机械设计教案：凸轮机构的认识与盘形凸轮轮廓的设计

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。

二、用图解法设计凸轮轮廓曲线 下面以偏置尖顶直动从动件盘形凸轮机构为例，讲解凸轮廓线的设计过程。

例6-1 对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构设已确定基圆半径mm 150=r ，凸轮顺时针方向匀速转动，从动件行程mm 18=h 。

从动件运动规律如下表所示：推程 远休止 回程 近休止运动角1120δ=260δ=903=δ490δ=从动件运动规律等速运动正弦加速度运动设计步骤：1、建立推程段的位移方程：18120s δ=，回程段的位移方程：12π181sin 902π90s δδ⎡⎤⎛⎫=-+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦，将推程运动角、回程运动角按某一分度值等分成若干份，并求得对应点的位移。

2、画基圆和从动件的导路位置3、画反转过程中从动件的各导路位置4、画从动件尖顶在复合运动中的各个位置点5、分别将推程段和回程段尖顶的各位置点连成光滑曲线，再画出远休止段和近休止段的圆弧，即完成了尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计，如图6-18。

需要注意：同一个图上作图比例尺必须一致。

如各分点的位移与基圆应按相同比例尺量取。

2．偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构凸轮转动中心O 到从动件导路的垂直距离e 称为偏距。

以O 为圆心，e 为半径所作的圆称为偏距圆。

显然，从动件导路与偏距圆相切（图中K 为从动件初始位置与基圆的切点）。

在反转过程中，从动件导路必是偏距圆的切线。

如图6-19。

r0a A0A1OB0B1内 容3．直动滚子从动件盘形凸轮机构例题：已知：r r －滚子半径，0r －基圆半径，从动件运动规律。

设计该机构。

设计思路：把滚子中心看作尖顶从动件的尖顶，按前述方法先画出滚子中心所在的廓线——凸轮的理论廓线。

再以理论廓线上各点为圆心，以滚子半径r r 为半径画一系列的圆，这些圆的内包络线 即为凸轮的实际廓线（或称为工作廓线）。

如图6-16 注意：滚子从动件盘形凸轮的基圆半径是指其理论廓线的最小向径4．对心直动平底从动件盘形凸轮机构思路：把平底与导路的交点Ａ看作尖顶从动件的尖点，依次作出交点的位置，通过这些位置点画出从动件平底的各个位置线，然后作这些平底的包络线，即为凸轮的工作廓线，如图6-17图6-16图6-17图6-18图6-19内 容5．摆动尖顶从动件盘形凸轮机构已知：基圆半径0r ，摆动从动件的杆长为L （从尖点到从动件回转中心的距离），凸轮回转中心到从动件回转中心的距离a 。

主题3 凸轮机构一、教学目标了解凸轮机构的应用和分类、从动件的常用运动规律二、课时分配本章绪论共 4 个单元，本章安排 5 个学时。

其中理论学时 4 个学时，实践学时 1 个学时。

三、教学重点从动件的常用运动规律，凸轮机构基本尺寸的确定四、教学难点凸轮机构基本尺寸的确定五、教学内容单元1 凸轮机构的应用和分类一、凸轮机构应用如图所示为内燃机控制气阀开闭的凸轮机构，当主动件凸轮1匀速转动时，它的轮廓驱使从动件阀杆2做上下往复移动，从而按预定的时间打开或关闭气阀，以控制燃气准时进入汽缸或废气准时排出汽缸。

如图所示为自动车床刀架进给机构，当凸轮4转动时，其轮廓迫使从动杆3往复摆动，通过固定在从动杆上的扇形齿轮2带动刀架下部的齿条，使刀架1前、后移动，完成所需要的进刀和退刀运动。

由以上两例可知，凸轮机构通常由机架1、从动件2、凸轮3组成，如图33所示。

当凸轮匀速转动时，通过凸轮轮廓与从动件高副接触，驱使从动件做往复移动或摆动。

凸轮机构结构简单、紧凑，只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现任意的运动规律。

在自动化机械中，凸轮机构常与其他机构组合使用，充分发挥各自的优势，扬长避短。

由于凸轮机构是高副机构，易于磨损，磨损后会影响运动规律的准确性，因此通常用于传力不大的控制机构。

二、凸轮机构的分类1、按凸轮形状分类（1）盘形凸轮（2）移动凸轮（3）圆柱凸轮2、按从动件形状分类（1）尖顶从动件（2）滚子从动件（3）平底从动件3、按从动件的运动形式分类（1）直动从动件（2）摆动从动件4、按锁合方式分类（1）力锁合（2）形锁合单元2 从动件的常用运动规律一、从动件常用运动规律1、等速运动规律2、等加速等减速运动规律3、简谐运动（余弦加速度运动）规律4、摆线运动（正弦加速度运动）规律单元3 凸轮的轮廓曲线一、反转法原理在整个凸轮机构（凸轮、从动件、机架）上加一个与凸轮角速度大小相等、方向相反的角速度（－ω1），于是凸轮静止不动，而从动件则与机架（导路）一起以角速度（－ω1）绕凸轮转动，且从动件仍按原来的运动规律相对导路移动（或摆动），如图所示。

中国地质大学课程论文题目偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构的设计指导老师__ _____________姓名班级学号专业机械设计制造及其自动化院系机电学院日期 2015 年 5 月 30 日解析法分析机构运动——MATLAB辅助分析摘要：在各种机械，特别是自动化和自动控制装置中，广泛采用着各种形式的凸轮机构，例如盘形凸轮机构在印刷机中的应用，等经凸轮机构在机械加工中的应用，利用分度凸轮机构实现转位，圆柱凸轮机构在机械加工中的应用。

凸轮机构的最大优点是只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且响应快速，机构简单紧凑。

正因如此，凸轮机构不可能被数控，电控等装置完全代替。

但是凸轮机构的缺点是凸轮轮廓线与推杆之间为点，线接触，易磨损，凸轮制造较困难。

在这些前提之下，设计者要理性的分析实际情况，设计出合理的凸轮机构，保证工作的质量与效率。

本次设计的是偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构，推杆是滚子推杆，这种推杆由于滚子与凸轮廓之间为滚动摩擦，所以磨损较小，可用来传递较大动力，因而被大量使用，通过设计从根本上了解这种凸轮机构的设计原理，增加对凸轮机构的认识。

通过用MATLAB软件进行偏置直动滚子从动件盘形凸轮轮廓设计，得出理论廓线和工作廓线，进一步加深对凸轮的理解。

一、课程设计（论文）的要求与数据设计题目：偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构的设计试设计偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构的理论轮廓曲线和工作廓线。

已知凸轮轴置于推杆轴线右侧，偏距e=20mm，基圆半径r0=50mm，滚子半径r r=10mm。

凸轮以等角速度沿顺时针方向回转，在凸轮转过δ2=120°的过程中，推杆按正弦加速度沿顺时针方向回转，在凸轮转过δ2=30°时，推杆保持不动；其后，凸轮在回转角度δ3=60°期间，推杆又按余弦加速度运动规律下降至起始位置；凸轮转过一周的其余角度时，推杆又静止不动。

求实际和理论轮廓线，验算压力角，验算失真情况，确定铣刀中心轴位置。

机械原理课程教案—凸轮机构及其设计一、教学目标及基本要求1.了解凸轮机构的基本结构特点、类型及应用，学会根据工作要求和使用场合选择凸轮机构。

2.了解凸轮机构的设计过程，对凸轮机构的运动学、动力学参数有明确的概念。

3.掌握从动件常用运动规律的特点及适用场合，了解不同运动规律位移曲线的拼接原则与方法。

4.掌握凸轮机构基本尺寸设计的原则，学会根据这些原则确定移动滚子从动件盘形凸轮机构的基圆半径、滚子半径和偏置方向，摆动从动件盘形凸轮机构的摆杆长、中心距以及移动平底从动件平底宽度。

5.熟练掌握应用反转法原理设计平面凸轮廓线，学会凸轮机构的计算机辅助设计方法。

二、教学内容及学时分配第一节概述第二节凸轮机构基本运动参数设计第三节凸轮机构基本尺寸设计（第一、二、三节共2学时）第四节凸轮轮廓曲线设计（1.5学时）第五节凸轮机构从动件设计（1学时）第六节凸轮机构的计算机辅助设计（0.5学时）三、教学内容的重点和难点重点：1.凸轮机构的型式选择。

2.从动件运动规律的选择及设计。

3.盘形凸轮机构基本尺寸的设计，凸轮轮廓曲线设计的图解法和解析法。

4.从动件的设计，包括高副元素形状选择，滚子半径和平底宽度的确定。

难点：凸轮轮廓曲线设计的图解法四、教学内容的深化与拓宽空间凸轮机构与高速凸轮机构简介。

五、教学方式与手段及教学过程中应注意的问题充分利用多媒体教学手段，围绕教学基本要求进行教学。

在教学过程中应强调凸轮机构的运动学参数与结构参数的概念及其选用设计；应用反转法原理进行凸轮轮廓曲线的图解法设计时凸轮转角的分度，要注意从动件反转方向；正确确定偏置移动从动件凸轮机构在反转过程中从动件所依次占据的位置线；滚子从动件凸轮机构理论轮廓曲线与实际轮廓曲线的联系和区别等。

要注意突出重点，多采用启发式教学以及教师和学生的互动。

六、主要参考书目1黄茂林，秦伟主编．机械原理．北京：机械工业出版社，20102申永胜主编．机械原理教程（第2版）．北京：清华大学出版社，20053孙桓，陈作模、葛文杰主编．机械原理（第七版）．北京：高等教育出版社，20064石永刚，徐振华．凸轮机构设计．上海：上海科学技术出版社，1995七、相关的实践性环节凸轮机构运动参数测试实验。