《机械原理及应用》课件 学习情境五 凸轮机构

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凸轮机构学习情境五

凸轮机构的应用、分类及基本结构01凸轮机构的应用、分类及基本结构02凸轮机构从动件常用运动规律分析03盘型凸轮结构认知04图解法盘形凸轮轮廓设计任务1凸轮机构的应用、分类

及基本结构PARTONE【知识目标】1.深入理解凸轮机构的组成和工作原理，清晰掌握凸轮、从动件和机架在机构中的作用及相互关系。2.全面熟悉凸轮机构的各种应用场景，能够准确分析不同应用中凸轮机构所实现的功能。3.准确掌握凸轮机构的分类方法，包括按凸轮的形状分类、按从动件的运动形式分类以及按从动件的端部形状分类，并能正确识别各种类型的凸轮机构。【能力目标】1.培养学生观察和分析实际机械中凸轮机构的能力，能够从复杂的机械结构中准确找出凸轮机构的组成部分，并分析其工作过程和实现的功能。2.提高学生的绘图能力，使学生能够根据给定的凸轮机构工作要求，绘制出简单的凸轮轮廓曲线和机构运动简图，准确表达凸轮机构的运动关系。3.锻炼学生的创新思维和设计能力，能够根据具体的工程需求，合理选择凸轮机构的类型，并进行初步的参数设计和优化，培养解决实际工程问题的能力。【素质目标】1.培养学生严谨的科学态度和工程思维，在学习凸轮机构的过程中，注重理论与实践的结合，培养学生对机械原理的深入理解和应用能力，提高学生的工程素养。2.增强学生的团队协作精神和沟通能力，通过小组讨论、案例分析等教学活动，促进学生之间的交流与合作，培养学生的团队意识和合作能力。学习情境五

任务1凸轮机构的应用、分类及基本结构【情境导入】

图为仿形加工机构，该机构是凸轮机构的具体实例，分析仿形加工机构的运动特征指出仿形加工机构属于哪种凸轮机构?

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任务1凸轮机构的应用、分类及基本结构【任务描述】凸轮机构是一种常用的高副机构。是机械中典型机构之一，广泛地应用于自动化、半自动化的机械、仪器和装配线，如压力机械、印刷机械和内燃机等。本任务将通过对仿形加工机构的运动分析来认识凸轮机构，了解凸轮机构的组成、类型和适用场合。与连杆机构一样，凸轮机构也是平面机构中的常用机构之一,广泛应用于各种机械和自动控制装置中。平面连杆机构、凸轮机构及本书介绍的齿轮机构是组成机器的三种最主要机构，除这些主要机构外，在各种机器和仪器中还应用了许多其他形式和用途的机构，它们的种类很多，一般统称为其他常用机构。学习情境五

任务1凸轮机构的应用、分类及基本结构【课程思政】1.介绍我国古代机械工程中凸轮机构的雏形和应用，如古代的水碓、指南车等，让学生了解我国古代机械文明的辉煌成就，增强学生的民族自豪感和文化自信。2.在讲解现代凸轮机构的应用时，强调科技创新在机械工程领域的重要性，引导学生树立创新意识和责任感，鼓励学生为我国机械工业的发展贡献自己的力量。3.在教学过程中，注重培养学生的职业道德和工匠精神，强调严谨、细致、专注的工作态度在机械设计和制造中的重要性，引导学生树立正确的职业价值观。学习情境五

任务1凸轮机构的应用、分类及基本结构【相关知识】5.1.1凸轮机构的特点图5-2所示为单轴转塔车床上的刀架进给凸轮机构，原动件凸轮1速转动时，其轮驱使扇形齿轮2按预期运动规律绕O轴转动，带动与刀架固定在一起的齿条3做往复进运动。图5-3所示为内燃机配气机构，原动件凸轮1做匀速转动时，通过其向径的变化驱使从动件阀杆2按预期运动规律做上下往复运动，从而实现气阀的开启和关闭。

以上两例中均含有一个凸轮，凸轮是指具有某种曲线轮廓或凹槽的构件，含有凸轮的机构称为凸轮机构。凸轮机构一般由凸轮、从动件和机架三个构件组成，通常凸轮为原动件，做连续等速转动，从动件(如推杆或摆杆)按预定规律做往复移动或摆动。凸轮机构的特点是：结构简单、紧凑；设计方便，只需设计出适当的凸轮轮廓，就可使从动件实现任何预期的运动规律；但因为凸轮副是高副，为点接触或线接触，容易磨损。凸轮机构主要用于传递动力不大的场合。学习情境一

任务1凸轮机构的应用、分类及基本结构5.1.2凸轮机构的分类凸轮机构的分类方法如下：1.按凸轮形状分类(1)盘形凸轮。绕固定轴转动且向径变化的凸轮称为盘形凸轮。盘形凸轮是凸轮的基本形式，如图5-2和图5-3所示(2)移动凸轮。当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮就做往复直线移动，这种情况下就称为移动凸轮，图5-4中凸轮1和从动件2做相对移动(3)圆柱凸轮。轮廓曲线位于圆柱面上并绕圆柱轴线旋转的凸轮称为圆柱凸轮，如图5-5所示。2.按从动件形状分类(1)尖顶从动件。如图5-6(a)所示，这种从动件以尖顶与凸轮接触，结构简单，能与任何曲线的凸轮轮廓保持高副连接，故可使从动件实现任意的运动规律。但是尖顶易磨损，所以这种从动件只适用于传力不大的低速凸轮机构中。(2)滚子从动件。如图5-6(b)所示，这种从动件的顶端铰接一个滚子并以滚子与凸轮轮廓保持接触。由于滚子与凸轮之间是滚动摩(a)(b)(c)擦，故磨损小而且均匀，可承受较大载荷，因图5-6从动件的形状而应用普遍。(3)平底从动件。如图5-6(c)所示，这种从动件以平底与凸轮轮廓接触。在不考虑摩擦时，凸轮对这种从动件的作用力始终垂直于平底，传动效率最高；另外，凸轮与平底之间易形成楔形油膜，便于润滑和减少磨损，所以这种从动件常用于高速凸轮机构中。但是这种从动件的缺点是不能用于具有内凹曲线轮廓的凸轮机构。学习情境五

任务1凸轮机构的应用、分类及基本结构学习情境五

任务1凸轮机构的应用、分类及基本结构空

间

凸

轮3.按从动件与凸轮保持接触的方式分类(1)力锁和的凸轮机构。依靠弹性力或重力使从动件与凸轮保持接触，如图5-2、图5-3和图5-4所示。(2)几何锁和的凸轮机构。依靠凸轮或从动件的几何形状使从动件与凸轮保持接触，如图5-7所示的等宽凸轮机构和图5-8所示的等径凸轮机构。除以上三种分类方法外，还可按从动件的运动形式分为移动从动件(图5-3、图5-4、图5-5和图5-6)和摆动从动件(图5-2)凸轮机构。在移动从动件中，若导路轴线通过凸轮的回转轴，则称为对心移动从动件[图5-3、8-6(a)与8-6(c)],否则称为偏置移动从动件[图5-6(b)]。将不同形式的从动件和凸轮组合起来，就可得到各种不同类型的凸轮机构，如图5-3所示的凸轮机构可命名为对心移动平地从动件盘型凸轮机构。学习情境五

任务1凸轮机构的应用、分类及基本结构【任务实施】学习情境五

任务1凸轮机构的应用、分类及基本结构表5-1任务实施单

学习领域机械基础学习情境五凸轮机构学时8学时任务1凸轮机构的应用、分类及基本结构学时2学时作业方式小组分析、个人解答，现场批阅，集体评判1在凸轮机构中，常见的凸轮形状和从动件的结构形式有哪几种?各有什么特点?作业解答：

2试比较尖端、滚子、平底从动件的优缺点，并说明它们的适用场合作业解答：

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日期【知识目标】1.准确理解从动件常用的运动规律，包括等速运动规律、等加速等减速运动规律、余弦加速度运动规律（简谐运动规律）和正弦加速度运动规律的概念、特点及数学表达式。2.清晰掌握各种从动件运动规律在不同运动阶段（推程、回程、近休止和远休止）的运动特性，如速度、加速度的变化情况，以及由此产生的冲击现象（刚性冲击和柔性冲击）。

【能力目标】1.培养学生运用数学知识分析从动件运动规律的能力，能够根据给定的运动规律表达式，绘制出从动件的位移、速度和加速度曲线，直观地理解运动规律的变化特点。2.提高学生的工程应用能力，能够针对具体的机械设计任务，综合考虑工作要求、负载情况、运动精度等因素，正确选择合适的从动件运动规律，并进行简单的运动参数计算。【素质目标】1.培养学生的科学思维和逻辑推理能力，在学习从动件运动规律的过程中，引导学生从现象到本质，深入分析运动规律的内在联系和变化规律，提高学生的思维水平。2.增强学生的工程实践意识和创新精神，通过实际案例分析和设计练习，让学生了解机械设计中对从动件运动规律的优化和创新方法。3.提升学生的团队协作和沟通能力，组织小组讨论和项目合作，让学生在交流与合作中分享观点和经验，共同解决问题，培养学生的团队合作精神和沟通能力。学习情境五

任务2凸轮机构从动件常用运动规律分析【情境导入】如图5-9所示，为一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构，观察凸轮机构运动情况，分析从动件运动循环的规律并找出其运动规律，进而画出从动件的运动规律图。【任务描述】要完成此项任务，需要熟悉凸轮机构的工作过程，了解从动件常用运动规律，明确凸轮机构的基本尺寸和运动参数。学习情境五

任务2凸轮机构从动件常用运动规律分析【课程思政】1.介绍我国在机械运动规律研究和应用方面的历史成就和现代贡献，如古代的指南车、水运仪象台等机械装置中蕴含的运动控制思想，以及现代我国在高端装备制造领域对先进运动规律的应用和创新，激发学生的民族自豪感和爱国情怀。2.在讲解从动件运动规律的选择和应用时，强调工程设计中的责任意识和质量意识，让学生明白合理选择运动规律对于保证机械系统的安全、可靠运行的重要性，培养学生的职业道德和社会责任感。学习情境五

任务2凸轮机构从动件常用运动规律分析【相关知识】5.2.1平面凸轮机构的基本尺寸和运动参数图5-10所示为一偏置移动尖顶从动件盘形凸轮机构，从动件移动导路至凸轮转动中心的偏距为e。以凸轮轮廓的最小向径r。为半径所作的圆称为基圆，r0为基圆半径，凸轮以等角速度w逆时针转动。在图示位置，从动件尖顶与凸轮在A点接触，A点是基圆与向径逐渐变化的轮廓曲线的交点，此时从动件的尖顶离凸轮轴心最近。凸轮转动时，其轮廓向径逐渐增大，从动件按一定运动规律被推向远处，直到凸轮向径最大的B点与尖顶接触时，从动件被推到离凸轮轴心最远处，这一过程称为推程。与之对应的凸轮转角∠BOB'称为推程运动角ф，从动件移动的距离AB'称为行程，用h表示。凸轮继续转动时，凸轮轮廓上的一段圆弧BC与尖顶接触，此时从动件在最远处停止不动，对应的凸轮转角∠BOC称为远休止角ф。凸轮继续转动，当凸轮轮廓上向径逐渐变小的CD段曲线与尖顶接触时，从动件就按一定运动规律返回，到凸轮与尖顶在D点接触时，从动件又回到离凸轮轴心最近处，这一过程称为回程，对应的凸轮转角称为回程运动角φ’S。凸轮继续转动，当凸轮轮廓上与基圆重合的一段圆弧DA与尖顶接触时，从动件在最近处停止不动，对应的凸轮转角∠DOA称为近休止角ф',。当凸轮继续转动时，从动件将重复上述的“升—停—降—停”的运动循环。学习情境五

任务2凸轮机构从动件常用运动规律分析学习情境五

任务2凸轮机构从动件常用运动规律分析然而，并不是所有的凸轮机构的从动件都必须有“升—停—降—停”这样的运动循环，实际上，从动件的运动循环应根据工作要求的不同可以只有“升—停—降”或“升—降—停”或“升一降”等的循环过程。从动件运动循环的规律就称为从动件的运动规律，或者说，从动件的运动规律就是指从动件的运动参数(即位移、速度和加速度)随时间而变化的规律。当凸轮做匀速转动时，其转角φ与时间成正比，所以从动件的运动规律也可以用从动件的运动参数随凸轮转角φ而变化的规律来表示，即s=f₁(φ),v=f2(φ),a=f3(φ),这称为从动件的运动方程。运动方程通常用以转角φ或时间t为横坐标，相应运动参数s、v、a为纵坐标的运动线图来表示，因此，可用从动件的运动线图来表示其运动规律。根据上述分析可知，从动件的运动规律取决于凸轮的轮廓形状，轮廓形状不同，从动件的运动规律随之变化。所以，设计凸轮的轮廓时，首先就要确定从动件的运动规律。学习情境五

任务2凸轮机构从动件常用运动规律分析5.2.2常用的从动件运动规律从动件的运动规律有很多种，常用的运动规律有等速运动规律、等加速等减速运动规律、余弦运动规律、正弦运动规律等，它们的运动线图如图5-11所示。

由图5-11的运动线图可知，从动件做等速运动时，在行程开始和终止的两个位置，常用的从动速度发生突变，因此在理论上有无穷大的加速度，要产生无穷大的惯性力，使机构产生强运动规律烈的“刚性冲击”现象，故等速运动规律只能用于低速轻载的场合；从动件做等加速等减速运动时，在加速度线图上的A、B、C三点发生加速度的有限突变，使机构产生有限的“柔性冲击”,因此这种运动规律可用于中速轻载场合；从动件按余弦加速度规律运动时，在行程开始和终止的两个位置，加速度也发生有限突变，导致机构产生“柔性冲击”,故这种运动规律可用于中速场合；从动件按正弦加速度规律运动时，在整个行程中无速度和加速度的突变，不会使机构产生冲击，所以适用于高速场合。应该指出，除了以上几种常用的从动件运动规律外，有时还要求动件实现的运动律，力性能的好坏及适用场合，仍可参考上述方法进行分析。学习情境五

任务2凸轮机构从动件常用运动规律分析【任务实施】学习情境五

任务2凸轮机构从动件常用运动规律分析学习领域机械基础学习情境五凸轮机构学时8学时任务2凸轮机构从动件常用运动规律分析学时2学时作业方式小组分析、个人解答，现场批阅，集体评判1在凸轮机构中，常用从动件的运动规律有几种?各有什么特点?作业解答：2设计凸轮机构时，应如何选择从动件的运动规律?作业解答：

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日期【知识目标】1.精准理解凸轮机构压力角的定义，即从动件在接触点所受的力的方向与该点速度方向所夹的锐角，清晰掌握压力角对凸轮机构传力性能以及自锁现象的影响机制。2.全面熟悉压力角的许用值在不同工作行程、不同从动件类型下的具体规定，并能理解其背后的工程实践依据。3.熟练掌握基圆半径与压力角之间的关系，能够根据压力角的许用值确定基圆半径的方法，包括理论计算方法和实际设计中的经验方法。

【能力目标】1.培养学生运用力学知识分析凸轮机构中压力角对传力性能影响的能力，能够通过受力分分析解释压力角变化时有用分力和有害分力的变化情况，以及自锁现象产生的原因。2.提高学生根据工程实际要求合理确定基圆半径和滚子半径的能力，能够运用相关公式和经验方法进行计算和选择，并能在设计过程中对这些参数进行优化调整。3.锻炼学生的图形分析能力，使学生能够根据滚子半径与凸轮轮廓曲线曲率半径的关系，绘制出不同情况下的凸轮轮廓曲线示意图，准确判断是否会出现运动失真等问题。【素质目标】1.培养学生严谨的科学态度和工程思维，在学习压力角、基圆半径和滚子半径等知识时，注重理论与实际的结合，理解每个参数的变化对整个凸轮机构性能的综合影响，培养学生对机械设计中参数设计的精准把控能力。2.提升学生的创新意识和创造力，鼓励学生在理解基本设计原则和方法的基础上，思考如何在满足工程要求的前提下，创新地优化凸轮机构的设计参数，以提高机构的性能和效率，培养学生的创新设计能力。学习情境五

任务3盘型凸轮结构认知【情境导入】图5-9所示为一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构，观察、分析凸轮机构运动情况，我出提高传动效率的途径，如何衡量凸轮机构传力性能好坏?【任务描述】

要完成此项任务，需要通过了解运动规律，掌握压力角的概念，掌握基圆半径和滚子半径的确定原则等方面来实现。设计凸轮机构时，不仅要满足从动件的运动规律，还要求结构紧凑和传力性能良好，这些要求与凸轮机构的压力角、基圆半径和滚子半径等有关。学习情境五

任务3盘型凸轮结构认知【课程思政】1.介绍我国在机械设计领域对凸轮机构研究和应用的历史成就和现代突破，如在高端装备制造、精密仪器等领域中对凸轮机构参数优化设计的创新成果，激发学生的民族自豪感和爱国情怀，激励学生为我国机械工业的发展贡献力量。2.在讲解压力角、基圆半径和滚子半径等参数设计过程中，强调严谨细致的工作态度和精益求精的工匠精神，让学生明白机械设计中任何一个参数的微小变化都可能对整个机构的性能产生重大影响，培养学生对机械设计工作的高度责任感和敬业精神。学习情境五

任务3盘型凸轮结构认知【相关知识】5.4.1凸轮机构的压力角和自锁图5-12所示为对心移动尖顶从动件盘形凸轮机构在推程任一位置的受内情况。FQ为从动件所受的载荷(包括工作阻力、重力、弹簧力和惯性力等),若不计摩擦，则凸轮对从动件的作用力F沿接触点的法线方向。力F可分解为两个分力：即沿从动件运动方向的有用分力F1和使从动件压紧导路的有害分力F2。由图可得（5-1）式中a角是从动件在接触点所受的力的方向与该点速度方向所夹的锐角，称为压力角。显然，有用分力F1随压力角的增大而减小，有害分力F2随压力角的增大而增大，当压力角α增大到一定值时，由有害分力F₂引起的摩擦阻力将超过有用分力F₁。此时，无论凸轮给从动件的力F有多大，都不能使从动件运动，这种现象称为自锁。在设计凸轮机构时自锁现象是绝对不允许的。可见，压力角的大小是衡量凸轮机构传力性能好坏的一个重要指标。为提高传动效率，改善受力情况，凸轮机构的压力角愈小愈好。但是，压力角的大小不仅仅与从动件的受力情况有关。根据运动学知识，可得r0=vωtanα−s（5-2）由式(5-2)可知，压力角α与基圆半径r。成反比，当压力角α愈小时，基圆半径r。就愈大，凸轮尺寸随着变大。所以，为避免凸轮尺寸过大，使机构尺寸更加紧凑，凸轮机构的压力角愈大愈好。综合上述两方面的因素，既使凸轮机构传力性能良好，又使凸轮机构尺寸尽可能紧凑，则压力角值既不能过大，也不能过小。因此，压力角应有一许用值，以[a]表示。设计凸轮机构时应使凸轮机构的实际最大压力角αmax≤[a]。根据工程实践经验，压力角的许用值[a]推荐如下：推程(工作行程):移动从动件[a]=30°摆动从动件[a]=45°回程(空回行程):因受力较小且无自锁问题，所以[a]可取大些，通常取[a]=70°～80°。凸轮轮廓曲线上各点的压力角是变化的，在绘出凸轮轮廓曲线后，必须对理论轮廓曲线，特别是对推程段轮廓曲线上各点压力角进行检验，以防超过许用值。常用的简便检验方法如图5-13所示，在理论轮廓曲线上某几处最陡的地方取几点，作这几点的法线，再用量角器检验各点法线与该点向径之间的夹角是否超过许用压力角值，若超过许用值，则要修改设计，通常采用增大凸轮基圆半径的方法使amax减小。学习情境五

任务3盘型凸轮结构认知5.4.2基圆半径的确定由于基圆半径r0与凸轮机构压力角α的大小有关，因此在确定基圆半径时，主要考虑使机构的最大压力角amax小于许用压力角[a]这一要求。具体确定方法是根据式(5-2)由许用压力角[a]值求出凸轮许用的最小基圆半径[r0],再按结构条件取基圆半径ro≤[ro]。由于按这一方法确定的基圆半径比较小，且方法烦琐，因此实际设计时，通常都是由结构条件初步定出基圆半径，并进行凸轮轮廓设计和检验压力角直至满足amax≤[a]为止。工程实际中，还可按经验来确定基圆半径ro。当凸轮与轴制成一体时，可取凸轮半径r。略大于轴的半径；当凸轮与轴分开制造时，ro由下面的经验公式确定：（5-3）式中，r是安装凸轮处轴颈的半径。学习情境五

任务3盘型凸轮结构认知5.4.3滚子半径的确定一般来说，滚子半径增大，对提高接触强度和耐磨性都有利，但是滚子半径的增大要受到凸轮轮廓曲线曲率半径的限制。如图5-14所示，设凸轮理论轮廓曲线的最小曲率半径为ρmin,滚子半径为rT,实际轮廓曲线最小曲率半径为ρa。对于轮廓曲线的内凹部分，有ρa=为ρmin+rT,不论滚子半径rT多大，ρa总大于零，因此总能作出凸轮实际轮廓[图5-14(a)]。对于轮廓曲线的外凸部分，有ρa=ρmin-rT,若ρmin>rT[图5-14(b)],同样可作出凸轮实际轮廓；若ρmin=rT[图5-14(c)],则实际轮廓出现尖点，极易磨损；若ρmin<rT[图5-14(d)],则实际轮廓发生交叉，在加工凸轮时，轮廓上的交叉部分(图中阴影部分)将被切去。凸轮实际轮廓上的尖点被磨损或交叉部分被切去后，都将使滚子中心不在理论轮廓曲线上，这就会造成从动件的运动失真现象。学习情境五

任务3盘型凸轮结构认知【任务实施】学习情境五

任务3盘型凸轮结构认知学习领域机械基础学习情境五凸轮机构学时8学时任务3盘型凸轮结构认知学时2学时作业方式小组分析、个人解答，现场批阅，集体评判1何谓凸轮机构的压力角?设计凸轮机构时，为什么要控制压力角的最大值αmax?作业解答：2凸轮基圆半径的选择与哪些因素有关?作业解答：

39.在设计滚子从动件凸轮机构时，如何确定滚子半径?作业解答：作业评价：班级

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日期【知识目标】1.深入理解盘形凸轮机构的工作原理，清晰掌握凸轮与从动件之间的运动关系，明确凸轮轮廓曲线与从动件运动规律的内在联系。2.熟练掌握不同类型盘形凸轮轮廓曲线的设计方法，包括解析法和作图法的基本原理、步骤和适用范围。

【能力目标】1.培养学生运用所学知识进行盘形凸轮轮廓曲线设计的能力，能够根据给定的从动件运动规律和机构参数，选择合适的设计方法（解析法或作图法）准确地设计出凸轮的轮廓曲线。2.锻炼学生的分析和解决问题的能力，当凸轮轮廓曲线设计出现问题（如压力角过大、运动失真等）时，能够通过分析相关因素，提出合理的改进措施和优化方案。3.增强学生的团队协作能力，通过小组讨论和合作完成一些复杂的盘形凸轮设计项目，培养学生沟通交流、分工协作和共同解决问题的能力。【素质目标】1.培养学生严谨的科学态度和工程思维，在盘形凸轮轮廓曲线设计过程中，注重数据的准确性、方法的合理性和步骤的完整性，培养学生对机械设计工作的认真负责态度。2.提升学生的创新意识和创造力，以满足不同工况下对凸轮机构性能的特殊要求，培养学生的创新精神和开拓能力。3.增强学生的工程实践意识，通过实际的设计案例和项目，让学生了解盘形凸轮轮廓曲线设计在实际工程中的应用和重要性，提高学生将理论知识应用于实践的能力。学习情境五

任务4图解法盘形凸轮轮廓设计【情境导入】

用图解法设计汽车内燃机配气机构对心直动盘形凸轮轮廓曲线。已知凸轮的基圆半径r=机构对心直动盘形凸轮轮扉曲线。已知13mm.行程h=8mm,推程运动角为60,近休止角为220°,远休止角为20°,回程运动角为60°,凸轮顺时针匀速转动，从动件推程和回程中按等加速等减速运动规律运动。学习情境五

任务4图解法盘形凸轮轮廓设计【任务描述】图5-15所示为内燃机的配气机构，配气机构是控制发动机进气和排气的装置。其作用是按照发动机的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，以便在进气行程中，使尽可能多的可燃混合气(汽油机)或空气(柴油机)进入气缸，在排气行程中将废气快速排出气缸，实现换气过程。

机械基仙气门传动组和气门组组成。气门依靠气门弹簧作用力落座，与气门座紧密坐合，保证了气缸的密封性能；曲轴通过皮带、链条或齿轮驱动凸轮轴旋铸特取决于凸轮轴的设计。并(凸轮也可通的瓣杆、摇猾等驱动气门打开)。所以，气门的打开和关闭特性取决于及的设计。学习情境五

任务4图解法盘形凸轮轮廓设计【课程思政】1.介绍我国在机械设计领域的历史成就和现代发展，如古代的各种精密机械装置中蕴含的先进设计思想和技术，以及现代我国在高端装备制造、航空航天等领域中对凸轮机构等关键部件的创新设计和应用，激发学生的民族自豪感和爱国情怀，增强学生为国家机械工业发展贡献力量的责任感。2.在讲解盘形凸轮轮廓曲线设计的过程中，强调工匠精神，培养学生对设计工作的精益求精、追求卓越的品质，让学生明白只有不断钻研和努力，才能设计出高质量的产品。学习情境五

任务4图解法盘形凸轮轮廓设计【相关知识】内燃机配气机构中运用到了凸轮机构，凸轮机构由哪些构件组成?其分类及应用如何?用图解法设计该凸轮机构中的凸轮轮廓曲线，需要了解图解法的设计原理、凸轮机构的工作过程、从动件的运动规律及机构实现预期工作要求的参数。

在确定从动件的运动规律后，就可设计凸轮的轮廓。凸轮轮廓的设计有两种方法。一种是图解法(也叫作图法),这种方法简单直观，可直接得出凸轮的轮廓，但作图有一定误差，设计精度不高。如果细心作图，精确度还是可满足一般工程要求的，因而用图解法设计凸轮在工程上应用较多。另一种是解析法，这种方法精度较高，但设计计算量大，多用于精密或高速凸轮机构的设计中。本节主要介绍图解法设计凸轮轮廓。图解法设计凸轮轮廓的依据是“反转法”原理。即对整个凸轮机构加上一个绕凸轮转动中心O转动且与凸轮角速度。等值反向的公共角速度-ω,此时，凸轮与从动件的相对运动并未改变，但凸轮却静止不动，而从动件一方面随导路一起以等角速度-ω绕0点转动，另一方面仍以原来的运动规律在导路中做相对移动。由于从动件的尖顶始终与凸轮轮廓接触，因此反转后从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线，如图5-16所示。学习情境五

任务4图解法盘形凸轮轮廓设计学习情境五

任务4图解法盘形凸轮轮廓设计在确定从动件的运动规律后，就可设计凸轮的轮廓。凸轮轮廓的设计有两种方法。一种是图解法(也叫作图法),这种方法简单直观，可直接得出凸轮的轮廓，但作图有一定误差，设计精度不高。如果细心作图，精确度还是可满足一般工程要求的，因而用图解法设计凸轮在工程上应用较多。另一种是解析法，这种方法精度较高，但设计计算量大，多用于精密或高速凸轮机构的设计中。本节主要介绍图解法设计凸轮轮廓。图解法设计凸轮轮廓的依据是“反转法”原理。即对整个凸轮机构加上一个绕凸轮转动中心O转动且与凸轮角速度。等值反向的公共角速度-ω,此时，凸轮与从动件的相对运动并未改变，但凸轮却静止不动，而从动件一方面随导路一起以等角速度-ω绕0点转动，另一方面仍以原来的运动规律在导路中做相对移动。由于从动件的尖顶始终与凸轮轮廓接触，因此反转后从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。学习情境五

任务4图解法盘形凸轮轮廓设计5.3.1对心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计已知一基圆半径为r。的对心移动尖顶从动件盘形凸轮机构，其从动件的位移线图如图5-17所示，凸轮以角速度a顺时针转动。试设计该凸轮的轮廓曲线。设计步骤如下：(1)根据已知从动件的运动规律(即位移线图),选定适当比例尺p.作出位移曲线，并将横坐标分段等分，通过各等分点作横坐标的垂线并与位移曲线相交，得到相应的凸轮各转角时从动件的位移11',22',33’,…,如图5-17所示。图5-17对心移动尖顶从动件盘型凸轮机构的设计(2)以基圆半径r₀为半径按所选比例尺μ,作出基圆。(3)在基圆上，任取一点B。作为从动件升程的起始点，由B0开始，沿ω的相反方向将基圆分成与位移线图相同的等份，得各等分点B'1,B'2,B'3,…。连接OB′1,OB'2,OB'3,…,得各径向线并将其延长，则这些径向线即为从动件导路在反转过程中所依次占据的位置。(4)在各条径向线上自B′1,B'₂,B'3,…各点分别截取B₁B′₁=11',B₂B'₂=22',B₃B'₃=33',…,得B₁,B₂,B₃,…各点。将B0,B₁,B₂,B₃,…各点连成光滑曲线，该曲线即为所要设计的对心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线。学习情境五

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任务4图解法盘形凸轮轮廓设计5.3.2偏置移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计已知一偏距为e、基圆半径为r0的偏置移动尖顶从动件盘形凸轮机构，其从动件的位移线图如图5-18(b)所示，凸轮以角速度ω顺时针转动。试设计该凸轮的轮廓曲线。偏置移动尖顶从动件凸轮轮廓的设计步骤与对心移动尖顶从动件凸轮轮廓的设计步骤相似，但由于从动件导路不通过凸轮的转动中心，因此从动件在反转的过程中，其导路线也不通过凸轮的转动中心，而是始终与以凸轮的转动中心为圆心、以偏距e为半径所作的偏距圆相切。根据这一特点，可以得到偏置移动尖顶从动件凸轮轮廓的设计步骤如下：（1）根据已知从动件的运动规律(即位移线图),按选定的比例尺μs.作出位移曲线，并将横坐标分段等分，如图5-18所示（2）以O为圆心，以已知的偏距e、基圆半径r。为半径按所选比例尺μs.作偏距圆和基圆。（3）在基圆上，任取一点B0作为从动件升程的起始点，并过B0作偏距圆的切线，该切线即是从动件导路的起始位置。(4)由B₀开始，沿ω的相反方向将基圆分成与位移线图相同的等份，得各等分点B'1,B'2,B'3,…。过B'1,B'2,B'3,…各点分别作偏距圆的切线并向外延长，则这些切线就是从动件在反转过程中所依次占据的位置。(5)在各条切线上自B'1,B'2,B'3,…各点分别截取B1B'1=11',B2B'2=22',B3B'3=33',…,得B₁,B₂,B₃,…各点。将B0,B₁,B₂,B₃,…各点连成光滑曲线，该曲线即为所要设计的偏置移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线。学习情境五

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