任务二拆装活塞连杆组

1、教学设计方案课程名称机械制造基础学习任务拆装活塞连杆组授课日期授课时数8系部审批教学班级教务审批学 材自编学材： 机械制造基础参考资料： 工程力学工程材料机械基础液压与气压传动教学方法小组教学法、演示法、观察法、启发法、讲授法、讨论法教学媒体（含教具）多媒体教室、机械拆装工作站、发动机主体教 学目 标知识目标：熟悉机械常见概念，掌握机构自由度计算；熟悉四杆机构的分类及特性。能力目标：能绘制简单机构的运动简图；掌握铰链四杆机构的类型判别；具备机械工作原理分析的基本能力。情感目标：具有较强的组织和团队协作能力，有较强的敬业精神和良好的职业道德，能在小组中融洽工作，并学会交流和沟通，发挥个人在组织中

2、的作用和价值，通过5S管理规范职业行为。学情分析学生已有的学习基础：1.具备基本的机械识图和绘图能力；2.了解材料的种类及材料的热处理性能；3.具备基本的机械加工知识；4.一定的的公差配合与技术测量理论知识与技术测量能力。学材分析自编学材机械制造基础本课程是机械类和近机类专业必修的一门专业骨干和技术基础课程。参考教育部2009年颁发的机械基础教学大纲，包含工程力学、工程材料、常用机构和传动、液压传动与气动四个模块的教学内容。在教学计划中起着承前启后的桥梁作用，为学习后续专业课程提供必要的理论基础和基本的专业技能。本任务主要学习掌握机械的相关基本概念，和各类平面四杆机构在生产生活中的应用、运动原

3、理及其特性，为进行基本的机器工作原理分析打好基础。学习重点及其化解方法重点内容：1、机器的组成及其相关概念。2、四杆机构的类型及其所能实现的运动形式。化解方法：1、教师指导学生小组观察发动机曲柄连杆机构的组成及运动。2、观看各类四杆机构的动画与应用视频。学习难点及其化解方法难点内容：1、机构自由度的计算。2、铰链四杆机构的类型判别。难点化解方法：1、教师指导学生小组观察发动机曲柄连杆机构各构件的运动，理解自由度计算公式。2、给出铰链四杆机构的判别原则，并由学生运用判别原则进行判断。教学准备1、已分解好的发动机主体准备；2、学生获得咨询需要查阅的工具书；3、小组分组方案；4、多媒体课件和评价量表

4、准备；5、教学场所安排；6、检索资料准备。教学环节和内容教学方法一、任务提出通过对发动机活塞连杆组的认识，了解掌握平面连杆机构的工作特点和性质。 动画演示：增进学生们的求知欲望，并得出结论。演示法观察法启发法二、任务分析我们今天起主要学习平面四杆机构。通过学习我们能理解和熟练运用机械、机器、机构、构件、零件、运动副等常见概念；绘制简单机构的运动简图；能识别并说出常见四杆机构的分类名称；能根据杆长等已知条件进行铰链四杆机构的类型判别；能运用常见四杆机构的工作原理和基本特性进行简单机械设备的分析。讲授法三、相关知识一、机械的相关概念机械是机器和机构的总称。1机器机器是由零件组成的执行机械运动的装置

5、。用来完成所赋予的功能，如变换或传递能量、变换和传递运动和力及传递物料与信息。（）机器有三个共同的特征：机器是人为的实物组合体；各运动单元间具有确定的相对运动；能代替人类做有用的机械功或者进行能量转换。动力部分发动机控制部分方向盘、挂档杆、刹车、油门等传动部分离合器、变速箱、传动轴、差速器等执行部分车轮等辅助部分照明、仪表、冷却和润滑系统等（）机器的组成：图1（汽车）机器的组成机构不同的机器表面上差别很大，但其中有许多组成部分是相似的，如：连杆机构、凸轮机构、带传动和齿轮传动等。为研究的方便，将这些具有共性的组成部分提炼成各种机构，做具有普遍意义的研究，从而引入了机构的概念。机构是具有确定的相

6、对运动，能实现一定运动形式转换或动力传递的实物组合体。（）机器与机构机器是具体的、能代替人类做有用的机械功或者进行能量转换的实物组合体，而机构是抽象的、用于研究的实物组合体。（）零件与构件零件是机器的基本组成元素，是机械制造中不可拆的最小制造单元。构件是机构的基本组成元素，是机构中的最小运动单元。如大家所熟知的门。门把手、甚至门上的每一个钉子都是分别制造的，是不同的零件；但它们组装成门以后，在开门关门时，是作为一个运动整体在运动，互相之间没有相对运动，所以是同一个运动单元，即同一个构件。图2门由此可见，一个构件可以只由一个零件组成，也可由多个零件组成。二、平面机构及平面运动副机构是具有确定运动

7、的构件系统，其组成要素有构件和运动副。若组成机构的所有构件都在同一平面或相互平行的平面内运动，则称该机构为平面机构，否则称为空间机构。机构中各个构件之间必须有确定的相对运动，因此，构件的连接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的相对运动，这种可动连接称为运动副。如果构成运动副的两构件间相对运动是平面运动，则称为平面运动副。1低副构件间为面接触形式的运动副称为低副。 常见的平面低副有转动副和移动副。（）转动副两构件间只能作相对转动的低副称为转动副或铰链。日常生活中每天都会出门、进门，其实门相对于门框可以转动，二者之间就属于转动副连接。图3门合页（铰链）转动副及其简图符号如下图所示。如果转动副中的

8、一个构件为固定构件（机架），则该转动副又称为固定铰链，否则称为活动铰链。图4转动副示意图 图5转动副简图符号（）移动副两构件间只能作相对移动的低副称为移动副。生活中常见的推拉式窗户，窗扇相对于窗框可以作直线移动，二者之间属于移动副连接。图6推拉式窗户 图7移动副示意图及其简图符号低副承载能力大，耐用、传力性能好，但摩擦损失较大，因而效率低，不能传递较复杂的运动。若机构中所有运动副均为低副的机构称为低副机构。2高副构件间为点、线接触形式的运动副称为高副。如图所示：车轮与导轨、凸轮与从动件及齿轮啮合传动都属于高副机构。图8 常见高副图9 凸轮机构简图 图10 齿轮机构简图如图所示。用简图表示高副时

9、，应将两构件接触处的几何形状绘出。对于齿轮与齿轮啮合及齿轮与齿条啮合的高副，可按规定的简图表示。高副承载能力小，两构件接触处容易磨损，制造维修困难，但高副能传递较复杂的运动。机构中至少有一个运动副是高副的机构称为高副机构。三、机构运动简图1什么是机构运动简图机构运动简图用规定的线条和符号表示构件和运动副，绘出能够表达各构件间相对运动关系的简图。与其它图形相比，可以更简明地表达机构的组成情况和运动情况，便于进行运动分析，作为运动设计的目标和构造设计的依据。 图11 发动机实物仿真图 图12 曲柄滑块机构运动简图2机构的基本组成任何机构都包含机架、原动件和从动件3个部分。先来了解一下这三个概念的真

10、实含义吧。（1）固定构件(机架)，是用来支承活动构件的构件。（2）原动件(主动件)，是运动规律已知的活动构件，又称为运动的输入构件。 （3）从动件，是机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构件。3绘制机构运动简图的方法及步骤（怎样绘制机构运动简图呢？）（1）认真研究机构的结构及动作原理，分清固定件（机架），确定主动件；（2）循着运动传递的路线，搞清各构件间相对运动的性质，确定运动副的种类；（3）测量出运动副之间的相对位置；（4）选择视图平面和比例尺，用规定的符号和线条表示其构件和运动副，绘制机构运动简图。四、平面连杆机构的基本概念及其特点先来看两个生产和生活中常见的实例：推土机和折叠雨伞。图1

11、3推土机及其机构运动简图图14折叠雨伞及其机构运动简图观察两实例的机构运动简图，都只含有转动副和移动副。平面连杆机构是由若干构件通过平面低副(转动副和移动副)连接而构成的机构，也称平面低副机构。平面连杆机构能进行多种机械运动形式的转换，可实现转动、摆动、移动等复杂运动，用于实现已知运动规律和已知轨迹，能实现一些比较复杂的平面运动规律。在各种机械中广泛用于动力传递或改变运动形式。由于低副连接的两构件间是面接触，所以平面连杆机构承载能力大、易润滑、磨损小、 形状简单、易加工和保证制造精度。但平面连杆机构中的构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低；运动过程中惯性较大，不适合高速；设计复杂，难

12、以实现精确的轨迹。平面连杆机构常以构件数命名：四杆机构、多杆机构（五杆机构，六杆机构）。最简单的平面连杆机构由四个构件组成，简称四杆机构。五、铰链四杆机构的基本形式及其应用铰链四杆机构全部由转动副连接而成的平面四杆机构。其组成如下：图15铰链四杆机构机架铰链四杆机构中不动的构件AD。连架杆和机架直接相连的构件AB、CD。铰链四杆机构中两个连架杆的运动形式不一定相同。能作整周回转的连架杆称为曲柄，只能往复摆动的连架杆称为摇杆。连杆连接两个连架杆的构件BC。按两连架杆不同的组合形式，铰链四杆机构可分为双曲柄机构、曲柄摇杆机构和双摇杆机构三大类。1曲柄摇杆机构（1）概念：铰链四杆机构的两个连架杆中，

13、若一个是曲柄，另一个是摇杆，则称为曲柄摇杆机构。（2）应用案例：缝纫机踏板机构将踏板1的往复摆动转换为曲轴的连续转动。雷达天线俯仰机构将曲柄AB的转动转换为摇杆(天线)CD的往复摆动。搅拌机利用曲柄摇杆机构中连杆BC延长线上K点处的运动轨迹实现搅拌动作。图16缝纫机踏板机构图17雷达天线俯仰机构 图18搅拌器中的搅拌机构2双曲柄机构（1）概念：铰链四杆机构的两个连架杆中，若两个都是曲柄，则称为双曲柄机构。（2）应用案例：惯性筛铰链四杆机构ABCD的两连架杆均为曲柄，两曲柄不等长。将主动曲柄AB的匀速转动转换为从动曲柄CD的变速转动，再通过构件CE使筛子产生变速直线运动,筛内物料因惯性来回抖动。

14、图19惯性筛中的双曲柄机构 图20平行双曲柄机构及其应用实例（3）双曲柄机构特例：平行双曲柄机构铰链四杆机构ABCD的两连架杆均为曲柄，对边平行且相等，构成平行双曲柄机构。特点为两曲柄回转方向相同，角速度相等，对边始终保持平行。如摄影车座斗的升降机构，可以保证平行移动，避免震动。反向双曲柄机构铰链四杆机构ABCD的两连架杆均为曲柄，两曲柄长度相等但回转方向相反，连杆与机架长度相等但互不平行。如汽车车门中的反向双曲柄机构。图21反向双曲柄机构及其应用实例3双摇杆机构（1）概念：铰链四杆机构的两个连架杆中，若两个都是摇杆，则称为双摇杆机构。（2）应用案例：起重机当摇杆AB摆动时，摇杆BC随之摆动，

15、连杆BC延长线上点处货物水平移动到。运动轨迹近似为一水平直线，为搬运货物节省动力。图22双摇杆机构及其应用实例（3）双摇杆机构特例：等腰梯形机构两摇杆长度相等。如：汽车转向机构。当车辆转弯时，能使与两摇杆固连的两前轮转过不同角度，四个车轮的轴线交于一点，都作纯滚动，避免轮胎滑动造成的磨损。六、铰链四杆机构的类型判别1满足长度之和条件：若铰链四杆机构中最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，即 1）若以最短杆为机架时，则机构为双曲柄机构；2）若以最短杆为连架杆时，则机构为曲柄摇杆机构；3）若以最短杆为连杆时，则机构为双摇杆机构。 2不满足长度之和条件：图23轮式车辆转向机构若不满足长度

16、之和条件，即铰链四杆机构中最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，则无论最短杆处于什么位置，均为双摇杆机构。七、滑块四杆机构的基本形式及其应用滑块四杆机构含有移动副的平面四杆机构。1曲柄滑块机构（1）概念： 曲柄滑块机构可看作是将曲柄摇杆机构中的摇杆转化为滑块演化而来。按滑块的移动导路中心线是否通过曲柄的回转中心A，曲柄滑块机构可分为对心曲柄滑块机构和偏置曲柄滑块机构。图24 对心曲柄滑块机构 图25 偏置曲柄滑块机构（2）应用案例：发动机滑块为原动件的曲柄滑块机构。将活塞的上下往复直线运动转换为曲轴的旋转运动，并经减速后最终输出到车轮上。图26 发动机中的曲柄滑块机构冲压机曲柄为原动件的

17、曲柄滑块机构。将曲轴AB的旋转运动转换为冲压头C的上下往复直线运动，完成对工件的冲压。图27 冲压机中的曲柄滑块机构（3）偏心轮机构：如下图所示，曲柄滑块机构的曲柄长度较短时，将B点处的转动副半径尺寸扩大至把整个曲柄包含在内，即形成偏心轮机构。可增强偏心轮轴颈的强度和刚度。图28 偏心轮机构的演化（4）曲柄滑块机构的演化：如右图所示，通过选用不同构件作为机架，曲柄滑块机构a）可演化为导杆机构b）、摇块机构c)和定块机构d）。2导杆机构（1）概念： 导杆机构可看作是曲柄滑块机构中改由曲柄1作机架演化而来。按导杆是否可作整周回转，导杆机构可分为转动导杆机构和摆动导杆机构。 图29 曲柄滑块机构的演

18、化图30 转动导杆机构 图31 摆动导杆机构（2）应用案例：牛头刨床通过摆动导杆机构将曲柄的转动转化为摆杆的往复摆动，再经过连杆拖动牛头刨床的滑枕实现其往复直线移动。图32 牛头刨床示意图 图33 摆动导杆机构运动简图3揺块机构（1）概念： 摇块机构可看作是曲柄滑块机构中改由连杆2作机架演化而来。（2）应用案例：自卸汽车的翻斗机构液压缸体相当于摇块，通过推出液压缸的活塞杆，实现翻斗动作。图34 自卸汽车的翻斗机构4定块机构（1）概念： 定块机构可看作是曲柄滑块机构中改由滑块3作机架演化而来。（2）应用案例：手动压水机扳动手柄1，使活塞杆4在唧筒3（定块）内上下移动，完成抽水。八、四杆机构的基本

19、特性1急回特性图35 手动压水机在牛头刨床的加工过程中，刨刀做往复直线运动。在刨刀刨削工件时的工作行程中，运动速度不能过快。而在刨刀返回时不需要工作，是空行程，为缩短空行程时间，提高生产率，需要加快其空行程返回的速度，因此造成刨刀的往返速度不一样，工作行程慢而返回行程快。做往复运动的构件，返回行程速度高于工作行程速度的特性，即称为急回特性。图36 曲柄摇杆机构急回特性示意图图37 曲柄滑块机构急回特性示意图如右图所示，曲柄为原动件的曲柄摇杆机构ABCD，当曲柄AB转动至AB1位置与连杆B1C1重叠共线时，摇杆C1D摆动至最左侧的极限位置；而当曲柄AB转动至AB2位置与连杆B2C2拉直共线时，摇

20、杆C2D摆动至最右侧的极限位置。AB1C1与AB2C2两位置间夹角为。因此，曲柄AB1顺时针转动到AB2位置，所转过的角度为180°，摇杆相应由最左侧的极限位置C1D摆动至最右侧的极限位置C2D；而当曲柄继续顺时针转动，由AB2又转回到AB1位置时，摇杆又从最右侧的C2D位置摆回到C1D位置，对应转过的角度为180°。由此可见，摇杆往复摆动时摆角均为，而曲柄转过的角度却不一样。一般情况下，曲柄为匀速转动，则摇杆由C2D摆回C1D时的速度要快于由C1D摆动到C2D时的速度，具有急回特性。曲柄为原动件的曲柄摇杆机构、摆动导杆机构、偏置曲柄滑块机构等四杆机构，经过适当的设计都具有

21、急回特性，可以满足缩短空行程时间，提高生产率的要求。2传力性能的标志压力角FVC从动件的受力方向与运动方向之间所夹的锐角称为压力角a。传动角是压力角的余角。即a+g=90 º。假设我们推一张桌子，此时的压力角如右图所示。可以看出，压力角越小，桌子所受力的方向越接近于桌子的运动方向，推时越省力。图38 推桌子的压力角示意图经推导可知，压力角是衡量机构传力性能的重要指标。压力角越小，传动角越大，机构传力性能愈好。3死点位置图39 曲柄摇杆机构的压力角与传动角我们推桌子时，如果垂直下压桌子，此时桌子的压力角为90°，无论压力有多大，桌子都不能向前运动。同样，若机构运动到某一时刻，

22、出现压力角，传动角，则该机构的从动件无论受力多大，机构都无法运动，机构此时的位置即称为死点位置，或止点位置。 摇杆为原动件的曲柄摇杆机构、滑块为原动件曲柄滑块机构等四杆机构都存在死点位置。一般来说，机构在死点位置，从动件将出现卡死或运动方向不确定的现象，对传动不利。可以通过增大从动件的质量以利用惯性（如缝纫机中的大带轮即相当于飞轮）或采用机构错位排列（火车车轮）的方法来渡过死点位置。图40 火车车轮联动机构错位排列示意图 图41 缝纫机利用飞轮渡过死点位置有时工程上也利用死点位置来实现一些特定的工作要求。如飞机起落架和快动夹具中的应用。 图43 飞机起落架 图42 快动夹具演示法观察法启发法四

23、、任务实施1. 观察发动机认知曲柄滑块机构将重新组装好的发动机，试运转，观察各构件的运动情况完成下列题目。曲柄滑块机构是具有一个 和一个 的平面四杆机构，是由 演化而来的。多选：下列哪些机构不具有急回特性（ ） A、对心曲柄滑块机构 B、曲柄摇杆机构 C、偏置曲柄滑块机构 D、平行双曲柄机构 判断：机构中滑块的行程为偏心距的2倍（ ） 判断：对心曲柄滑块机构中，曲柄作主动件，旋转一周过程中存在两个死点位置（ ）2.通过学习，编写铰链四杆机构及其演化形式表铰链四杆机构及演化形式结构运动特点应用举例123456讲授法示范法实验法3. （发动机）曲柄滑块机构运动简图的绘制1）分析发动机曲柄滑块机构的

24、构成：发动机的核心机构如图所示，主要是由气缸4（机架）、活塞3（滑块）、连杆2和曲轴1（曲柄）组成的曲柄滑块机构。根据前面所学知识，我们知道发动机的运动过程如下：气缸4活塞3连杆2曲轴1在燃气压力的作用下，活塞3首先运动，是主动件，活塞推动连杆2使曲轴4输出回转运动，连杆2和曲轴1均为从动件，气缸1固定不动作为机架。2）分析发动机曲柄滑块机构中的运动副：活塞3沿气缸4上下移动，组成移动副；活塞3与连杆2、连杆2和曲轴1、曲轴1与机架（固定铰链支座）均为转动副连接。3）绘制曲柄滑块机构的运动示意图：根据其运动过程及组成结构分析，绘制出如下图形（气缸4作机架，活塞3作主动件，连杆2，曲柄1作从动件

25、） 4）绘制曲柄滑块机构运动简图： 图1 发动机中的曲柄滑块机构曲柄滑块运动简图绘制步骤如下：1、首先确定曲柄回转中心位置O点，以铰链形式表示；画出该机构运动的中心线；2、以O点为圆心，曲柄长度L1（线段OA）为半径画圆，表示曲柄做整周回转运动，曲柄的长度曲轴两端分别与机架和连杆相连的两回转中心之间的距离；3、确定滑块的中心点位置B点，确定连杆长度L2，作 B点为滑块最大位移时的极限位置， B点为滑块最小位移时的极限位置； （AB段=AB段=连杆长度），连杆的长度连杆两端分别与曲轴和活塞相连的两回转中心之间的距离； 图14 曲柄滑块机构示意图4、绘制滑块3及其运动轨道（即气缸/机架4）；5、在某一瞬时，曲柄与滑块的位置如图所示，该图即为曲柄滑块的运动简图。4.（跑步器）