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项目2 凸轮机构设计1．教学目标（1）了解凸轮机构的分类及应用；（2）了解推杆常用运动规律的选择原则；（3）掌握在确定凸轮机构的基本尺寸时应考虑的主要问题；（4）能根据选定的凸轮类型和推杆运动规律设计凸轮的轮廓曲线。
2．教学重点和难点（1）推杆常用运动规律特点及选择原则；（2）盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线的设计；（3）凸轮基圆半径与压力角及自锁的关系。
难点：“反转法原理”与压力角的概念。
3．讲授方法多媒体课件4．讲授时数8学时任务一凸轮机构的应用【任务导入】凸轮机构是由凸轮、从动件、机架以及附属装置组成的一种高副机构。
其中凸轮是一个具有曲线轮廓的构件，通常作连续的等速转动、摆动或移动。
从动件在凸轮轮廓的控制下，按预定的运动规律作往复移动或摆动。
受奥拓汽车零部件制造有限公司委托带领学员分析汽车内燃机凸轮机构的工作过程。
【任务分析】在各种机器中，为了实现各种复杂的运动要求，广泛地使用着凸轮机构，汽车机构也不例外，如图2.1是汽车内燃机凸轮机构的工作简图。
【力学知识】平面汇交力系的简化与平衡方程按照力系中各力的作用线是否在同一平面内，可将力系分为平面力系和空间力系。
若各力作用线都在同一平面内并汇交于一点，则此力系称为平面汇交力系。
按照由特殊到一般的认识规律，我们先研究平面汇交力系的简化与平衡规律。
设刚体上作用有一个平面汇交力系F 1、F 2、…、F n ，各力汇交于A 点（图2.2a ）。
根据力的可传性，可将这些力沿其作用线移到A 点，从而得到一个平面共点力系（图2.2b ）。
故平面汇交力系可简化为平面共点力系。
连续应用力的平行四边形法则，可将平面共点力系合成为一个力。
在图2.3b 中，先合成力F 1与F 2（图中未画出力平行四边形），可得力F R1，即 F R1＝F 1+ F 2；再将F R1与F 3合成为力F R2，即F R2＝F R1+ F 3；依此类推，最后可得F R ＝F 1+ F 2+…+ F n ＝∑F i （2－1）式中 F R 即是该力系的合力。
第5章凸轮机构（一）教学要求1．了解凸轮机构的工作原理2．掌握常用从动件运动规律及特性3．掌握盘形凸轮轮廓的设计4．了解凸轮机构的尺寸的确定（二）教学的重点与难点1．凸轮的工作原理2．用反转法设计凸轮轮廓3．凸轮的尺寸对其机构的影响（三）教学内容5.1概述5.1.1 概念1．凸轮机构的组成：凸轮是由从动件、机架、凸轮三部分组成的高幅机构。
2．凸轮：是一种具有曲线轮廓或凹糟的构件，它通过与从动什的高副接触，在运动时可以使从动件获得连续或不连续的任意预期运动。
3．特点：结构相当简单，只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现任何预期的运动规律。
但另一方面，由于凸轮机构是高副机构，易于磨损，因此只适用于传递动力不大的场合。
4．凸轮机构的应用例：内燃机配气机构（如下图所示）靠模车削机构（如下图所示）自动送料机构（如下图所示）分度转位机构（如下图所示）5.1.2 凸轮机构的分类1、按照凸轮的形状分为：(1)盘形凸轮凸轮中最基本的形式。
凸轮是绕固定铂转动且向径变化的盘形零件，凸轮与从动件互作平面运动，是平面凸轮机构。
(2)移动凸轮可看作是回转半径无限大的盘形凸轮，凸轮作往复移动，是平面凸轮机构。
(3)圆柱凸轮可看作是移动凸轮绕在圆柱体上演化而成的，从动件与凸轮之间的相对运动为空间运动，是一种空间凸轮机构。
(4)曲面凸轮当圆柱表面用圆弧面代替时，就演化成曲面凸轮，它也是一空间凸轮机构。
2、按锁合方式的不同凸轮可分为：(1)力锁合凸轮，如靠重力、弹簧力锁合的凸轮等；(2)几何锁合凸轮，如沟槽凸轮、等径及等宽凸轮、共轭凸轮等。
3、按从动件型式分为：(1)尖顶从动件(2)滚子从动件(3)平底从动件根据从动件运动型式不同分为直动从动件和摆动从动件。
5.1.3 凸轮和滚子的材料凸轮机构的主要失效形式：磨损和疲劳点蚀要求凸轮和滚子的工作表面硬度高、耐磨并且有足够的表面接触强度。
对于经常受到冲击的凸轮机构还要求凸轮芯部有较强的韧性。
机械设计对心直动滚子从动件盘形凸轮的设计摘要：本文主要介绍了机械设计中心直动滚子从动件盘形凸轮的设计，包括设计原理、设计方法、设计流程和设计实例等内容。
通过本文的学习，读者可以了解到机械设计中心直动滚子从动件盘形凸轮的设计技术，从而为机械设计工作提供参考和借鉴。
关键词：机械设计；中心直动滚子从动件；盘形凸轮；设计一、引言在机械设计中，中心直动滚子从动件盘形凸轮是一种常见的传动机构，其主要作用是将旋转运动转换为直线运动。
因此，对于机械设计师来说，掌握中心直动滚子从动件盘形凸轮的设计技术是非常重要的。
本文将介绍机械设计中心直动滚子从动件盘形凸轮的设计原理、设计方法、设计流程和设计实例等内容，希望能为机械设计工作者提供参考和借鉴。
二、设计原理中心直动滚子从动件盘形凸轮的设计原理是利用凸轮的轮廓形状，使滚子在其上滚动，从而实现直线运动。
具体来说，凸轮的轮廓形状可以是圆弧、椭圆、抛物线等，而滚子的数量和大小则根据实际需要进行设计。
在运动过程中，凸轮的轮廓形状决定了滚子的运动轨迹，而滚子的直线运动则通过滑块和导轨等部件实现。
因此，在设计中心直动滚子从动件盘形凸轮时，需要考虑凸轮的轮廓形状、滚子的数量和大小以及滑块和导轨等部件的设计。
三、设计方法中心直动滚子从动件盘形凸轮的设计方法主要包括以下几个步骤：1. 确定传动比和运动要求：首先需要确定传动比和运动要求，包括传动比、滚子数量和大小、滑块和导轨的设计等。
2. 计算凸轮的轮廓形状：根据运动要求和传动比，计算出凸轮的轮廓形状。
具体来说，可以利用数学模型或计算机模拟等方法进行计算。
3. 设计滑块和导轨：根据凸轮的轮廓形状和滚子的运动轨迹，设计滑块和导轨等部件。
其中，滑块的设计需要考虑其密封性、耐磨性和承载能力等因素。
4. 完善设计：在完成初步设计后，需要进行完善设计，包括进行力学分析、动态模拟和优化设计等。
同时，还需要考虑制造工艺、材料选择和装配等问题。
四、设计流程中心直动滚子从动件盘形凸轮的设计流程主要包括以下几个步骤：1. 确定传动比和运动要求：首先需要确定传动比和运动要求，包括传动比、滚子数量和大小、滑块和导轨的设计等。
机械基础凸轮机构教案第一章：凸轮机构概述1.1 凸轮机构的定义凸轮机构是由凸轮、从动件和机架组成的机械传动机构。
凸轮是具有曲线轮廓或凹槽的旋转构件，用于转换转动运动为线性或其他形式的运动。
1.2 凸轮的分类按形状分类：盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮等。
按工作原理分类：正凸轮、逆凸轮、复合凸轮等。
1.3 凸轮机构的特点和应用特点：简单、紧凑、易于控制和调节。
应用：印刷机械、包装机械、机床、汽车等。
第二章：凸轮的轮廓设计2.1 凸轮轮廓的基本参数基圆半径：凸轮与从动件接触点的圆的半径。
顶圆半径：凸轮最高点或最低点的圆的半径。
工作圆半径：凸轮轮廓的最小圆的半径。
2.2 凸轮轮廓的计算按运动规律计算：正弦、余弦、直线等运动规律。
按压力角计算：凸轮轮廓的压力角与基圆压力角的关系。
2.3 凸轮轮廓的设计方法按运动要求设计：确定凸轮的升程、降程和回程。
按力学要求设计：计算凸轮的强度和刚度。
按加工要求设计：选择合适的加工方法和刀具。
第三章：凸轮机构的从动件设计3.1 从动件的分类和特点按形状分类：摆动从动件、直线从动件、滚子从动件等。
按驱动方式分类：曲柄摇杆机构、摆线机构、蜗轮蜗杆机构等。
3.2 从动件的设计要点确定从动件的运动规律和运动要求。
选择合适的从动件形状和尺寸，满足力学和运动要求。
考虑从动件与凸轮的接触条件和磨损情况。
3.3 从动件的设计实例以摆动从动件为例，介绍其设计步骤和注意事项。
分析不同形状和尺寸的从动件对凸轮机构性能的影响。
第四章：凸轮机构的动力特性4.1 凸轮机构的压力角和啮合角压力角：凸轮和从动件接触点处的压力角。
啮合角：凸轮和从动件啮合点处的啮合角。
4.2 凸轮机构的动态特性冲击和振动：凸轮和从动件的接触冲击和振动。
传动误差：凸轮和从动件的啮合误差。
4.3 凸轮机构的动力分析和优化分析凸轮机构的动力特性对整个机械系统的影响。
优化凸轮的形状和参数，减小冲击和振动，提高传动效率。
第五章：凸轮机构的应用实例5.1 印刷机械中的凸轮机构介绍印刷机械中凸轮机构的作用和应用。
第6章 凸轮机构1．教学目标（1）了解凸轮机构的分类及应用；（2）了解推杆常用运动规律的选择原则；（3）掌握在确定凸轮机构的基本尺寸时应考虑的主要问题；（4）能根据选定的凸轮类型和推杆运动规律设计凸轮的轮廓曲线。
2．教学重点和难点（1）推杆常用运动规律特点及选择原则；（2）盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线的设计；（3）凸轮基圆半径与压力角及自锁的关系。
难点：“反转法原理”与压力角的概念。
3．讲授方法多媒体课件4．讲授时数8学时6.1 凸轮机构的应用及分类6.1.1凸轮机构的应用凸轮机构是由凸轮、从动件、机架以及附属装置组成的一种高副机构。
其中凸轮是一个具有曲线轮廓的构件，通常作连续的等速转动、摆动或移动。
从动件在凸轮轮廓的控制下，按预定的运动规律作往复移动或摆动。
在各种机器中，为了实现各种复杂的运动要求，广泛地使用着凸轮机构。
下面我们先看两个凸轮使用的实例。
图6.1所示为内燃机的配气凸轮机构，凸轮1作等速回转，其轮廓将迫使推杆2作往复摆动，从而使气门3开启和关闭（关闭时借助于弹簧4的作用来实现的），以控制可燃物质进入气缸或废气的排出。
图6.2所示为自动机床中用来控制刀具进给运动的凸轮机构。
刀具的一个进给运动循环包括：1）刀具以较快的速度接近工件；2）刀具等速前进来切削工件；3）完成切削动作后，刀具快速退回；4）刀具复位后停留一段时间等待更换工件等动作。
然后重复上述运动循环。
这样一个复杂的运动规律是由一个作等速回转运动的圆柱凸轮通过摆动从动件来控制实现的。
其运动规律完全取决于凸轮凹槽曲线形状。
由上述例子可以看出，从动件的运动规律是由凸轮轮廓曲线决定的，只要凸轮轮廓设计得当，就可以使从动件实现任意给定的运动规律。
同时，凸轮机构的从动件是在凸轮控制下，按预定的运动规律运动的。
这种机构具有结构简单、运动可靠等优点。
但是，由于是高副机构接触应力较大，易于磨损，因此，多用于小载荷的控制或调节机构中。
6.1.2 凸轮机构的分类根据凸轮及从动件的形状和运动形式的不同，凸轮机构的分类方法有以下四种：1．按凸轮的形状分类（1）盘形凸轮：如图6.1所示，这种凸轮是一个具有变化向径的盘形构件，当他绕固定轴转动时，可推动从动件在垂直于凸轮轴的平面内运动。
机械设计基础第五章凸轮机构学习教案教案内容：一、教学内容：本节课的教学内容选自机械设计基础第五章，主要涉及凸轮机构的相关知识。
教材的章节包括：凸轮机构的组成、分类、工作原理及其设计方法。
具体内容有：凸轮的形状、凸轮的运动规律、凸轮机构的压力角、基圆半径的计算、凸轮轮廓曲线的绘制等。
二、教学目标：1. 使学生了解凸轮机构的组成和分类，理解凸轮的工作原理。
2. 使学生掌握凸轮的运动规律，能够进行凸轮的设计和计算。
3. 培养学生的动手能力，学会绘制凸轮轮廓曲线。
三、教学难点与重点：重点：凸轮机构的组成、分类、工作原理及其设计方法。
难点：凸轮的运动规律的计算和凸轮轮廓曲线的绘制。
四、教具与学具准备：教具：黑板、粉笔、多媒体教学设备。
学具：教材、笔记本、尺子、圆规、橡皮擦。
五、教学过程：1. 实践情景引入：观察生活中常见的凸轮机构，如洗衣机脱水装置、汽车雨刷等，引导学生思考凸轮机构的作用和原理。
2. 知识讲解：讲解凸轮机构的组成、分类、工作原理及其设计方法。
3. 例题讲解：分析典型凸轮机构的设计案例，讲解凸轮的运动规律的计算和凸轮轮廓曲线的绘制。
4. 随堂练习：让学生动手绘制简单的凸轮轮廓曲线，巩固所学知识。
六、板书设计：凸轮机构1. 组成：凸轮、从动件、支撑件2. 分类：盘形凸轮、圆柱凸轮、球形凸轮3. 工作原理：凸轮的运动规律1. 线速度与角速度2. 加速度与减速度3. 压力角与基圆半径凸轮轮廓曲线的绘制七、作业设计：1. 题目：设计一个盘形凸轮，使其能够实现某个特定的动作。
答案：根据动作要求，计算凸轮的参数，绘制凸轮轮廓曲线。
2. 题目：计算一个给定参数的凸轮的运动规律。
答案：根据凸轮的参数，计算出线速度、角速度、加速度、减速度等运动规律。
八、课后反思及拓展延伸：本节课通过观察生活中的凸轮机构，让学生了解凸轮机构的作用和原理。
通过例题讲解和随堂练习，使学生掌握凸轮的设计方法和轮廓曲线的绘制。
在教学过程中，要注意引导学生思考，培养学生的动手能力。
授课教案
No
任务3.1 凸轮机构的认识一、复习10分钟
复习上次课学习内容
二、教师导课与课程学习：
（1）学习提示，教师介绍本任务的学习内容。
15分钟
本项目以直动从动件的盘形凸轮机构为例，在从动件等速运动、等加速等减速运动、余弦加速度运动（简谐运动）规律条件下，分析了凸轮机构中存在的柔性冲击与刚性冲击。
教师介绍本任务的学习内容：凸轮机构的分类；常用术语；从动件的运动规律；凸轮机构的结构形式；常用材料及热处理
（2）分小组学习: 40分钟
3.1.1常用设备中的凸轮机构
1. 凸轮机构的组成
如图所示的凸轮机构是由凸轮、从动件和机架等三个基本构件组成的机构。
2.凸轮机构应用实例
自动钻床进给机构、冲床凸轮机构等。
3.1.2凸轮机构的分类
凸轮机构的类型很多，按凸轮和从动件的形状及其运动形式的不同，凸轮机构的分类方法有以下几种：
1.按凸轮形状分类
(1）盘形凸轮（2）移动凸轮。
（3）圆柱凸轮
2.按从动件形式分类
（1）尖顶从动件（2）滚子从动件（3）平底从动件
从动件的结构形式
3.按从动件的运动形式分类学生发言汇报、记录学习笔记
学生发言汇报并记录学习笔记
阅读教材和PPT、分组讨论、撰写发言提纲、学生发言汇报，课，记录学习笔记
No
（1）直动从动件
直动从动件指相对于机架作直线往复移动的从动件，如图3.1.1中所示。
直动从动件又分为对心直动从动件和偏置直动从动件。
（2）摆动从动件：绕某一固定转动中心摆动的从动件。
4.按凸轮与从动件的锁合方式分类 （1）力锁合
利用从动件的重力、弹簧力或其他外力使从动件与凸轮轮廓保持接触，
（2）形锁合
利用从动件和凸轮特殊的几何形状来维持接触，例如圆柱凸轮机构是利用滚子与凸轮凹槽两侧面的配合来实现形锁合。
3.1.3凸轮机构的常用术语如下：
1.凸轮基圆与基圆半径b r
2.凸轮的转角δ
凸轮相对于某一位置转过的角度，称为凸轮转角δ。
具体包括推程运动角0δ、远停程运
动角S δ回程运动角0′δ和近停程运动角S
δ'。
3从动件行程：从动件在推程和回程中移动的距离h 。
3.1.4从动件的运动规律 1.从动件的运动线图
在上图所示凸轮机构中，以从动件位移s 为纵坐标，对应的凸轮转角δ为横坐标，描述s 与δ之间关系的线图，称为从动件的位移线图。
从动件有等速运动、等加速等减速和余弦加速度运动规律（简谐运
动规律）等常用运动规律。
1.等速运动规律
No
2.等加速等减速运动规律
3.余弦加速度运动规律（简谐运动规律）
3.1.4凸轮机构的结构形式
凸轮机构的结构形式具体包括凸轮的结构形式和滚子从动件的结
构形式。
1.凸轮的结构形式
常见凸轮的结构形式：对基圆小的凸轮，常常与轴做成一体，称为
凸轮轴。
对基圆较大的凸轮，则做成套装结构，即把凸轮开孔，套装在
轴上。
2.滚子从动件的结构形式
滚子从动件的滚子，可以是专门制造的圆柱体；也可以采用滚动轴
承。
滚子与从动件顶端可采用螺栓联接，也可以采用小(胀)轴联接，应
保证滚子相对从动件能灵活转动。
3.1.5凸轮机构的常用材料及热处理
对低速、轻载的盘形凸轮机构，可以选用HT250、HT300、QT900
－2等作为凸轮材料。
对中速、中载的凸轮机构，凸轮常使用45、40Cr、20Cr、20CrMn
等材料，从动件可以用20Cr等低碳合金钢，并经过表面淬火处理，低
碳合金钢主要应进行渗碳淬火。
对高速、重载凸轮机构，通常选用无冲击的从动件运动规律。
凸轮
可以选用40Cr等中碳合金钢。
No
No
授 课 内 容
任务3.2 直动从动件盘形凸轮轮廓的设计
一、复习10分钟
复习上次课学习内容 二、教师导课与课程学习：
（1）学习提示，教师介绍本任务的学习内容。
15分钟 根据从动件运动线图（运动规律），运用图解法设计滚子对心直动从动件盘形外凸轮轮廓。
教师介绍本任务的学习内容：盘形凸轮轮廓设计的“反转法”原理；尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓设计；滚子对心直动从动件盘形凸轮轮廓设计；偏置尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓设计；对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓设计。
（2）分小组学习: 40分钟
3.2.1盘形凸轮轮廓设计的“反转法”原理
凸轮轮廓设计图解法的基本原理是“反转法”原理，根据这一原理可以做出盘形凸轮的轮廓曲线。
反转法原理
3.2.2尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓设计 假设尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径为b
r ，凸轮的角速度为 ，方向为顺时针方向，从动件运动线图（运动规律）如图所示，则凸轮轮廓设计步骤如下：
1.选取适当比例μ1＝1，将从动件位移线图的推程转角180°和回程运动角90°所对应的范围分别作若干等分。
2.取相同的比例尺μ1＝1，以
b
r 为半径作基圆，基圆与导路的交点
()
00C B 即为从动件尖顶的起始位置。
学生发言汇报、记录学习笔记
学生发言汇报并记录学习笔记
阅读教材和PPT 、分组讨论、撰写发言提纲、学生发言汇报，课，记录学习笔记
No
从动件运动线图若干等分图 图解法设计尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓
3.在基圆上自0OC 开始，沿“ω-” 方向依次取0
0180=δ，
030=S δ，00
90='δ，060='S δ，并将0δ、0δ'分成与位移线图对应的若干等份，得1C ，2C ，…，9C 各点，连接1OC ，2OC ，…，9
OC 各个径向线并延长，得到从动件导路在反转过程中的一系列位置线。
4.沿着各个位置线自基圆的径向，向外量取C 1B 1=11′，C 2B 2=22′，…，
C 9B 9=99′，由此得到尖顶从动件反转过程中的一系列位置1B ，…，9B 。
5.将1B ，2B ，…，9B 各点依次连接成光滑的曲线，即得到所求的凸轮轮廓曲线。
3.2.3滚子对心直动从动件盘形凸轮轮廓设计
1.把滚子中心看作尖顶从动件的尖顶，按设计尖顶从动件凸轮轮廓的方法做出一条轮廓曲线0η，称为凸轮的理论轮廓曲线，
是滚子中心相对于凸轮轮廓的运动轨迹。
2.以理论轮廓曲线0η上的点为圆心，以滚子半径T r 为半径作一系列
滚子圆（取与基圆相同的长度比例
尺），再作这些滚子圆的内包络线η，称为凸轮的实际轮廓曲线，η是滚子从动件直接接触的凸轮轮廓（凸轮的工作轮廓），故称之为凸轮的实际轮廓曲线。
3.2.4偏置尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓设计
，从动件导路偏离凸轮回转中心的距离e 为偏心距（简称为偏距）。
以O 为圆心、偏距e 为半径所作的圆称为偏距圆。
应用反转法原理设计凸轮轮廓。
学生在老师的指导下分组学习并进行小组学习成果汇报
以学生学习小组为单位进行任务实施汇报
No
3.2.5对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓设计
平底从动件凸轮轮廓曲线的绘制与滚子从动件相仿，如图3-21所
示，也要分两步进行图解法绘制：
1.把从动件的平底与从动件的导路中心线的交点0B 看作尖顶从动件的尖顶，按
照尖顶从动件凸轮轮廓曲线的画法，求出导路中心线与平底的各交点1B ，2B ，3B …； 2.过以上各交点1B ，2B ，3B …作一系列表示平底的直线，然后作此直线族的包络线，即得到盘形凸轮的轮廓曲线。
（3）任务实施10分钟
【任务内容】：已知凸轮的基圆半径为b r ，凸轮的角速度为 ，方向为顺时针方向，试运用图解法设计滚子对心直动从动件盘形外凸轮轮廓。
解法设计滚子从动件盘形外凸轮轮廓时，可以把滚子中心看作尖顶从动件的尖顶，按设计尖顶从动件凸轮轮廓的方法做出一条轮廓曲线0η，以理论轮廓曲线0η上的点为圆心，以滚子半径T r 为半径作一系列滚子圆，再作这些滚子圆的内包络线η，η就是所求的外凸轮的实际轮廓曲线。
（4）教师点评任务实施情况并进行评价。
5分钟
（5）教师小结，解析本任务的重点和难点。
布置作业与下次课预习内容。
10分钟
盘形凸轮轮廓设计的“反转法”原理； 尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓设计； 滚子对心直动从动件盘形凸轮轮廓设计； 偏置尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓设计； 对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓设计 三、课后任务
1.完成作业：课后练习。
2.让学生在生活中去发现本任务讲解的内容。
3.复习并预习下次课内容：任务
4.1
学生在老师的指导下
分组学习并进行小组学习成果汇报
以学生学习小组为单位进行任务实施汇报。
