6.2认识凸轮机构（课件）-《汽车机械基础》同步教学（航空工业出版社）

任务二 认识凸轮机构 发动机配气机构 配气机构是汽车内燃式发动机的重要机构之一，如图所示。它按照发动机各气缸的工作循环和点火顺序，定时地将各气缸进气门与排气门打开、关闭，以及时注入新鲜气体并排出燃烧产生的废气。在一个工作循环内，气门要迅速打开，随即迅速关闭，然后保持关闭不动。显然，该要求无法利用平面连杆机构来实现。现代汽车中这一系列动作通常是由凸轮机构来完成的。那凸轮机构是如何工作的呢？让我们一起来认识凸轮机构吧！ 任务描述 任务目标 拆拆装发动机配气机构中的进气凸轮轴，观察凸轮轴的结构，学习凸轮机构的相关知识。 掌握凸轮机构的组成、特点及类型。 熟悉凸轮机构在汽车中的应用。 能正确拆装发动机配气机构的凸轮轴。 一、凸轮机构的组成和特点 1．凸轮机构的组成 凸轮机构是一种由凸轮、从动件和机架等构件组成的高副机构，如图所示。其中，凸轮一般具有曲线轮廓或凹槽，通常作连续等速转动；凸轮的轮廓与从动件构成高副接触，能使从动件实现各种复杂的运动。 凸轮机构的组成 2．凸轮机构的特点 与平面连杆机构相比，凸轮机构具有结构简单、尺寸紧凑、运动可靠等优点，只需确定适当的凸轮轮廓曲线，即可实现从动件各种复杂的运动规律。但从动件与凸轮之间多为点接触或线接触，容易磨损，承载能力低，故凸轮机构多用于传力不大的各种机械、仪器及自动控制装置中。 二、凸轮机构的分类 1．按凸轮的形状分类 常用凸轮机构的凸轮按形状可分为盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮三类，它们的特点及应用如表6-2-1所示。 表6-2-1 常用凸轮机构的凸轮形状、特点及应用 2．按从动件的形状和运动形式分类 常用凸轮机构的从动件按形状可分为尖顶从动件、滚子从动件和平底从动件；按运动形式又可分为移动式从动件和摆动式从动件。它们的特点及应用如表6-2-2所示。 表6-2-2 常用凸轮机构的从动件形状、特点及应用 三、凸轮机构在汽车中的应用——配气机构 1．配气机构的组成 配气机构主要分为气门式配气机构和气口式配气机构，目前，汽车发动机普遍采用的是气门式配气机构，它由气门组件和气门传动组件两大部分组成。其中，气门组件包括气门及其相关零件，其组成与配气机构的形式基本无关。气门传动组件包括从曲轴正时链轮或带轮开始至推动气门动作的所有零件，其组成与配气机构的形式有关。 2．配气机构的形式 配气机构的形式有很多种，按气门的布置方式不同可分为气门顶置式和气门侧置式两种。气门顶置式配气机构由于进气阻力小、进气效率高，结构紧凑，故在现代汽车中得到广泛应用，如图所示。该配气机构在每个气缸顶部分别配有一对进气门和一对排气门，进、排气门均为头部朝下，倒挂着安装在气缸盖上。按凸轮轴位置不同，气门顶置式配气机构又可分为凸轮轴下置式、凸轮轴中置式和凸轮轴上置式三种。其中，上置式凸轮轴直接布置在气缸盖上，直接利用凸轮或通过摇臂来驱动气门。如图所示的配气机构采用了两根上置式凸轮轴，分别用于驱动进气门和排气门。按曲轴和凸轮轴之间传动方式的不同，气门顶置式配气机构可分为齿轮传动式、链条传动式和齿形带传动式三种。如图所示的配气机构采用的是齿形带传动。 1—曲轴正时带轮；2—中间轴正时带轮；3—正时同步 带；4—张紧轮；5—凸轮轴正时带轮； 6—进气凸轮轴；7—凸轮；8—液压挺柱；9—进气门组件；10—排气凸轮轴；11—排气门组件 3．配气机构的工作原理 各种配气机构的工作原理大致相同，下面以图所示的气门顶置式配气机构为例说明其工作原理。该配气机构中凸轮轴通过正时同步带由曲轴驱动，凸轮通过液压挺柱控制气门的动作。 ① 当凸轮轴上凸轮的基圆部分与液压挺柱接触时，液压挺柱保持不动，气门处于关闭状态，如图（a）所示。 ② 凸轮轴继续转动，当凸轮的凸起部分与液压挺柱接触时，迫使气门向下移动，克服弹簧力使气门打开，如图（b）所示。 ③ 凸轮轴继续转动，当凸轮凸起部分转离液压挺柱时，气门在弹簧力的作用下向上移动，气门逐渐关闭，如图（c）所示。 配气机构的工作过程 一、凸轮机构的基本参数及运动过程 凸轮机构中，以凸轮转动中心为圆心，以凸轮最小向径为半径所作的圆称为基圆，其半径用rb表示，如图（a）所示。从动件在图示位置A时，离凸轮转动中心O的距离最近，称为起始位置。从动件的最近位置A到最远位置B'之间的距离称为升程，用h表示。从起始位置开始，以凸轮的转角d为横坐标，从动件的运动距离h为纵坐标，绘制出从动件的位移曲线，如图（b）所示。 （a）尖顶移动盘形凸轮机构 （b）从动件位移曲线 凸轮机构的运动过程 凸轮按逆时针方向以等角速度w 转过角度d0，将从动件尖顶由起始位置A推动到最远位置B'，该过程称为推程。对应的角度d0称为推程运动角。 凸轮继续过角度ds时，从动件与凸轮的BC段圆弧连续接触，停留在最高点B'不动，该过程称为远停程。对应的角度ds称为远休止角。 推程 远停程 凸轮继续转过角度d0'时，从动件在重力或弹簧力的作用下，从最高点B'返回起始位置A，该过程称为回程。对应的角度d0'称为回程运动角。 回程 凸轮继续转过角度ds'时，从动件与凸轮DA段圆弧连续接触，一直停在起始位置A不动，该过程称为近停程。凸轮转过的角度ds'称为近休止角。 近停程 凸轮不断旋转，从动件将重复升、停、降、停的运动循环。为形象直观地表示从动件的运动过程，以从动件的位移s、速度v、加速度a等运动参数作为纵坐标，以凸轮转过的角度d作为横坐标，即可绘制出凸轮机构从动件的运动线图。运动线图直观地反映了从动件的运动规律，是设计凸轮轮廓曲线的重要依据。 二、凸轮机构从动件常用运动规律 从动件的运动规律是指在凸轮机构运动过程中，从动件的位移s、速度v、加速度a等变量随时间t变化的规律。由于凸轮多以等角速度w 转动，其转角d与时间t成正比，故从动件的运动规律常表示为各变量随凸轮转角d 变化的规律。从动件的运动规律取决于凸轮的轮廓曲线形状，故在设计凸轮轮廓曲线时，应首先根据工作要求确定从动件的运动规律。从动件常用的运动规律有以下几种。 1．等速运动规律 等速运动是指凸轮匀速转动时，从动件在推程或回程的运动速度保持不变。等速运动线图如图所示。其中，位移线图（s-d）为斜直线，速度线图（v-d）为水平直线，加速度线图（a-d）为零。 （a）位移线图 （b）速度线图 （c）加速度线图 由如图所示的等速运动线图可知，在推程的开始点和回程的结束点，从动件的速度v发生突变，加速度a为无穷大，由此产生的惯性力在理论上趋于无穷大，凸轮机构将承受刚性冲击，可能导致构件破坏。因此，从动件符合等速运动规律的凸轮机构仅适用于低速、轻载的场合。 （a）位移线图 （b）速度线图 （c）加速度线图 2．等加速等减速运动规律 等加速运动等减速运动规律是指从动件在推程的前半段作等加速运动，后半程作等减速度运动，且两阶段加速度的绝对值相等。从动件的等加速等减速运动线图如图所示。由图可知，符合等加速等减速运动规律的从动件在运动的起点A、中点B、终点C三处的速度发生有限突变，即加速度为有限值，凸轮机构将受到柔性冲击。从动件符合等加速等减速运动规律的凸轮机构适用于中低速场合。 （a）位移线图 （b）速度线图 （c）加速度线图 三、凸轮和从动件的材料 凸轮机构属于高副机构，凸轮与从动件之间的接触应w力大，容易出现磨损和点蚀，而且多数凸轮机构在工作时还会承受一定的冲击，这就要求凸轮和从动件的工作表面具有高硬度、高耐磨性及高接触强度，同时心部具有良好的韧性。 对于低速、轻载的场合，凸轮可选用HT200，QT600-3等铸铁材料；从动件需承受弯曲应力，可选用40钢或45钢并进行表面淬火，使表面硬度达到40～50 HRC。 对于中速、中载的场合，凸轮可选用45钢并进行表面淬火，或选用15钢、20Cr等并进行渗碳淬火，使表面硬度达到56～62 HRC；从动件可选用20Cr并进行渗碳淬火，使表面硬度达到55～60 HRC。 对于高速、重载的场合，凸轮常选用40Cr或20CrMnTi等合金钢材料并进行表面高频淬火，使表面硬度达到56～60 HRC，或选用38CrMoAl并进行渗碳处理，使表面硬度达到60～67 HRC；从动件可选用T8，T10等碳素工具钢并进行表面淬火，使表面硬度达到58～62 HRC。 谢谢观赏 $$