圆沿纵轴作匀速纯滚动时，圆周上某定点A 的运动轨迹为一摆线，而定点A 运动时在纵轴上投影的运动规律即为摆线运动规律。

因其加速度按正弦曲线变化，故又称正弦加速度运动规律，其运动规律运动线图如图3.14所示。

从动件按正弦加速度规律运动时，在全行程中无速度和加速度的突变，因此不产生冲击，适用于高速场合。

随着生产技术的进步，工程中需要的从动件运动规律模式越来越多，如复杂多项式运动规律等，设计凸轮机构时，应根据机器的工作要求，适当选择，具体分析。

图3.14摆线运动图3.13简谐运动1.4实训任务请同学们下了课去外面市场或路边寻找缝缝补补的小摊，拍摄手摇补鞋机各个部件，尤其是盘型凸轮部分。

然后回课堂下一节课进行分组讨论分析其输入与输出的运动规律。

1.5案例分析下图是非规则表面常用的仿形加工机器——电动配钥匙机，原版钥匙就类似一个扁平的凸轮，待配的钥匙被磨切削的轨迹与原版钥匙的齿形相对应。

几个来回就能磨削成一样的形状，请分析其工作特点。

1.6知识拓展——凸轮机构的材料凸轮机构是一种高副运动机构，其点线接触的特点，使我们选择材料的着眼点。

从工程实例看，凸轮机构失效的主要形式是凸轮与从动件接触表面的疲劳点蚀和摩擦磨损。

因此凸轮副材料应具有足够的表面接触强度和良好的耐磨性；同时考虑到运动过程中，从动件加速度存在有限突变，会产生柔性冲击，材料必须由较好的韧性，不能脆硬。

在工程设计中，一般根据经济性获取材料，后辅以热处理的方式，来进行选材。

零件名材料热处理使用场合凸轮HT250,HT300,QT450-10,QT500-7退火低速、轻载、大型低精度凸轮QT600-3,QT700-2,QT800-2,QT900-2等温淬火HRC45~50中速、中载、中等精度的凸轮轴45,40Cr,45Mn2正火低速、轻载、精度较低的一般凸轮图3.15手动补鞋机外形与机构图图3.16电动配钥匙机45,40Cr,45Mn2调质后，表面淬火HRC45~55中（高）速、中载、中等精度的一般凸轮15，20，20Mn2,20Cr,20CrMnTi渗碳淬火，渗碳厚度0.8～1.2mm,HRC58~63中（高）速、轻（重）载、高精度凸轮GCr15表面淬火HRC60～64T10,T10A表面淬火HRC56~60一般精度仿形靠模凸轮38CrMoAl,35CrAl氮化处理HRC60~67高精度仿形靠模凸轮滚子20Cr,18CrMnTi渗碳淬火HRC58~63与钢制凸轮相配T8,T10,GCr15表面淬火HRC56~64与铸铁或钢制凸轮相配45,40Cr表面淬火HRC45~55与铸铁凸轮相配3.6基础练习1.凸轮机构的优缺点是什么？为什么凸轮机构在自动机械中得到了广泛的应用？2.比较顶尖、滚子和平底从动件的优缺点及应用场合？3.从动件的常见运动规律由哪几种？这种运动规律的动作适用哪种场合？3.7实训提升——请分析下图凸轮机构实现的输入与输出运动形态图3.17自动往返刀架结构示意图任务2设计内燃机配气机构凸轮轮廓曲线2.1任务目标【知识目标】1.了解凸轮机构的设计参数；2.了解凸轮机构压力角、基圆半径、滚子半径的确定原则；【技能目标】1.掌握运动线图的绘制方法；2.掌握凸轮轮廓曲线设计的基本原理和直动从动件判刑凸轮机构的凸轮轮廓线设计【课时建议】4学时2.2任务引入凸轮机构由凸轮、从动件或从动件系统和机架组成，凸轮通过直接接触将预定的运动传给从动件。