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机械设计基础凸轮机构凸轮机构是机械设计中常见的一种机构，用于实现转动运动和直线运动的转换。
它由凸轮和连杆机构组成，具有简单、可靠、紧凑的优点。
本文将介绍机械设计基础凸轮机构的工作原理、应用领域以及设计要点。
一、凸轮机构的工作原理凸轮机构是通过凹凸轮运动对连杆机构施加力，使其发生直线运动。
凸轮的外轮廓形状决定了连杆机构的运动规律。
凸轮可以分为四种基本形状：圆形、椭圆形、心形和指字形。
不同形状的凸轮在工作过程中会给连杆机构带来不同的速度和加速度。
凸轮机构的工作过程可以分为四个阶段：进给段、暂停段、退出段和暂停段。
在进给段，凸轮逐渐使连杆机构向前运动，实现直线运动。
在暂停段，凸轮暂停与连杆机构接触，使连杆机构停止运动。
在退出段，凸轮逐渐使连杆机构向后运动，实现回程。
最后，在暂停段凸轮继续暂停与连杆机构接触，使连杆机构再次停止。
二、凸轮机构的应用领域凸轮机构广泛应用于机械设计中的各个领域。
以下是几个常见的应用领域：1. 发动机：凸轮机构用于气门控制，通过凸轮来控制气门的开闭，实现燃烧室内的气体进出，从而实现发动机的工作。
2. 压力机：凸轮机构用于控制压力机的上下运动，实现工件的压制或切割。
3. 包装机械：凸轮机构用于控制包装机械的送料、密封和分切等工作，实现自动化包装的功能。
4. 自动化流水线：凸轮机构用于控制流水线上的传送带、工作台等部件的运动，实现产品的加工和组装。
5. 机床：凸轮机构用于控制机床上的工作台、进给机构等部件的运动，实现加工工件的精确定位和运动控制。
三、凸轮机构的设计要点在设计凸轮机构时，需要注意以下几个要点：1. 凸轮的轮廓形状：根据实际需求选择合适的凸轮轮廓形状，确保连杆机构的运动规律符合设计要求。
2. 凸轮与连杆机构的配合方式：凸轮与连杆机构之间应具有良好的配合性能，避免偏差和间隙过大导致机构失效或运动不稳定。
3. 连杆机构的设计：根据实际应用需求设计连杆机构，包括长度、角度和材料等参数的选择，确保机构的工作性能满足要求。
凸轮机构的设计和应用I. 引言凸轮机构是现代机械的重要组成部分之一，是普遍用于各种机械传动机构中的一种机构。
凸轮机构在机械设计和制造中有着重要的作用，能够实现机械的运动和控制，使机械能够快速、准确地实现各种复杂任务。
本文将系统地介绍凸轮机构的设计和应用。
II. 凸轮机构的定义凸轮机构是一种通过凸轮的运动来控制其他机械部件运动的机械传动机构。
简单来说，凸轮机构包括凸轮，凸轮轴和随动件三个部分。
其中，凸轮是一个轴对称的螺旋条形曲线，轮廓形状通常为正弦曲线或梯形曲线等；凸轮轴是一个旋转轴，一般与凸轮相切且在一定角度范围内连续转动；随动件则是通过凸轮的运动随之做往复或旋转运动的机械部件。
III. 凸轮机构的分类凸轮机构按照凸轮的运动形式不同，可以分为以下几类：1. 往复式凸轮机构往复式凸轮机构是指凸轮轴的旋转运动转化为往复运动的机构。
其中，偏心轮就是一种往复式凸轮机构，它通常用于汽车发动机机械驱动系统中，用于调整汽车发动机气门的开闭时间。
2. 旋转式凸轮机构旋转式凸轮机构是指凸轮轴的旋转运动转化为旋转运动的机构。
常见的旋转式凸轮机构有摆线凸轮机构、正弦凸轮机构和梯形凸轮机构等。
摆线凸轮机构在打孔机、水泵等机械设备中得到了广泛的应用。
IV. 凸轮机构设计的基本要点凸轮机构的设计需要考虑多方面的因素，其中最主要的三个因素是凸轮轮廓线形状、凸轮轴的旋转速度和随动件的运动形式。
在设计凸轮轮廓线形状时，需要根据机械设备的实际工作要求来选取合适的轮廓线形状。
在选取凸轮轴的旋转速度时，需要根据随动件的运动规律以及实际工作要求来决定。
在选取随动件的运动形式时，需要根据机械设备的实际工作要求来确定。
V. 凸轮机构的应用凸轮机构广泛应用于各种机械设备中，包括自动化生产线、机床、车辆、飞机、船舶、农业机械等。
其中，飞机发动机中的凸轮机构是实现各种复杂功能的关键部件之一。
此外，凸轮机构还广泛应用于柴油机、汽油机、水泵、压缩机等。
凸轮机构及其设计知识点凸轮机构是一种常用于机械传动和控制系统中的重要装置，它通过凸轮的形状和运动将旋转运动转化为直线或近似直线的运动。
本文将介绍凸轮机构的基本原理、分类以及一些重要的设计知识点。
一、凸轮机构的基本原理凸轮机构利用凸轮的形状和运动来控制其他机械零件的运动，实现特定的功能。
其基本原理是通过凸轮的旋转或往复运动，驱动连杆等机械零件产生相应的运动。
凸轮机构的核心是凸轮轴，它负责凸轮的运动和传递动力。
二、凸轮机构的分类凸轮机构可以按照凸轮的形状、运动方式以及工作和运动周期的不同进行分类。
常见的分类方法有以下几种：1.按照凸轮的形状：- 圆形凸轮：凸轮轮廓为圆形，可将旋转运动转化为直线运动。
- 椭圆形凸轮：凸轮轮廓为椭圆形，可实现不同的工作周期。
- 特殊形状凸轮：凸轮轮廓根据实际需要来设计，如心形凸轮、叶形凸轮等。
2.按照凸轮的运动方式：- 旋转凸轮：凸轮沿着轴线的旋转运动。
- 往复凸轮：凸轮沿直线方向的往复运动。
3.按照工作和运动周期：- 连续工作凸轮机构：凸轮连续不断地运动，如发动机中的气门机构。
- 非连续工作凸轮机构：凸轮只在特定的时间段内运动，如变速器中的换挡机构。
三、凸轮机构设计的知识点凸轮机构的设计需要考虑到多个方面的因素，下面是一些设计中需要注意的知识点：1.选择适当的凸轮形状：根据所需的运动要求，选择合适的凸轮形状，如圆形、椭圆形或特殊形状。
2.确定凸轮的尺寸和运动参数：根据实际需求和运行环境，确定凸轮的尺寸和运动参数，如直径、偏心距离、转速等。
3.凸轮与连杆系统的设计：凸轮与连杆系统的设计需要考虑到运动学和动力学要求，确保凸轮的运动能够正确地传递给连杆系统。
4.选择适当的材料和制造工艺：凸轮机构需要承受较大的载荷和摩擦，选择适当的材料和制造工艺可以提高其使用寿命和运行效率。
5.考虑凸轮的润滑和冷却：凸轮与其他零件的接触面需要进行润滑和冷却，以减少摩擦和热量产生，提高凸轮的工作效率。
凸轮机构的设计方法知识点凸轮机构是一种常用于传动和控制机械运动的装置。
它通过凸轮的几何形状和运动特点来驱动其他零件的相对运动，实现特定的功能。
下面将介绍凸轮机构设计的一些重要知识点。
一、凸轮的基本构成凸轮由凸轮轴和凸轮轮廓组成。
凸轮轴一般是圆柱形的，并且要求与传动装置的轴线相交或平行。
凸轮轮廓则根据具体的应用要求进行设计，常见的有红圆弧、矩形和椭圆等形状。
凸轮的轮廓和几何参数对机构运动特性具有重要影响。
二、凸轮的运动特性凸轮的运动特性包括凸轮轮廓的曲线形状、凸轮轴的转动方式以及凸轮与其他零件之间的相对运动关系。
常见的凸轮运动方式有简谐运动和非简谐运动两种。
简谐运动是指凸轮的转动角度与时间之间存在确定关系，例如等速转动和正弦转动。
而非简谐运动则是指凸轮的转动角度与时间之间不满足确定关系，其运动规律更为复杂。
三、凸轮机构的设计方法1. 确定凸轮的运动要求：根据机械系统的功能要求，确定凸轮需要实现的运动特性，如线性运动、往复运动或任意轨迹运动等。
2. 选择凸轮的轮廓形状：根据运动要求，选择适合的轮廓形状。
例如，需要实现往复直线运动时可以选择矩形轮廓；需要实现往复曲线运动时可以选择红圆弧轮廓。
3. 计算凸轮的几何参数：确定凸轮的几何参数，如凸轮半径、凸轮轴偏心距、凸轮轴转动角度等。
这些参数会直接影响到凸轮的运动特性和机构的工作效果。
4. 验证凸轮机构的性能：利用计算机辅助设计软件或绘图工具，绘制凸轮机构的示意图，并进行运动仿真分析。
通过仿真分析，可以评估凸轮机构的工作性能，发现潜在问题并进行改进优化。
5. 制作凸轮并组装机构：根据设计结果，制作凸轮和其他相关零件，并按照装配顺序进行组装。
在组装过程中，要注意零件之间的配合精度和润滑要求，确保机构的正常运转。
四、凸轮机构的应用领域凸轮机构广泛应用于各个领域，例如机床、汽车、航空航天、纺织机械等。
在机床领域，凸轮机构常用于驱动切削工具进行加工作业；在汽车领域，凸轮机构用于控制气门的开启和闭合；在航空航天领域，凸轮机构常用于驱动复杂的舵面运动等。
凸轮机构的发展应用凸轮机构的应用自动机床进刀机构的应用（结构原理、实际机械）圆珠笔生产线、绕线机排线等速运动凸轮机构、圆柱凸轮送料机构圆柱凸轮间歇分度机构、蜗杆凸轮间歇分度机构转动-转动凸轮间歇机构（应用：PU-心軸型凸轮分度器）凸轮间歇分度器、圆柱凸轮电风扇摇头机构、实现点的轨迹（双凸轮组合机构）凸轮连杆组合：凸轮-连杆机构1、凸轮-连杆机构2、凸轮-连杆机构3工业应用（需剪部分视频拆分）、相位可调凸轮机构平底从动件顶杆式力封闭型配气凸轮机构、V型双缸发动机配气机构BMW S1000 RR 配气凸轮机构发动机配气机构的应用1. 摩托车发动机配气机构1）CB系列顶置式配气机构顶置式配气机构如图6所示，O1为曲轴回转中心，O2为凸轮回转中心，两者由链传动连接，其传动比为i12=0.5。
（a）配气凸轮机构 (b) 摇臂CB系列顶置式配气机构CB系列顶置式配气机构设计分析设计最终归结为气门位移的配气定时，如图7所示。
气门位移的配气定时排气提前角1α=55.284°，进气提前角2α=29.674°，排气迟闭角3α=45.716°，进气迟闭角4α=46.326°，而气门重叠角2α+3α=75.39°。
调整正时角β和桃尖角γ，可改配气定时，后面谈到的可变气门正时技术，即是按此方式进行。
对用于摩托车的高速发动机，为追求高转速时的大功率，应具有较大的气门重叠角。
观察下述仿真分析软件知：CG 配气定时仿真分析2） CG 系列下置式配气机构下置式配气机构如图8所示，O q 为曲轴回转中心，O ’为凸轮回转中心，两者由一对齿轮传动连接，其传动比为i =0.5。
凸轮驱动下摇臂，推动顶杆，由上摇臂实现对气门的打开与关闭。
图8 CG 系列下置式配气机构下置式配气机构对配气定时的要求与顶置式配气机构相同。
CG 系列顶置式配气机构设计分析 CG 配气定时仿真分析由配气定时仿真分析知：CG发动机配气机构的进气与排气摇臂均由同一凸轮驱动，这就产生了一个十分有趣的问题。
由凸轮机构的设计理论知，进气凸轮机构为逆向设计，而排气凸轮机构为正向设计。
在结构参数和运动规律均相同的条件下，理论上分别按逆向设计和正向设计所获得的两个凸轮的轮廓形状是不相同的，且相位位置也完全不同。
摆动从动件盘形凸轮机构设计（提供参数文件，边讲解边运行软件）分别按正向和逆向设计所得到的2个凸轮及相位位置如图10所示。
(a) 正向设计(b) 逆向设计而CG发动机又是同一凸轮驱动，我国所有CG发动机源于日本的本田CG125，日本人是怎么进行设计的？破解：【宋立权，潘玉蕊，唐彬. 摩托车CG系列发动机配气凸轮机构最优尺度综合研究与应用[J].机械工程学报.2007,43(7). p221-225】2. 汽车发动机四缸发动机配气及燃烧过程演示汽车发动机配气机构的发展如前所述，摩托车发动机为高速发动机，最高转速可达10000 rpm以上，最大功率一般在7500－8500 rpm，由于成本问题的限制，一般采用2气门（1进1排），且很少采用可变正时和可变升程技术。
汽车发动机的最高工作转速一般在6500 rpm左右，常用工作转速一般在2000－3000 rpm，为节约燃油消耗、降低排放并提高发动机的升功率，对配气机构采用了可变气门正时和可变气门升程技术。
可变气门正时技术发动机工作时的高转速，使四冲程发动机的一个工作行程仅需千分之几秒，短促的时间往往会引起发动机进气不足，排气不净，造成功率下降。
因此，需要利用气流的进气惯性，气门要早开晚关，以达到进气充分，排气干净的要求。
气门的配气正时是由凸轮的相位角决定的。
对于没有可变气门正时技术的普通发动机而言，进、排气们开闭时间都是固定的，这种固定不变的气门正时很难顾及到发动机在不同转速工况时的工作需要。
为了让发动机根据不同的负载情况能够自由调整“呼吸”，气门正时的可变性就发挥出了应有的作用，以达到提升发动机的动力和使燃烧更充分。
重叠角较大的发动机在高转速下能发挥大的功率，在低转时的扭矩输出方面表现欠佳；而重叠角小的发动机是在牺牲了动力性能的前提下具有运转的平顺性和高转矩。
因此，需要在设计时，充分考虑到凸轮形状和正时的设计，使发动机在不同转速下均具有优良的动力特性。
为了解决这个问题，要求“气门重叠角”的大小可以根据转速和负载的不同进行调节，使高、低转速下都可以获得理想的进气量从而提升发动机燃烧效率和减少减少NOx的排放，这就是可变气门正时技术开发的目的。
发动机可变气门正时技术的英文缩写是“VVT”（Variable Valve Timing），是“可变气门正时”的通称。
可变气门正时的原理是根据发动机的运行情况，调整进气、排气的量，控制气门开合的时间和角度，使进入的空气量达到最佳，从而提高燃烧效率。
CVVT－连续可变气门正时技术, 是一种通过电子液压控制系统控制打开进气门的时间早晚，从而控制所需的气门重叠角的技术。
这项技术根据发动机的工作状态，来延迟或提前进气门的打开时间，特点是能够稳定燃烧状态，提高发动机工作效率，降低污染排放，提高燃油经济性。
例如伊兰特采用CVVT发动机后减少了油耗8%以上。
双CVVT技术是发动机技术的进步，它分别控制发动机的进气系统和排气系统，其效果如同一个较小的涡轮增压器，能有效地提升发动机动力。
与单CVVT 相比，由于进气量的的加大，并使得汽油的燃烧更加完全，更省油，同时实现了低排放的目的。
如北京现代09款中高端轿车领翔发动机就采用该项技术，大大提高了整车的科技性。
图11为通过调整凸轮的相位角来达到改变配气定时的目的图11 调整凸轮的相位角VVT系统通过在凸轮轴的传动端加装一套液力机构，从而实现凸轮轴在一定范围内的角度调节，即于气门的开启和关闭时刻进行调整，其内部结构如图12所示。
图中，内转子与凸轮轴相连，内转子在外转子的推动下旋转，同时内转子在油压的作用下可实现一定范围内的角度提前和延后。
图12 角度调整的液力机构图13所示为采用可变气门正时系统的发动机。
图13 采用可变气门正时系统的发动机最先将气门正时技术应用的公司是意大利的阿尔法罗密欧。
作为第一个开发出了双凸轮轴量产发动机的厂商，用两根不同的凸轮轴来控制进气门和排气门的开闭时间，从而达到了比单凸轮轴更为有效的效果。
该装置由名叫Giampaolo Garcea的工程师发明，在进气凸轮轴的主动链轮里加上一个装置，并由螺旋键槽将其与凸轮相连接，来改变气门的正时效果，并在增大了气门重叠角后获得了更好的燃油经济性。
结构如图14所示。
图14 可变气门正时系统结构日产和本田公司分别在1987年和1989年，研发出了自己的双顶置凸轮轴系统，即NVCS(Nissan Valve Timing Control System－日产可变气门正时系统)和VTEC（Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System－可变气门正时及升程电子控制系统）系统。
1992年，宝马公司开发出Vanos系统，最先被应用在了进气凸轮轴上，并在1998年，推出了双Vanos系统。
丰田的VVT－i（i的英文为Intake，意为“进气”可变）技术的工作原理为：系统由ECU（引擎电子控制单元）协调控制，来自发动机各部位的传感器随时向ECU报告运转工况，在ECU中储存有气门最佳正时参数，ECU会随时控制凸轮轴，根据发动机转速调整气门的开启时间，以达到可变正时的目的。
可变气门升程技术VVT或CVVT技术通过合理的分配气门开启的时间可以有效提高发动机的效率和经济性，但是对发动机功率转矩等性能的提升作用不明显。
发动机的动力表现主要取决与单位时间内的进气量，气门正时所体现的是气门开启的时间，而气门升程则代表了气门开启的大小。
从原理上看，可变气门正时技术也是通过改变进气量来改善动力表现的，但是气门正时只能增加或者缩小气门开启时间，并不能有效改善汽缸内单位时间的进气量，因此对发动机动力性的帮助并不大，而可变气门升程技术并结合VVT（CVVT）技术则圆满地解决了这个问题。
可变气门升程技术可以在发动机不同转速下匹配合适的气门升程，使得低转速下转矩充沛，而高转速时动力强劲。
低转速时系统使用较小的气门升程，这样有利于增加缸内紊流以提高燃烧速度，增加发动机低速输出转矩，而高转速时较大的气门升程则可以显著提高进气量，从而提升高转速时的功率输出。
本田的i－VTEC技术是最早将可变气门升程技术成功应用的厂家。
本田工程师利用第三根摇臂和第三个凸轮即实现了看似复杂的气门升程变化，其工作原理如图15所示。
图15 本田K20Z3发动机的i-VTEC系统当发动机达到一定转速时，系统控制将两个进气摇臂和中间摇臂连接为一体，此时三个摇臂就会同时被高角度凸轮驱动，而气门升程也会随之加大，进气量增大，发动机动力增强。
这种突然的动力爆发能够增加驾驶乐趣，缺点是动力输出不够线性，具有一定的冲击。
奥迪、三菱和丰田等厂家也研发出可变气门升程技术，均是通过增加凸轮轴上的凸轮来实现了气门升程的分段可调。
连续可变气门升程技术日产和宝马推出了连续可变气门升程技术，实现了气门升程的无级可调。
英菲尼迪VVEL技术在驱动气门运动的摇臂增加了一组螺杆和螺套，螺套由一根连杆与控制杆相连，连杆和一个摇臂和控制杆相连带动气门顶端的凸轮。
螺套的横向移动可以带动控制杆转动，控制杆转动时上面的摇臂随之转动，而摇臂又与link B相连，摇臂转动时带动link B去顶气门挺杆上端的输出凸轮，最后输出凸轮就会顶起气门来改变气门升程。
日产通过这样一套连杆和螺杆的组合实现了气门升程的连续可调，如图16所示。
图16连杆和螺杆的组合的连续可变气门升程技术相比分段可调的i-VTEC技术，连续可变的气门升程不仅提供全转速区域内更强的动力，也使得动力的输出更加线性，这项技术最先就被装备在G37的VQ37VHR发动机上。
V ANOS是宝马开发的连续可变气门正时技术，宝马2.0升直列四缸发动机采用的是进气气门正时和排气气门正时同时可变的Double-V ANOS双可变气门系统。
Double-V ANOS系统能够在大部分转速区内持续地调节进气门正时和排气门正时，并且还能够在各种工况下控制高温废气再循环进入进气歧管的流量，利用调节再循环废气量在低速时提高燃油经济性，在高速时产生最大输出功率。
其连续可变气门正时技术与日产英菲尼迪VVEL技术类似。
BMW连续可变气门正时技术演示3. 结束语配备在大众GTI上的2.0 T-FSI发动机（T－涡轮增压，FSI－F uel S tratified I njection－燃油分层喷射），5100转时动力输出为147千瓦，升功率达到了73.5 kw/L。
