凸轮机构工作过程及从动件运动规律的简易教学

刘静 张道更 成茹

[摘要]根据凸轮机构的教学目标和学生的学习规律，以生为本，采用多种方式，以启发学生的思维为核心，引导学生主动、积极、自觉地掌握知识，调动学习积极性，达到学以致用的目的。

[关键词]启发式教学;凸轮机构;应用

在各种机器中，为实现某些特殊或复杂的运动规律，常采用凸轮机构。凸轮机构在各种机械中有大量的应用，即使在现代化程度很高的自动机械中，凸轮机构的作用也是不可替代的。

在学习凸轮这一章内容时，制定了学习目标，要求学生掌握凸轮机构的特点、应用和分类，了解从动件的常用运动规律，掌握盘形凸轮轮廓曲线的设计方法。并且在掌握理论知识的基础上，达到能力目标，即培养具有对不同的从动件运动规律进行定性分析的能力;能根据不同的工作条件，利用图解法进行凸轮曲线设计。

一、凸轮的工作过程分析

凸轮机构根据凸轮的形状、从动件的形状和主动件与从动件的锁合方式可分为很多种类，本文以对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构为例，详细阐述了凸轮机构的教学中如何引用启发式教学引导学生更好地学习，能够轻松地掌握枯燥乏味的知识。如图1所示为凸轮机构工作过程及从动件运动规律。

首先确定平面凸轮机构的基本参数：基圆、推程运动角、远休止角、回程运动角、近休止角。

（1）基圆：凸轮轮廓上各点的轮廓向径是不相等的，以凸轮轮廓最小向径rb为半径所作的圆，rb为基圆半径。

（2）推程运动角：当凸轮逆时针转过Ψ时，随着凸轮向径的逐渐增大从动件由最低点上升到最高点，这一过程称为推程，对应凸轮转过的角度Ψ称为推程角;从动件在推程中移动的距离h称为行程。如图1所示从动件运动规律。

（3）远休止角：从B点到c点凸轮转过Ψs时，由于凸轮向径不变，从动件停留在最高点不动，这一过程称为远停程，对应凸轮转过的角度Ψs为远休止角。

（4）回程：从c点到D点凸轮转过Ψ时，由于凸轮向径逐渐减小，从动件停由最高点返回最低点，这一过程称为回程，对应凸轮转过的角度Ψ为回程角。从动件在回程中移动的距离也为h。

（5）近休止角：从D点到A点凸轮转过Ψs时，由于凸轮向径不变，从动件停留在最低点不动，这一过程称为近停程，对应凸轮转过的角度Ψs为近休止角。

二、从动件的运动规律

凸轮机构完成的一个循环：推程—远停程—回程—近停程。凸轮继续转动，从动件重复上述的升—停—降—停的运动循环，实际中从动件的运动也可以是有一次停程或没有停程的循环。从动件升、停的高度与凸轮主动件的向径变化有关。凸轮向径增大时，从动件会随着向径的增大上升;相反，凸轮向径减小时，从动件会随着向径的减小而下降;凸轮向径不变时，即凸轮向径为rb，处于基圆圆弧时，从动件此刻不运动。可见，凸轮轮廓的变化直接决定从动件的运动规律，并且在凸轮向径最大处，从动件运动到达最高点。

三、凸轮机构工作过程及从动件运动规律的简易教学

通常，我们会根据凸轮的运动和从动件的运动，从A—B—C—D—A循环过程一步步讲解凸轮机构的工作过程，这个过程复杂无味。如何寻找简易方法，能够使学生们通俗易懂的掌握凸轮结构的运动过程让教师陷入沉思。

凸轮机构运动完成了一个循环：推程—远停程—回程—近停程。

（1）如果对应到爬山过程就是，爬山—山顶休息—下山—回家休息。在爬山过程中是很辛苦的，所以爬山者希望有人推一把，使他们能够很容易爬到山顶，这个过程对应的就是凸轮运动的推程，爬山所用的时间相当于推程中的推程角。

（2）当爬山者到达山顶后，由于在爬山过程中消耗了很多精力和体力，此刻的爬山者是非常累的，需要休息，所以在山顶休息了片刻。同时此刻处于山顶，已经到达最高点，相当于从动件到达了它的行程h，即从动件运动的最高点。此一过程对应的是凸轮运动的远停程，歇息时间相当于凸轮运动中的远停程角，并且此刻的休息是暂时的，离家又远，所以可记忆为远停程，离家远休息的时刻。

（3）在山顶歇息一段时间后，该下山回家了，这一过程就是讲解的凸轮运动回程，下山时间对应着凸轮运动的回程角。下山的高度相当于从动件下降的高度。

（4）下山后，爬山者已经累坏了，需在家休养生息，此过程对应着凸轮运动的近停程。近停程角对应于在家休息时间。

通过利用爬山的过程讲解凸轮运动的过程，不仅改善了常规的讲解模式，同时吸引了学生的注意力，激发了学生学习兴趣。最重要的是，通过这个例子，学生能够记住凸轮运动过程，牢牢掌握此过程的运動规律。不仅提高教学效率，同时启发学生们的思维，课堂教学效果得到很好的反馈。

这个方法可理解为启发式教学中的联想法，这种方法不仅能够应用于对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构，同样适用于偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构。

当然，在教学中，作为教师可充分发挥自己的想象力，多多联想事物之间的联系，使课堂变得简单易懂。这样才能够使我们的课堂摆脱枯燥乏味，避免填鸭式教学，使我们的课堂变得更加生动有趣。