学习情境3凸轮机构

1、学习情境3 凸轮机构主讲教师吴明清指导教师授课日期授课班级12模具、机电学习情境任务4 内燃机配气机构盘形凸轮轮廓设计学时4能力目标1.分析凸轮从动件常用运动规律的能力；2.图解法设计较复杂程度的凸轮机构。训练项目运动副、构件、常用机构的表示；绘制机构运动简图。知识点凸轮机构的基本类型及其应用；从动件的常用运动规律；凸轮机构压力角、基圆半径及偏距，滚子半径。教学重点与难点1. 从动件的常用运动规律；2. 凸轮机构压力角、基圆半径及偏距，滚子半径。教学方法任务驱动教学与典型案例讲解相结合教学准备课件，黑板，多媒体设备等。检测与评价教师评价与学生自评与互评相结合；职业能力(占70%)、职业素质(3

2、0%)；评价成绩采用百分制。教案设计工作过程工作内容课前组织（5min）1 清点学生人数；2 检查授课环境；3 链接多媒体课件。任务导入（5min）凸轮是具有曲线或曲面轮廓的构件，含有凸轮的机构称为凸轮机构。凸轮机构是一种常用的机构，特别是在自动化机械中应用广泛。当机器的执行构件需要按一定的位移、速度和加速度规律运动时，尤其是当执行构件需要作间歇运动时，这种情况下最简单的解决方法就是采用凸轮机构。凸轮机构是将凸轮(主动件)的连续转动或移动，转化为从动件的往复移动或摆动，是一种常见的高副机构，只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现预定的运动规律。如下图一内燃机，用作图法设计其配气机构凸

3、轮轴的凸轮轮廓，此凸轮机构为对心直动尖顶从动件盘形凸轮。已知基圆半径rb35 mm，h=20 mm，凸轮顺时针匀速转动，从动件的运动规律见下表。 凸轮转角j0°180°180°210°210°300°300°360°从动件的运动规律等加速等减速上升停止不动等速下降回到原处停止不动 内燃机凸轮机构模型资讯（60min）2.1凸轮机构的类型及应用凸轮机构的类型很多，通常可按凸轮的形状、从动件端部的结构、从动件的运动形式等分类。按凸轮的形状分类按凸轮的形状可分为盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮3类。 按照从动件端部的结构分类

4、按照从动件端部的结构，可分为尖顶从动件、滚子从动件和平底从动件三种。按照从动件的运动形式分类从动件可相对于机架作往复移动或摆动，因此，按照从动件的运动形式，可分为直动从动件和摆动从动件两种。按照锁合方式分类维持运动副中两个构件之间的接触方式称为锁合。凸轮与从动件之间的锁合方式分为力锁合和形锁合。2.2凸轮机构的特点与其它机构相比，凸轮机构具有以下特点： 优点：结构紧凑、工作可靠、设计简单，只需设计适当的凸轮轮廓，便可得到从动件所需的运动规律。 缺点：凸轮与从动件属高副接触，压强大，易磨损。适用于传力不大的控制机构和调节机构中。巡回指导检查，及时解答学生疑问。2.2 凸轮机构的运动分析这里以图4

5、-9（a）所示尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构为例，说明凸轮机构的运动过程和基本参数。图中以凸轮轮廓上的最小向径rb为半径所作的圆称为凸轮的基圆，rb称为基圆半径。图示位置是从动件的尖顶与凸轮轮廓在A点接触时的情况。此时从动件位于距离凸轮转动中心O最近的位置，也是从动件开始上升运动时的起始点。凸轮逆时针转动时， 向径增大，从动件被凸轮轮廓推向上运动，到达向径最大的B点时，从动件距凸轮轴心最远，这一过程称为推程，又称升程。与之对应的凸轮转角j0称为推程运动角，简称推程角或升程角，从动件上升的最大位移h称为行程。当凸轮继续转过j1时，由于轮廓BC段为一向径不变的圆弧，从动件停留在最远处不动，此过程称

6、为远休止，又称远停程，对应的凸轮转角j1称为远休止角或远停程角。当凸轮又继续转过j2角时，凸轮向径由最大减至rb，从动件从最远处回到基圆上的D点，此过程称为回程，对应的凸轮转角j2称为回程运动角，简称回程角。当凸轮继续转过j3角时，由于轮廓DA段为向径不变的基圆圆弧，从动件继续停在距轴心最近处不动，此过程称为近休止，又称近停程，对应的凸轮转角j3称为近休止角或近停程角。由以上分析可知，凸轮转过一圈，机构完成一个工作循环。在凸轮机构的一个运动循环中，凸轮以等角速度转动一周，从动件则完成一个“升停降停”的运动循环，而且凸轮的转角存在着下面的关系： j0+j1+j2+j3 =2p （4- 1）2.3

7、从动件的运动规律上述过程可以用从动件的位移曲线来描述。以从动件的位移s为纵坐标，对应的凸轮转角j为横坐标（因凸轮通常等角速度转动，故也可以时间作为横坐标），将凸轮转角或时间与对应的从动件位移之间的函数关系用曲线表达出来的图形称为从动件的位移线图，如图4-9（b）所示。由于凸轮以等角速度作等速转动，因此在凸轮运动的任意瞬时，凸轮的转角与转动时间t成线性关系， 即j=t。 从动件的运动规律指从动件在运动过程中，其位移s、速度v、加速度a随时间t（或凸轮转角）的变化规律。对于直动从动件来说，存在着如下的函数关系： s =s(j) v=v(j) （4- 2） a=a(j)从动件常用的运动规律1)等速运

8、动规律 从动件推程或回程的运动速度为常数的运动规律，称为等速运动规律。从动件推程时的位移方程可表达为： （4- 3）引起的冲击为有限冲击，称为柔性冲击。2)等加速等减速运动规律 从动件在一个行程中，前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动，这种运动规律称为等加速等减速运动规律。从动件推程时的位移方程可表达如下：前半行程： （4- 4）后半行程 ： （4- 5）3)简谐运动规律（余弦加速度运动规律）当一质点在圆周上作匀速运动时，它在该圆直径上投影的运动规律称为简谐运动。因其加速度运动曲线为余弦曲线故也称余弦加速度运动规律，从动件的加速度为1/2个周期的余弦曲线，其运动规律运动线图如图4-12所

9、示。从动件推程时的位移方程可表达为： （4- 6）从动件运动规律的选择在选择从动件运动规律时，首先应满足机构的工作要求，同时要考虑使凸轮机构具有良好的工作性能。在满足工作要求的前提下，还应考虑凸轮轮廓曲线的加工制造。在选择从动件运动规律时，一般应从机构的冲击情况、从动件的最大速度和最大加速度等三个方面对各种运动规律的特性进行比较。2.1滚子半径的选择 由于滚子从动件与凸轮的摩擦力小，磨损小，因而得到了广泛应用。设计时，为了提高滚子的强度和耐磨性，一般宜选用较大的滚子直径。但滚子半径的大小，要受到凸轮轮廓最小曲率半径的限制。(1) 当rT<min时，实际廓线为一光滑曲线，如图4-21(a)

10、所示。min为外凸的理论轮廓线的最小曲率半径，rT为滚子半径。(2) 当rT>min，时，按包络原理画出的实际轮廓线即出现交叉现象，如图4-21(b)所示。加工制造该凸轮时，这个交叉部位将被切掉。因此，凸轮工作时从动件不能实现所需的运动规律，即运动失真。(3) 若rT=min，凸轮的实际轮廓线就会产生尖点，如图4-21(c)所示，这样的凸轮在工作时，尖点的接触应力很大，易于磨损，当凸轮工作一段时间后也会引起运动的失真。设计时通常取rT0.8min，或bmin=min-rT35mm。若按此条件选择的滚子半径太小而不能满足安装和强度要求时，应加大凸轮的基圆半径，重新设计凸轮轮廓曲线。2.4凸

11、轮机构的压力角及其校核 2.4.1 压力角及许用值 设计凸轮时，要考虑凸轮与从动件之间的作用力与反作用力问题。图4-22所示为对心移动尖顶从动件盘形凸轮机构在推程中的受力情况。 若不计摩擦，凸轮给予从动件的力F将沿接触点的轮廓法线n-n方向，如图所示，将作用力F沿平行于从动件的运动方向和垂直于从动件的运动方向分解成为两个正交的分力，各分力与法向力之间的关系如图4-22所示，有F1=Fcos，F2=Fsin。从动件的运动方向与力F之间所夹的锐角称为压力角。图4-22 凸轮机构的压力角2.4.2 压力角的校核凸轮轮廓绘制完成后，必须对凸轮轮廓线最大压力角进行校核。对凸轮轮廓线最大压力角的检验，可在

12、凸轮轮廓坡度较陡的地方（压力角较大处）选几个点，然后作这些点的法线和相应的从动件运动方向线，量出它们之间的夹角，看是否超过许用值。2.5基圆半径的确定 从传动效率来看，压力角越小越好，但压力角减小将导致凸轮尺寸增大，因此基圆半径也是凸轮设计的一个重要参数，它对凸轮机构的结构尺寸、体积、重量、受力状况和工作性能等都有重要影响。设计凸轮机构时，一般先根据机构的布局和结构初步确定基圆半径。若对机构的体积没有严格要求时，可取较大的基圆半径，以便减小压力角，使机构具有良好的受力条件；若要求机构体积小、结构紧凑，可取较小的基圆半径，但此时压力角会增大，最大压力角不得超过许用压力角。在设计时要兼顾受力状况和

13、结构紧凑两方面的要求，通常可在压力角不超过许用压力角的条件下，尽可能采用较小的基圆半径rb。一般可按以下经验公式确定 (4-11)式中，凸轮轴的直径。2.6 凸轮机构的常用结构 凸轮的结构 (1) 凸轮轴式。当凸轮的基圆与轴的尺寸相差不大时，可将凸轮与轴制为一体，称为凸轮轴。(2) 整体式凸轮。当凸轮尺寸较小、无特殊要求或不经常装拆时，一般采用整体式凸轮。整体式凸轮加工方便、精度高、刚性好。(3) 组合式凸轮。对于大型低速凸轮机构的凸轮或经常调整轮廓形状的凸轮，常采用凸轮与轮毂分开的组合式结构。 滚子的结构滚子的结构形式必须保证滚子能灵活自由地转动。通常采用如图4-28所示的装配结构。计划与决

14、策（5min）对学生分组，各小组展开讨论。对各小组制定的设计方案检查讨论，确定合理性，不合理的修改。1.进行自愿分组。2.学习相关知识。3.明确工作思路。4.讨论任务实施注意事项。5.完成任务。6.检查评价。实施（30min）图解法绘制凸轮轮廓曲线的原理是“反转法”，即在整个凸轮机构（凸轮、从动件、机架）上加一个与凸轮角速度大小相等、方向相反的角速度（w），于是凸轮静止不动，而从动件则与机架（导路）一起以角速度（w）绕凸轮转动，且从动件仍按原来的运动规律相对导路移动（或摆动），如图4-14所示。因从动件尖顶始终与凸轮轮廓保持接触，所以从动件在反转行程中，使其满足既定的运动规律，那么其尖顶的运动

15、轨迹就是凸轮的轮廓曲线。如果从动件是滚子，则滚子中心可看作是从动件的尖顶，其运动轨迹就是凸轮的理论轮廓曲线，凸轮的实际轮廓曲线是与理论轮廓曲线相距滚子半径rT的一条等距曲线。图4-14 反转法原理对心直动指直动从动件的轴线通过凸轮的转动中心。绘制该凸轮轮廓曲线之前，要先按与凸轮相同的比例绘制出从动件的位移线图,如图4-9（b）所示，并确定凸轮的基圆半径。本任务设计思路： （1）选取适当比例尺作位移线图。在横坐标上将推程角180°进行4等分、对回程角90°进行4等分，得分点1、2、9，休止不必取分点；在纵轴上按长度比例尺据已知运动规律作位移线图，如图4-15（b）所示。（2）

16、作基圆取分点。任取一点O为圆心，以点C0为从动件尖顶的最低点，由长度比例尺取rb=35mm作基圆。从C0点始，按（w）方向取推程角、回程角和近休止角，并分成与位移线图对应的相同等分，得分点C1 、C2、C9。（3）分别作向径OC1 、OC2、OC9，并延长各向径，各向径代表从动件在反转过程中依次对应的位置。然后在各向径延长线上量取与位移线图相对应位置的从动件的位移量，即C1B1=11、C2B2=22、.C9B9=99，得反转后尖顶的一系列位置B1 、B2、B9，B9 和C9重合。（4）画轮廓曲线。将B0、B1、 B2B9连接为光滑曲线，即得所求的凸轮轮廓曲线。检查与评价（15min）评价有教师

17、评价与学生自评与互评相结合。对学习行为进行差异评价和激励评价。评定形式比例评定内容评定标准得分自我评定20%1.学习工作态度 5分2.完成任务情况 5分3.出勤情况 5分4.独立工作能力 5分积极【5】；一般【3】；不积极【0】全部【5】；一半【3】；没有【1】全勤【5】；缺两次【3】；30%【0】强【5】；一般【3】；不强【1】小组评定30%1.学习工作责任意识 5分2.收集材料、调研能力 5分3.汇报、交流、沟通能力 10分4.团队协作精神 10分强【5】；一般【3】；不强【0】强【5】；一般【3】；不强【1】强【10】；一般【6】；不强【2】强【10】；一般【6】；不强【2】教师评定50

18、%1.集体学习工作过程状态 10分2.计划制定、执行情况 10分3.任务完成情况 15分4.项目学习、实训报告 15分积极【10】；一般【6】；较差【2】好【10】；一般【6】；较差【2】好【15】；一般【10】；较差【5】【0】-【15】任务拓展拓展任务一：设计一对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓，已知条件同源任务。解：该凸轮轮廓设计步骤为：图4-16 对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计（1）首先将滚子中心视为尖顶从动件的尖顶，如图4 - 16所示，按作尖顶从动件凸轮轮廓的方法求出滚子中心轮廓曲线，称为凸轮的理论轮廓曲线。 （2）以轮廓曲线上的任意点为圆心，以滚子半径rT为半径作一系列的圆。（

19、3）作这些圆的内包络线，即得到凸轮的实际轮廓线。由作图可知，滚子从动件盘形凸轮的基圆半径是理论轮廓曲线的基圆半径。拓展任务二：试设计偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线，已知偏距e=4 mm，其它已知条件同例4.1。 解：从动件在反转过程中，其导路中心线始终与凸轮轴心O保持偏距e。该凸轮轮廓的设计步骤如下：（1）按照例4.1中的设计方法，选取适当的比例尺，作出其运动规律线图，如图4-15（b）所示。（2）任取一点O为圆心，以偏距e为半径，作偏距圆与从动件导路中心线相切。（3）以O为圆心，以rb为半径作基圆，基圆与导路中心线的交点C0为从动件尖顶的最低点，与从动件的初始位置B0重合。从C0点始，按（w）方向取推程角、回程角和近休止角，并分成与位移线图对应的相同等分，得分点C1 、C2、C9。（4）过这些点作偏距圆的切线，得到反转后从动件导路中心线的一系列位置。并在上述切线的延长线上量取与位移线图相对应位置的从动件的位移量，即