2.3 凸轮机构《汽车机械基础》河南省（对口招生）交通运输类 知识点讲解

河南省（对口招生）交通运输类《汽车机械基础》 知识点讲解 三、凸轮机构 【课程要求】 1. 能描述凸轮机构在发动机配气机构中的功用及不同类型的特点。 2. 能分析凸轮机构的工作过程，明确基圆、升程、推程运动角等概念。 3. 能理解从动件等速运动规律和等加速等减速运动规律的特点及适用场合。 4. 能解释凸轮机构压力角对传力性能的影响及自锁现象。 5. 能识别汽车上凸轮轴下置、中置、上置等布置形式。 【知识网络】 【知识要点】 知识点1 凸轮机构概述 1. 凸轮机构的功用与组成 凸轮机构是汽车发动机配气系统的核心控制机构，其功用是按照发动机每一汽缸工作循环和发火次序的要求，定时开启或关闭每个汽缸的进、排气门，使新鲜的可燃混合气（或废气）及时地进入（或排出）汽缸。凸轮机构主要由凸轮、从动件（挺柱/推杆/摇臂）和机架三部分组成。 2. 凸轮机构需解决的四个关键问题 凸轮机构作为配气控制机构，需要解决以下四个问题：①进、排气门的开闭时刻；②进、排气门的开闭时间长短；③进、排气门的开启度（升程）；④进、排气门的运动规律（影响运动的平稳性）。 3. 凸轮轴的布置形式 根据凸轮轴在发动机中的安装位置不同，汽车凸轮机构可分为三种类型： （1）凸轮轴下置式：凸轮轴位于汽缸体下部，通过推杆、摇臂传动，结构较复杂，多用于传统发动机。 （2）凸轮轴中置式：凸轮轴位于汽缸体中部，推杆较短，结构相对紧凑。 （3）凸轮轴上置式：凸轮轴位于汽缸盖上，通过摇臂直接驱动气门，结构紧凑，响应速度快，现代发动机广泛采用。 知识点2 凸轮机构的工作过程 1. 凸轮机构的基本参数 以一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构为例：以凸轮轮廓最小向径为半径所作的圆称为基圆，最小向径称为基圆半径，用rmin表示。从动件处于上升的起始位置时，尖顶与凸轮轮廓上的A点（基圆与轮廓曲线的连接点）相接触。 2. 凸轮机构的四个工作阶段 当凸轮以等角速度沿逆时针方向旋转时，从动件经历以下四个阶段： （1）推程：从动件被凸轮轮廓AB段推动，由离回转中心最近点A达到最远点B，从动件所走过的距离AB'称为升程，用h表示，相应凸轮转角称为推程运动角。 （2）远休止：凸轮继续回转时，因圆弧BC为同心圆弧，从动件在最远位置停留不动，相应凸轮转角称为远休止角。 （3）回程：凸轮继续回转时，从动件在重力或弹簧力作用下回到起始位置（基圆上D点），相应凸轮转角称为回程运动角。 （4）近休止：凸轮继续回转时，从动件与圆弧AD接触，在最近位置停留不动，相应凸轮转角称为近休止角。之后凸轮继续回转，从动件重复上述运动。 3. 位移线图 以横坐标代表凸轮转角，纵坐标代表从动件位移，可画出从动件位移与凸轮转角之间的关系曲线，称为从动件的位移线图。从动件升程h等于凸轮轮廓最大向径减去基圆半径，即h = rmax - rmin；从动件的位移等于接触点凸轮轮廓的向径r减去基圆半径，即S = r - rmin。 4. 凸轮轮廓与气门运动关系 凸轮轮廓应保证气门开启和关闭的持续时间符合配气相位的要求，且使气门有合适的升程及其升降过程的运动规律。O点为凸轮旋转中心，EA为以O为中心的圆弧，凸轮转过弧EA时挺柱不动，气门关闭。凸轮转过A点后挺柱开始上移，至B点气门间隙消除，气门开始开启。凸轮转到C点气门开度达最大。到D点气门闭合终了。对应着气门开启持续角，p1和p2分别对应消除和恢复气门间隙所需的转角。凸轮轮廓BCD段的形状决定气门的升程及其升降过程的运动规律。 知识点3 从动件常用运动规律 1. 等速运动规律 当凸轮以等角速度回转时，从动件在推程或回程中的运动速度为一常数，这种运动规律称为等速运动规律。其位移线图为斜直线，速度线图为水平直线，加速度线图在推程开始和终止处理论上为无穷大。 从动件在运动开始时，速度由零突变为v0，瞬时加速度理论上为无穷大（a = +∞）；运动终止时，速度由v0突变为零，瞬时加速度理论上也为无穷大（a = -∞）。由此产生的惯性力也将趋于无穷大，引起刚性冲击。因此，等速运动规律不宜单独使用，在运动开始和终止段应加过渡曲线。 2. 等加速等减速运动规律 从动件在推程或回程中，前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动，这种运动规律称为等加速等减速运动规律。其加速度线图为平行于横坐标轴的直线段，速度线图为两条斜直线，位移线图为两段抛物线。 从动件在A、B、C、D各点处加速度出现有限突变，产生有限惯性力，引起柔性冲击。这种运动规律适用于中速凸轮机构。从其速度变化规律来看，有利于减少气门与座圈的撞击。 知识点4 凸轮机构的传力性能 1. 压力角的定义 在凸轮机构中，从动件运动方向和接触处轮廓法线方向所夹的锐角称为压力角，用α表示。若不考虑摩擦，凸轮给从动件的推力沿公法线方向。 2. 压力角对传力性能的影响 推力F可分解为沿从动件导轨方向的分力Fy（有效分力）及垂直于从动件运动方向的分力Fx（有害分力）。其中： Fx = Fn·sinα（有害分力，使从动件压紧导轨产生摩擦阻力） Fy = Fn·cosα（有效分力，推动从动件运动） 压力角α愈大，有害分力Fx愈大，机构效率愈低。当压力角增大到一定程度，以致Fx在导轨上引起的摩擦阻力大于有效分力Fy时，无论凸轮加给从动件的推力多大，从动件都不能运动，即产生自锁现象。 3. 许用压力角 为保证凸轮机构正常工作并具有一定传动效率，必须对压力角加以限制。凸轮轮廓上各点的压力角是变化的，设计时只要使最大压力角不超过许用值，即αmax ≤ [α]，就能满足要求。根据工程实践，许用值推荐如下： 推程运动：直动从动件[α] ≤ 30°，摆动从动件[α] ≤ 45° 回程运动：[α] ≤ 70°～80° 4. 减小压力角的方法 如果压力角大于许用值，可加大基圆半径来减小压力角。 【练习题】 一、单项选择题 1. 汽车凸轮机构的主要功用是（） A. 传递动力 B. 定时开启或关闭进、排气门 C. 改变传动比 D. 支撑曲轴 2. 现代汽车发动机广泛采用的凸轮轴布置形式是（） A. 凸轮轴下置式 B. 凸轮轴中置式 C. 凸轮轴上置式 D. 凸轮轴侧置式 3. 凸轮机构中，从动件由离回转中心最近点达到最远点的过程称为（） A. 回程 B. 推程 C. 远休止 D. 近休止 4. 凸轮机构从动件的升程h等于（） A. 基圆半径 B. 最大向径 C. 最大向径减去基圆半径 D. 基圆半径减去最小向径 5. 等速运动规律在运动开始和终止时会产生（） A. 柔性冲击 B. 刚性冲击 C. 无冲击 D. 弹性冲击 6. 等加速等减速运动规律适用于（） A. 高速凸轮机构 B. 中速凸轮机构 C. 低速凸轮机构 D. 任意速度凸轮机构 7. 凸轮机构中，压力角是指（） A. 凸轮转角 B. 从动件运动方向与接触处轮廓法线方向所夹的锐角 C. 凸轮转角与从动件位移之比 D. 凸轮转速与从动件速度之比 8. 当凸轮机构压力角超过许用值时，可采取的措施是（） A. 减小基圆半径 B. 增大基圆半径 C. 提高凸轮转速 D. 减小从动件质量 二、填空题 1. 汽车凸轮机构按照凸轮轴安装位置不同，可分为______、______和______三种形式。 2. 凸轮机构的工作过程包括______、______、______和______四个阶段。 3. 以凸轮轮廓最小向径为半径所作的圆称为______，最小向径称为______。 4. 从动件在推程中所走过的最大距离称为______，用字母______表示。 5. 等速运动规律会产生______冲击，等加速等减速运动规律会产生______冲击。 6. 凸轮机构中，推动从动件运动的有效分力是______，产生摩擦阻力的有害分力是______。 7. 凸轮轮廓上各点的压力角是______的，设计时应保证最大压力角不超过______。 三、判断题 1. 凸轮机构是汽车发动机配气系统的核心控制机构。（） 2. 凸轮轴下置式结构的推杆最短，响应速度最快。（） 3. 从动件在远休止阶段处于静止状态，凸轮转角称为远休止角。（） 4. 等速运动规律的位移线图是一条抛物线。（） 5. 等加速等减速运动规律在加速度突变处会产生柔性冲击。（） 6. 压力角越大，凸轮机构的传力性能越好。（） 7. 凸轮机构产生自锁时，无论凸轮推力多大，从动件都不能运动。（） 8. 增大基圆半径可以减小凸轮机构的压力角。（） 四、简答题 1. 简述汽车凸轮机构作为配气控制机构需要解决的四个关键问题。 2. 简述凸轮机构从动件等速运动规律的特点及存在的缺陷。 3. 简述凸轮机构压力角对传力性能的影响，并说明如何减小压力角。 4. 简述凸轮轮廓与气门运动规律之间的关系，并说明凸轮轮廓BCD段形状的作用。 【答案】 一、单项选择题 1. B 2. C 3. B 4. C 5. B 6. B 7. B 8. B 二、填空题 1. 凸轮轴下置式；凸轮轴中置式；凸轮轴上置式 2. 推程；远休止；回程；近休止 3. 基圆；基圆半径 4. 升程；h 5. 刚性；柔性 6. Fy（或沿导轨方向的分力）；Fx（或垂直于导轨方向的分力） 7. 变化；许用值 三、判断题 1. √ 2. × 3. √ 4. × 5. √ 6. × 7. √ 8. √ 四、简答题 1. 答：汽车凸轮机构作为配气控制机构需要解决的四个关键问题是：①进、排气门的开闭时刻；②进、排气门的开闭时间长短；③进、排气门的开启度（升程）；④进、排气门的运动规律（影响运动的平稳性）。 2. 答：等速运动规律的特点是：当凸轮以等角速度回转时，从动件在推程或回程中的运动速度为一常数，位移线图为斜直线。其缺陷在于：运动开始和终止时，速度发生突变，理论上瞬时加速度为无穷大，产生无穷大的惯性力，引起刚性冲击。因此不宜单独使用，需在运动开始和终止段加过渡曲线。 3. 答：压力角是从动件运动方向与接触处轮廓法线方向所夹的锐角。压力角越大，有害分力Fx越大，有效分力Fy越小，机构效率越低；当压力角增大到一定程度时，会产生自锁现象。为减小压力角，可采取增大基圆半径的措施。 4. 答：从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线的形状，反之，不同的从动件运动规律要求凸轮具有不同的轮廓形状。凸轮轮廓BCD段的形状决定了气门的升程及其升降过程的运动规律，对应着气门开启持续角，保证气门开启和关闭的持续时间符合配气相位的要求。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $