项目二 汽车常见机构

项目二汽车常见机构任务一

机构概述任务二

汽车平面四杆机构任务三

凸轮机构任务一

机构概述

（一）平面机构相关概念；（二）平面机构运动副和运动简图；目录任务一

机构概述

人类社会的不断发展，越来越多的机器出现并影响着我们的生活和工作。例如生活中我们常见的汽车、飞机、洗衣机、电冰箱，工业生产中常见的发电机、机床、机器人等都是机器。这些机器的结构、功能各不相同，但在组成上又有共同点，那么到底什么是机器，每部分的作用又是什么呢？任务导入任务分析任务一

机构概述

通过分析不难发现，以上所有机器都是由以下几部分组成的：（1）动力部分-机器工作的能量来源；（2）执行部分-直接完成机器的预定动作；（3）传动部分-将动力部分的动力和运动传递给执行部分；（4）控制部分-控制机器的正常运行和工作。动力？执行？传动？控制？任务一

机构概述任务一

机构概述学习目标1.掌握机器、机构、机械、零件、构件和部件的概念；2.掌握运动副的概念及分类；3.掌握平面机构运动简图的绘制。任务一

机构概述

相关知识（一）平面机构相关概念

1、机器、机构和机械

以传统内燃机汽车为例，任何一辆汽车都是发动机、底盘、车身、电气系统四大部分组成，每一部分又是由成百上千个零件组成。在汽车运行过程中，发动机将燃料生的热能转换成机械能使曲轴转动，然后通过底盘传动机构（离合器、变速器、传动轴、主减速器、差速器、半轴等）将曲轴的转动传递给车轮带动车轮滚动，最终实现汽车的运动。任务一

机构概述图2-1传统内燃机汽车组成1)机器机器的三个特征 ①人为的实物组合（不是天然形成的）； ②各实物单元具有确定的相对运动； ③能完成有用的机械功或转换机械能，可用来代替或减轻人类的劳动；只有具备了以上3个特征的方可称为机器。

Q：人是机器吗？机器人是机器吗？任务一

机构概述

任务一

机构概述

2）机构机构—具有机器的前两个特征。即机构是一个具有相对机械运动的构件系统，用来传递与变换运动和力的可动装置。它是机器的重要组成部分。机器是由机构组成的。任务一

机构概述

a）曲柄连杆机构b）凸轮机构c）齿轮机构图2-2内燃机a）b）c）图2-3组成内燃机的机构

如果不考虑能量转换和做功方面，仅从结构和运动角度来看，机器和机构并无差别，因此在工程上我们习惯将机器和机构统称为机械。任务一

机构概述

2、零件、构件和部件1)零件机械中每一个单独加工的单元体。零件是一个制造单元。通用零件：齿轮、螺钉、弹簧等；专用零件：内燃机的活塞、曲轴等；任务一

机构概述

图2-4零件示例2）构件

机构的运动单元。可以是单一的整体，也可以是由几个零件组成的刚性结构。任务一

机构概述图2-5连杆的组成3）部件

机器最基本的装配单元。部件也是由若干个零件组成的，但这些零件之间不一定具有刚性连接。任务一

机构概述

a）汽车变速箱b）汽车驱动桥图2-6部件示例3、平面机构

从运动角度来看，机构是由构件组成的，且机构中所有构件都具有确定的相对运动，如果机构中所有构件均在同一平面或相互平行的平面内运动，则该机构被称为平面机构，否则称为空间机构。本章只对工程中常见的平面机构进行介绍。任务一

机构概述

1、运动副

从运动角度看，机构是由构件组合而成的，每一个构件都以一定的方式与其他构件相连接。但这种连接不同于螺栓连接，也不同于焊接、铆接等之类的刚性连接，它既要求对彼此连接的两构件的运动加以限制，又要允许它们之间产生相对运动。

这种两个构件直接接触又能产生一定相对运动的连接方式被称为运动副。

（二）平面机构运动副及运动简图任务一

机构概述图a)：轴承中的滚动体与内外圈的滚道图b)：啮合中的一对齿廓图c)：滑块与导槽a）b）c）图2-7运动副1）低副

两构件间以面接触的运动副，称为运动低副。低副又分为：（1）转动副若运动副只允许两构件在接触处有相对转动，则称该运动副为转动副，也称铰链。如图2-8所示，构件1和构件2即为转动副。

任务一

机构概述

图2-8转动副

（2）移动副若运动副只允许两构件沿接触面某一方向相对滑移，则称该运动副为移动副。如图2-9所示两构件即构成移动副。任务一

机构概述

图2-9移动副2）高副

两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。如图2-10a)车轮与钢轨，图b）齿轮与齿轮的啮合都属于线接触的高副，图c）凸轮与从动件属于点接触的高副。任务一

机构概述a）b）c）

图2-10高副

虽然构件是组成机构的基本要素，但只有构件，没有运动副，也不构成一个完整的机构，所以说运动副也是组成机构的要素。因此可以说，机构是由若干个构件通过运动副联接而成的。任务一

机构概述

分析已有机构的运动原理或设计新机构时，为了使问题简化，常常略去机构中构件的复杂外形和运动副的具体结构，仅用简单的线条和符号表达构件和运动副，绘出能够表达各构件相对运动关系的图形，这种图形称为机构运动简图。2、机构运动简图任务一

机构概述1）机构中构件的分类机构工作时，不同构件的运动情况是不同的，其中固定不动的构件称为机架，用以支撑其他活动构件，如内燃机中的气缸体；机构中接受外部给定运动规律的活动构件称为主动件或原动件，一般与机架相连，如曲柄连杆机构中的活塞；机构中随着主动件而运动的其他活动构件称为从动件，如曲柄连杆机构中的连杆、曲轴。任务一

机构概述任务一

机构概述2）机构运动简图的符号任务一

机构概述

3）平面机构运动简图的绘制

机构运动简图的绘制方法和步骤如下：（1）认真研究机构的结构及动作原理，确定固定件（机架），分清主动件和从动件；

（2）沿着运动传递路线，分析两构件间相对运动的性质，以确定运动副的类型和数目；

（3）测量出运动副间的相对位置；（4）选择运动简图的视图平面和比例尺(=实际尺寸(m)/图示长度(mm))，绘制机构运动简图。并从运动件开始，按传动顺序标出各构件的编号和运动副的代号。在原动件上标出箭头以表示其运动方向。解：按如下步骤绘制机构运动简图：

（1）明确机构的组成。由图2-9a)所示，气缸盖5在内燃机中起着机架的作用，凸轮1是原动机（主动件），滚子2、摇臂3、气门4都是从动件。

（2）按运动传递路线和相对运动的性质确定运动副的类型。该机构的运动由凸轮1输入，凸轮1按顺时方向转动，滚子2绕转动副C转动，摇臂3绕转动副D摆动，气门4作往复运动。故该配气机构由5个构件，3个转动副A、C、D，一个移动副F和两个高副B和E组成。

（3）绘制机构简图。由于内燃机配气机构的主运动机构是平面机构，因此取其运动平面为视图平面，选择适当的比例，从主动件开始依次绘图，则就可以得到该配气机构的机构运动简图，如图2-9b)所示。任务一

机构概述

例2-1绘制图2-11a)所示的内燃机配气机构的机构运动简图。任务一

机构概述

图2-11内燃机配给机构及其结构运动简图任务二

汽车平面四杆机构

（一）平面四杆机构类型及判别；（二）平面四杆机构的特性；（三）平面四杆机构在汽车中的应用；目录任务导入任务二

汽车平面四杆机构图2-12汽车雨刮器图2-13曲柄连杆机构任务二

汽车平面四杆机构

汽车前窗雨刮器用来刷刮除附着于车辆挡风玻璃上的雨点及灰尘的设备，以改善驾驶人的能见度，增加行车安全，是汽车不可或缺的装置之一。

内燃机是汽车的心脏，它是通过燃料在气缸中的燃烧，将热能转换为机械能通过曲轴向外输出，而内燃机中完成上述能量转换过程的机构就是如图所示的曲柄连杆机构。

那么这些机构到底是怎么完成工作的，他们的运动原理是什么呢？任务分析任务二

汽车平面四杆机构

如图2-12所示，AB、BC、CD和DA是组成雨刮器控制部分的四个杆件，且四个杆件依次连接构成4个转动副。当主动杆件AB作整周旋转时，可以带动从杆件CD作往复摆动，进而利杆件CD的延长部分实现刮水工作。

如图2-13所示，曲柄连杆机构由活塞、连杆、曲轴以及气缸体组成，其中活塞和气缸构成移动副，活塞与连杆、连杆与曲轴、曲轴与气缸体之间均构成转动副。内燃机起动后，活塞在气缸中上下往复运动，通过连杆带动曲轴做旋转运动而向外输出动力。任务二

汽车平面四杆机构学习目标1.掌握铰链四杆机构的类型、应用及判别方法；2.熟悉铰链四杆机构的演化机构的类型及应用；3.掌握平面四杆机构的急回特性；4.了解平面四杆机构在汽车上的应用。(一)平面四杆机构的类型及判别平面连杆机构：由若干构件用低副（转动副和移动副）联接组成的机构。平面四杆机构：4个构件通过低副连接而成。铰链四杆机构：平面四杆机构中的四个构件全部通过转动副进行连接。

任务二

汽车平面四杆机构相关知识1、铰链四杆机构组成：构件1，3---连架杆构件2---

连杆构件4---机架曲柄：绕机架作整周相对转动的连架杆。摇杆：绕机架不能作整周相对转动的连架杆。任务二

汽车平面四杆机构图2-14铰链四杆机构任务二

汽车平面四杆机构

1）铰链四杆机构类型铰链四杆机构根据两个连架杆的类型可分为三类，分别是曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。（1）曲柄摇杆机构

铰链四杆机构中，如果两个连架杆一个是曲柄，另一个是摇杆，则该机构被称为曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构可实现曲柄整周旋转运动与摇杆往复摆动之间的转换。任务导入中的汽车雨刮器就是曲柄摇杆机构在汽车上的典型应用，曲柄AB做整周旋转运动，雨刷位于摇杆CD的延长线上，和摇杆CD一起做往复摆动，从未完成刮水动作。任务二

汽车平面四杆机构图2-16曲柄摇杆机构的应用（2）双曲柄机构

两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构，如图2-17a）所示。一般情况下，主动曲柄做等速圆周转动时，从动曲柄做变速圆周转动。如图2-17b）所示为惯性筛的机构运动简图，其中机构ABCD为双曲柄机构。当主动曲柄1做等速圆周运动时，带动从动曲柄3做变速圆周转动，并通过构件5带动筛子6做往复直线运动，从而达到筛分物料的目的。任务二

汽车平面四杆机构a）双曲柄机构b）惯性筛机构图2-17双曲柄机构及其应用（3）双摇杆机构两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构被称为双摇杆机构。双摇杆机构可实现两种摆动之间的转化，如图2-18a）所示。图2-18b）所示为鹤式起重机机构运动简图，其中ABCD为双摇杆机构，当摇杆AB和CD摆动时，使连杆BC的延长点E在近似水平的直线上运动，可以避免因重物升降而引起的能量消耗。

a）双摇杆机构b）鹤式起重机图2-18双摇杆机构及其应用任务二

汽车平面四杆机构2）铰链四杆机构的判别方法铰链四杆机构中，如果最短杆和最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和，则：①取机架为最短杆时，该机构为双曲柄机构，如图2-19a）所示；②取连架杆为最短杆时，该机构为曲柄连杆机构，如图2-19b）所示；③取连杆为最短杆时，该机构为双摇杆机构,如图2-19c）所示；

铰链四杆机构中，如果最短杆与最长杆之和大于其余两杆长度之和，则无论取哪个构件作为机架都，该机构只能是双摇杆机构，如图2-19d）所示。任务二

汽车平面四杆机构任务二

汽车平面四杆机构图2-19铰链四杆机构类型2、铰链四杆机构的演化形式

1）曲柄滑块机构

任务二

汽车平面四杆机构图2-20曲柄摇杆机构的演化图2-21曲柄滑块机构任务二

汽车平面四杆机构图2-13曲柄连杆机构2）曲柄导杆机构任务二

汽车平面四杆机构

如果选择图2-21曲柄滑块机构中的构件1作为机架，将得到曲柄导杆机构（由于构件4能在滑块中作相对移动，被称为导杆），若构件AB<BC，导杆可以做整周转动，称为转动导杆机构，如下图中左图所示。若构件AB>BC，导杆只能在一定范围内往复摆动，称为摆动导杆机构，如下图中右图所示。转动导杆机构摆动导杆机构任务二

汽车平面四杆机构转动导杆机构摆动导杆机构3）曲柄摇块机构

如果选择构件2作为机架，将得到曲柄摇块机构。如下图所示。该机构中，曲柄1作整周旋转运动，滑块3与机架2组成转动副并绕C点转动。任务二

汽车平面四杆机构曲柄滑块机构4）移动导杆机构

如果选择滑块3作为机架，就会得到移动导杆机构，也被称为定块机构，如下图所示。一般取杆件1为主动件，导杆4相对于定块3作往复直线运动。任务二

汽车平面四杆机构移动导杆机构

急回运动急回特性的应用例:颚式破碎机、牛头刨床。

越大,K越大，则急回运动特征越明显；反之则越不明显。（二）平面四杆机构的特性

行程速比系数KBACDC1B1C2B21、急回特性任务二

汽车平面四杆机构图2-22曲柄摇杆机构急回运动特性2、压力角和传动角作用在从动件受力点的力为F压力角：

从动件受力点受力方向与速度方向之间所夹之锐角为压力角。传动角＝900-传力要求

min400～500F分解有效分力无效分力常用γ来检验传力性能。γ愈大，传力性能愈好。

FnFvc

ACDl2l4l1Bl311234C’B’C”B”

min出现位置：曲柄与机架共线。即或时，出现

min须二者比较后确定。Ft任务二

汽车平面四杆机构图2-23曲柄摇杆机构的压力角和传动角任务二

汽车平面四杆机构3、死点（止点）位置

在曲柄摇杆机构中，当摇杆CD为主动件且处于两极限位置，在曲柄与连杆共线的位置出现传动角等于0的状况，这时不论连杆BC对曲柄AB的作用力有多大，都不能使AB转动，机构的这种位置称为死点。B1C1=00=004ABCD231B2C2AD图2-24曲柄摇杆机构死点位置

当机构在死点位置时，从动件会出现卡死或运动方向不确定的现象。对于传动机构而言死点通常是不利的。因此在设计时要采取相应的措施确保从动件可以顺利地通过死点。工程上常借用惯性使机构渡过死点，例如在内燃机曲轴一端安装的飞轮。任务二

汽车平面四杆机构任务二

汽车平面四杆机构（三）平面四杆机构在汽车上的应用1.汽车前轮转向机构（双摇杆机构）图2-25汽车前轮转向机构任务二

汽车平面四杆机构a）正平行四边形机构b）铲斗机构图2-26正平行四边形机构及其应用2.车门启闭机构（反平行双曲柄机构）

在双曲柄机构中，若两对边构件均长度相等且平行，则称为正平行四边形机构，如图2-26a）所示，曲柄1和曲柄3做同向同速转动，连杆2做平行移动。图b）所示的装载机铲斗升降机机构采用的就是正平行四边形机构，铲斗与连杆2固连，因此铲斗做平行移动，使得物料在运行中不致倾出。惯性筛机构也是正平行四边形机构的应用之一。任务二

汽车平面四杆机构

在双曲柄机构中，若两对边构件均长度相等，但连杆与机架不平行，则为反平行四边形机构，如图2-27a）所示，曲柄1和曲柄3做反向不同速转动。图2-27b）所示的车门启闭装置采用的就是反平行四边形机构，从而保证与曲柄1和曲柄3固结的车门可以同时开闭。

a）反平行四边形机构b）车门启闭装置图2-27反平行四边形机构及其应用任务三

凸轮机构

（一）凸轮和凸轮机构；（二）凸轮机构的工作过程；（三）常用的从动件运动规律；（四）凸轮机构在汽车上的其他应用；目录任务三

凸轮机构任务导入图2-28内燃机配气机构简图1—凸轮2—气门3—机械挺柱

如图所示为内燃机配气机构，作为内燃机的重要组成部分之一，配气机构的作用是按照发动机工作循环和点火顺序的要求，定时开启和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜气体及时进入气缸，燃烧产生的废气及时排出气缸。那么配气机构的进排气门的运动规律到底是什么，又是有什么控制实现的呢？任务三

凸轮机构任务三

凸轮机构任务分析

内燃机配气机构是凸轮机构在汽车上的典型应用，当凸轮1以等角速度转动时，通过挺柱、弹簧等组件驱动气门2按预期的运动规律上下运动，完成气门的开启和关闭，从而实现该气缸的排气和进气。在以上配气机构的工作过程中，凸轮作为凸轮机构的主动件控制着进、排气门运动规律，即进、排气门的开启和关闭时刻；进、排气门的开闭持续时间以及进、排气门的最大开启度。任务三

凸轮机构1.掌握凸轮机构的组成及分类；2.掌握凸轮机构的工作过程；3.熟悉从动件的运动规律；学习目标（一）凸轮和凸轮机构

凸轮是一个具有曲线轮廓的构件。含有凸轮的机构称为凸轮机构。它由凸轮、从动件和机架组成。任务三

凸轮机构相关知识1—凸轮2—从动件3—机架图2-29凸轮机构的组成1、根据凸轮的形状分类1）盘形凸轮在这种机构中，凸轮是一个绕固定轴线转动，并有变化半径的盘形构件，从动件在垂直于固定轴线的平面内运动，如图所示。盘形凸轮是凸轮最基本的形式，适用于从动件行程较短的凸轮机构。

任务三

凸轮机构2）圆柱凸轮

在这种凸轮机构中，凸轮是一种在圆柱端面上制出曲线或在轮廓圆柱面上开有曲线凹槽或的构件。圆柱凸轮适用于从动件行程较长的凸轮机构。如图2-30a）所示，凸轮绕固定轴线做旋转运动，从动件在平行于固定轴线的平面内做往返运动。任务三

凸轮机构1-圆柱凸轮；2-从动件图2-30凸轮机构种类（凸轮形状不同）a）圆柱凸轮机构3）移动凸轮

在这种凸轮机构中，移动凸轮可以看作是圆柱凸轮延母线展开成的平面凸轮。如图2-30b）所示，凸轮做往复直线运动，推动从动件在同一平面内做往返运动。任务三

凸轮机构图2-30凸轮机构种类（凸轮形状不同）b）移动凸轮机构2、按从动件端部形状分类任务三

凸轮机构

按照从动件不同的端部形状，可以将凸轮机构分为尖顶从动件凸轮机构、滚子从动件凸轮机构和平底从动件凸轮机构。（1）顶尖式从动件，如图2-31a）所示，结构简单易于磨损，只适用于作用力不大、速度不高的场合。（2）滚子式从动件，如图2-31b）所示，由于