凸轮机构：内燃机气门结构及运动规律分析

活动情境

观察内燃机配气机构。

任务要求

分析内燃机的气门结构及工作原理。

任务引领

通过观察与操作回答以下问题：

1.气门的开启是怎样实现的？气门由哪几个构件组成？

2.气门启闭的过程有什么要求？凸轮机构是如何实现这些要求的？

3.气门顶杆是如何运动的？气门顶杆与凸轮是以什么方式接触的？

4.凸轮是什么形状的？

5.在家中，你见过什么样的凸轮机构？请举例说明。

归纳总结

观察发现，内燃机气门的启闭是由一个圆盘形凸轮来控制的。其启闭过程刚好与内燃机的活塞运动相配合。它主要由凸轮、从动件和机架3个构件组成。凸轮机构能实现复杂的运动要求，广泛用于各种自动化机器和自动控制中。

2.2.1　凸轮机构的应用及特点

凸轮机构是由凸轮、从动件和机架3个基本构件所组成的一种高副机构。凸轮机构是将凸轮的转动（或移动）变换成从动件的移动或摆动，并在其运动转换中，实现从动件不同的运动规律，完成力的传递。

如图2.34所示为内燃机配气的凸轮机构。盘形凸轮等速回转时，由于其轮廓向径不同，迫使从动件（气门挺杆）上下移动，从而控制气门挺杆运动规律的要求。

与平面连杆机构相比，凸轮机构的特点是：结构简单、紧凑，工作可靠，容易设计，因而在自动和半自动机械中得到了广泛的应用。但是，由于从动件与凸轮间为高副接触，易磨损，因此，凸轮机构只宜用于传力不大的场合。

图2.34　内燃机配气的凸轮机构

2.2.2　凸轮机构的分类

凸轮机构的类型很多。常用的分类方法如下：

1）按凸轮形状不同分类

按凸轮形状不同，可分为盘形凸轮（见图2.34）、移动凸轮（见图2.35）和圆柱凸轮（见图2.36）。

2）按从动件的端部形状不同分类

按从动件的端部形状不同，可分为尖底从动件（见图2.37（a））、滚子从动件（见图2.37（b））和平底从动件（见图2.37（c））3种凸轮机构。尖底从动件与凸轮间是点接触条件下的滑动摩擦，阻力大、磨损快，多用于仪器仪表中受力不大的低速凸轮的控制机构中；滚子从动件与凸轮间是线接触条件下的滚动摩擦，阻力小，故在机械中应用广泛；平底从动件与凸轮接触处易形成油膜，有利于润滑，并且传力性能好，效率高，故常用于转速较高的凸轮机构中。

图2.35　移动凸轮

图2.36　圆柱凸轮

图2.37　从动件的端部形状

3）按从动件的运动方式不同分类

按从动件的运动方式不同，可分为直动从动件（见图2.37）和摆动从动件（见图2.36）两种凸轮机构。

4）按从动件与凸轮保持接触的方式不同分类

按从动件与凸轮保持接触的方式不同，可分为力锁合和形锁合两种凸轮机构。力锁合是靠重力、弹簧力或其他外力，使从动件与凸轮保持接触（见图2.34、图2.35），其结构简单，易制造，因而被广泛采用；形锁合是依靠凸轮上的沟槽等特殊结构形式，使从动件与凸轮保持接触（见图2.36），避免了使用弹簧产生的附加力，但结构与设计较复杂。

2.2.3　凸轮机构的工作过程

如图2.38所示为一对心式尖底直动从动件盘形凸轮机构。凸轮的轮廓曲线由非圆曲线？以及圆弧曲线和所组成。以凸轮轮廓曲线的最小向径rb为半径所作的圆称为凸轮的基圆，rb称为基圆半径。凸轮轮廓曲线与基圆相切于B，E两点。如图2.38所示，当从动件尖底与凸轮轮廓曲线在B点接触时，从动件处于最低位置。当凸轮以等角速度顺时针方向转动时，从动件首先与凸轮轮廓曲线的非圆曲线段接触，此时从动件将在凸轮轮廓曲线的作用下由最低位置B被推到最高位置A，从动件的这一行程称为推程，凸轮相应的转角Φ称为推程运动角。当凸轮继续运转时，从动件与凸轮轮廓曲线的圆弧段接触，故从动件处于最高位置而静止不动，从动件的这一行程称为远休止；凸轮相应的转角Φs称为远休止角。凸轮再继续转动，从动件与凸轮轮廓曲线的非圆曲线段接触，从动件又由最高位置A回到最低位置E，从动件的这一行程称为回程，凸轮相应转角Φ′称为回程运动角。而后，从动件与凸轮轮廓曲线的圆弧段接触时，从动件在最低位置静止不动，从动件的这一行程称为近休止；凸轮相应的转角称为近休止角。当凸轮连续转动时，从动件重复上述运动。从动件的推程和回程中移动的距离h称为从动件的行程。从动件在运动过程中，其位移s、速度v和加速度a随时间t的变化规律称为从动件的运动规律。由于凸轮一般以等角速度转动，因此，凸轮的转角Ф与时间t成正比，故从动件的运动规律也可用从动件的上述运动参数随凸轮转角的变化规律来表示。将这些运动规律在直角坐标系中表示出来，就得到从动件的位移线图、速度线图和加速度线图。如图2.38所示为从动件的位移s和凸轮转角φ之间关系的位移线图。

图2.38　对心式尖底直动从动件盘形凸轮机构的工作过程

2.2.4　从动件的常用运动规律

从动件的位移、速度和加速度随时间t（或凸轮转角φ）的变化规律，称为从动件的运动规律。常用的从动件运动规律如下：

1）等速运动规律

从动件的运动速度为定值的运动规律，称为等速运动规律（如金属切削机床进给凸轮的运动规律）。以推程为例，可画出s-φ（t）线图、v-φ（t）线图和a-φ（t）线图（见图2.39）。由图2.39可知，从动件按等速规律运动时，在0，A两个位置速度发生突变，加速度在理论上趋于无穷大，从动件产生的惯性力也将趋于无穷大，此时所引起的冲击，称为刚性冲击。该冲击力将引起机构振动、机件磨损或损坏，故等速度运动规律只能用于低速、轻载的控制机构中。为了降低冲击程度，实际应用时，可将位移曲线的始末两端用圆弧或抛物线过渡（但此时行程的始末不再为等速运动），以缓和冲击。

2）等加速等减速运动规律

从动件在推程的前半段为等加速，后半段为等减速的运动规律，称为等加速等减速运动规律。通常加速度和减速度的绝对值相等，前半段、后半段的位移s也相等。等加速等减速运动规律的s-φ（t）线图、v-φ（t）线图、a-φ（t）线图如图2.40所示。s-φ（t）线图由两段抛物线组成，如图2.40（a）所示为其简易画法。由图2.40可知，在O，A，B3处，加速度发生有限值的突变。此时，在机构中也会引起一定的冲击，这种冲击称为柔性冲击。与等速运动规律相比，等加速等减速运动规律的冲击次数虽然有所增加，但冲击的程度却大为减小，故多用于中速、中载的场合。

图2.39　等速运动

图2.40　等加速等减速运动

随着生产计划的进步，工程中所采用的从动件规律也越来越多，如余弦运动规律、正弦运动规律、复杂多项式运动规律等。设计凸轮机构时，要根据机器的工作要求，恰当地选择合适的运动规律。

2.2.5　盘形凸轮轮廓的设计

当从动件运动规律确定以后，凸轮轮廓曲线便可用解释法求解，也可用作图法绘制。对精度要求不很高的凸轮，一般采用作图法即可满足使用要求，而且较简便。本节仅研究如何用作图法绘制凸轮的轮廓曲线。

1）作图法的原理

为便于绘出凸轮轮廓曲线，应使工作时转动着的凸轮与不动的图纸间保持相对静止。根据相对运动原理，如果给整个凸轮机构加上一个与凸轮转动角速度ω数值相等、方向相反的“-ω”角速度，则凸轮处于相对静止状态，而从动件一方面按原定规律在机架导路中作往复移动，另一方面随同机架以“-ω”角速度绕O点转动，即凸轮机构中各构件仍保持原相对运动关系不变。由于从动件的尖底始终与凸轮轮廓相接触，因此，在从动件反转过程中，其尖底的运动轨迹，就是凸轮轮廓曲线（见图2.41）。这就是凸轮轮廓设计的反转法原理。

图2.41　反转法原理

根据反转法原理，设计时可将凸轮视作不动，分别作出从动件在反转运动过程中边反转边沿导路移动时尖底的轨迹。光滑连接这些点，即得要求的凸轮轮廓曲线。

2）凸轮轮廓曲线的设计

（1）对心式直动尖底从动件盘形凸轮轮廓的设计

已知凸轮的基圆半径rb、角速度ω和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。

设计步骤：

①选比例尺μl，根据从动件的运动规律，作出从动件的s-φ（t）线图，如图2.42所示。

图2.42　对心式直动尖底从动件盘形凸轮轮廓的设计

②用与s-φ（t）线图相同的长度比例尺，以rb为半径作基圆，此圆与从动件移动导路中心线的交点A，便是从动件尖底的初始位置。

③自OA开始，沿“-ω”方向，在基圆上取Φ，Φs，Φ′，Φ′s，并将其分成与s-φ（t）线图中相应的等分，得1，2，3，…各点，则O1，O2，O3，…，这一系列向径线的延长线，就是从动件在反转过程中的导路位置线。

④在从动件各个位置线上，自基圆向外分别量取11′=11′，22′=22′，33′=33′，…，由此得1′，2′，3′，…各点，这就是从动件反转过程中其尖底所处的一系列位置。

⑤将1′，2′，3′，…各点，用曲线板连成光滑的曲线，该曲线即为所求的盘形凸轮的轮廓曲线。

（2）对心式直动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计

已知凸轮的基圆半径rb、角速度ω、滚子半径rT和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。

设计步骤：

①将滚子中心看成尖底从动件的尖底，按照上述方法先绘制出尖底从动件的凸轮轮廓曲线（即滚子中心的轨迹），如图2.43所示，该曲线称为凸轮的理论轮廓曲线。

②以理论轮廓曲线上的各点为圆心，以滚子半径rT为半径作一系列的滚子圆。然后再作这些滚子圆的内包络线即为凸轮的实际工作曲线，该曲线称为凸轮的实际轮廓曲线。

应当指出，在绘制滚子从动件凸轮机构的凸轮轮廓曲线时，其滚子从动件的凸轮基圆半径是指其理论轮廓曲线的最小向径；理论轮廓曲线与实际轮廓曲线是两条法向等距曲线。

（3）对心式直动平底从动件盘形凸轮轮廓的设计

已知凸轮的基圆半径rb、角速度ω和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。

设计步骤：

①把平底与从动件轴线的交点看成尖底从动件的尖底，按照前述方法，求出尖底的一系列位置点1′，2′，3′，…。

②再过这些位置点1′，2′，3′，…画出其平底一系列位置线，这一系列平底位置线的包络线即为所求的凸轮实际轮廓曲线，如图2.44所示。

图2.43　滚子从动件盘形凸轮轮廓

图2.44　平底从动件盘形凸轮轮廓

2.2.6　凸轮机构的基本尺寸

1）滚子半径rT的选取

为保证滚子及心轴有足够的强度和寿命，应选取较大的滚子半径rT，然而滚子半径rT的增大受到理论轮廓曲线上最小曲率半径ρmin的制约，如图2.45所示。

图2.45　滚子半径的选择

①当理论轮廓内凹时，实际轮廓的曲率半径ρ′=ρmin+rT（见图2.45（a）），工作轮廓曲线总可画出。

②当理论轮廓外凸时，ρ′=ρmin-rT。若ρmin>rT，ρ′>0，工作轮廓线为一光滑曲线（见图2.45（b））；若ρmin=rT，ρ′=0，工作轮廓线变成尖点（见图2.45（c）），尖点易磨损，磨损后从动件将产生运动“失真”；若ρmin<rT，ρ′<0，实际轮廓线出现交叉（见图2.45（d）），在交叉点以外的部分，加工凸轮时将被切去，致使从动件不能实现预期的运动规律，出现严重的运动“失真”。

因此，应使滚子半径rT小于理论轮廓最小曲率半径ρmin，即rT<ρmin。通常取rT=0.8ρmin。

当轮廓最小曲率半径ρmin很小时，为使rT尺寸不致过小而影响滚子及其心轴的强度，一般可采用加大基圆半径rb重新设计以增大ρmin的办法加以补救；若机器的结构不允许增大凸轮尺寸时，可改用尖底从动件。

在设计凸轮机构时，滚子半径rT一般是按凸轮的基圆半径rb来确定，通常取

rT≤0.4rb

2）凸轮机构的压力角和基圆半径

（1）凸轮机构的压力角

如图2.46所示为偏置直动尖底从动件盘形凸轮机构。凸轮以等角速度ω逆时针转动，从动件沿导路上下移动。若凸轮与从动件在图示位置B点接触，这时凸轮对从动件的法向作用力F与从动件上受力点B的速度方向之间所夹的锐角α，称为凸轮机构的压力角。凸轮机构工作时，其压力角α的大小是变化的。

图2.46　凸轮机构的压力角

力F分解为两个分力：与从动件线速度v方向一致的分力F1和垂直的分力F2。F1是使从动件的有效分力；F2只是使从动件与导路之间的正压力增大，从而使摩擦力增大，因而是有害分力。当压力角α增大到某一值时，从动件将发生自锁（卡死）现象。

由上述分析可知，从改善受力情况、提高效率、避免自锁的观点看，压力角α越小越好。通常可用加大凸轮基圆半径rb的方法使α减小。

因此，设计凸轮机构时，根据经验，压力角不能过大，也不能过小，应有一定的许用值，用[α]表示，且应使α≤[α]。一般规定压力角的许用值如下：

直动从动件取[α]=30°。

摆动从动件取[α]=45°。

在回程时常不会自锁，故均取[α]=70°~80°。

（2）凸轮机构的基圆半径

一般可根据经验公式选择，即

rb≥0.9ds+(7-9)

式中　ds——凸轮轴的直径，mm。

依据选定的rb设计出凸轮轮廓后，应进行压力角的检验。若发现αmax>[α]，则应适当增大rb，重新进行设计。

自测题

一、填空题

1.凸轮机构中，按凸轮的形状分为________、________和________。

2.凸轮基圆半径________，压力角________，传力性能________。

3.在设计凸轮机构时，凸轮基圆半径取得越________，所设计的机构越紧凑，但机构的压力角变________，使机构的工作性能变坏。

二、选择题

1.凸轮机构的从动件选用等速运动规律时，其从动件的运动（　）。

A.将产生刚性冲击　B.将产生柔性冲击　C.没有冲击

2.设计凸轮轮廓时，若基圆半径取得越大，则机构压力角（　）。

A.变小　B.变大　C.不变

3.凸轮机构中，从动件在推程时按等速运动规律上升，（　）将发生刚性冲击。

A.推程开始点　B.推程结束点　C.推程开始点和结束点

4.设计凸轮时，若工作行程中的最大压力角αmax>[α]时，选择（　）可减小压力角。

A.减小基圆半径rbB.增大基圆半径rbC.加大滚子半径rT

三、判断题

1.凸轮轮廓确定后，其压力角的大小会因从动件端部形状的改变而改变。（　）

2.凸轮机构的压力角越大，机构的传力性能就越差。（　）

3.凸轮机构中，从动件按等加速等减速运动规律运动时会引起柔性冲击。（　）

4.滚子从动件盘形凸轮的基圆半径是指凸轮理论轮廓曲线上的最小回转半径。（　）

5.凸轮工作时，从动件的运动规律与凸轮的转向无关。（　）

6.凸轮机构出现自锁是因为驱动的转矩不够大造成的。（　）

7.同一凸轮与不同端部形式的从动件组合运动时，其从动件运动规律是一样的。（　）