项目 3设计内燃机配气机构凸轮轮廓轮廓曲线项目 3设计内燃机配气机构凸轮轮廓轮廓曲线汽车上最常见的汽油机与柴油机都属于往复活塞式内燃机，内燃机工作时，气缸的内 空气与燃料的混合气在点火装置的引燃条件下，产生燃烧、膨胀，高压气体推动曲柄连杆机 构产生扭矩，再通过曲轴对外做功，使燃料的化学能转化为曲轴旋转的动能往复活塞式内 燃机的工作周期被分为进气、压缩、做功、排气共四个过程通过进气与排气，将燃料与工 作介质进行更换， 执行和完成这一套动作的核心即是凸轮机构 本项目从了解内燃机配气凸 轮机构入手，解读凸轮机构的功能和结构特点，然后学习盘形凸轮的手工和电子制图，最后 学习关于其它间歇运动机构的知识任务 1 熟悉内燃机配气机构1.1 任务目标任务 1 熟悉内燃机配气机构1.1 任务目标 【知识目标】 1.理解内燃机配气机构中凸轮机构的特点与功能原理； 2.理解凸轮与其它机构配合可实现的运动； 【技能目标】 1. 能够根据凸轮形状分析运动轨迹； 【课时建议】 4 学时1.2 任务引入1.2 任务引入 内燃机车配气机构是凸轮机构运动副最典型的应用场景之一， 通过凸轮的旋转， 配合从 动件产生所需的规律性运动，有序控制适时开闭进气门和排气门，控制内燃机进气与排气。
那么凸轮到底是一种什么样的零件，如何组成一类运动机构实现运动轨迹控制的呢？1.3 相关知识点1.3 相关知识点 1.3.1 内燃机工作时进出气门的工作过程描述1.3.1 内燃机工作时进出气门的工作过程描述 当发动机启动，启动马达带动曲轴旋转，随着活塞正常运转后，凸轮轴随即通过链条 获得由曲轴输出的旋转动力，凸轮推动进、排气门上下往复式运动，形成开闭状态来吸入新 鲜空气或释放燃烧后的废气由于在凸轮两侧布置着进、排气门，所以当凸轮每旋转一周则 会分别控制进、排气门各自开启一次，而当凸轮轴上的凸轮旋转脱离气门瞬间，气门就会失 去推动力然后自动由弹簧关闭严密在我们常见的四冲程（进气、压缩、做功、排气）发动 机中，进、排气门仅分别在进气和排气冲程时开启，而在每个进、排气循环过程中，控制进、图 3.1图 3.1内燃机配气机构排气门的两根凸轮轴分别旋转 1 圈，带动它们的曲轴则需要旋转 2 圈，即曲轴与凸轮轴的 传动比为 2:1图 3.2图 3.2内燃机配气机构工作示意图 上图所示的内燃机配气机构凸轮轴的布置位置是顶置式的，是内燃机凸轮轴主流的位 置布置方式 中置式和下置式在结构上距气门较远， 所以通常辅以气门推杆对气门进行控制， 目前这两种布置方式仅在一些大型发动机或摩托车上能看到。
凸轮轴顶置式配气机构， 最常 见的组合就是双顶置凸轮轴 16 气门（Double Overhead Camshaft 16Valve，DOHC 16V）结 构，其特点是凸轮轴和进、排气门采用顶置式，每气缸 4 气门，进、排气门分别由两根独立 的凸轮轴分别控制开闭 由于凸轮轴和曲轴各自处于发动机的顶端和低端， 而为了降低运转 噪音和维护成本，目前已有大多数轿车发动机都是采用这种配气机构，比如大众 POLO、铃 木利亚纳、福特福克斯以及标致 3071.3.2 凸轮机构的组成1.3.2 凸轮机构的组成凸轮机构一般是由凸轮、从动件和机架几个基本构件组成，其接触一般是线或点接触， 属于高副运动机构凸轮是曲面形态，可连接的几何形状可有多种，因此可以实现和完成比 较复杂的运动1.3.3 凸轮机构的分类与应用1.3.3 凸轮机构的分类与应用图 3.3图 3.3凸轮机构示意图从动件凸轮机架凸轮机构应用广泛，根据其自身形状、从动件形状和接触方式可以做如下划分： 1.根据凸轮形状进行分类 （1）盘型凸轮1.根据凸轮形状进行分类 （1）盘型凸轮 盘型凸轮呈现非规则盘状，在绕固定轴线转动时，具有不断变化的径向尺寸，可与从动 件配合实现设定动作。
盘型凸轮结构简单，应用最为广泛，如内燃机配气机构、胶印机递纸 装置、间歇式自运动机械等应用举例：如图 3.5a)所示，当盘型凸轮在转轴的带动下旋转时，因径向尺寸不断变化，平底从 动件在弹簧的顶力作用下 （或在沟槽中） 保持紧靠凸轮， 从而使方块连着的杆子做伸缩运动 图 3.5b)使用的内槽盘形凸轮，当凸轮旋转，滚子保持在沟槽内运动，带动链接的杆子做伸 缩运动 （2）圆柱凸轮（2）圆柱凸轮 圆柱凸轮是在圆柱轴上开具曲线凹槽， 当其绕固定轴线转动时， 连接件可按照圆柱上曲 线进行指定轨迹运行如图 3.6 所示，圆柱凸轮结构相对更加紧凑，外部尺寸不变化，从动 件的运动轨迹可以实现较大的变化图 3.4图 3.4盘行凸轮与凸轮轴图 3.5图 3.5盘行凸轮机构图 3.6图 3.6圆柱凸轮平底从动件滚子从动件a)b)应用举例：如图 3.7 所示，是工厂机械中常用的自动送料机构，当启动电机，圆柱凸轮 1 保持连续 转动， 带动嵌在槽中的滑块连着送料杆 2 沿着箭头方向往复推拉， 从而将右边料框中的零件 一个一个地推出去，实现自动送料 （3）移动凸轮（3）移动凸轮 移动凸轮的凸轮形状呈板状，做往复直线运动，可带动从动件实现移动、摆动、转动， 它可看做是盘型凸轮的一部分。
如图 3.8 所示，移动凸轮输入的是移动，输出的是伸缩或仿 形运动应用举例： 如图 3.9 所示，在仿形加工中，仿形的靠模和随动机构其实就是一套移动凸轮机构，刀 架的移动轨迹与样板（移动凸轮）形状完全一致，就可以加工出椭圆形零部件这种仿形， 在我们日常生活中配钥匙的机械也有典型应用图 3.7图 3.7使用圆柱凸轮的送料机构图图 3.8移动凸轮图 3.9图 3.9 移动凸轮的应用——机床靠模加工2.根据凸轮机构从动件的形状分类2.根据凸轮机构从动件的形状分类 （1）顶尖类从动件 从动件与凸轮接触的形式是点接触，结构简单，反应灵敏，受干涉可能性较小；但因是 点接触，顶尖很容易磨损，只适合低速、轻载场合，如简易仪表上 （2）滚子类从动件 滚子类从动件是在顶尖部安装一个棍子， 改顶尖的点接触为线接触， 接触方式也从滑动 摩擦改为滚动摩擦，比顶尖类从动件耐用，承载能力也加大了，因此应用最为广泛 （3）平底类从动件 平底类从动件与凸轮的接触方式为线面接触，接触区域易形成油膜，润滑好，且结构的 传动角恒定定于 90°，传动持续平稳，效率高，适用于高速场合但不能应用再有凹槽轮 廓的凸轮结构中，输出运动的规律受到一定的限制。
3.根据凸轮与从动件接触的方法分类3.根据凸轮与从动件接触的方法分类 （1）力锁合凸轮机构 力锁合凸轮机构凸轮与从动件保持接触的方法是通过重力、 弹簧力或其它外力使凸轮与 从动件在动力传输过程中时刻保持连接、不分离 （2）形锁合凸轮机构 形锁合是利用盘型凸轮或圆柱凸轮中的曲槽与从动件的滚子保持接触， 滚子的运动始终 在设定的曲槽中进行而无法脱离了解和熟悉凸轮机构的分类，可以详细参看图 3.10 凸轮机构的分类：1.3.4 凸轮机构输出的运动规律分析1.3.4 凸轮机构输出的运动规律分析 当盘型凸轮和圆柱凸轮转动、 移动凸轮移动时， 与其连接的从动件可以产生预定的运动图 3.10图 3.10凸轮机构的分类形态常用的从动件运动规律有等速运动规律，等加速-等减速运动规律、余弦加速度运动 规律以及正弦运动规律等 1.等速运动规律1.等速运动规律 从动件在推程或回程过程中， 保持匀速状态运动， 称之为等速运动规律 以推程为例 （参看下图 3.11 a），当凸轮以等角速度转动时，凸轮转过的推程角度0，从动件的升程为 h， 对应的推程时间为 t，其运动速度曲线为一平行线从速度曲线可知，从动件在推程开始和 终结的瞬时，速度由 0 突变为V0,,其加速度和惯性力在理论上为无穷大，致使凸轮机构产生 强烈的冲击、噪声和磨损，这种冲击为刚性冲击。
因此，等速运动规律只适用于低速、轻载 的场合回程也是一样，请参照图 b）进行分析2.等加速等减速运动规律等加速等减速运动规律 如图 3.12 所示，从动件在一个行程 h 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图 3.11图 3.11等速运动推程（a）回程（b）图 3.12图 3.12等加速度等减速度运动规律由上图 3.12 可知，这种运动规律的加速度在 A、B、C 三处存在有限的突变，因而会在 机构中产生有限的冲击，这种冲击称为柔性冲击与等速运动规律相比，其冲击程度大为减 小因此，等加速等减速运动规律适用于中速、中载的场合3.简谐运动规律（余弦加速度运动规律）3.简谐运动规律（余弦加速度运动规律） 当一质点在圆周上作匀速运动时， 它在该圆直径上投影的运动规律称为简谐运动 因其 加速度运动曲线为余弦曲线故也称余弦运动规律，其运动规律运动线图如图所示 由加速度线图可知， 此运动规律在行程的始末两点加速度存在有限突变， 故也存在柔性 冲击，只适用于中速场合但当从动件作无停歇的升—降—升连续往复运动时，则得到连续 的余弦曲线，柔性冲击被消除，这种情况下可用于高速场合。
4.摆线运动规律（正弦加速度运动规4.摆线运动规律（正弦加速度运动规 律）律） 当一圆沿纵轴作匀速纯滚动时，圆周 上某定点 A 的运动轨迹为一摆线，而定点 A 运动时在纵轴上投影的运动规律即为摆 线运动规律 因其加速度按正弦曲线变化， 故又称正弦加速度运动规律，其运动规律 运动线图如图 3.14 所示 从动件按正弦加 速度规律运动时，在全行程中无速度和加 速度的突变，因此不产生冲击，适用于高 速场合随着生产技术的进步， 工程中需要的从动件运动规律模式越来越多， 如复杂多项式运动 规律等，设计凸轮机构时，应根据机器的工作要求，适当选择，具体分析图 3.14图 3.14 摆线运动图 3.13图 3.13简谐运动1.4 实训任务1.4 实训任务 请同学们下了课去外面市场或路边寻找缝缝补补的小摊， 拍摄手摇补鞋机各个部件， 尤 其是盘型凸轮部分然后回课堂下一节课进行分组讨论分析其输入与输出的运动规律1.5 案例分析1.5 案例分析 下图是非规则表面常用的仿形加工机器——电动配钥匙机， 原版钥匙就类似一个扁平的 凸轮， 待配的钥匙被磨切削的轨迹与原版钥匙的齿形相对应 几个来回就能磨削成一样的形 状，请分析其工作特点。
1.6 知识拓展——凸轮机构的材料1.6 知识拓展——凸轮机构的材料 凸轮机构是一种高副运动机构，其点线接触的特点，使我们选择材料的着眼点从工 程实例看， 凸轮机构失效的主要形式是凸轮与从动件接触表面的疲劳点蚀和摩擦磨损 因此 凸轮副材料应具有足够的表面接触强度和良好的耐磨性； 同时考虑到运动过程中， 从动件加 速度存在有限突变，会产生柔性冲击，材料必须由较好的韧性，不能脆硬在工程设计中， 一般根据经济性获取材料，后辅以热处理的方式，来进行选材零件名材料热处理使用场合凸轮HT250,HT300, QT450-10,QT500-7退火低速、轻载、大 型低精度凸轮QT600-3,QT700-2,QT800 -2,QT900-2等温淬火 HRC45~50中速、中载、中 等精度的凸轮轴45,40Cr,45Mn2正火低速、轻载、精 度较低的一般凸轮图 3.15图 3.15手动补鞋机外形与机构图图 3.16图 3.16电动配钥匙机45,40Cr,45Mn2调质后，表面淬 火 HRC45~55中（高）速、中 载、中等精度的一般 凸轮15，20， 20Mn2,20Cr,20CrMnTi渗碳淬火，渗碳 厚度 0.8～ 1.2mm,HRC58~63中（高）速、轻 （重）载、高精度凸 轮GCr15表面淬火 HRC60～64T10,T10A表面淬火 HRC56~60一般精度仿形靠 模凸轮38CrMoAl,35CrAl氮化处理 HRC60~67高精度仿形靠模 凸轮滚子20Cr,18CrMnTi渗碳淬火 HRC58~63与钢制凸轮相配T8,T10,GCr15表面淬火 HRC56~64与铸铁或钢制凸 轮相配45,40Cr表面淬火 H。