利用盘形凸轮观摩从动件运动规律

活动三　利用盘形凸轮观摩从动件运动规律

在机械行业中，常常利用凸轮的曲线与推杆接触得到预定的运动规律。汽车中常见的是凸轮机构，利用它来控制发动机的进气门、排气门的关闭，气门的打开和关闭不仅要求准时，还要求气门打开的时间要尽量短，保持打开的时间尽量长，关闭要快。我们通过盘形凸轮来看从动件的运动规律，了解凸轮机构是如何来控制气门的关闭。

1.仔细观察曲轴上的凸轮形状、大小是否一致。

2.观察凸轮的形状有何特点。

3.仔细观察凸轮旋转一周，分析从动件的运动规律。

一、盘形凸轮机构的组成

汽车中盘形凸轮机构由凸轮轴、气门等组成。如图8－3－1所示。

二、观察凸轮轴旋转一周气门移动的情况

1.所需器材

发动机拆装翻转架、发动机、百分表、扭力扳手、棘轮扳手、丁字扳手、磁性架。

2.观察步骤

将气缸体放在发动机拆装翻转架上，然后按以下步骤观察凸轮机构：

①将气缸体放在翻转架上，拆卸气缸盖。如图8－3－2所示。

图8－3－1　盘形凸轮机构的组成

图8－3－2　拆卸气缸盖

②取出压条和衬垫。如图8－3－3所示。

图8－3－3　取出压条和衬垫

③用扭力扳手旋转凸轮轴。如图8－3－4所示。

图8－3－4　旋转凸轮轴

图8－3－5　放好磁性架和调好百分表

图8－3－6　凸轮轴旋转一周时气门的上升和下降

⑥为了便于测量气门的移动距离，借助于百分表移动来近似测量移动距离，将百分表的指针靠近凸轮的轮廓表面，旋转凸轮轴，读出百分表的数据，并记录凸轮轴旋转不同角度时百分表的不同数据。

1.从本活动中正确认识主动件和从动件的概念，只能把凸轮作为主动件转动，才能带动从动件气门的移动。

2.观察气门是通过何种方式保持气门头部和凸轮接触的。

3.观察凸轮轴上所有凸轮转动一周，相对应的气门是如何完成进气和出气的。

④放好磁性架，调好百分表。如图8－3－5所示。

⑤观察旋转凸轮轴一周时，气门的上升和下降情况，如图8－3－6所示，分别示意凸轮不同位置改变气门的情况。

一、凸轮机构的组成和应用

凸轮机构是利用凸轮的曲线或凹槽轮廓与推杆接触而得到预定运动规律的一种机构。

凸轮机构由凸轮、从动件和机架3个部分组成，凸轮为主动件，作定轴等速转动，从动件随凸轮轮廓的变化得到不同运动规律，作往复运动或摆动。如图8－3－7所示。

其工作特点为：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，且机构简单紧凑；凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损，所以凸轮机构多用在传力不大的场合。

图8－3－7　凸轮机构的组成

二、凸轮机构的分类和应用

凸轮机构的类型很多，一般按凸轮形状和从动件的形式分类。

1.按凸轮形状分

按凸轮形状分，有盘形、圆柱、移动式等。如图8－3－8所示。

图8－3－8　按凸轮形状分类的凸轮机构类型

①盘形凸轮结构简单，使用于推杆行程较短的传动中，应用较广；

②移动凸轮的凸轮作往复直线运动，推杆在同一平面作往复运动；

③圆柱凸轮可用在推杆行程较长的场合。

2.按从动件形式分

按从动件形式分，有尖顶式、滚子式和平底式等。如图8－3－9所示。

图8－3－9　按从动件形式分类的凸轮机构类型

①尖顶式从动件构造简单，但易于磨损，只使用于作用不大、低速的场合；

②滚子式从动件由于滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，所以磨损小，常用于传递较大动力的场合，应用较广；

③平底式从动件由于凸轮对推杆的作用力始终垂直于推杆的底面，所以受力平稳，而且凸轮与平底接触间容易形成油膜，润滑较好，常用于高速传动。

三、凸轮机构从动件的运动规律

1.凸轮机构的有关参数

（1）凸轮的基圆

在如图8－3－10所示的凸轮机构中，以凸轮的转动中心O为圆心，以凸轮的最小半径r₀所作的圆称为基圆，r₀称为凸轮的基圆半径。

图8－3－10　凸轮机构的有关参数

（2）凸轮机构从动件的行程

当凸轮以等角速度ω逆时针转动时，从动件在凸轮廓线的推动下，将由最低位置被推到最高位置，从动件运动的最大升距称为行程，用h表示，凸轮转过的角度称为转角，用表示。

（3）凸轮机构的转角位移曲线

将凸轮转角与从动件位移s的关系用曲线来表示，此曲线称为从动件的位移曲线，从动件的位移s是随凸轮转角和时间t变化的。因此当凸轮以等角速度ω转动时，从动件的位移s、速度v和加速度a的变化规律，都是凸轮的轮廓决定的。

2.从动件常用的运动规律

（1）等速运动规律

当凸轮以等角速ω转动时，从动件在上升或下降时的运动速度为一常数，这种运动规律为等速运动规律。如图8－3－11所示。

图8－3－11　等速运动规律

图8－3－12　等加速等减速运动规律

这种运动在上升和下降时会产生刚性冲击，只用于低速轻载的凸轮机构中。

（2）等加速等减速运动规律

当凸轮以等角速ω转动时，从动件在整个行程中分为两段，前半行程作等加速运动，后半个行程作等减速运动，这种运动规律为等加速等减速运动。如图8－3－12所示。

这种运动在上升和下降时会产生柔性冲击，只用于中低速的凸轮机构中。

通过本活动，我们可以了解到凸轮机构的作用，感兴趣的同学可以进一步拆卸气门等结构，观察气门是如何完成与凸轮接触的，并完成装复。

一、填空题

1.机器和机构的各部分之间都具有　　的相对运动。

2.机器和机构统称为　　。

3.机构能　　或　　人的劳动，完成有用的　　或实现　　。

4.零件是机构的　　单元，构件是机器的　　单元。

5.在铰链四杆机构中，能绕机架上铰链作　　的　　杆叫做曲柄。

6.在铰链四杆机构中，只能来回　　的　　杆叫做摇杆。

7.铰链四杆机构有3种基本形式：　　机构、　　机构和　　机构。

8.当曲柄摇杆机构的　　为主动件，　　为从动件，并且摇杆与曲柄　　时，机构将处于“死点”位置。

9.凸轮机构主要由　　、　　和　　3个基本构件组成。

10.按凸轮的形状一般可分为　　凸轮、　　凸轮和　　凸轮。

二、名词解释

1.运动副

2.曲柄连杆机构

3.死点

4.凸轮的基圆

三、选择题

1.平面连杆机构的急回特性系数K（　　）。

A.＞1　　　　B.＜1　　　　C.＝1　　　　D.＝0

2.铰链四杆机构中，不与机架相连的构件称为（　　）。

A.曲柄　　　　B.连杆　　　C.连架杆　　　D.摇杆

3.曲柄摇杆机构（　　）。

A.不能用于连续工作的摆动装置　　B.连杆作整周回转，摇杆做往复摆动

C.只能将连续转动变成往复摆动　　D.可将往复摆动变成连续转动

4.下列机构中具有急回特性的是（　　）。

A.曲柄摇杆机构　　　B.双曲柄机构　　　C.双摇杆机构　　　D.对心曲柄滑块机构

5.曲柄摇杆机构中曲柄的长度（　　）。

A.最长　　　　　　　　B.最短

C.大于摇杆的长度　　　D.大于连杆的长

6.传动要求速度不高、承载能力较大的场合常应用的从动件形式为（　　）。

A.尖顶式　　B.滚子式　　C.平底式　　D.曲面式

四、简答题

1.高副和低副各有何特点？

2.铰链四杆机构的“死点”位置有何利弊？

3.怎样来区分铰链四杆机构的基本类型？

4.等速运动的凸轮机构从动杆位移曲线是什么形状的？其运动规律有何缺点？