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：