Inventor 凸轮设计案例

附录Ａ：凸轮设计A凸轮设计A.1.基本凸轮设计基本凸轮的设计通常是基于前期已做过的确定的配气机构结构。

此时，可以确定凸轮轴和阀门的位置。

另外，如果直接驱动顶杆及带阻力的气门则必须使用摇臂。

通常当从动件以一个带有凸起的摇臂模型为基础时即可确定合理的摇臂支撑位置。

对于全新的凸轮型线设计，需要预知气门升程，可用BOOST计算获得气门配气正时要求，并将作为Tycon进行凸轮型线设计需满足的目标之一。

A.1.1 模型概述Tycon作为凸轮设计及凸轮型线修正的工具，在初始设计阶段可利用基本凸轮设计模块确定凸轮的初始轮廓。

在本例中，主要是生成顶置凸轮轴的凸轮轮廓，配气机构中凸轮直接驱动平头气门顶杆。

凸轮原理图如下图所示：在设计凸轮型线之前，必需建立当量系统，以便定义重要的几何尺寸以及从动件的初始值，主要包括：●阀系的刚度●阀系各零部件的质量●气门弹簧的特性建立凸轮型线设计用的Cam Design运动学模型时，应考虑.模型还可以用于动力学计算。

A.1.2 开始1．双击AVL Workspace图标启动AVL Workspace；2．选择Programs|Tycon.创建一个新的Tycon项目；3、按如下步骤操作：⏹创建一个Cam Contour元素（Motion/Excitation中选择）；⏹创建Spring/Damper/Mass元素用以表示凸轮和气门之间包括气门的所有机械部件（从Mechanical Elements中创建）；⏹创建一个Valve Face（阀面元素）（从Mechanical Elements中创建）；⏹创建一个Spring Model (automatically generated)元素（从Mechanical Elements中创建）。

各元素按下图所示排列及连接。

连接操作方式：点击连线图标，然后连接点将会高亮显示，将光标移动到输出接口，然后画一直线到输入接口。

内燃机课程设计凸轮说明书题目90kW四行程四缸汽油机凸轮型线设计学院机电工程学院专业热能与动力工程专业班级热动1002学号姓名指导老师刘军日期2013-6-2590kW四行程四缸汽油机凸轮型线设计前言四冲程汽车发动机都采用气门式配气机构，其功用是按照发动机的工作顺序和工作循环要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，使新气进入气缸，废气从气缸排出。

其中，凸轮机构作为机械中一种常用机构，在自动学和半自动学当中应用十分广泛，凸轮外形设计在配气机构设计中极为重要，这是由于气门开关的快慢、开度的大小、开启时间的长短都取决于配气机构的形状。

因此，配气凸轮的外形设计和配气凸轮型线设计就决定了时间的大小、配气机构各零件的运动规律及其承载情况。

任务书首先对凸轮进行设计，然后利用最大速度和最大加速度位置基于高次方程凸轮运动规律进行凸轮型线的优化设计，建立数学模型，并设计图论过渡段和绘制图轮廓图。

凸轮的设计1.给定的参数及要求（1）凸轮设计转速nc=4636r/min；（2）进气门开启角233°（曲轴转角），凸轮工作段包角116.5°；（3）排气门开启角220°（曲轴转角），凸轮工作段包角110°；（4）气门重叠角15°（曲轴转角），凸轮转角7.5°；（5）凸轮基圆直径 28mm；（6）进气门最大气门升程hvmax =8.2，排气门最大气门升程hvmax=8。

2.凸轮型线类型的选择配气机构是发动机的一个重要系统，其设计好坏对发动机的性能、可靠性和寿命有极大的影响。

其中凸轮型线设计是配气机构设计中最为关键的部分，在确定了系统参数后，重要的问题是根据发动机的性能和用途，正确选择凸轮型线类型及凸轮参数。

凸轮型线有多种，如复合正弦，复合摆线，低次方，高次方，多项动力，谐波凸轮等。

其中，高次方、多项动力、谐波凸轮等具有连续的高阶倒数的凸轮型线，具有良好的动力性能，能满足较高转速发动机配气机构工作平稳性的要求。

3.造型过程以下就一个盘形凸轮的造型过程详细说明此种凸轮的设计思路。

零件如图1所示。

图1 盘形凸轮零件图步骤1：基础特征造型使用拉伸命令作一圆柱形基础特征，草图和拉伸后的特征如图2所示。

图2 草图及拉伸特征步骤2：创建方程曲线在“基准” 工具栏中单击“插入基准曲线”按钮，在弹出的菜单管理器中选则“从方程”选项，单击“完成”，如图3中所示。

弹出“曲线”对话框和次级菜单。

根据系统提示选择系统默认坐标系PRT_CSYS_DEF。

在下一级菜单中选择“笛卡尔”坐标系(如图5、6所示)，随后弹出记事本中定义曲线方程，该方程就是从动件的位移曲线方程，根据设计的不同，可编写不同的曲线方程。

图3 曲线菜单 1图4 “曲线”对话框图5 曲线菜单2图6 曲线菜单 3 在记事本输入图5所示的方程，保存并退出记事本。

图7 曲线方程图8 生成的曲线(图中红色部分)选择菜单“文件/保存副本”，保存格式为IGES，给定输出名称“cuve1”，在随后弹出的“输出IGES”对话框中选则“基准曲线和点”复选框，单击确定，完成IGES文件输出。

图9 “输出IGES”对话框步骤3：创建图形特征选择菜单“插入/模型基准/图形”选项，根据系统提示在消息输入图形名称cuve2，确定后进入草绘模式。

在草绘模式中，在绘图区绘制一个坐标系，同时绘制两条通过此坐标系的中心线。

选择菜单“草绘/数据来自文件”选项，选择刚才输出的“cuve1.igs”文件，打开后，在“缩放旋转”对话框输入比例和角度，拖动曲线至适当位置，单击确定按钮推出。

在草绘模式中对曲线进行编辑增加，最终结果如图10中所示。

图10 最终曲线步骤4：创建变剖面扫描特征选择菜单“插入/可变剖面扫描”命令，单击草绘按钮，进入草绘模式绘制如图11所示的剖面。

图11 剖面选择菜单“工具/关系”选项，将需要驱动的尺寸附加到上步所建图形上，实现在扫描过程中尺寸的实时驱动。

具体方法就是在弹出的“关系”对话框中输入图12中所示的关系式，单击确定按钮退出草绘模式。

兰州工业学院教案开课单位：机电工程学院授课时间：2013-2014第一学期第 1 次课授课学时 2 教案完成时间：2013.7第4章凸轮机构4.1 凸轮机构的应用和分类4.1.1 应用举例凸轮机构是机械中一种常用的高副机构，在自动机床、轻工机械、纺织机械、印刷机械、食品机械、包装机械和机电一体化产品中都得到了广泛应用。

凸轮机构有如下基本特性：当凸轮转动时，借助于本身的曲线轮廓或凹槽迫使从动杆作一定规律的运动，即从动杆的运动规律取决于凸轮轮廓曲线或凹槽曲线的形状。

凸轮机构的最大优点：只需设计出适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，且结构简单、紧凑、设计方便。

凸轮机构的主要缺点：凸轮与从动件间为点或线接触，易磨损，只可用于传力不大的场合；凸轮轮廓精度要求较高，需用数控机床进行加工；从动件的行程不能过大，否则会使凸轮变得笨重。

4.1.2 凸轮机构的分类凸轮机构的结构类型很多，通常按以下方法进行分类:1．按凸轮形状（1）盘形凸轮这种凸轮是一个绕固定轴线转动并具有变化半径的盘形构件，这是凸轮的最基本形式。

（2）移动凸轮当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，则凸轮相对机架作直线移动，这种凸轮称为移动凸轮。

当移动凸轮作往复直线运动时，可推动从动件在同一平面内作上下的往复运动。

有时，也可将凸轮固定，而使从动件相对于凸轮移动（如仿形车削）。

（3）圆柱凸轮将移动凸轮卷成圆柱体即为圆柱凸轮。

该凸轮为一具有凹槽或曲形端面的圆柱体。

当其转动时，可使从动件在与圆柱凸轮轴线平行的平面内运动。

盘形凸轮和移动凸轮与从动件之间的相对运动为平面运动，而圆柱凸轮与从动件之间的相对运动为空间运动，所以前两者属于平面凸轮机构，后者属于空间凸轮机构。

2．按从动件端部形状（1）尖顶从动件尖顶能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意运动。

但因尖顶易于磨损，故只宜用于传力不大的低速凸轮机构。

（2）滚子从动件这种从动件耐磨损，可承受较大的载荷，故应用最普遍。

弧面分度凸轮三维建模已知设计条件：凸轮转速n=300r/min，连续旋转，从动转盘有8 工位，中心距C=180mm，载荷中等。

选择改进正弦运动规律为所设计弧面分度凸轮机构的运动规律。

参数如下：项目实例计算凸轮角速度ω1=πX 300=101T／s凸轮分度期转角β1=120°=2/3π凸轮停歇期转角θd=360°-120°=4/3π凸轮角位移θ凸轮和转盘的分度期时间∥s 0=(2"rr／3)／10-rr=1／15s凸轮和转盘停歇时间幻／s td=(2ar／10"rr)一1／15=2／15s凸轮分度廓线旋向及旋向系数P 选取左旋L，P=+1凸轮分度廓线头数日选取H=1转盘分度数，按设计要求的工位数，选定，=8转盘滚子数Z=1×8=8转盘分度期运动规律抛物线一直线一抛物线转盘分度期转位角盼／(。

) 妒，=360。

／8=45。

中心距C=180mm凸轮转速n=300r/min旋向系数P=+1分度数I=8凸轮头数H=1转盘滚子数Z=1*8=8凸轮宽度B=90分度期转角θf = 120°停歇期转角θd = 240°凸轮节圆半径rp1=96mm滚子宽度b=30mm滚子半径Rr=22mm凸轮顶弧半径rc=75.29mm我们将分别作出与滚子左面接触的一系列凸轮轮廓曲线，分度期1L、2R、2L、3R ，停歇期与滚子左右接触的轮廓曲线，然后将这些线生成曲面，最后生成实体。

1 凸轮定位环面内圆直径Di为直径的基础圆柱体打开Pro／ENGINEER，进入Pro／ENGINEER三维造型窗口，在“基础特征”工具栏上单击“拉伸”命令，选择“FRONT”面为草绘平面，绘制φ154.69的圆，并双向拉伸90mm.2 建立1L 轮廓曲线1）建立推程段轮廓面曲线①. 新建.prt 文件打开Pro/E Wildfire 三维绘图软件,新建->零件->实体，建立文件。

[设计]UG凸轮画法第1章端面凸轮构建实例说明本章主要介绍端面凸轮零件的构建。

其构建思路为,首先构建一圆柱体,然后创建与/圆柱面相切的基准平面,以基准平面作为草绘平面,绘制凸轮基圆展开曲线,然后用缠绕展开曲线功能将基圆展开曲线缠绕在圆柱面上,最后用拉伸偏置、裁剪、孔特征等功能构1.1 建凸轮主体和联接安装孔,如图所示。

图 1.1学习目标通过该实例的练习,使读者能熟练掌握草图的绘制,表达式的创建和圆柱体、孔的创建方法,并可以全面掌握综合运用拉伸、裁剪、缠绕等各种三维建模的基本方法和技巧。

1.1 建立新文件选择菜单中的【文件】/【新建】命令或选择(New建立新文件)图标，出现【新部件文件】对话框，在【文件名(N)】栏中输入zt，选择【单位】栏中的【毫米】，以毫米为单位，单击按钮确定。

建立文件名为zt.prt，单位为毫米的文件。

1.2 建立主模型1.2.1 创建凸轮圆柱体1. 创建表达式选择菜单中的【工具】/【表达式】命令，出现【表达式】对话框，如图1.2所示，在名称、公式栏依次输入D、170，注意在上面单位下拉框选择选项，当完成输入后，选择(接受编辑)图标，如图1.2所示。

图 1.2完成D值输入后单击按钮，结束创建表达式。

2. 绘制圆柱选择菜单中的【插入】/【设计特征】/【圆柱体】命令或在【成型特征】工具栏选择(圆柱)图标，出现【圆柱】对话框，如图1.3所示。

单击按钮，出现【矢量构成】对话框，如图1.4所示，在【矢量构成】对话框中选择图标。

系统出现【圆柱】对话框，要求输入参数，如图1.5所示，在【直径】、【高度】栏分别输入D、50，单击按钮。

mmmm图 1.3 图 1.4 图 1.5出现【点构造器】对话框，如图1.6所示，在此对话框中单击按钮，然后单击按钮，这样就完成绘制圆柱，如图1.7所示。

图 1.6 图 1.73. 创建基准平面选择菜单中的【插入】/【基准/点】/【基准平面】命令或在【成型特征】工具栏中选择(基准平面)图标，出现基准平面工具条，如图1.8所示，在图形中选择圆柱面，然后在基准平面工具条选择(确定)图标，建立基准平面如图1.9所示。

中国地质大学（武汉）1.凸轮要求=10mm，凸轮以等角设计一对心直动滚子推杆盘形凸轮机构，滚子半径rr速度逆时针回转。

凸轮转角=0~120 时，推杆等速上升20mm；=120~180 时，推杆远休止；=180~270时，推杆等加速等减速下降20mm；=270~360时，推杆近休止。

要求推程的最大压力角<=30，试选取合适的基圆半径，并绘制凸轮的廓线。

问此凸轮是否有缺陷，应如何补救。

2．列出凸轮运动方程0<<2/32/3<<2/3<<3. 由方程写MATLAB源程序%1.已知参数clear;r0=50; %基圆半径rr=10; %滚子半径h=20; %行程delta01=120;%推程运动角delta02=60; % 远休角delta03=90;%回程运动角hd=pi/180;du=180/pi;n1=delta01+delta02;n2=delta01+delta02+delta03;%2凸轮曲线设计n=360;for i=1:360%计算推杆运动规律if i<=delta01s(i)=30/pi*(i*hd);ds(i)=30/pi;ds=ds(i);elseif i>delta01 && i<=n1;s(i)=h;ds(i)=0;ds=ds(i);elseif i>n1 && i<=(n1+delta03/2)s(i)=-140+320/pi*(i*hd)-160/pi^2*(i*hd)^2; ds(i)=320/pi-320/pi^2*(i*hd);ds=ds(i);elseif i>(n1+delta03/2) && i<=n2s(i)=360-480/pi*(i*hd)+160/pi^2*(i*hd)^2;ds(i)=-480/pi+320/pi^2*(i*hd);ds=ds(i);elseif i>n2 && i<=ns(i)=0;ds=0;end%计算凸轮轨迹曲线xx(i)=(r0+s(i))*sin(i*hd);%计算理论轮廓曲线yy(i)=(r0+s(i))*cos(i*hd);dx(i)=ds*sin(i*hd)+(r0+s(i))*cos(i*hd);%计算导数 dy(i)=ds*cos(i*hd)-(r0+s(i))*sin(i*hd);xp(i)=xx(i)+rr*dy(i)/sqrt(dx(i)^2+dy(i)^2);yp(i)=yy(i)-rr*dx(i)/sqrt(dx(i)^2+dy(i)^2);end%3.输出凸轮轮廓曲线figure(1);hold on;grid on;axis equal;axis([-(r0+h-30) (r0+h+10) -(r0+h+10) (r0+rr+10)]);text(r0+h+3,4,'X');text(3,r0+rr+3,'Y');text(-6,4,'O');title('对心直动滚子推杆盘形凸轮设计');xlabel('x/mm');ylabel('y/mm');plot([-(r0+h-40) (r0+h)],[0 0],'k');plot([0 0],[-(r0+h) (r0+rr)],'k');plot(xx,yy,'r--');%»绘凸轮实际轮廓曲线ct=linspace(0,2*pi);plot(r0*cos(ct),r0*sin(ct),'g');%绘凸轮基圆plot(rr*cos(ct),r0+rr*sin(ct),'k');%绘滚子圆plot(0,r0,'o');%滚子圆中心plot([0 0],[r0 r0+30],'k');plot(xp,yp,'b'); %绘凸轮实际轮廓曲线%4. 凸轮机构运动仿真%计算凸轮滚子转角xp0=0;yp0=r0-rr;dss=sqrt(diff(xp).^2+diff(yp).^2);%对轮廓曲线进行差分计算ss(1)=sqrt((xp(1)-xp0)^2+(xp(1)-yp0)^2);%轮廓曲线第一点长度for i=1:359ss(i+1)=ss(i)+dss(i);%计算实际廓曲线长度endphi=ss/rr;%计算滚子转角%运动仿真开始figure(2);m=moviein(20);j=0;for i=1:360j=j+1;delta(i)=i*hd;%凸轮转角xy=[xp',yp'];%凸轮实际轮廓曲线坐标A1=[cos(delta(i)),sin(delta(i));%凸轮坐标旋转矩阵-sin(delta(i)),cos(delta(i))];xy=xy*A1;%旋转后实际凸轮曲线坐标clf;%绘凸轮plot(xy(:,1),xy(:,2));hold on;axis equal;axis([-(120) (470) -(100) (140)]);plot([-(r0+h-40) (r0+h)],[0],'k');%绘凸轮水平轴plot([0 0],[-(r0+h) (r0+rr)],'k');%绘凸轮垂直轴plot(r0*cos(ct),r0*sin(ct),'g');%绘基圆plot(rr*cos(ct),r0+s(i)+rr*sin(ct),'k');绘滚子圆plot([0 rr*cos(-phi(i))],[r0+s(i) r0+s(i)+rr*sin(-phi(i))],'k');% 绘滚子圆标线plot([0 0],[r0+s(i) r0+s(i)+40],'k');%绘推杆%绘推杆曲线plot([1:360]+r0+h,s+r0);plot([(r0+h) (r0+h+360)],[r0 r0],'k');plot([(r0+h) (r0+h)],[r0 r0+h],'k');plot(i+r0+h,s(i)+r0,'*');title('对心直动滚子推杆盘形凸轮设计');xlabel('x/mm');ylable('y/mm');m(j)=getframe;endmovie(m);4.运动仿真结果在MATLAB中可以看出轮廓曲线有一处缺口。