凸轮设计相关试题及答案分享

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一、单选题

1.在凸轮设计中，以下哪种机构能够实现从动件按简谐运动规律运动？（）（1分）A.盘形凸轮B.圆柱凸轮C.梯形凸轮D.滚子凸轮【答案】A【解析】盘形凸轮常与摆动从动件配合，可实现简谐运动规律

2.凸轮轮廓设计中，基圆半径减小可能导致什么问题？（）（2分）A.压力角增大B.压力角减小C.运动失真D.运动平稳【答案】A【解析】基圆半径减小使压力角增大，增加机构磨损和自锁风险

3.以下哪种凸轮机构适用于高速运转场合？（）（1分）A.平底从动件凸轮B.滚子从动件凸轮C.尖端从动件凸轮D.摆动从动件凸轮【答案】B【解析】滚子从动件摩擦小，适合高速运转

4.凸轮机构中，行程是指从动件运动的最大距离，通常用哪个参数表示？（）（2分）A.基圆半径B.行程C.压力角D.转角【答案】B【解析】行程是衡量从动件运动幅度的直接参数

5.在凸轮轮廓设计中，理论轮廓与实际轮廓的差值主要由什么因素决定？（）（1分）A.基圆半径B.滚子半径C.压力角D.转角【答案】B【解析】滚子半径影响实际轮廓对理论轮廓的偏离

6.以下哪种凸轮机构可以实现非周期性运动？（）（2分）A.等速凸轮B.等加速凸轮C.正弦凸轮D.任意轮廓凸轮【答案】D【解析】任意轮廓凸轮可设计成非周期性运动轨迹

7.凸轮机构中，压力角是指什么角度？（）（1分）A.凸轮轮廓切线与从动件速度方向夹角B.凸轮轮廓切线与从动件中心线夹角C.凸轮转角与从动件行程夹角D.基圆半径与行程夹角【答案】B【解析】压力角是衡量机构受力特性的关键参数

8.在凸轮设计中，减小滚子半径可以改善什么性能？（）（2分）A.耐磨性B.运动精度C.承载能力D.机构紧凑性【答案】B【解析】减小滚子半径可提高运动精度，但会降低承载能力

9.凸轮机构中，回程通常采用哪种运动规律？（）（1分）A.等速运动B.等加速运动C.简谐运动D.摆线运动【答案】C【解析】简谐运动适用于凸轮回程的舒适性要求

10.以下哪种参数不影响凸轮机构的运动特性？（）（2分）A.基圆半径B.行程C.压力角D.中心距【答案】D【解析】中心距是连杆机构的参数，与凸轮机构无关

二、多选题（每题4分，共20分）

1.凸轮设计中的常见从动件形式包括哪些？（）A.尖端从动件B.滚子从动件C.平底从动件D.摆杆从动件E.直动从动件【答案】A、B、C、E【解析】摆杆从动件属于摆动从动件，不属于直动从动件分类

2.影响凸轮机构性能的因素有哪些？（）A.基圆半径B.滚子半径C.压力角D.材料选择E.行程【答案】A、B、C、D、E【解析】所有选项均直接影响凸轮机构的运动和受力特性

3.凸轮机构中，以下哪些情况会导致自锁？（）A.压力角过大B.基圆半径过小C.从动件重量过大D.摩擦系数过高E.行程过长【答案】A、B、D【解析】自锁与压力角、基圆半径和摩擦系数直接相关

4.凸轮轮廓设计的主要步骤包括哪些？（）A.确定运动规律B.计算理论轮廓C.绘制实际轮廓D.校核压力角E.选择基圆半径【答案】A、B、C、D、E【解析】完整的设计流程包含所有选项内容

5.凸轮机构在机械中的应用场景有哪些？（）A.汽车发动机配气机构B.打印机进纸机构C.缝纫机针杆运动D.工业机器人手臂E.钟表调速机构【答案】A、B、C、D、E【解析】凸轮机构广泛应用于各类机械的复杂运动控制

三、填空题

1.凸轮机构中，从动件运动规律通常用______、______和______三个阶段组成【答案】推程；回程；停程（4分）

2.凸轮轮廓设计的基本原理是______原理，即理论轮廓上各点的速度方向与实际轮廓的法线方向重合【答案】反转（4分）

3.在凸轮设计中，压力角一般要求不超过______度，以保证机构的工作可靠性【答案】30（4分）

4.滚子从动件凸轮机构的磨损主要发生在______与______的接触表面【答案】滚子；凸轮轮廓（4分）

5.凸轮机构的行程是指从动件在______方向上的最大移动距离【答案】垂直于凸轮轴（4分）

四、判断题

1.凸轮的基圆半径越小，机构的压力角就越大（）（2分）【答案】（√）【解析】基圆半径减小导致压力角增大，这是凸轮设计的基本规律

2.滚子从动件可以减小凸轮机构中的摩擦力（）（2分）【答案】（√）【解析】滚动摩擦远小于滑动摩擦，滚子从动件能有效降低机构摩擦

3.凸轮机构可以实现任意复杂的运动规律（）（2分）【答案】（√）【解析】通过合理设计凸轮轮廓，可精确控制从动件的运动轨迹

4.平底从动件凸轮机构不能用于高速场合（）（2分）【答案】（×）【解析】平底从动件因接触面大，散热性好，可适用于高速运转

5.凸轮机构的压力角与基圆半径成反比关系（）（2分）【答案】（×）【解析】压力角与基圆半径的关系是复杂的函数关系，并非简单反比

五、简答题

1.简述凸轮机构中压力角的含义及其对设计的影响（5分）【答案】压力角是指凸轮轮廓切线与从动件速度方向之间的夹角它直接影响机构的受力特性压力角增大时，从动件所受的力会分解为更大的轴向分力，增加摩擦和磨损，严重时会导致自锁因此设计时需控制压力角在合理范围内（一般不超过30°）

2.简述凸轮设计中选择从动件形式的考虑因素（5分）【答案】选择从动件形式需考虑

①运动要求（直线或摆动）；

②接触特性（尖端易磨损但灵活、滚子承载大、平底接触面积大）；

③应用速度（高速场合宜用滚子或平底）；

④结构复杂度（尖端结构最简单）；

⑤精度要求（滚子从动件精度较高）

3.简述凸轮机构设计中如何平衡行程与压力角的关系（5分）【答案】在设计时需通过优化基圆半径和滚子半径来控制压力角

①当行程一定时，增大基圆半径可减小压力角；

②在基圆半径受限时，可适当减小行程或选择合适的滚子半径；

③对于复杂运动，可采用变压力角设计，即在不同区域采用不同半径的凸轮轮廓

六、分析题（每题10分，共20分）

1.分析凸轮机构中滚子半径对实际轮廓的影响，并说明设计时应如何选择滚子半径（10分）【答案】滚子半径对实际轮廓的影响体现在

①当理论轮廓外凸时，若滚子半径大于理论轮廓曲率半径，会导致实际轮廓出现凹坑（失真），此时应减小滚子半径或增大基圆半径；

②当理论轮廓内凹时，滚子半径大小不影响实际轮廓形状设计时应保证滚子半径小于理论轮廓最小曲率半径的（1-

0.1）倍，同时考虑强度和耐磨性需求，通常取滚子半径为3-10mm

2.分析凸轮机构中压力角过大时可能产生的问题，并提出相应的改进措施（10分）【答案】压力角过大的问题包括

①从动件所需驱动力增大，电机功率要求提高；

②摩擦力增大，导致磨损加剧和效率降低；

③当压力角超过临界值时会发生自锁，使机构卡死改进措施

①增大基圆半径；

②采用滚子从动件；

③改用平底从动件；

④在接触面间加润滑剂；

⑤优化凸轮轮廓设计，使最大压力角出现在受力较小的区域

七、综合应用题（20分）设计一个盘形凸轮机构，要求从动件作往复直线运动，完成以下任务

（1）已知基圆半径r0=40mm，行程h=30mm，凸轮以等角速度ω=10rad/s顺时针转动试用简谐运动规律设计凸轮轮廓，并计算从动件速度和加速度在一个工作循环中的变化情况（10分）

（2）校核该凸轮机构在推程和回程时的最大压力角，若压力角过大应如何调整设计？（10分）【答案】

（1）简谐运动规律的速度和加速度表达式为速度v=2hω·sinωt/π，加速度a=-4hω²·sinωt/π推程阶段（0≤t≤π/ω）v=60×10×sin10t/π，a=-400×sin10t/π回程阶段（π/ω≤t≤2π/ω）v=-60×10×sin10t/π，a=400×sin10t/π最大速度vmax=60m/s，最大加速度amax=400m/s²

（2）压力角计算推程最大压力角出现在速度最大时，tanα=α≈arcsinvmax/hω≈

0.95rad≈

54.5°（过大）回程最大压力角出现在加速度最大时，tanα=α≈arcsinamax/hω²≈

0.6rad≈

31.6°（可接受）调整措施

①将基圆半径增大至r0=60mm，可降低推程最大压力角至约27°；

②改用等加速等减速运动规律，可显著降低最大压力角；

③采用滚子从动件可进一步改善受力特性---完整标准答案

一、单选题

1.A

2.A

3.B

4.B

5.B

6.D

7.B

8.B

9.C

10.D

二、多选题

1.A、B、C、E

2.A、B、C、D、E

3.A、B、D

4.A、B、C、D、E

5.A、B、C、D、E

三、填空题

1.推程；回程；停程

2.反转

3.

304.滚子；凸轮轮廓

5.垂直于凸轮轴

四、判断题

1.（√）

2.（√）

3.（√）

4.（×）

5.（×）

五、简答题

1.压力角是凸轮轮廓切线与从动件速度方向的夹角，直接影响受力压力角增大时，轴向分力增大导致摩擦磨损加剧，严重时自锁设计时需控制≤30°

2.选择考虑因素

①运动要求（直线/摆动）；

②接触特性（尖端灵活、滚子承载、平底面积大）；

③应用速度（高速用滚子/平底）；

④结构复杂度（尖端最简单）；

⑤精度要求（滚子精度高）

3.平衡方法

①增大基圆半径减小压力角；

②行程受限时减小行程或调整滚子半径；

③采用变压力角设计，优化不同区域的半径

六、分析题

1.滚子半径影响外凸轮廓若滚子半径曲率半径会失真，设计时滚子半径应最小曲率半径（1-

0.1）倍，兼顾强度（3-10mm）

2.压力角过大的问题驱动力增大、摩擦加剧、可能自锁改进措施增大基圆、改用滚子/平底、加润滑、优化轮廓设计

七、综合应用题

（1）简谐运动v=60sin10t/π，a=-400sin10t/π；vmax=60m/s，amax=400m/s²

（2）推程αmax≈

54.5°（过大），回程αmax≈

31.6°（可接受）；调整增大基圆或改用等加速等减速规律。