凸轮机构特点解析-机械基础

知识要求：

1．了解凸轮机构的应用及分类方法；

2．掌握从动件常用运动规律及其选择原则。

技能要求：

能用图解法设计凸轮轮廓曲线。

汽车发动机通常采用内燃机的形式，内燃机的结构及运动形式在任务一中已经详细分析，而内燃机工作过程中的进气与排气采用何种方式控制呢？本任务将详细分析内燃机配合机构的结构及形式。

凸轮机构的种类很多，通常可以从以下几个方面进行分类：

（1）按凸轮的形状来分

1）盘形凸轮机构。

在这种凸轮机构中，凸轮是一个绕定轴转动且具有变曲率半径的盘形构件，如图1－57（a）所示。当凸轮定轴回转时，从动件在垂直于凸轮轴线的平面内运动。在图1－11所示的凸轮机构中，当矢径变化的凸轮轮廓与气阀杆的平底接触时，气阀杆产生往复运动；而当以凸轮回转中心为圆心的圆弧段轮廓与气阀杆接触时，气阀杆将静止不动。因此，随着凸轮的连续转动，气阀杆可获得间歇的、有规律的运动。

图1－57　凸轮的形状种类
（a）盘形凸轮；（b）移动凸轮；（c），（d）圆柱凸轮

2）移动凸轮机构。

当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，就演化为移动凸轮机构，如图1－57（b）所示。在移动凸轮机构中，凸轮一般做往复直线运动，大型超市循环电梯台阶的自动上升和下降、印刷机中收纸牙排咬牙的开闭均是通过移动凸轮进行控制的。

3）圆柱凸轮机构。

在这种凸轮机构中，圆柱凸轮可以看成是将移动凸轮卷在圆柱体上而得到的，如图1－57（c）和图1－57（d）所示。由于凸轮和从动件的运动平面不平行，因而这是一种空间凸轮机构。当圆柱凸轮回转时，凹槽侧面迫使从动件摆动，从而驱使与之相连的刀架运动，至于刀架的运动规律则完全由凹槽的形状决定。

（2）按从动件的端部形式分

按照从动件端部形式的不同可以分为尖顶从动件、滚子从动件和平底从动件凸轮机构。

1）尖顶从动件凸轮机构。

如图1－58（a）所示，这种凸轮机构的从动件结构简单，对于复杂的凸轮轮廓也能精确地实现所需的运动规律。由于尖顶和凸轮相接触很容易发生磨损，因此，这种凸轮机构适用于受力不大、低速以及要求传动灵敏的场合，如精密仪表的记录仪等。

2）滚子从动件凸轮机构。

如图1－58（b）所示，为了克服尖顶从动件凸轮机构的缺点，可在尖顶处安装滚子，将滑动摩擦变为滚动摩擦，使其耐磨损，从而可以承受较大的载荷，是应用最为广泛的一种凸轮机构。

3）平底从动件凸轮机构。

如图1－58（c）所示，这种凸轮机构的从动件与凸轮轮廓表面接触的端面为一平面，因而不能用于具有内凹轮廓的凸轮。平底从动件凸轮机构的特点是受力比较平稳（不计摩擦时，凸轮对平底从动件的作用力垂直于平底），凸轮与平底之间容易形成楔形油膜，润滑较好。因此，平底从动件常用于高速凸轮机构当中。

图1－58　凸轮从动件种类

1．平面凸轮机构的基本尺寸和运动参数

图1－59所示为一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构，其中以凸轮轮廓的最小向径rb为半径所作的圆称为基圆，rb为基圆半径，凸轮以等角速度ω1顺时针转动。在图1－59（a）所示位置，尖顶与A点接触，A点是基圆与开始上升的轮廓曲线的交点，此时，从动件的尖顶离凸轮轴最近。凸轮转动时，向径增大，从动件被凸轮轮廓向上推，到达向径最大的B点时，从动件距凸轮轴心最远，这一过程称为推程。与之对应的凸轮转角θ0称为推程运动角，从动件上升的最大位移h称为行程。当凸轮继续转过θs时，由于轮廓BC段为一向径不变的圆弧，从动件停留在最远处不动，此过程称为远停程，对应的凸轮转角θs称为远停程角。当凸轮又继续转过θh时，凸轮向径由最大减至rb，从动件从最远处回到基圆上的D点，此过程称为回程，对应的凸轮转角θh称为回程运动角。当凸轮继续转过θj角时，由于轮廓DA段为向径不变的基圆圆弧，从动件继续停在距轴心最近处不动，此过程称为近停程，对应的凸轮转角θj称为近停程角。此时，θ0＋θs＋θh＋θj＝2π，凸轮刚好转过一圈，机构完成一个工作循环，从动件则完成一个“升—停—降—停”的运动循环。

从动件的位移s与凸轮转角θ的关系可以用从动件的位移线图来表示，如图1－59（b）所示。由于凸轮一般均做等速旋转，转角与时间成正比，因此横坐标也可以代表时间t。

图1－59　平面凸轮机构的基本尺寸

由上述的讨论可知，从动件的运动规律取决于凸轮的轮廓形状，因此在设计凸轮的轮廓曲线时，必须先确定从动件的运动规律。

2．从动件的运动规律

从动件在运动过程中，其位移s、速度v、加速度a随时间t（或凸轮转角）的变化规律，称为从动件的运动规律。由此可见，从动件的运动规律完全取决于凸轮的轮廓形状。工程中，从动件的运动规律通常是由凸轮的使用要求确定的，因此，根据实际要求的从动件运动规律所设计凸轮的轮廓曲线，完全能实现预期的生产要求。

（1）等速运动规律

从动件在运动过程中，运动速度为定值（a＝0）的运动规律，称为等速运动规律。当凸轮以等角速度ω1转动时，从动件在推程或回程中的速度为常数，其运动线图如图1－60所示。

图1－60　等速运动规律

如图1－60所示，从动件在推程始末两点处速度有突变，瞬时加速度理论上为无穷大，因而产生理论上亦为无穷大的惯性力。而实际上，由于构件材料的弹性变形，加速度和惯性力不至于达到无穷大，但仍会对机构造成强烈的冲击，这种冲击称为“刚性冲击”。因此，采用等速运动规律，只能用于凸轮转速很低以及轻载的场合。

（2）等加速等减速运动规律

从动件在运动过程的前半程做等加速运动，后半程做等减速运动，两部分加速度的绝对值相等，这种运动规律称为等加速等减速运动规律。(www.xing528.com)

如图1－61所示，在推程的始、末点和前、后半程的交接处，加速度有突变，因而惯性力也产生突变，但它们的大小及突变量均为有限值，由此将对机构造成有限大小的冲击，这种冲击称为“柔性冲击”。在高速情况下，柔性冲击仍会引起相当严重的振动、噪声和磨损，因此这种运动规律只适用于中速、中载的场合。

图1－61　等加速等减速运动规律

（3）简谐运动规律

从动件的加速度按余弦规律变化的运动规律称为简谐运动规律。加速度的曲线为半个周期的余弦曲线，位移曲线为简谐运动曲线。

如图1－62所示，在起始和终止处，理论上a为有限值，产生柔性冲击，适用于中速、中载的场合。

图1－62　简谐运动规律

根据机器的工作要求，在确定了凸轮机构的类型及从动件的运动规律、凸轮的基圆半径和凸轮的转动方向后，便可开始凸轮轮廓曲线的设计了。凸轮轮廓曲线的设计方法有图解法和解析法。图解法简单直观，但不够精确，只适用于一般场合；解析法精确但计算量大，随着计算机辅助设计的迅速推广应用，解析法设计将成为设计凸轮机构的主要方法。以下介绍图解法设计凸轮轮廓曲线的方法。

1．图解法的原理

图解法绘制凸轮轮廓曲线的原理是“反转法”，即在整个凸轮机构（凸轮、从动件、机架）上加一个与凸轮角速度大小相等、方向相反的角速度（－ω），于是凸轮静止不动，而从动件与机架（导路）一起以角速度－ω始终与凸轮轮廓保持接触，所以从动件在反转行程中，其尖顶的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。

2．举例

设已知凸轮逆时针回转，其基圆半径rb＝30mm，则从动件的运动规律见表1－2。

表1－2　从动件运动规律

试设计此凸轮轮廓曲线。

解：设计步骤：

（1）选取适当比例尺作位移线图

1）选取长度比例尺和角度比例尺分别为μL＝0.002（m／mm），μδ＝6（°／mm）

2）按角度比例尺在横轴上由原点向右量取30mm、20mm、10mm，分别代表推程角180°、回程角120°和近停程角60°。每30°取一等分点等分推程和回程，得分点1，2，…，10，停程不必取分点，在纵轴上按长度比例尺向上截取15mm代表推程位移30mm。按已知运动规律作位移线图（图1－63（a）所示）。

（2）作基圆取分点

任取一点O为圆心，以点B为从动件尖顶的最低点，由长度比例尺取rb＝15mm作基圆。从B点开始，按－ω方向取推程角、回程角和近停程角，并分成与位移线图对应的相同等分，得分点B1，B2，…，B11，其中B11与B点重合。

（3）画轮廓曲线

连接OB1并在延长线上取B1B1′＝11′得点B1′，同样在OB2延长线上取B2B2′＝22′，…，直到B9点，点B10与基圆上点B10′重合。将B1′，B2′，…，B10′连接为光滑曲线，即得所求的凸轮轮廓曲线，如图1－63（b）所示。

图1－63　对心尖顶直动盘形凸轮

对于其他从动件凸轮曲线的设计，可参照上述方法。

若将图1－63中的尖顶改为滚子，如图1－64所示，它们的凸轮轮廓可按如下方法绘制：首先，把滚子中心看作尖顶从动件的尖顶，按上述方法求出一条轮廓曲线，则该曲线即为凸轮的理论轮廓曲线，凸轮的实际轮廓曲线是与理论轮廓曲线相距滚子半径rT的一条等距曲线。应注意的是，凸轮的基圆指的是理论轮廓线上的基圆。

图1－64　尖顶改为滚子

按照发动机的工作顺序和工作循环的要求，需要定时开启和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气或空气得以及时进入气缸，燃烧产生的废气从气缸排出，使换气过程最佳，以保证发动机在各种工况下工作时具有最好的性能。试分析发动机配气机构的工作原理。发动机配气机构如图1－65所示。

图1－65　发动机配气机构
（a）凸轮轴下置式；（b）凸轮轴中直式；（c）凸轮轴上置式

1．为什么凸轮机构广泛应用于自动、半自动机械的控制装置中？比较尖顶从动件、滚子从动件和平底从动件的优缺点及应用场合。

2．何谓凸轮的基圆？基圆半径过大、过小各会出现什么问题？

3．什么是凸轮的压力角？它对凸轮机构有何影响？压力角与基圆半径有何关系？

4．本书中介绍的凸轮机构的三种基本运动规律各有何特点？各适用于何种场合？

5．何谓刚性冲击和柔性冲击？如何避免刚性冲击？

6．一尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构，凸轮按逆时针方向转动，其运动律见表1－3。

表1－3　题6表

要求：（1）画出位移曲线图；

（2）若基圆半径rb＝40mm，画出凸轮工作轮廓。