學(xué)習(xí)情境3凸輪機(jī)構(gòu)

1、學(xué)習(xí)情境3 凸輪機(jī)構(gòu)主講教師吳明清指導(dǎo)教師授課日期授課班級12模具、機(jī)電學(xué)習(xí)情境任務(wù)4 內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)學(xué)時4能力目標(biāo)1.分析凸輪從動件常用運(yùn)動規(guī)律的能力；2.圖解法設(shè)計(jì)較復(fù)雜程度的凸輪機(jī)構(gòu)。訓(xùn)練項(xiàng)目運(yùn)動副、構(gòu)件、常用機(jī)構(gòu)的表示；繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。知識點(diǎn)凸輪機(jī)構(gòu)的基本類型及其應(yīng)用；從動件的常用運(yùn)動規(guī)律；凸輪機(jī)構(gòu)壓力角、基圓半徑及偏距，滾子半徑。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)1. 從動件的常用運(yùn)動規(guī)律；2. 凸輪機(jī)構(gòu)壓力角、基圓半徑及偏距，滾子半徑。教學(xué)方法任務(wù)驅(qū)動教學(xué)與典型案例講解相結(jié)合教學(xué)準(zhǔn)備課件，黑板，多媒體設(shè)備等。檢測與評價教師評價與學(xué)生自評與互評相結(jié)合；職業(yè)能力(占70%)、職業(yè)素質(zhì)(3

2、0%)；評價成績采用百分制。教案設(shè)計(jì)工作過程工作內(nèi)容課前組織（5min）1 清點(diǎn)學(xué)生人數(shù)；2 檢查授課環(huán)境；3 鏈接多媒體課件。任務(wù)導(dǎo)入（5min）凸輪是具有曲線或曲面輪廓的構(gòu)件，含有凸輪的機(jī)構(gòu)稱為凸輪機(jī)構(gòu)。凸輪機(jī)構(gòu)是一種常用的機(jī)構(gòu)，特別是在自動化機(jī)械中應(yīng)用廣泛。當(dāng)機(jī)器的執(zhí)行構(gòu)件需要按一定的位移、速度和加速度規(guī)律運(yùn)動時，尤其是當(dāng)執(zhí)行構(gòu)件需要作間歇運(yùn)動時，這種情況下最簡單的解決方法就是采用凸輪機(jī)構(gòu)。凸輪機(jī)構(gòu)是將凸輪(主動件)的連續(xù)轉(zhuǎn)動或移動，轉(zhuǎn)化為從動件的往復(fù)移動或擺動，是一種常見的高副機(jī)構(gòu)，只要設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞€，就可以使從動件實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動規(guī)律。如下圖一內(nèi)燃機(jī)，用作圖法設(shè)計(jì)其配氣機(jī)構(gòu)凸

3、輪軸的凸輪輪廓，此凸輪機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)動，從動件的運(yùn)動規(guī)律見下表。 凸輪轉(zhuǎn)角j0°180°180°210°210°300°300°360°從動件的運(yùn)動規(guī)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(nèi)燃機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)模型資訊（60min）2.1凸輪機(jī)構(gòu)的類型及應(yīng)用凸輪機(jī)構(gòu)的類型很多，通?？砂赐馆喌男螤?、從動件端部的結(jié)構(gòu)、從動件的運(yùn)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(jié)構(gòu)分類

4、按照從動件端部的結(jié)構(gòu)，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(yùn)動形式分類從動件可相對于機(jī)架作往復(fù)移動或擺動，因此，按照從動件的運(yùn)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(yùn)動副中兩個構(gòu)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(jī)構(gòu)的特點(diǎn)與其它機(jī)構(gòu)相比，凸輪機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、設(shè)計(jì)簡單，只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可得到從動件所需的運(yùn)動規(guī)律。 缺點(diǎn)：凸輪與從動件屬高副接觸，壓強(qiáng)大，易磨損。適用于傳力不大的控制機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中。巡回指導(dǎo)檢查，及時解答學(xué)生疑問。2.2 凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)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(jī)構(gòu)為例，說明凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程和基本參數(shù)。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(diǎn)接觸時的情況。此時從動件位于距離凸輪轉(zhuǎn)動中心O最近的位置，也是從動件開始上升運(yùn)動時的起始點(diǎn)。凸輪逆時針轉(zhuǎn)動時， 向徑增大，從動件被凸輪輪廓推向上運(yùn)動，到達(dá)向徑最大的B點(diǎn)時，從動件距凸輪軸心最遠(yuǎn)，這一過程稱為推程，又稱升程。與之對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角j0稱為推程運(yùn)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(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)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(yuǎn)處不動，此過程稱

6、為遠(yuǎn)休止，又稱遠(yuǎn)停程，對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角j1稱為遠(yuǎn)休止角或遠(yuǎn)停程角。當(dāng)凸輪又繼續(xù)轉(zhuǎn)過j2角時，凸輪向徑由最大減至rb，從動件從最遠(yuǎn)處回到基圓上的D點(diǎn)，此過程稱為回程，對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角j2稱為回程運(yùn)動角，簡稱回程角。當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)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(xù)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(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角j3稱為近休止角或近停程角。由以上分析可知，凸輪轉(zhuǎn)過一圈，機(jī)構(gòu)完成一個工作循環(huán)。在凸輪機(jī)構(gòu)的一個運(yùn)動循環(huán)中，凸輪以等角速度轉(zhuǎn)動一周，從動件則完成一個“升停降?！钡倪\(yùn)動循環(huán)，而且凸輪的轉(zhuǎn)角存在著下面的關(guān)系： j0+j1+j2+j3 =2p （4- 1）2.3

7、從動件的運(yùn)動規(guī)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(biāo)，對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角j為橫坐標(biāo)（因凸輪通常等角速度轉(zhuǎn)動，故也可以時間作為橫坐標(biāo)），將凸輪轉(zhuǎn)角或時間與對應(yīng)的從動件位移之間的函數(shù)關(guān)系用曲線表達(dá)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(zhuǎn)動，因此在凸輪運(yùn)動的任意瞬時，凸輪的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)動時間t成線性關(guān)系， 即j=t。 從動件的運(yùn)動規(guī)律指從動件在運(yùn)動過程中，其位移s、速度v、加速度a隨時間t（或凸輪轉(zhuǎn)角）的變化規(guī)律。對于直動從動件來說，存在著如下的函數(shù)關(guān)系： s =s(j) v=v(j) （4- 2） a=a(j)從動件常用的運(yùn)動規(guī)律1)等速運(yùn)

8、動規(guī)律 從動件推程或回程的運(yùn)動速度為常數(shù)的運(yùn)動規(guī)律，稱為等速運(yùn)動規(guī)律。從動件推程時的位移方程可表達(dá)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(yùn)動規(guī)律 從動件在一個行程中，前半行程作等加速運(yùn)動，后半行程作等減速運(yùn)動，這種運(yùn)動規(guī)律稱為等加速等減速運(yùn)動規(guī)律。從動件推程時的位移方程可表達(dá)如下：前半行程： （4- 4）后半行程 ： （4- 5）3)簡諧運(yùn)動規(guī)律（余弦加速度運(yùn)動規(guī)律）當(dāng)一質(zhì)點(diǎn)在圓周上作勻速運(yùn)動時，它在該圓直徑上投影的運(yùn)動規(guī)律稱為簡諧運(yùn)動。因其加速度運(yùn)動曲線為余弦曲線故也稱余弦加速度運(yùn)動規(guī)律，從動件的加速度為1/2個周期的余弦曲線，其運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動線圖如圖4-12所

9、示。從動件推程時的位移方程可表達(dá)為： （4- 6）從動件運(yùn)動規(guī)律的選擇在選擇從動件運(yùn)動規(guī)律時，首先應(yīng)滿足機(jī)構(gòu)的工作要求，同時要考慮使凸輪機(jī)構(gòu)具有良好的工作性能。在滿足工作要求的前提下，還應(yīng)考慮凸輪輪廓曲線的加工制造。在選擇從動件運(yùn)動規(guī)律時，一般應(yīng)從機(jī)構(gòu)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(yùn)動規(guī)律的特性進(jìn)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(yīng)用。設(shè)計(jì)時，為了提高滾子的強(qiáng)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(dāng)rT<min時，實(shí)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(dāng)rT>min，時，按包絡(luò)原理畫出的實(shí)際輪廓線即出現(xiàn)交叉現(xiàn)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(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動規(guī)律，即運(yùn)動失真。(3) 若rT=min，凸輪的實(shí)際輪廓線就會產(chǎn)生尖點(diǎn)，如圖4-21(c)所示，這樣的凸輪在工作時，尖點(diǎn)的接觸應(yīng)力很大，易于磨損，當(dāng)凸輪工作一段時間后也會引起運(yùn)動的失真。設(shè)計(jì)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(qiáng)度要求時，應(yīng)加大凸輪的基圓半徑，重新設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線。2.4凸

11、輪機(jī)構(gòu)的壓力角及其校核 2.4.1 壓力角及許用值 設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)在推程中的受力情況。 若不計(jì)摩擦，凸輪給予從動件的力F將沿接觸點(diǎn)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(yùn)動方向和垂直于從動件的運(yùn)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(guān)系如圖4-22所示，有F1=Fcos，F(xiàn)2=Fsin。從動件的運(yùn)動方向與力F之間所夾的銳角稱為壓力角。圖4-22 凸輪機(jī)構(gòu)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(jìn)行校核。對凸輪輪廓線最大壓力角的檢驗(yàn)，可在

12、凸輪輪廓坡度較陡的地方（壓力角較大處）選幾個點(diǎn)，然后作這些點(diǎn)的法線和相應(yīng)的從動件運(yùn)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(dǎo)致凸輪尺寸增大，因此基圓半徑也是凸輪設(shè)計(jì)的一個重要參數(shù)，它對凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸、體積、重量、受力狀況和工作性能等都有重要影響。設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時，一般先根據(jù)機(jī)構(gòu)的布局和結(jié)構(gòu)初步確定基圓半徑。若對機(jī)構(gòu)的體積沒有嚴(yán)格要求時，可取較大的基圓半徑，以便減小壓力角，使機(jī)構(gòu)具有良好的受力條件；若要求機(jī)構(gòu)體積小、結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)時要兼顧受力狀況和

13、結(jié)構(gòu)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(jīng)驗(yàn)公式確定 (4-11)式中，凸輪軸的直徑。2.6 凸輪機(jī)構(gòu)的常用結(jié)構(gòu) 凸輪的結(jié)構(gòu) (1) 凸輪軸式。當(dāng)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(dāng)凸輪尺寸較小、無特殊要求或不經(jīng)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(jī)構(gòu)的凸輪或經(jīng)常調(diào)整輪廓形狀的凸輪，常采用凸輪與輪轂分開的組合式結(jié)構(gòu)。 滾子的結(jié)構(gòu)滾子的結(jié)構(gòu)形式必須保證滾子能靈活自由地轉(zhuǎn)動。通常采用如圖4-28所示的裝配結(jié)構(gòu)。計(jì)劃與決

14、策（5min）對學(xué)生分組，各小組展開討論。對各小組制定的設(shè)計(jì)方案檢查討論，確定合理性，不合理的修改。1.進(jìn)行自愿分組。2.學(xué)習(xí)相關(guān)知識。3.明確工作思路。4.討論任務(wù)實(shí)施注意事項(xiàng)。5.完成任務(wù)。6.檢查評價。實(shí)施（30min）圖解法繪制凸輪輪廓曲線的原理是“反轉(zhuǎn)法”，即在整個凸輪機(jī)構(gòu)（凸輪、從動件、機(jī)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(jī)架（導(dǎo)路）一起以角速度（w）繞凸輪轉(zhuǎn)動，且從動件仍按原來的運(yùn)動規(guī)律相對導(dǎo)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(zhuǎn)行程中，使其滿足既定的運(yùn)動規(guī)律，那么其尖頂?shù)倪\(yùn)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(yùn)動軌跡就是凸輪的理論輪廓曲線，凸輪的實(shí)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(zhuǎn)法原理對心直動指直動從動件的軸線通過凸輪的轉(zhuǎn)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(wù)設(shè)計(jì)思路： （1）選取適當(dāng)比例尺作位移線圖。在橫坐標(biāo)上將推程角180°進(jìn)行4等分、對回程角90°進(jìn)行4等分，得分點(diǎn)1、2、9，休止不必取分點(diǎn)；在縱軸上按長度比例尺據(jù)已知運(yùn)動規(guī)律作位移線圖，如圖4-15（b）所示。（2）

16、作基圓取分點(diǎn)。任取一點(diǎn)O為圓心，以點(diǎn)C0為從動件尖頂?shù)淖畹忘c(diǎn)，由長度比例尺取rb=35mm作基圓。從C0點(diǎn)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(yīng)的相同等分，得分點(diǎn)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(zhuǎn)過程中依次對應(yīng)的位置。然后在各向徑延長線上量取與位移線圖相對應(yīng)位置的從動件的位移量，即C1B1=11、C2B2=22、.C9B9=99，得反轉(zhuǎn)后尖頂?shù)囊幌盗形恢肂1 、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(xué)生自評與互評相結(jié)合。對學(xué)習(xí)行為進(jìn)行差異評價和激勵評價。評定形式比例評定內(nèi)容評定標(biāo)準(zhǔn)得分自我評定20%1.學(xué)習(xí)工作態(tài)度 5分2.完成任務(wù)情況 5分3.出勤情況 5分4.獨(dú)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(qiáng)【5】；一般【3】；不強(qiáng)【1】小組評定30%1.學(xué)習(xí)工作責(zé)任意識 5分2.收集材料、調(diào)研能力 5分3.匯報、交流、溝通能力 10分4.團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神 10分強(qiáng)【5】；一般【3】；不強(qiáng)【0】強(qiáng)【5】；一般【3】；不強(qiáng)【1】強(qiáng)【10】；一般【6】；不強(qiáng)【2】強(qiáng)【10】；一般【6】；不強(qiáng)【2】教師評定50

18、%1.集體學(xué)習(xí)工作過程狀態(tài) 10分2.計(jì)劃制定、執(zhí)行情況 10分3.任務(wù)完成情況 15分4.項(xiàng)目學(xué)習(xí)、實(shí)訓(xùn)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(wù)拓展拓展任務(wù)一：設(shè)計(jì)一對心直動滾子從動件盤形凸輪輪廓，已知條件同源任務(wù)。解：該凸輪輪廓設(shè)計(jì)步驟為：圖4-16 對心直動滾子從動件盤形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)（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(diǎn)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(nèi)包絡(luò)線，即得到凸輪的實(shí)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(wù)二：試設(shè)計(jì)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(zhuǎn)過程中，其導(dǎo)路中心線始終與凸輪軸心O保持偏距e。該凸輪輪廓的設(shè)計(jì)步驟如下：（1）按照例4.1中的設(shè)計(jì)方法，選取適當(dāng)?shù)谋壤?，作出其運(yùn)動規(guī)律線圖，如圖4-15（b）所示。（2）任取一點(diǎn)O為圓心，以偏距e為半徑，作偏距圓與從動件導(dǎo)路中心線相切。（3）以O(shè)為圓心，以rb為半徑作基圓，基圓與導(dǎo)路中心線的交點(diǎn)C0為從動件尖頂?shù)淖畹忘c(diǎn)，與從動件的初始位置B0重合。從C0點(diǎn)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(yīng)的相同等分，得分點(diǎn)C1 、C2、C9。（4）過這些點(diǎn)作偏距圓的切線，得到反轉(zhuǎn)后從動件導(dǎo)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(yīng)位置的從動件的位移量，即