2-3 凸轮机构（课件）《汽车机械基础》上好课（人交版）·第5版)

2-3凸轮机构 汽车机械基础 人交版（第五版） 同步精品课堂—中职专业课 1 教学目标 知识目标 1. 掌握凸轮机构的组成、工作过程及核心参数，构建完整的理论框架。 2. 理解从动件两种常用运动规律的特性，明确不同规律的适用场景。 3. 掌握压力角的定义，深入理解其对机构传动性能的关键影响。 能力目标 1. 结合实物模型，能够准确描述凸轮机构的运动过程与传动关系。 2. 通过分析位移线图，快速区分不同运动规律的曲线特征与差异。 情感目标 1. 建立“理论联系实际”的工程思维，将抽象原理与现实应用结合，提升专业认同感。 2. 激发对机械设计领域的探索兴趣，感受技术应用的魅力与价值。 1、导入环节 2、知识讲授 3、师生互动 4、课后练习 5、课堂小结 6、课后作业 目录 教学引入 ？ 发动机的“呼吸”控制 这是汽车发动机的核心部件——配气机构。它负责精准地控制气门的开启和关闭，就像发动机的“呼吸系统”，决定了发动机何时进气、何时排气，是保证发动机高效运转的关键所在。 发动机的气门为什么能如此精准、定时地开闭呢？是什么零件在背后默默地驱动着这一切，让每一次呼吸都恰到好处？ 凸轮机构 核心零件：凸轮 凸轮是一个具有曲线轮廓的构件，它的形状决定了从动件的运动规律。作为凸轮机构的主动件，其轮廓曲线的设计直接影响整个机构的运动特性。 本节课主题 我们将深入剖析凸轮机构的工作原理与完整运动过程，重点掌握从动件的运动规律分析方法，理解轮廓曲线与运动特性之间的内在联系。 凸轮机构的工作过程 1. 机构组成 凸轮 ：具有曲线轮廓的主动件，是机构的运动源，通过自身的连续转动或移动，推动从动件运动。 从动件 ：直接与凸轮轮廓接触并跟随其运动的构件（如挺柱、推杆），将凸轮的运动转化为预期的往复运动。 机架 ：支撑凸轮轴和从动件的固定构件，是整个机构的基础，保证各运动部件的相对位置和运动精度。 2. 核心参数 基圆 (r_min) 以凸轮转动中心为圆心，凸轮轮廓最小半径所做的圆。它是凸轮机构设计和制造的基础依据。 基圆半径是凸轮机构的基本尺寸，其大小直接影响凸轮的结构尺寸和机构的受力情况。 升程 (h) 从动件从离凸轮转动中心最近位置到最远位置的距离。它反映了从动件的最大位移能力。 计算公式：h = r_max - r_min 3. 工作过程总览 01 推程 从动件从最近点运动到最远点的过程，是凸轮机构实现升程的关键阶段。 02 远休止 从动件在最远点保持静止不动的阶段，确保机械在最高位置完成特定动作。 03 回程 从动件从最远点返回到最近点的过程，使机构恢复初始状态，为下一轮循环做准备。 04 近休止 从动件在最近点停留不动的阶段，是机构的复位与缓冲期，保证运动平稳衔接。 阶段一：推程 基本定义 从动件在凸轮轮廓的推动下，从离回转中心最近的位置运动到最远的位置。这是凸轮机构实现升程的核心工作阶段。 对应转角 在此过程中，凸轮转过的角度被定义为推程运动角，通常用符号 δ_t 表示。它是衡量凸轮机构运动周期的重要参数。 位移变化 从动件的位移量由初始位置的 0 开始，随着凸轮的旋转逐渐增加，直至到达最高点时达到最大升程 h。位移曲线呈现上升趋势。 阶段二：远休止 定义 当凸轮转过推程运动角后，从动件在最远位置停留不动，此阶段即为远休止。 对应转角 从动件在最远位置停留时，凸轮转过的角度称为远休止角，用符号 δs 表示。 位移变化 演示说明：凸轮继续旋转，其最大半径圆弧部分与从动件接触，从动件在最高点保持静止不动。 阶段三：回程 运动定义：凸轮继续转动，从动件在重力或弹簧力作用下，脱离推程时的最远位置，返回到最近位置的运动过程。 回程运动角：从动件完成回程运动所对应的凸轮转角，用符号δ_h表示，是凸轮轮廓设计中关键的角度参数之一。 位移变化规律：从动件的位移量从最大升程h逐渐线性或按特定规律减小至 0，直至回到起始的最近位置。 回程是凸轮机构循环的重要环节，从动件的平稳回落对机构的冲击和噪音控制至关重要。 阶段四：近休止 阶段定义 当凸轮转过回程运动角后，从动件在最近位置停留不动。这是凸轮机构运动循环中的一个重要静止阶段。 对应转角 该阶段对应的凸轮转角称为近休止角，用符号 δ_s' 表示。在此角度范围内，凸轮轮廓为以凸轮转动中心为圆心的圆弧。 位移特征 从动件的位移量保持为0不变，处于整个运动周期中的最低点（最近位置），速度和加速度也均为0。 4. 位移线图解读 为了更直观地表示从动件的运动规律，我们通常使用位移-转角线图。通过横坐标与纵坐标的对应关系，能够清晰反映出凸轮转角与从动件位移之间的函数关系。 4. 位移线图解读 横坐标 (凸轮转角 δ)：代表凸轮转过的角度，通常以度(°)为单位，反映凸轮的旋转过程。 纵坐标 (从动件位移 s)：代表从动件的升程或回程距离，通常以毫米(mm)为单位，反映从动件的运动幅度。 推程：线图表现为斜向上的直线或曲线，从动件从最低位置上升到最高位置的过程。 远休止：线图表现为水平线段，凸轮继续转动，但从动件停留在最高位置不动。 回程：线图表现为斜向下的直线或曲线，从动件从最高位置下降到最低位置的过程。 近休止：线图表现为零位移的水平线段，从动件停留在最低位置，等待下一个循环。 5. 实例应用：汽车配气凸轮 轮廓分段 圆弧EA：处于近休止阶段，此阶段气门保持关闭状态，为后续运动做准备。 轮廓BCD：对应气门开启阶段，其曲线形状直接决定了气门的升程大小与运动规律。 关键角度 开启持续角(φ)：气门从开始开启到完全关闭所转过的角度，代表气门保持开启的总时间。 间隙对应转角(ρ1, ρ2)：为补偿热膨胀，保证气门关闭严密而设计的特定转角区间。 6. 凸轮机构的分类 按凸轮形状分类： 盘形凸轮;凸轮呈盘状，绕固定轴线转动。是凸轮机构中应用最广泛的一种形式，结构相对简单。 移动凸轮;凸轮呈板状，相对于机架作往复直线运动。可看作是盘形凸轮的半径趋于无穷大时的一种特殊形式。 圆柱凸轮;凸轮呈圆柱状，轮廓曲面开在圆柱面上。它可以使从动件得到较大的行程，并实现较复杂的运动规律。 7. 从动件的分类 按从动件端部形状分类 尖顶从动件：结构简单，但易磨损，适用于低速、轻载场合。 滚子从动件：摩擦小，磨损小，通过滚动接触减少损耗，应用广泛。 平底从动件：传力性能好，磨损小，且受力方向稳定，适用于高速场合。 8. 实例应用：燃油喷射系统 在柴油机中，喷油泵的凸轮轴控制着喷油嘴的喷油时刻和喷油量，是发动机燃油供给系统的核心部件之一，直接影响发动机的动力输出与燃油效率。 工作原理 凸轮的轮廓形状决定了柱塞的运动规律，通过柱塞的往复运动精确控制喷油提前角和喷油持续时间，确保燃油在最佳时机喷入燃烧室。 技术要求 要求凸轮轮廓具备极高的加工精度，表面需进行硬化处理以获得优异的耐磨性能，从而在长期高压工作环境下保证喷油的准确性和稳定性。 9. 实例应用：机床自动进给机构 在自动化机床（如自动车床）中，凸轮机构是实现精密控制的核心部件，主要用于控制刀具的自动进给、退刀和工件的转位，是机械自动化加工中不可或缺的基础机构。 工作原理：多个不同的凸轮按预定程序组合安装，通过凸轮与从动件的高副接触，将旋转运动转化为直线往复运动，协调完成复杂的加工动作序列。 技术优点：具有结构简单紧凑、工作可靠、响应速度快、制造成本低廉等优势，在大批量、高精度的自动化生产流水线上应用极为广泛。 10. 凸轮机构的失效与维护 主要失效形式 磨损：凸轮与从动件接触表面的材料由于摩擦而逐渐损失，是最常见的失效形式之一。 点蚀：在循环接触应力作用下，表面产生微小的疲劳裂纹和剥落，会导致机构运行异响。 维护要点 1.润滑管理：定期检查机油品质与油量，保证凸轮轴良好的润滑环境，减少干摩擦。 2.定期检查：拆解维修时仔细检查凸轮轮廓的磨损程度及表面是否存在点蚀凹坑。 3.及时更换：发现异常磨损或大面积点蚀时，应及时更换凸轮轴，避免故障扩大。 什么是凸轮机构 等速运动规律 位移线图：位移随时间呈线性变化，线图表现为一条斜直线，反映了从动件的位移与凸轮转角成正比的关系。 速度线图：速度为恒定值，线图表现为一条水平直线，说明从动件在整个运动过程中保持匀速状态，无速度变化。 加速度线图：在运动的起点和终点处，加速度发生无穷大突变，会产生刚性冲击，因此仅适用于低速轻载的场合。 等速运动规律的冲击 冲击类型：刚性冲击；这是由于运动状态的急剧改变而产生的一种强烈冲击形式。 产生原因：加速度在运动的起点和终点发生无穷大突变，导致瞬间产生巨大的惯性力，是造成冲击的根本物理原因。 主要危害：会引起强烈的机械振动和刺耳的噪音，加速零件的磨损和疲劳，严重时甚至会直接损坏整个机构，降低设备寿命。 适用场景：受限于其特性，仅适用于运行速度低、负载轻且对运动平稳性要求不高的凸轮机构中。 。 等加速等减速运动规律 定义：在推程或回程中，前半行程做等加速运动，后半行程做等减速运动，可有效改善运动冲击，使从动件运行更加平稳。 位移线图特征：两段光滑抛物线拼接，曲线连续无折点，反映位移随时间的二次函数关系。 速度线图特征：呈三角形波形态，速度先线性增至峰值再线性减至零，体现匀加速与匀减速过程。 加速度线图特征：运动中点处有限值突变，前半程正恒定加速度，后半程负恒定加速度，存在柔性冲击。 等加速等减速运动规律的冲击 冲击类型：柔性冲击 这是一种非刚性的冲击形式，区别于加速度无穷大的突变，其冲击程度相对温和。 产生原因：加速度突变 在运动的中点位置，加速度发生有限值的突变，导致惯性力的瞬间变化，从而引发冲击。 危害：运行平稳性好 相比刚性冲击，柔性冲击的危害要小得多，不会对机构造成剧烈的震动和破坏，运行更平稳。 适用场景：中速凸轮机构 广泛应用于对平稳性有一定要求的中速场合，例如汽车发动机的配气机构，保证气门开合的顺畅。 两种运动规律对比 运动规律 位移线图特征 冲击类型 适用场景 等速运动 位移曲线为斜直线，速度恒定，在运动的起点和终点处速度发生突变。 刚性冲击 适用于运动速度较低、载荷较轻，且对平稳性要求不高的机械传动场合。 等加速等减速运动 位移曲线由两段光滑连接的抛物线组成，速度呈线性变化，无突变。 柔性冲击 适用于中速运动场合，如汽车内燃机的配气机构，可有效改善运动平稳性。 师生互动：应用场景分析 思考 为什么汽车发动机的配气机构，大多采用等加速等减速运动规律，而不是等速运动规律？ 发动机转速高，若采用等速运动，会产生巨大的刚性冲击，导致气门、凸轮等零件迅速磨损，甚至发生断裂，严重影响发动机的使用寿命和运行安全。 等加速等减速运动规律产生的柔性冲击小，能保证发动机在高速运转时平稳、可靠，有效减少噪音和振动，提升驾驶体验并保障机械结构的稳定性。 压力角的定义 (α) 核心定义 压力角是指从动件运动方向与接触处轮廓法线方向所夹的锐角，通常用符号 α 表示。它是凸轮机构设计与分析中最基础且核心的几何参数之一。 物理意义 该角度直观反映了凸轮推动从动件的力的方向与从动件运动方向的偏离程度。压力角越小，有效分力越大，机构传力效率越高；反之则效率降低，甚至可能出现自锁现象。 压力角的力学意义 有效分力 (F_y) 公式：F_y = F_n · cosα 作用：推动从动件沿预定方向运动，是实现机构功能的核心力。 特点：压力角 α 越小，cosα 越大，有效分力 F_y 越大，机构传力越有效、越省力。 有害分力 (F_x) 公式：F_x = F_n · sinα 作用：垂直于运动方向，将从动件压紧在导轨上，产生额外的摩擦阻力。 特点：压力角 α 越大，sinα 越大，有害分力 F_x 越大，磨损加剧，效率降低。 结论：压力角 α 越小，有效分力越大，有害分力越小，机构传动效率越高。设计时应尽可能减小压力角。 压力角的影响 效率降低 压力角α越大，有害分力Fₓ越大，摩擦损耗增加，机构效率降低。这意味着输入的能量更多地被消耗在克服摩擦力上，而非用于有效做功。 自锁现象 当α过大时，有害分力引起的摩擦阻力会大于有效分力Fᵧ。此时，无论凸轮施加多大的力，从动件都无法运动，这种现象称为自锁，是机械设计中必须严格避免的失效形式。 许用压力角与优化 许用压力角 [α] 为了保证机构正常工作，避免发生自锁并确保传动效率，必须限制凸轮机构的最大压力角不超过许用值。 • 直动从动件推程：[α] ≤ 30° • 摆动从动件推程：[α] ≤ 45° 优化措施 当设计中发现压力角超过许用值时，最直接且有效的方法是增大基圆半径。这是调整压力角最常用的手段。 • 优势：显著减小压力角，提升机构的传动质量和效率。 • 弊端：会导致凸轮及整个机构的外廓尺寸变大，需在设计中权衡取舍。 齿轮压力角 。 课后练习 课后练习 1.（选择题）：当凸轮机构的从动件在推程阶段做等速运动时，其加速度在（ ）。 A. 整个推程中为常数 B. 推程起点和终点处为无穷大 C. 推程中点处为无穷大 D. 整个推程中为零 2.（选择题）：为了减小凸轮机构的压力角，提高传动效率，可以采取的措施是（ ）。 A. 减小基圆半径 B. 增大基圆半径 C. 减小凸轮转速 D. 增大凸轮转速 汽车发动机配气机构的凸轮，为了避免过大冲击，通常采用等加速等减速运动规律。（ ） 课堂练习 4.判断题：凸轮机构的压力角越大，其传动效率越高（ ）。 5选择题：从动件在最远位置停留不动的阶段称为（ ）。 A. 推程 B. 远休止 C. 回程 D. 近休止 课后练习解析 1.B 解析：等速运动规律的加速度线图在起点和终点处发生无穷大突变，产生刚性冲击，因此在高速场合下一般不单独使用。 2.B 解析：增大基圆半径是减小压力角、提高传动效率最有效的方法。压力角越小，凸轮机构的传力性能越好，磨损越小。 3.√ 解析：等加速等减速运动规律产生柔性冲击，冲击小且运行平稳，非常适合汽车配气机构这种中速、轻载的工作场合。 4.× 解析：压力角越大，有害分力越大，有效分力越小，导致凸轮机构的传动效率越低，磨损加剧，甚至可能发生自锁现象。 5.B 解析：从动件在最远位置停留的阶段称为远休止，而在最近位置停留的阶段称为近休止，这两个阶段从动件的位移为零。 课堂小结 1.凸轮机构工作过程 工作循环：推程 → 远休止 → 回程 → 近休止。这四个阶段构成了凸轮机构的一个完整运动周期。 核心参数：升程（从动件位移）、运动角（对应推程/回程的凸轮转角）、休止角（从动件静止时的凸轮转角）。 2.从动件运动规律 等速运动：速度突变产生刚性冲击，仅适用于低速、轻载且对运动平稳性要求不高的场合。 等加速等减速：加速度突变产生柔性冲击，运动较平稳，广泛应用于中速场合，如汽车配气机构。 课堂小结 3.压力角与传动性能 定义：从动件运动方向与受力方向（法线方向）之间的夹角，是衡量传动效率的重要指标。 影响与许用值：α越大，有效分力越小，效率越低，易发生自锁。直动从动件许用压力角[α] ≤ 30°。 布置作业 01 画图题 绘制凸轮机构4个工作阶段的位移线图，准确标注各阶段对应的凸轮转角，包括推程运动角、远休止角、回程运动角及近休止角，清晰展示运动规律的变化过程。 02 对比题 以列表形式对比等速运动规律与等加速等减速运动规律。重点分析二者的曲线特征、产生的冲击类型（刚性/柔性），并说明各自的适用场景与局限性。 03 简答题 简述凸轮机构压力角的定义。分析压力角过大时，对机构传动性能的两个主要负面影响，如受力效率降低、自锁风险增加等，并说明其影响机理。 感谢观看 $