常见汽车机构：凸轮和间歇运动机构

任务介绍

汽车常用机构除平面连杆机构外，还有凸轮机构和间歇运动机构。常用机构的基本作用是变换运动形式。例如，曲柄摇杆机构可将回转运动转换为往复直线运动；凸轮机构、棘轮机构和 槽轮机构可将匀速转动转换为非匀速转动、间歇运动等。

学习目标

1.了解凸轮机构的结构及分类。

2.了解棘轮机构和槽轮机构的结构及运动过程。

相关知识

一、凸轮机构

1.凸轮机构的组成、应用及特点

汽车中常用的凸轮机构主要是汽车发动机中的进、排气门机构，即内燃机的配气机构。图4-33所示为内燃机的配气机构，具有曲线外廓形状的构件1做等速转动时，通过其向径的变化可使气门杆2按预期规律做上、下往复移动，进而控制气门有规律地开启和关闭（关闭借助弹簧的弹力作用），使可燃物质进入气缸或使废气排出。这里具有曲线外廓形状的构件1称为凸轮；与凸轮始终保持直接接触的气门杆2称为从动杆，或称为推杆。凸轮、从动件和机架组合在一起的机构称为凸轮机构。

图4-33　内燃机配气机构

1—凸轮；2—气门杆

图4-34所示为自动送料机构，带凹槽的圆柱凸轮1做等速转动，槽中的滚子带动从动件2做往复移动，将工件推至指定的位置，从而完成自动送料任务。图4-35所示为分度转位机构，蜗杆凸轮1转动时，推动从动轮2做间歇转动，从而完成高速、高精度的分度动作。

图4-34　自动送料机构

1—圆柱凸轮；2—从动件

图4-35　分度转位机构

1—蜗杆凸轮；2—从动轮

由以上实例可以看出：凸轮机构是主要由凸轮、从动件和机架所组成的高副机构，并且这种高副机构中至少有一个构件做往复移动（或摆动）；从动件的位移、速度和加速度随凸轮转角（或时间）变化，变化规律（称为从动件的运动规律）是由凸轮的轮廓形状及尺寸决定的。凸轮机构可以实现从动件的无限多种运动规律。它主要用于转换运动形式，可以将凸轮的转动转变为从动件连续的或间歇的往复移动或摆动；或将凸轮的移动转变为从动件的移动或摆动。此外，凸轮机构还具有结构简单、紧凑，设计方便等优点，广泛应用于各种自动机械、仪表及自动控制装置中。但由于凸轮机构中凸轮与从动件属于高副接触，压强大、易磨损，凸轮轮廓线的制造精度对动力影响很敏感，受凸轮尺寸的限制，从动件工作行程较小等原因，凸轮机构只能用于传递功率不大、从动件行程不大的场合。

汽车发动机正常工作时，发动机的进、排气门必须按规定的运动规律准时打开或关闭，气门杆（从动件）的运动规律是根据对汽车发动机性能等方面的要求选择的，最终通过发动机凸轮轴上凸轮的轮廓形状、尺寸实现。

2.凸轮机构的分类

（1）按凸轮的形状分

1）盘形凸轮（图4-36）。盘形凸轮是一个绕固定轴转动并且具有变化向径的盘形零件，当其绕固定轴转动时，可推动从动件在垂直于凸轮转轴的平面内运动。它是凸轮的最基本形式，结构简单，应用最广。

图4-36　盘形凸轮

2）移动凸轮（图4-37）。当盘形凸轮的转轴位于无穷远处时，就演化成了移动凸轮（或楔形凸轮）。凸轮呈板状，相对于机架做直线移动。

在以上两种凸轮机构中，凸轮与从动件之间的相对运动均为平面运动，故又统称为平面凸轮机构。

3）圆柱凸轮等（图4-38）。如果将移动凸轮卷成圆柱体即演化成圆柱凸轮。在这种凸轮机构中凸轮与从动件之间的相对运动是空间运动，故属于空间凸轮机构。

图4-37　移动凸轮

图4-38　圆柱凸轮

（2）按从动件的形状分

凸轮按从动件的形状分类。

表4-1　凸轮按从动件的形状分类

（3）按从动件的运动形式分

按从动件的运动形式，凸轮机构可分为移动从动件凸轮机构和摆动从动件凸轮机构。

3.凸轮机构在汽车中的应用

图4-39所示为凸轮机构在发动机上的应用。图4-39中所示的配气机构由凸轮、凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、气门弹簧和气门组成。气门弹簧利用弹力将气门压紧在气门座上。当发动机通过齿轮驱动凸轮轴旋转时，凸轮轴上的凸轮利用其表面轮廓通过挺柱推动推杆做上下移动，推杆则驱动摇臂绕摇臂轴做摆动。当凸轮处于推程时，摇臂的一端（较长端）将推压气门弹簧座，使弹簧压缩并带动气门下移，从而使气门因离开气门座而开启；当凸轮处于回程时，气门将在气门弹簧弹力的作用下回位，重新关闭气门。发动机配气机构在摇臂与气门之间专门留有一空隙——气门间隙，这是为了给机件受热膨胀留有一定余地，以避免机件因受热伸长而使气门自行开启，从而确保气门的正常工作。

图4-39　凸轮机构在汽车发动机上的应用

1—凸轮；2—凸轮轴；3—挺柱；4—推杆；5—摇臂；6—气门弹簧；7—气门

二、棘轮机构

间歇运动机构是将主动件的连续运动变换为从动件遵循一定规律的时停时动的机构。间歇运动机构的类型很多，常用的有棘轮机构、槽轮机构等。

1.棘轮机构的工作原理

如图4-40所示，棘轮机构主要由棘轮、棘爪、主动摆杆及止回棘爪组成。主动摆杆逆时针摆动时，主动摆杆上铰接的棘爪插入棘轮的齿内，推动棘轮同向转动一定角度。当主动摆杆顺时针摆动时，止回棘爪阻止棘轮反向转动，此时棘爪在棘轮的齿背上滑回原位，棘轮静止不动。此机构将主动件的往复摆动转换为从动棘轮的单向间歇转动。利用弹簧使棘爪紧压齿面，保证止回棘爪可靠工作。

图4-40　棘轮机构

1—主动摆杆；2—棘轮；3—棘爪；4—止回棘爪

2.棘轮机构的类型及特点

棘轮机构按其工作原理，可分为齿式棘轮机构和摩擦式棘轮机构两大类；按啮合部位，可分为外啮合棘轮机构和内啮合棘轮机构两种类型；按驱动方向，可分为单向驱动棘轮机构和双向驱动棘轮机构，其中，单向驱动棘轮机构的棘轮多为锯齿形，双向驱动棘轮机构的棘轮多为矩形。

图4-41所示为自行车后轮飞轮中的内啮合单向驱动棘轮机构。图4-42是控制牛头刨床工作台的双向式棘轮机构。图4-43所示为摩擦式棘轮机构。

图4-41　自行车后轮飞轮中的内啮合单向驱动棘轮机构

图4-42　控制牛头刨床工作台双向式棘轮机构(www.xing528.com)

图4-43　摩擦式棘轮机构

齿式棘轮机构的特点：齿式棘轮机构的结构简单，运动可靠，主从动关系可互换，动程可在较大范围内调节，动停时间比可通过选择合适的驱动机构实现；其缺点为动程只能有级调节；有噪声、冲击、磨损，故其不宜用于高速场合。

摩擦式棘轮机构的特点：摩擦式棘轮机构传动平稳、无噪声，传递转矩较大，动程可无级调节。依靠摩擦力传动会出现打滑现象，一方面可起到过载保护作用，另一方面也使传动精度降低。其适用于低速、轻载的场合。

3.棘轮机构在汽车中的应用

图4-44所示为棘轮机构在汽车驻车制动系统中的应用。汽车驻车制动系统内部装有棘轮和棘爪，在将驻车制动手柄拉起后，棘爪就会卡在棘轮上，使驻车制动机构自动锁紧，这也就是在拉紧手柄时会听见“咔嗒”声响的原因。若要松开就必须按下手柄，释放按钮。

图4-44　棘轮机构在驻车制动系统中的应用

1—棘轮；2—棘爪；3—驻车制动手柄

三、槽轮机构

槽轮机构（又称马尔他机构）能把主动轴的匀速连续运动转换为从动轴的周期性间歇运动，常用于各种分度转位机构中。槽轮机构由带销的主动拨盘、具有径向槽的从动槽轮和机架组成。

槽轮机构的停歇时间和运动时间取决于槽轮的槽数和拨销数。根据槽轮的啮合形式，槽轮机构可分为外槽轮机构和内槽轮机构，如图4-45和图4-46所示。

图4-45　外槽轮机构

图4-46　内槽轮机构

外槽轮机构的特点：外啮合式的槽轮机构，主、从动轮的转向相反。内槽轮机构的特点：内啮合式的槽轮机构，主、从动轮的转向相同。与外槽轮机构相比，内槽轮机构停、动较平稳，停歇时间短，所占空间小。

槽轮机构结构简单、工作可靠、转位方便，能精确控制转角，但转角大小不可调节，且有冲击，只能用于低速机构或分度机构中。图4-47所示为转塔车床的刀架转位机构。

图4-47　转塔车床的刀架转位机构

任务小结

1）凸轮机构组成：凸轮、从动件和机架等。

2）凸轮机构的分类。

① 按凸轮的形状分为盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮。

② 按从动件的形状分为尖端从动件凸轮机构、曲面从动件凸轮机构、滚子从动件凸轮机构、平底从动件凸轮机构。

③ 按从动件的运动形式分为移动从动件凸轮机构和摆动从动件凸轮机构。

3）棘轮机构的组成：棘轮、棘爪、主动摆杆及止回棘爪等。

4 ）槽轮机构组成：带销的主动拨盘、具有径向槽的从动槽轮和机架。

拓展提高

凸轮机构从动件的运动规律

凸轮机构能否按预期的运动规律正常工作，主要取决于凸轮的轮廓曲线。因此，在设计凸轮轮廓曲线之前，应先根据工作要求确定从动件的运动规律，确定凸轮的轮廓曲线。那么，凸轮轮廓与从动件的运动有什么样的关系呢？从动件的运动规律又如何？这就是下面所要讨论的主要问题。

1.基本概念

图4-48所示为凸轮的基本参数和运动规律图。

图4-48　凸轮的基本参数和运动规律

凸轮的基本参数主要包括以下几个。

1）基圆：以凸轮的转动中心O为圆心，以凸轮的最小向径为半径r0所作的圆。r0称为凸轮的基圆半径。

2）推程：从动件远离凸轮轴心的运动。推程运动角φ即与推程对应的凸轮转角。

3）远休：从动件处于最高位置而静止不动的过程。远休止角φs即与远休相对应的凸轮转角。

4）回程：从动件从最高位置回到最低位置的这一过程。回程运动角φ′即与回程相对应的凸轮转角。

5）近休：从动件处于最低位置而静止不动的过程。近休止角φ′s即与近休相对应的凸轮转角。

6）行程：从动杆在推程或回程中移动的距离h。

7）位移线图：描述位移s与凸轮转角φ之间关系的图形。

2.从动件常用的运动规律

从动件的运动规律指从动件的位移、速度、加速度及加速度的变化率随时间和凸轮转角变化的规律。

从动件常用的运动规律有等速运动和等加速等减速运动。

等速运动是从动件上升或下降的速度为一常数的运动。等加速等减速运动是将从动件运动的整个行程h分为两段，前h/2段做等加速运动，后h/2段做等减速运动，通常，等加速段和等减速段时间相等，加速度的绝对值也相等。

设计凸轮机构时，首先应根据工作要求确定从动件的运动规律，然后按照这一运动规律设计凸轮廓线。下面以尖端移动从动件盘形凸轮机构为例，说明从动件的运动规律与凸轮廓线之间的相互关系。

几种常用运动规律的运动线图和特点如表4-2所示。

表4-2　凸轮机构从动件运动规律的运动线图及特点

续表