《凸轮轴设计》课件.ppt

凸轮轴设计本课程讲解凸轮轴基本原理与设计方法帮助学生掌握机械创新核心技术适用于车辆工程、机械设计专业学生

什么是凸轮轴？基本定义具有周期性运动的机械零件主要功能转化旋转运动为直线或摆动运动分类方式按轮廓形状、应用领域与材料分类

凸轮轴发展历史118世纪前早期水力机械中的简单凸轮机构219世纪工业革命推动凸轮技术在蒸汽机中应用320世纪初汽车发动机中广泛应用4现代电子控制凸轮轴系统出现

凸轮轴的应用领域汽车发动机控制气门开闭实现配气自动化设备实现机械臂精确运动仪器仪表提供精准计时与控制船舶与航空特种发动机与控制系统

学习凸轮轴设计的重要性核心机械部件掌握发动机关键技术就业广阔汽车制造业高薪岗位需求创新基础新能源汽车技术研发前提工程思维锻炼机械设计综合能力

课程结构与内容安排应用案例实际设计案例分析软件仿真凸轮轴建模与分析设计方法型线设计与参数优化工作原理几何参数与机构运动基础知识定义、分类与应用

凸轮与凸轮轴的区别凸轮单个偏心轮廓零件直接接触从动件可单独存在实现单一运动转换凸轮轴多个凸轮固定在轴上的组合通过轴承与机架相连具有特定相位关系同步控制多个运动

凸轮轴工作原理曲轴旋转接收发动机动力凸轮轴同步转动通过链条或齿轮传动凸轮廓形推动从动件转换为直线或摆动控制气门开闭实现进排气时序控制

基本几何参数主轴直径轴承安装基准凸轮升程决定气门最大开度基圆半径凸轮廓形最小半径相位角控制气门开闭时机

配气系统与凸轮轴关系吸气阶段进气凸轮推动进气门开启压缩阶段所有气门关闭做功阶段所有气门保持关闭排气阶段排气凸轮推动排气门开启

凸轮轴受力分析1800N从动件接触面最大接触应力350N·m轴扭矩最大传递扭矩8.3MPa轴承受力支撑面压力0.15mm变形量工作状态最大弯曲

曲柄-从动机构结构升降式摆动式滚子式其他类型

速度与加速度关系升程曲线从动件位移变化速度曲线升程曲线一阶导数加速度曲线速度曲线一阶导数冲击力加速度变化率

常用凸轮轮廓类型圆柱凸轮轮廓在圆柱面上盘形凸轮轮廓在平面圆盘上端面凸轮轮廓在轴端面上滚子槽凸轮带内槽的凸轮结构

从动件运动规律简谐运动位移曲线呈正弦规律加速度连续变化适用于低速场合等速运动位移曲线为直线段速度恒定阶段明显适用于传送带驱动抛物线运动加速度变化平稳冲击较小适用于高速发动机

典型凸轮升程曲线分析曲线类型主要特点适用场景正弦曲线平滑过渡，低冲击低速精密设备多项式曲线可控性好，参数丰富通用汽车发动机循环多项式高抬度，陡升角高性能赛车样条曲线自由曲面，高度自定义特种工程机械

凸轮轴主要结构部件

材料选择原则强度/MPa耐磨性成本指数

热处理与表面强化整体淬火提高整体硬度感应淬火局部表面硬化表面渗碳提高表面耐磨性氮化处理降低摩擦系数

凸轮设计参数选定12mm最大升程决定气门开度30mm基圆半径影响接触应力35mm从动件半径关系接触面积240°工作角度影响升降速率

凸轮型线设计方法总览解析法数学公式推导图解法几何作图确定2CAD建模软件参数化设计逆向工程测量数据重建

简谐运动凸轮型线设计数学公式h=(h_max/2)·(1-cos(πθ/θ_H))θ-旋转角度h_max-最大升程θ_H-总工作角特点分析速度变化平滑加速度连续适合低速应用计算简单

等速运动型线设计等加速段速度从零增加匀速段速度保持恒定等减速段速度降至零

抛物线运动型线设计数学模型h=(2·h_max/θ_H2)·θ20≤θ≤θ_H/2h=h_max-2·h_max·(θ-θ_H)2/θ_H2θ_H/2≤θ≤θ_H主要优势加速度曲线为直线冲击较小速度变化平稳适合中速应用

复合型线设计与优化多段复合不同运动规律组合满足复杂工况需求样条曲线用控制点定义曲线灵活调整过渡段迭代优化模拟分析调整设计平衡多性能指标

三维建模与参数化设计创建主轴基础模型定义轴径与长度建立参数表设置可变设计参数创建凸轮型面导入或生成曲线添加特征与细节完善轴承与装配结构

有限元分析简介网格划分确定单元类型与密度应力分析识别高应力区域变形分析评估工作变形量

动力学仿真与运动分析多体动力学模型考虑接触力与摩擦瞬态运动仿真分析速度加速度变化振动特性计算固有频率与模态虚拟装配验证干涉与运动协调

误差与公差设计关键尺寸公差轴颈直径:±0.01mm凸轮基圆:±0.02mm轴向定位:±0.05mm相位角度:±0.3°装配公差链气门间隙影响轴承配合要求配气正时偏差关键表面形位公差

可制造性设计考量毛坯选择决定基本成本结构加工工艺影响精度与成本检测方法确保质量控制材料利用率降低浪费与成本

发动机凸轮轴典型案例参数项规格数据设计目的最大升程9.8mm提高进气效率凸轮数量24个实现V6四气门材料合金钢耐久性与轻量化表面处理感应淬火提高耐磨性

高转速发动机凸轮轴设计高速特性要求