任務(wù)二認(rèn)識(shí)凸輪機(jī)構(gòu)配氣機(jī)構(gòu)是汽車內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的重要機(jī)構(gòu)之一，如圖所示。它按照發(fā)動(dòng)機(jī)各氣缸的工作循環(huán)和點(diǎn)火順序，定時(shí)地將各氣缸進(jìn)氣門(mén)與排氣門(mén)打開(kāi)、關(guān)閉，以及時(shí)注入新鮮氣體并排出燃燒產(chǎn)生的廢氣。在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，氣門(mén)要迅速打開(kāi)，隨即迅速關(guān)閉，然后保持關(guān)閉不動(dòng)。顯然，該要求無(wú)法利用平面連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)代汽車中這一系列動(dòng)作通常是由凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)完成的。那凸輪機(jī)構(gòu)是如何工作的呢？讓我們一起來(lái)認(rèn)識(shí)凸輪機(jī)構(gòu)吧！

發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)任務(wù)描述任務(wù)目標(biāo)拆拆裝發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的進(jìn)氣凸輪軸，觀察凸輪軸的結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)凸輪機(jī)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)。掌握凸輪機(jī)構(gòu)的組成、特點(diǎn)及類型。熟悉凸輪機(jī)構(gòu)在汽車中的應(yīng)用。能正確拆裝發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的凸輪軸。一、凸輪機(jī)構(gòu)的組成和特點(diǎn)1．凸輪機(jī)構(gòu)的組成凸輪機(jī)構(gòu)是一種由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架等構(gòu)件組成的高副機(jī)構(gòu)，如圖所示。其中，凸輪一般具有曲線輪廓或凹槽，通常作連續(xù)等速轉(zhuǎn)動(dòng)；凸輪的輪廓與從動(dòng)件構(gòu)成高副接觸，能使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

凸輪機(jī)構(gòu)的組成2．凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)與平面連桿機(jī)構(gòu)相比，凸輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、運(yùn)動(dòng)可靠等優(yōu)點(diǎn)，只需確定適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞€，即可實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但從動(dòng)件與凸輪之間多為點(diǎn)接觸或線接觸，容易磨損，承載能力低，故凸輪機(jī)構(gòu)多用于傳力不大的各種機(jī)械、儀器及自動(dòng)控制裝置中。二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類1．按凸輪的形狀分類常用凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪按形狀可分為盤(pán)形凸輪、移動(dòng)凸輪和圓柱凸輪三類，它們的特點(diǎn)及應(yīng)用如表6-2-1所示。

表6-2-1常用凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪形狀、特點(diǎn)及應(yīng)用2．按從動(dòng)件的形狀和運(yùn)動(dòng)形式分類常用凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件按形狀可分為尖頂從動(dòng)件、滾子從動(dòng)件和平底從動(dòng)件；按運(yùn)動(dòng)形式又可分為移動(dòng)式從動(dòng)件和擺動(dòng)式從動(dòng)件。它們的特點(diǎn)及應(yīng)用如表6-2-2所示。

表6-2-2常用凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件形狀、特點(diǎn)及應(yīng)用三、凸輪機(jī)構(gòu)在汽車中的應(yīng)用——配氣機(jī)構(gòu)1．配氣機(jī)構(gòu)的組成配氣機(jī)構(gòu)主要分為氣門(mén)式配氣機(jī)構(gòu)和氣口式配氣機(jī)構(gòu)，目前，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用的是氣門(mén)式配氣機(jī)構(gòu)，它由氣門(mén)組件和氣門(mén)傳動(dòng)組件兩大部分組成。其中，氣門(mén)組件包括氣門(mén)及其相關(guān)零件，其組成與配氣機(jī)構(gòu)的形式基本無(wú)關(guān)。氣門(mén)傳動(dòng)組件包括從曲軸正時(shí)鏈輪或帶輪開(kāi)始至推動(dòng)氣門(mén)動(dòng)作的所有零件，其組成與配氣機(jī)構(gòu)的形式有關(guān)。2．配氣機(jī)構(gòu)的形式配氣機(jī)構(gòu)的形式有很多種，按氣門(mén)的布置方式不同可分為氣門(mén)頂置式和氣門(mén)側(cè)置式兩種。氣門(mén)頂置式配氣機(jī)構(gòu)由于進(jìn)氣阻力小、進(jìn)氣效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，故在現(xiàn)代汽車中得到廣泛應(yīng)用，如圖所示。該配氣機(jī)構(gòu)在每個(gè)氣缸頂部分別配有一對(duì)進(jìn)氣門(mén)和一對(duì)排氣門(mén)，進(jìn)、排氣門(mén)均為頭部朝下，倒掛著安裝在氣缸蓋上。按凸輪軸位置不同，氣門(mén)頂置式配氣機(jī)構(gòu)又可分為凸輪軸下置式、凸輪軸中置式和凸輪軸上置式三種。其中，上置式凸輪軸直接布置在氣缸蓋上，直接利用凸輪或通過(guò)搖臂來(lái)驅(qū)動(dòng)氣門(mén)。如圖所示的配氣機(jī)構(gòu)采用了兩根上置式凸輪軸，分別用于驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)。按曲軸和凸輪軸之間傳動(dòng)方式的不同，氣門(mén)頂置式配氣機(jī)構(gòu)可分為齒輪傳動(dòng)式、鏈條傳動(dòng)式和齒形帶傳動(dòng)式三種。如圖所示的配氣機(jī)構(gòu)采用的是齒形帶傳動(dòng)。1—曲軸正時(shí)帶輪；2—中間軸正時(shí)帶輪；3—正時(shí)同步帶；4—張緊輪；5—凸輪軸正時(shí)帶輪；6—進(jìn)氣凸輪軸；7—凸輪；8—液壓挺柱；9—進(jìn)氣門(mén)組件；10—排氣凸輪軸；11—排氣門(mén)組件3．配氣機(jī)構(gòu)的工作原理各種配氣機(jī)構(gòu)的工作原理大致相同，下面以圖所示的氣門(mén)頂置式配氣機(jī)構(gòu)為例說(shuō)明其工作原理。該配氣機(jī)構(gòu)中凸輪軸通過(guò)正時(shí)同步帶由曲軸驅(qū)動(dòng)，凸輪通過(guò)液壓挺柱控制氣門(mén)的動(dòng)作。①當(dāng)凸輪軸上凸輪的基圓部分與液壓挺柱接觸時(shí)，液壓挺柱保持不動(dòng)，氣門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，如圖（a）所示。②凸輪軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)凸輪的凸起部分與液壓挺柱接觸時(shí)，迫使氣門(mén)向下移動(dòng)，克服彈簧力使氣門(mén)打開(kāi)，如圖（b）所示。③凸輪軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)凸輪凸起部分轉(zhuǎn)離液壓挺柱時(shí)，氣門(mén)在彈簧力的作用下向上移動(dòng)，氣門(mén)逐漸關(guān)閉，如圖（c）所示。

配氣機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程一、凸輪機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)及運(yùn)動(dòng)過(guò)程凸輪機(jī)構(gòu)中，以凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心為圓心，以凸輪最小向徑為半徑所作的圓稱為基圓，其半徑用rb表示，如圖（a）所示。從動(dòng)件在圖示位置A時(shí)，離凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心O的距離最近，稱為起始位置。從動(dòng)件的最近位置A到最遠(yuǎn)位置B'之間的距離稱為升程，用h表示。從起始位置開(kāi)始，以凸輪的轉(zhuǎn)角d為橫坐標(biāo)，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)距離h為縱坐標(biāo)，繪制出從動(dòng)件的位移曲線，如圖（b）所示。

（a）尖頂移動(dòng)盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)（b）從動(dòng)件位移曲線凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程凸輪按逆時(shí)針?lè)较蛞缘冉撬俣葁轉(zhuǎn)過(guò)角度d0，將從動(dòng)件尖頂由起始位置A推動(dòng)到最遠(yuǎn)位置B'，該過(guò)程稱為推程。對(duì)應(yīng)的角度d0稱為推程運(yùn)動(dòng)角。凸輪繼續(xù)過(guò)角度ds時(shí)，從動(dòng)件與凸輪的BC段圓弧連續(xù)接觸，停留在最高點(diǎn)B'不動(dòng)，該過(guò)程稱為遠(yuǎn)停程。對(duì)應(yīng)的角度ds稱為遠(yuǎn)休止角。推程遠(yuǎn)停程凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)角度d0'時(shí)，從動(dòng)件在重力或彈簧力的作用下，從最高點(diǎn)B'返回起始位置A，該過(guò)程稱為回程。對(duì)應(yīng)的角度d0'稱為回程運(yùn)動(dòng)角。回程凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)角度ds'時(shí)，從動(dòng)件與凸輪DA段圓弧連續(xù)接觸，一直停在起始位置A不動(dòng)，該過(guò)程稱為近停程。凸輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度ds'稱為近休止角。近停程凸輪不斷旋轉(zhuǎn)，從動(dòng)件將重復(fù)升、停、降、停的運(yùn)動(dòng)循環(huán)。為形象直觀地表示從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，以從動(dòng)件的位移s、速度v、加速度a等運(yùn)動(dòng)參數(shù)作為縱坐標(biāo)，以凸輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度d作為橫坐標(biāo)，即可繪制出凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)線圖。運(yùn)動(dòng)線圖直觀地反映了從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線的重要依據(jù)。二、凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是指在凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，從動(dòng)件的位移s、速度v、加速度a等變量隨時(shí)間t變化的規(guī)律。由于凸輪多以等角速度w轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)角d與時(shí)間t成正比，故從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律常表示為各變量隨凸輪轉(zhuǎn)角d變化的規(guī)律。從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于凸輪的輪廓曲線形狀，故在設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)工作要求確定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有以下幾種。1．等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律等速運(yùn)動(dòng)是指凸輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件在推程或回程的運(yùn)動(dòng)速度保持不變。等速運(yùn)動(dòng)線圖如圖所示。其中，位移線圖（s-d）為斜直線，速度線圖（v-d）為水平直線，加速度線圖（a-d）為零。

（a）位移線圖（b）速度線圖（c）加速度線圖

由如圖所示的等速運(yùn)動(dòng)線圖可知，在推程的開(kāi)始點(diǎn)和回程的結(jié)束點(diǎn)，從動(dòng)件的速度v發(fā)生突變，加速度a為無(wú)窮大，由此產(chǎn)生的慣性力在理論上趨于無(wú)窮大，凸輪機(jī)構(gòu)將承受剛性沖擊，可能導(dǎo)致構(gòu)件破壞。因此，從動(dòng)件符合等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的凸輪機(jī)構(gòu)僅適用于低速、輕載的場(chǎng)合。

（a）位移線圖（b）速度線圖（c）加速度線圖

2．等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律等加速運(yùn)動(dòng)等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律是指從動(dòng)件在推程的前半段作等加速運(yùn)動(dòng)，后半程作等減速度運(yùn)動(dòng)，且兩階段加速度的絕對(duì)值相等。從動(dòng)件的等加速等減速運(yùn)動(dòng)線圖如圖所示。由圖可知，符合等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)A、中點(diǎn)B、終點(diǎn)C三處的速度發(fā)生有限突變，即加速度為有限值，凸輪機(jī)構(gòu)將受到柔性沖擊。從動(dòng)件符合等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的凸輪機(jī)構(gòu)適用于中低速場(chǎng)合。

（a）位移線圖（b）速度線圖（c）加速度線圖

三、凸輪和從動(dòng)件的材料凸輪機(jī)構(gòu)屬于高副機(jī)構(gòu)，凸輪與從動(dòng)件之間的接觸應(yīng)w力大，容易出現(xiàn)磨損和點(diǎn)蝕，而且多數(shù)凸輪機(jī)構(gòu)在工作時(shí)還會(huì)承受一定的沖擊，這就要求凸輪和從動(dòng)件的工作表面具有高硬度、高耐磨性及高接觸強(qiáng)度，同時(shí)心部具有良好的韌性。對(duì)于低速、輕載的場(chǎng)合，凸輪可選用HT200，QT600-3等鑄鐵材料；從動(dòng)件需承受彎曲應(yīng)力，可選用40鋼或45鋼并進(jìn)行表面淬火，使表面硬度達(dá)到40～50HRC。對(duì)于中速、中載的場(chǎng)合，凸輪可選用45鋼并進(jìn)行表面淬火，或選用15鋼、20Cr等并進(jìn)行滲碳淬火，使表面硬度達(dá)到56～62HRC；從動(dòng)件可選用20Cr并進(jìn)行滲碳淬火，使