机械设计基础电子教案 项目二常用机构-任务二-凸轮机构的设计

课题授课时数4学时周次教学目标知识目标：（1）掌握凸轮机构的结构、特点、应用及分类。（2）掌握从动件常用运动规律（等速、等加速等减速、简谐运动规律）及其特性。（3）理解反转法原理，掌握图解法绘制凸轮轮廓曲线的方法。（4）了解滚子半径选择、压力角和基圆半径的确定。能力目标：（1）能判断凸轮机构的类型与应用场合。（2）能根据工作要求合理选择从动件运动规律。（3）能用反转法（图解法）绘制盘形凸轮轮廓曲线。（4）能确定凸轮基本尺寸并检验压力角。素质目标：（1）通过凸轮机构在工程和生活中的应用，激发创新热情，培养善于观察身边机械的好习惯。（2）在学习反转法过程中学会逆向思维，提高解决问题的能力。（3）凸轮机构设计需综合运用多方面知识，培养综合素养和知识应用能力。思政目标通过学习“反转法”这一逆向思维方法，引导学生认识到在面对问题时可以从不同角度、甚至相反方向思考，培养创新思维和辩证解决问题的能力。通过凸轮机构从设计到制造的完整过程，让学生体会机械设计中“差之毫厘、谬以千里”的严谨性，培养精益求精、一丝不苟的工匠精神。结合凸轮机构在智能机器人等前沿领域的创新应用，激发学生对新技术的探索热情和科技报国的理想。教学重点（1）凸轮机构的类型及应用场合。（2）从动件常用运动规律及其冲击特性。（3）反转法原理及凸轮轮廓曲线绘制。教学难点（1）图解法绘制凸轮轮廓曲线。（2）凸轮机构压力角与基圆半径的关系。（3）滚子半径的合理选择。投影仪、计算机、PPT课件、黑板、凸轮机构模型、圆规、三角板等绘图工具作业（1）已知推程运动角、回程运动角等参数，绘制从动件位移线图。（2）设计一对心直动滚子从动件盘形凸轮机构，绘制位移线图及凸轮轮廓。教学小结教学过程设计教学组织方法观察内燃机配气机构。分析气门的启闭过程：气门开启怎样实现？由哪些构件组成？启闭过程有什么要求？凸轮是什么形状？在家中还见过哪些凸轮机内燃机气门的启闭由圆盘形凸轮控制，与活塞运动精确配合。凸轮机构由凸轮、从动件和机架三个构件组成，能实现复杂的运动要求。1.组成：凸轮（具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般做等速连续转动）、从动件、机架。2.应用：内燃机配气机构、靠模车削移动凸轮机构、刀具进给槽型凸轮机构、自动机床、轻工/纺织/印刷/包装机械等。3.特点：优点——只要设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件获得任意预期运动，结构简单紧凑、设计方便。缺点——凸轮与从动件为点/线接触易磨损，只宜传力不大；轮廓精度要求高需数控加工；从动件行程不能过大。1.按凸轮形状：盘形凸轮（最基本形式，绕固定轴转动）、移动凸轮（相对机架往复移动）、圆柱凸轮（可获较大行程，属于空间凸轮）。2.按从动件端部形状：尖底从动件（点接触、滑动摩擦、阻力大磨损快，用于低速小载荷仪表）、滚子从动件（线接触、滚动摩擦、阻力小应用最广）、平底从动件（易形成油膜、传力性能好，用于高速场合）。任务驱动法实物/模型观察问题引导讲授法模型演示分类比较法图表归纳教学过程设计教学组织方法3.按从动件运动方式：直动从动件、摆动从动件。4.按保持接触方式：力锁合（靠重力、弹簧力等）、形锁合（靠沟槽等结1.工作过程（以对心尖底直动从动件盘形凸轮为例基圆：以凸轮最小向径rb为半径所作的圆。推程：从动件从最低位置被推到最高位置，对应推程运动角δ₀。远休止：从动件在最高位置静止，对应远休止角δs。回程：从动件从最高位置回到最低位置，对应回程运动角δ₀'。近休止：从动件在最低位置静止，对应近休止角δs'。行程h：从动件推程和回程中移动的距离。2.常用运动规律：（1）等速运动规律：速度恒定，在始末位置速度突变→加速度理论上无穷大→刚性冲击。只用于低速轻载控制机构。实际应用时用圆弧或抛物线过渡以缓和冲击。图示分析法动画演示对比讲解教学过程设计教学组织方法（2）等加速等减速运动规律：前半程等加速、后半程等减速，位移线图为两段抛物线。在0、A、B三处加速度有限突变→柔性冲击。多用于中速中载场合。（3）简谐运动规律（余弦加速度运动规律）：质点在圆周上等速运动在直径上的投影。始末两处加速度有限突变→柔性冲击。适用于中速中载；无停留区间连续往复运动时可用于高速。3.运动规律选择：满足工作要求（如进给用等速）、加工方便（低速用圆弧直线轮廓）、动力特性好（高速以减小惯性力为依据）。1.反转法原理：给整个机构加上一个与凸轮角速度ω大小相等、方向相反的“-ω”角速度，则凸轮相对静止，从动件一方面随导路以“-ω”绕O转动，另一方面按原规律做往复移动。从动件尖底的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线。2.对心直动尖底从动件盘形凸轮轮廓绘制步骤：（1）选比例尺，作从动件s-δ位移线图；（2）以rb为半径作基圆，确定从动件初始位置A0；（3）从OA0开始沿“-ω”方向在基圆上取各运动角，等分得到导路位置（4）在各位置线上自基圆向外量取对应位移，得到尖底各位置点；（5）用曲线板光滑连接各点，即得凸轮轮廓曲线。3.滚子从动件：先绘制滚子中心轨迹（理论轮廓曲线），再以理论轮廓上各点为圆心、滚子半径rr为半径作滚子圆，其内包络线为实际轮廓曲线。理论轮廓与实际轮廓是法向等距曲线。4.平底从动件：求出平底与轴线交点的各位置，过这些点画平底位置线，其包络线为实际轮廓。1.滚子半径rr选择：理论轮廓外凸时，实际曲率半径ρ'=ρmin-rr。应使逐步演示课堂绘图练习讲授与讨论结教学过程设计教学组织方法rr<ρmin（通常rr≤0.8ρmin），否则实际轮廓变尖或交叉导致运动失真。一般取rr≤0.4rb。ρmin过小时可加大rb重新设计或改用尖底从动件。2.压力角α：凸轮对从动件法向力F与从动件速度方向间所夹锐角。α越小传力越好，过大将导致自锁。许用压力角：直动从动件[α]=30°,摆动从动件[α]=45°,回程[α]=70°~80°。可通过加大基圆半径rb减小压力角。3.基圆半径：经验公式rb≥0.9ds+(7~9)mm（ds为凸轮轴直径）。设计后需检验压力角，若α>[α]则增大rb重新设计。4.凸轮机构由凸轮、从动件和机架组成，结构简单可实现任意预期运动，但高副接触易磨损。按凸轮形状分盘形、移动和