《机械基础(多学时)》教学讲义 单元五课题二(1)

【课题】凸轮机构（1）
【教材版本】
【教学目标】
1. 掌握凸轮机构的组成、特点、分类和应用。

【教学重点、难点】
教学重点：
1.凸轮机构的组成、特点。

教学难点：
1.凸轮机构的分类。

【教学媒体及教学方法】
借助于多媒体课件，将静态的图形直观展示；通过教师的讲解、学生的观察、分析、讨论，师生充分互动，采用大量联系实际的案例，调动学生的学习积极性，培养学生观察分析、自主探究的能力，使全体学生在合作学习中都能有所收获。

【课时安排】
2课时（45分钟×2）
【教学建议】
教学中应交替使用教材、实物和图片。

根据学生基本情况及学习本次内容后的总体反应，使用不同的教学方法，加强和学生的互动，使学生积极地参与到教学活动中来。

【教学过程】
任务导入（5分钟）
内燃机，是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。

通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。

活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。

活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其汽缸内燃烧，释放出的热能使汽缸内产生高温高压的燃气。

燃气膨胀推动活塞作功，再通过凸轮机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作（见图5-2-1）。

图5-2-1 内燃机凸轮机构
试一试
使用实际的凸轮机构模型让同学们体验凸轮机构运动的形式。

想一想
各种形式的凸轮传动有什么区别？
新课讲授（75分钟）
1. 凸轮机构的组成、特点、分类和应用
1.1 凸轮机构的组成、特点及应用
凸轮机构通常由凸轮、从动件和机架组成。

凸轮机构的功用是将凸轮的连续转动或移动转换为从动件的连续或不连续的移动或摆动。

凸轮机构的主要优点是：便于准确地实现给定的运动规律和轨迹；结构简单紧凑，易于设计。

其缺点是：凸轮与从动件以点或线接触，不便于润滑，易磨损；凸轮加工制造复杂。

因此，凸轮机构多用于需要实现特殊运动规律而传力不大的场合。

图5-2-2所示为内燃机配气机构。

凸轮1作等速转动，依靠凸轮的轮廓，可以迫使从动阀杆2上下移动，按给定的配气要求启闭阀门。

图5-2-3所示为靠模车削机构。

工件作回转运动，拖板带动刀架沿凸轮靠模1的轮廓运动，同时从动件2推动刀架径向运动，从而使刀刃走出工作外形轮廓的轨迹。

图5-2-4所示为自动送料机构。

带凹槽的圆柱凸轮1等速转动，槽中的滚子带动从动件2往复移动，将工件推至指定位置，完成自动送料任务。

图5-2-2 配气机构图5-2-3 靠模车削机构
图5-2-4 自动送料机构
1.2 凸轮机构的分类
（1）按凸轮形状分
①盘形凸轮如图5-2-2所示；
②板状凸轮如图5-2-3所示；
③圆柱凸轮如图5-2-4所示。

（2）按从动件末端形状分
①尖顶从动件如图5-2-5a所示，它以尖顶与凸轮接触，由于是点接触，又是滑动摩擦，所以磨损大，只限于传递运动，不宜传递动力。

②滚子从动件如图5-2-5b所示，它以滚子和凸轮接触，由于是线接触，又是滚动摩擦，所以磨损较小。

③平底从动件如图5-2-5c所示，它以平底与凸轮接触，由于平面与凸轮轮廓之间有楔形空间，便于
形成油膜，可以减少摩擦和磨损。

但驱动平底从动件的凸轮的轮廓曲线不允许呈凹形，因而运动规律的实现受到一定限制。

a．尖顶从动件 b. 滚子从动件 c. 平底从动件
图5-2-5 从动件末端结构型式
（3）按从动件运动形式分
①直动从动件如图5-2-5所示；
②摆动从动件如图5-2-6所示的各种形式。

a．尖顶式 b. 滚子式 c. 平底式
图5-2-6 摆动从动件结构
2. 凸轮机构从动件的常用运动规律、压力角
2.1 凸轮与从动件的运动关系
在凸轮机构中，从动件的运动规律是由凸轮轮廓曲线来实现的。

图5-2-7a所示为尖顶直动从动件盘形凸轮机构，其运动过程及有关参数如下：
(1) 凸轮基圆半径
以凸轮轮廓最小向径r b作圆，该圆称为凸轮基圆，r b为基圆半径。

(2) 初始位置
如图5-2-7a所示位置，从动件尖顶点与凸轮A点接触，A点为基圆与开始上升的凸轮轮廓曲线的交点，称为初始位置。

（3）推程及推程运动角δ0
凸轮从A点开始以角速度ω转过δ0，从动件由初始位置到达最远位置Bˊ，这个过程称为推程，相对应的凸轮转角δ0称为推程运动角。

在推程中，从动件距凸轮轴心最近位置A到最远位置Bˊ的距离h称为行程。

（4）远休止角δs
凸轮继续回转δs角，凸轮轮廓BC与从动件接触，由于BC是以O为中心的圆弧，故从动件停留在凸轮最远处，因此，转角δs称为远休止角。

（5）回程和回程运动角δ0ˊ
凸轮继续回转δ0ˊ角，从动件在弹簧或重力的作用下回到最低点D，这个过程称为回程，相对应的凸轮转角δ0ˊ称为回程运动角。

（6）近休止角δsˊ
凸轮继续回转δsˊ角，凸轮基圆轮廓DA与从动件接触，从动件停留在凸轮最近处，因此δsˊ称为近休
止角。

凸轮继续回转，从动件将重复上述的升—停—降——停的运动过程。

一般，推程是凸轮机构的工作行程，回程是空回行程，推程和回程在凸轮机构运动中是必有的，而远休止角和近休止角则根据工作需要而定。

a ． b.
c ． d.
图5-2-7 凸轮机构的运动分析 2.2 等速运动规律
凸轮以等角速度ω回转时，从动件上升或下降的速度为常数V0，这就是等速运动规律。

由物理学可知，从动件作等速运动时，它的位移S 与时间t 的关系为
s=V 0t
凸轮的转角δ与时间的关系为
δ=ωt
由两式消去t 可得 s= 0V δ
由上式可知位移线图（s-δ线图）为一斜直线，如图5-2-8a 所示；由于速度为常数V 0，因此速度线图为一水平线，如图5-2-8b 所示；由于从动件匀速运动，加速度为零，图5-2-8c 所示为加速度线图。

a. b. c.
图5-2-8 等速运动规律
从加速度线图中可以看到，在0、1两个位置由于从动件的速度发生突变，因而理论上在此两点处的加速度趋于无穷大，从动件的惯性力也趋于无穷大，将会引起巨大冲击。

这种因速度变而引起的冲击称为刚性冲击。

周期性的刚性冲击，会引起振动，损坏机构，影响机构的正常工作。

因此，等速运动规律的凸轮机构，只适用于低速和从动件惯性质量小的场合。

2.3 等加速等减速运动规律
为了避免刚性冲击，常采用等加速等减速运动规律。

这种运动规律是将整个行程h 分为两段，前半段（h/2）为等加速运动，后半段（h/2）为等减速运动，其加速度的绝对值相等。

设从动件在推程的加速运动中的加速度为常数a 0，则其位移表达式为 2021t a s = 凸轮的转角δ为
δ=ωt
由两式消去t 得
2202δω
a s = 由上式可知,位移线图是二次抛物线。

作图方法如图5-2-9a 所示，将δ0，h 对分后，再将δ0/2、h/2分成若干等分（图中为三等分）,得1、2、3和1ˊ、2ˊ、3ˊ等点,连接01ˊ、02ˊ、03ˊ直线，它们分别与过1、2、3的垂直线相交，最后将各交点用光滑的曲线连接，该曲线即为等加速上升时的抛物线，用同样的方法作出等减速上升时的抛物线；速度线图应为两条倾斜的直线，如图5-2-9
b 所示；由于加速度为常数a 0,因此加速度线图为上下两条水平线，如图5-2-9
c 所示。

a. b. c.
图5-2-9 等加速等减速运动规律 从加速度线图中可以看出，在0、3、6处加速度也发生突变，也会引起惯性冲击，但惯性力是一个有限值，这种冲击称为柔性冲击。

因此等加速等减速运动多用于中速轻载的场合。

凸轮从动件运动规律还有简谐运动规律、摆线运动规律等。

学习评价及作业（10分钟）
1、学习评价
充分体现学生在教学中的主体地位。

通过学生的自我评价，使其能够进行客观地自我反思，清晰地认识自我、自我总结的一个过程；通过小组评价，可以使学生更加注重小组的团结协作、互相学习，加强团队意识；通过教师评价，体现教师在教学中的另一主体地位，引导教学的方向和进程，指导学生掌握学习方法，学会探索、发现规律，同时，培养能力强的学生积极思考，主动探究；激励能力弱的学生认真观察，积极参与，以提高教学效果。

2、课堂小结
简要小结本次课程的内容（学生归纳，老师点晴并指出需要注意的问题）。

3、布置作业：。