1、學習情境3 凸輪機構主講教師吳明清指導教師授課日期授課班級12模具、機電學習情境任務4 內燃機配氣機構盤形凸輪輪廓設計學時4能力目標1.分析凸輪從動件常用運動規律的能力；2.圖解法設計較復雜程度的凸輪機構。訓練項目運動副、構件、常用機構的表示；繪制機構運動簡圖。知識點凸輪機構的基本類型及其應用；從動件的常用運動規律；凸輪機構壓力角、基圓半徑及偏距，滾子半徑。教學重點與難點1. 從動件的常用運動規律；2. 凸輪機構壓力角、基圓半徑及偏距，滾子半徑。教學方法任務驅動教學與典型案例講解相結合教學準備課件，黑板，多媒體設備等。檢測與評價教師評價與學生自評與互評相結合；職業能力(占70%)、職業素質(3

2、0%)；評價成績采用百分制。教案設計工作過程工作內容課前組織（5min）1 清點學生人數；2 檢查授課環境；3 鏈接多媒體課件。任務導入（5min）凸輪是具有曲線或曲面輪廓的構件，含有凸輪的機構稱為凸輪機構。凸輪機構是一種常用的機構，特別是在自動化機械中應用廣泛。當機器的執行構件需要按一定的位移、速度和加速度規律運動時，尤其是當執行構件需要作間歇運動時，這種情況下最簡單的解決方法就是采用凸輪機構。凸輪機構是將凸輪(主動件)的連續轉動或移動，轉化為從動件的往復移動或擺動，是一種常見的高副機構，只要設計出適當的凸輪輪廓曲線，就可以使從動件實現預定的運動規律。如下圖一內燃機，用作圖法設計其配氣機構凸

3、輪軸的凸輪輪廓，此凸輪機構為對心直動尖頂從動件盤形凸輪。已知基圓半徑rb35 mm，h=20 mm，凸輪順時針勻速轉動，從動件的運動規律見下表。 凸輪轉角j0°180°180°210°210°300°300°360°從動件的運動規律等加速等減速上升停止不動等速下降回到原處停止不動 內燃機凸輪機構模型資訊（60min）2.1凸輪機構的類型及應用凸輪機構的類型很多，通常可按凸輪的形狀、從動件端部的結構、從動件的運動形式等分類。按凸輪的形狀分類按凸輪的形狀可分為盤形凸輪、移動凸輪和圓柱凸輪3類。 按照從動件端部的結構分類

4、按照從動件端部的結構，可分為尖頂從動件、滾子從動件和平底從動件三種。按照從動件的運動形式分類從動件可相對于機架作往復移動或擺動，因此，按照從動件的運動形式，可分為直動從動件和擺動從動件兩種。按照鎖合方式分類維持運動副中兩個構件之間的接觸方式稱為鎖合。凸輪與從動件之間的鎖合方式分為力鎖合和形鎖合。2.2凸輪機構的特點與其它機構相比，凸輪機構具有以下特點： 優點：結構緊湊、工作可靠、設計簡單，只需設計適當的凸輪輪廓，便可得到從動件所需的運動規律。 缺點：凸輪與從動件屬高副接觸，壓強大，易磨損。適用于傳力不大的控制機構和調節機構中。巡回指導檢查，及時解答學生疑問。2.2 凸輪機構的運動分析這里以圖4

5、-9（a）所示尖頂對心直動從動件盤形凸輪機構為例，說明凸輪機構的運動過程和基本參數。圖中以凸輪輪廓上的最小向徑rb為半徑所作的圓稱為凸輪的基圓，rb稱為基圓半徑。圖示位置是從動件的尖頂與凸輪輪廓在A點接觸時的情況。此時從動件位于距離凸輪轉動中心O最近的位置，也是從動件開始上升運動時的起始點。凸輪逆時針轉動時， 向徑增大，從動件被凸輪輪廓推向上運動，到達向徑最大的B點時，從動件距凸輪軸心最遠，這一過程稱為推程，又稱升程。與之對應的凸輪轉角j0稱為推程運動角，簡稱推程角或升程角，從動件上升的最大位移h稱為行程。當凸輪繼續轉過j1時，由于輪廓BC段為一向徑不變的圓弧，從動件停留在最遠處不動，此過程稱

6、為遠休止，又稱遠停程，對應的凸輪轉角j1稱為遠休止角或遠停程角。當凸輪又繼續轉過j2角時，凸輪向徑由最大減至rb，從動件從最遠處回到基圓上的D點，此過程稱為回程，對應的凸輪轉角j2稱為回程運動角，簡稱回程角。當凸輪繼續轉過j3角時，由于輪廓DA段為向徑不變的基圓圓弧，從動件繼續停在距軸心最近處不動，此過程稱為近休止，又稱近停程，對應的凸輪轉角j3稱為近休止角或近停程角。由以上分析可知，凸輪轉過一圈，機構完成一個工作循環。在凸輪機構的一個運動循環中，凸輪以等角速度轉動一周，從動件則完成一個“升停降停”的運動循環，而且凸輪的轉角存在著下面的關系： j0+j1+j2+j3 =2p （4- 1）2.3

7、從動件的運動規律上述過程可以用從動件的位移曲線來描述。以從動件的位移s為縱坐標，對應的凸輪轉角j為橫坐標（因凸輪通常等角速度轉動，故也可以時間作為橫坐標），將凸輪轉角或時間與對應的從動件位移之間的函數關系用曲線表達出來的圖形稱為從動件的位移線圖，如圖4-9（b）所示。由于凸輪以等角速度作等速轉動，因此在凸輪運動的任意瞬時，凸輪的轉角與轉動時間t成線性關系， 即j=t。 從動件的運動規律指從動件在運動過程中，其位移s、速度v、加速度a隨時間t（或凸輪轉角）的變化規律。對于直動從動件來說，存在著如下的函數關系： s =s(j) v=v(j) （4- 2） a=a(j)從動件常用的運動規律1)等速運

8、動規律 從動件推程或回程的運動速度為常數的運動規律，稱為等速運動規律。從動件推程時的位移方程可表達為： （4- 3）引起的沖擊為有限沖擊，稱為柔性沖擊。2)等加速等減速運動規律 從動件在一個行程中，前半行程作等加速運動，后半行程作等減速運動，這種運動規律稱為等加速等減速運動規律。從動件推程時的位移方程可表達如下：前半行程： （4- 4）后半行程 ： （4- 5）3)簡諧運動規律（余弦加速度運動規律）當一質點在圓周上作勻速運動時，它在該圓直徑上投影的運動規律稱為簡諧運動。因其加速度運動曲線為余弦曲線故也稱余弦加速度運動規律，從動件的加速度為1/2個周期的余弦曲線，其運動規律運動線圖如圖4-12所

9、示。從動件推程時的位移方程可表達為： （4- 6）從動件運動規律的選擇在選擇從動件運動規律時，首先應滿足機構的工作要求，同時要考慮使凸輪機構具有良好的工作性能。在滿足工作要求的前提下，還應考慮凸輪輪廓曲線的加工制造。在選擇從動件運動規律時，一般應從機構的沖擊情況、從動件的最大速度和最大加速度等三個方面對各種運動規律的特性進行比較。2.1滾子半徑的選擇 由于滾子從動件與凸輪的摩擦力小，磨損小，因而得到了廣泛應用。設計時，為了提高滾子的強度和耐磨性，一般宜選用較大的滾子直徑。但滾子半徑的大小，要受到凸輪輪廓最小曲率半徑的限制。(1) 當rT<min時，實際廓線為一光滑曲線，如圖4-21(a)

10、所示。min為外凸的理論輪廓線的最小曲率半徑，rT為滾子半徑。(2) 當rT>min，時，按包絡原理畫出的實際輪廓線即出現交叉現象，如圖4-21(b)所示。加工制造該凸輪時，這個交叉部位將被切掉。因此，凸輪工作時從動件不能實現所需的運動規律，即運動失真。(3) 若rT=min，凸輪的實際輪廓線就會產生尖點，如圖4-21(c)所示，這樣的凸輪在工作時，尖點的接觸應力很大，易于磨損，當凸輪工作一段時間后也會引起運動的失真。設計時通常取rT0.8min，或bmin=min-rT35mm。若按此條件選擇的滾子半徑太小而不能滿足安裝和強度要求時，應加大凸輪的基圓半徑，重新設計凸輪輪廓曲線。2.4凸

11、輪機構的壓力角及其校核 2.4.1 壓力角及許用值 設計凸輪時，要考慮凸輪與從動件之間的作用力與反作用力問題。圖4-22所示為對心移動尖頂從動件盤形凸輪機構在推程中的受力情況。 若不計摩擦，凸輪給予從動件的力F將沿接觸點的輪廓法線n-n方向，如圖所示，將作用力F沿平行于從動件的運動方向和垂直于從動件的運動方向分解成為兩個正交的分力，各分力與法向力之間的關系如圖4-22所示，有F1=Fcos，F2=Fsin。從動件的運動方向與力F之間所夾的銳角稱為壓力角。圖4-22 凸輪機構的壓力角2.4.2 壓力角的校核凸輪輪廓繪制完成后，必須對凸輪輪廓線最大壓力角進行校核。對凸輪輪廓線最大壓力角的檢驗，可在

12、凸輪輪廓坡度較陡的地方（壓力角較大處）選幾個點，然后作這些點的法線和相應的從動件運動方向線，量出它們之間的夾角，看是否超過許用值。2.5基圓半徑的確定 從傳動效率來看，壓力角越小越好，但壓力角減小將導致凸輪尺寸增大，因此基圓半徑也是凸輪設計的一個重要參數，它對凸輪機構的結構尺寸、體積、重量、受力狀況和工作性能等都有重要影響。設計凸輪機構時，一般先根據機構的布局和結構初步確定基圓半徑。若對機構的體積沒有嚴格要求時，可取較大的基圓半徑，以便減小壓力角，使機構具有良好的受力條件；若要求機構體積小、結構緊湊，可取較小的基圓半徑，但此時壓力角會增大，最大壓力角不得超過許用壓力角。在設計時要兼顧受力狀況和

13、結構緊湊兩方面的要求，通常可在壓力角不超過許用壓力角的條件下，盡可能采用較小的基圓半徑rb。一般可按以下經驗公式確定 (4-11)式中，凸輪軸的直徑。2.6 凸輪機構的常用結構 凸輪的結構 (1) 凸輪軸式。當凸輪的基圓與軸的尺寸相差不大時，可將凸輪與軸制為一體，稱為凸輪軸。(2) 整體式凸輪。當凸輪尺寸較小、無特殊要求或不經常裝拆時，一般采用整體式凸輪。整體式凸輪加工方便、精度高、剛性好。(3) 組合式凸輪。對于大型低速凸輪機構的凸輪或經常調整輪廓形狀的凸輪，常采用凸輪與輪轂分開的組合式結構。 滾子的結構滾子的結構形式必須保證滾子能靈活自由地轉動。通常采用如圖4-28所示的裝配結構。計劃與決

14、策（5min）對學生分組，各小組展開討論。對各小組制定的設計方案檢查討論，確定合理性，不合理的修改。1.進行自愿分組。2.學習相關知識。3.明確工作思路。4.討論任務實施注意事項。5.完成任務。6.檢查評價。實施（30min）圖解法繪制凸輪輪廓曲線的原理是“反轉法”，即在整個凸輪機構（凸輪、從動件、機架）上加一個與凸輪角速度大小相等、方向相反的角速度（w），于是凸輪靜止不動，而從動件則與機架（導路）一起以角速度（w）繞凸輪轉動，且從動件仍按原來的運動規律相對導路移動（或擺動），如圖4-14所示。因從動件尖頂始終與凸輪輪廓保持接觸，所以從動件在反轉行程中，使其滿足既定的運動規律，那么其尖頂的運動

15、軌跡就是凸輪的輪廓曲線。如果從動件是滾子，則滾子中心可看作是從動件的尖頂，其運動軌跡就是凸輪的理論輪廓曲線，凸輪的實際輪廓曲線是與理論輪廓曲線相距滾子半徑rT的一條等距曲線。圖4-14 反轉法原理對心直動指直動從動件的軸線通過凸輪的轉動中心。繪制該凸輪輪廓曲線之前，要先按與凸輪相同的比例繪制出從動件的位移線圖,如圖4-9（b）所示，并確定凸輪的基圓半徑。本任務設計思路： （1）選取適當比例尺作位移線圖。在橫坐標上將推程角180°進行4等分、對回程角90°進行4等分，得分點1、2、9，休止不必取分點；在縱軸上按長度比例尺據已知運動規律作位移線圖，如圖4-15（b）所示。（2）

16、作基圓取分點。任取一點O為圓心，以點C0為從動件尖頂的最低點，由長度比例尺取rb=35mm作基圓。從C0點始，按（w）方向取推程角、回程角和近休止角，并分成與位移線圖對應的相同等分，得分點C1 、C2、C9。（3）分別作向徑OC1 、OC2、OC9，并延長各向徑，各向徑代表從動件在反轉過程中依次對應的位置。然后在各向徑延長線上量取與位移線圖相對應位置的從動件的位移量，即C1B1=11、C2B2=22、.C9B9=99，得反轉后尖頂的一系列位置B1 、B2、B9，B9 和C9重合。（4）畫輪廓曲線。將B0、B1、 B2B9連接為光滑曲線，即得所求的凸輪輪廓曲線。檢查與評價（15min）評價有教師

17、評價與學生自評與互評相結合。對學習行為進行差異評價和激勵評價。評定形式比例評定內容評定標準得分自我評定20%1.學習工作態度 5分2.完成任務情況 5分3.出勤情況 5分4.獨立工作能力 5分積極【5】；一般【3】；不積極【0】全部【5】；一半【3】；沒有【1】全勤【5】；缺兩次【3】；30%【0】強【5】；一般【3】；不強【1】小組評定30%1.學習工作責任意識 5分2.收集材料、調研能力 5分3.匯報、交流、溝通能力 10分4.團隊協作精神 10分強【5】；一般【3】；不強【0】強【5】；一般【3】；不強【1】強【10】；一般【6】；不強【2】強【10】；一般【6】；不強【2】教師評定50

18、%1.集體學習工作過程狀態 10分2.計劃制定、執行情況 10分3.任務完成情況 15分4.項目學習、實訓報告 15分積極【10】；一般【6】；較差【2】好【10】；一般【6】；較差【2】好【15】；一般【10】；較差【5】【0】-【15】任務拓展拓展任務一：設計一對心直動滾子從動件盤形凸輪輪廓，已知條件同源任務。解：該凸輪輪廓設計步驟為：圖4-16 對心直動滾子從動件盤形凸輪輪廓的設計（1）首先將滾子中心視為尖頂從動件的尖頂，如圖4 - 16所示，按作尖頂從動件凸輪輪廓的方法求出滾子中心輪廓曲線，稱為凸輪的理論輪廓曲線。 （2）以輪廓曲線上的任意點為圓心，以滾子半徑rT為半徑作一系列的圓。（

19、3）作這些圓的內包絡線，即得到凸輪的實際輪廓線。由作圖可知，滾子從動件盤形凸輪的基圓半徑是理論輪廓曲線的基圓半徑。拓展任務二：試設計偏置直動尖頂從動件盤形凸輪輪廓曲線，已知偏距e=4 mm，其它已知條件同例4.1。 解：從動件在反轉過程中，其導路中心線始終與凸輪軸心O保持偏距e。該凸輪輪廓的設計步驟如下：（1）按照例4.1中的設計方法，選取適當的比例尺，作出其運動規律線圖，如圖4-15（b）所示。（2）任取一點O為圓心，以偏距e為半徑，作偏距圓與從動件導路中心線相切。（3）以O為圓心，以rb為半徑作基圓，基圓與導路中心線的交點C0為從動件尖頂的最低點，與從動件的初始位置B0重合。從C0點始，按（w）方向取推程角、回程角和近休止角，并分成與位移線圖對應的相同等分，得分點C1 、C2、C9。（4）過這些點作偏距圓的切線，得到反轉后從動件導路中心線的一系列位置。并在上述切線的延長線上量取與位移線圖相對應位置的從動件的位移量，即