凸輪機構工作過程及從動件運動規律的簡易教學

劉靜 張道更 成茹

[摘要]根據凸輪機構的教學目標和學生的學習規律，以生為本，采用多種方式，以啟發學生的思維為核心，引導學生主動、積極、自覺地掌握知識，調動學習積極性，達到學以致用的目的。

[關鍵詞]啟發式教學;凸輪機構;應用

在各種機器中，為實現某些特殊或復雜的運動規律，常采用凸輪機構。凸輪機構在各種機械中有大量的應用，即使在現代化程度很高的自動機械中，凸輪機構的作用也是不可替代的。

在學習凸輪這一章內容時，制定了學習目標，要求學生掌握凸輪機構的特點、應用和分類，了解從動件的常用運動規律，掌握盤形凸輪輪廓曲線的設計方法。并且在掌握理論知識的基礎上，達到能力目標，即培養具有對不同的從動件運動規律進行定性分析的能力;能根據不同的工作條件，利用圖解法進行凸輪曲線設計。

一、凸輪的工作過程分析

凸輪機構根據凸輪的形狀、從動件的形狀和主動件與從動件的鎖合方式可分為很多種類，本文以對心直動尖頂從動件盤形凸輪機構為例，詳細闡述了凸輪機構的教學中如何引用啟發式教學引導學生更好地學習，能夠輕松地掌握枯燥乏味的知識。如圖1所示為凸輪機構工作過程及從動件運動規律。

首先確定平面凸輪機構的基本參數：基圓、推程運動角、遠休止角、回程運動角、近休止角。

（1）基圓：凸輪輪廓上各點的輪廓向徑是不相等的，以凸輪輪廓最小向徑rb為半徑所作的圓，rb為基圓半徑。

（2）推程運動角：當凸輪逆時針轉過Ψ時，隨著凸輪向徑的逐漸增大從動件由最低點上升到最高點，這一過程稱為推程，對應凸輪轉過的角度Ψ稱為推程角;從動件在推程中移動的距離h稱為行程。如圖1所示從動件運動規律。

（3）遠休止角：從B點到c點凸輪轉過Ψs時，由于凸輪向徑不變，從動件停留在最高點不動，這一過程稱為遠停程，對應凸輪轉過的角度Ψs為遠休止角。

（4）回程：從c點到D點凸輪轉過Ψ時，由于凸輪向徑逐漸減小，從動件停由最高點返回最低點，這一過程稱為回程，對應凸輪轉過的角度Ψ為回程角。從動件在回程中移動的距離也為h。

（5）近休止角：從D點到A點凸輪轉過Ψs時，由于凸輪向徑不變，從動件停留在最低點不動，這一過程稱為近停程，對應凸輪轉過的角度Ψs為近休止角。

二、從動件的運動規律

凸輪機構完成的一個循環：推程—遠停程—回程—近停程。凸輪繼續轉動，從動件重復上述的升—停—降—停的運動循環，實際中從動件的運動也可以是有一次停程或沒有停程的循環。從動件升、停的高度與凸輪主動件的向徑變化有關。凸輪向徑增大時，從動件會隨著向徑的增大上升;相反，凸輪向徑減小時，從動件會隨著向徑的減小而下降;凸輪向徑不變時，即凸輪向徑為rb，處于基圓圓弧時，從動件此刻不運動。可見，凸輪輪廓的變化直接決定從動件的運動規律，并且在凸輪向徑最大處，從動件運動到達最高點。

三、凸輪機構工作過程及從動件運動規律的簡易教學

通常，我們會根據凸輪的運動和從動件的運動，從A—B—C—D—A循環過程一步步講解凸輪機構的工作過程，這個過程復雜無味。如何尋找簡易方法，能夠使學生們通俗易懂的掌握凸輪結構的運動過程讓教師陷入沉思。

凸輪機構運動完成了一個循環：推程—遠停程—回程—近停程。

（1）如果對應到爬山過程就是，爬山—山頂休息—下山—回家休息。在爬山過程中是很辛苦的，所以爬山者希望有人推一把，使他們能夠很容易爬到山頂，這個過程對應的就是凸輪運動的推程，爬山所用的時間相當于推程中的推程角。

（2）當爬山者到達山頂后，由于在爬山過程中消耗了很多精力和體力，此刻的爬山者是非常累的，需要休息，所以在山頂休息了片刻。同時此刻處于山頂，已經到達最高點，相當于從動件到達了它的行程h，即從動件運動的最高點。此一過程對應的是凸輪運動的遠停程，歇息時間相當于凸輪運動中的遠停程角，并且此刻的休息是暫時的，離家又遠，所以可記憶為遠停程，離家遠休息的時刻。

（3）在山頂歇息一段時間后，該下山回家了，這一過程就是講解的凸輪運動回程，下山時間對應著凸輪運動的回程角。下山的高度相當于從動件下降的高度。

（4）下山后，爬山者已經累壞了，需在家休養生息，此過程對應著凸輪運動的近停程。近停程角對應于在家休息時間。

通過利用爬山的過程講解凸輪運動的過程，不僅改善了常規的講解模式，同時吸引了學生的注意力，激發了學生學習興趣。最重要的是，通過這個例子，學生能夠記住凸輪運動過程，牢牢掌握此過程的運動規律。不僅提高教學效率，同時啟發學生們的思維，課堂教學效果得到很好的反饋。

這個方法可理解為啟發式教學中的聯想法，這種方法不僅能夠應用于對心直動尖頂從動件盤形凸輪機構，同樣適用于偏置直動尖頂從動件盤形凸輪機構。

當然，在教學中，作為教師可充分發揮自己的想象力，多多聯想事物之間的聯系，使課堂變得簡單易懂。這樣才能夠使我們的課堂擺脫枯燥乏味，避免填鴨式教學，使我們的課堂變得更加生動有趣。