中职本科机械原理教案

课程名称

教学目的

1.明确机械原理课程的研究对象和内容，以及学习本课程的目的。

2.了解机械原理在培养机械类高级工程技术人才全局中的地位、

任务和作用。

3.了解机械原理学科的发展趋势。

教学重点

机械原理课程的研究对象和内容，机器、机构和机械的概念

了解机械原理课程的性质和特点。

教学难点

机器和机构的用途以及区别

教学方法

讲授

课堂环节组织教学导入新课讲授新课巩固新课布置作业

时间分配

10560105

作业、复习内容、要求

预习项目一

课后小结

中职本第一次开课学生听课状况良好，能积极配合教学活动

机械原理课程概述

—、机械原理课程的研究对象机械原理(TheoryofMachinesand

Mechanisms):是机器和机构理论的

简称。它以机器和机构为研究对象，是一门研究机构运动设计和动力

设计•以

及机械运动方案设计的技术基础课。

1•什么是机器？

以下图所示单缸内燃机为例进行介绍：

单缸内燃机

如图所示的内燃机就包含着由气缸体9、活塞8、连杆3和曲轴4

所组成的连杆机构,由齿轮I和2所组成的齿轮机构以及由凸轮轴5

和阀门推杆6、7所组成的凸轮机构等。燃气推动活塞作往复移动，

经连杆转变为曲轴的连续转动。凸轮和阀'［推杆是用来后闭进气阀和

排气阀的。当燃气推动活塞运动时，各构件协调地动作，进、排气阀

有规律地后闭，加上汽化、点火等装置的配合，就把热能转换为曲轴

回转的机械能。

机械原理是研究机器的共性理论，必须对机器进行概括和抽象内

燃机及机械手的构造、用途和性能虽不相同，但是从它们的组成、运

动确定性及功能关系看，都具有一些共同特征：

(1)人为的实物(机件)的组合体。

(2)组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动。

(3)能完成有用机械功或转换机械能。

凡同时具备上述3个特征的实物组合体就称为机器。

2.什么是机构？

机构是传递运动和动力的实物组合体。最常见的机构有连杆机构、

凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构、螺旋机构、开式链机构等。它

们的共同特征是：

(1)人为的实物(机件)的组合体。

(2)组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动。

机器及机构的联系及区别：

机器是由各种机构组成的，它可以完成能量的转换或做有用的机

械功；而机构则仅仅起着运动传递和运动形式转换的作用。在开发设

计新型机器时，我们采用〃积零为整〃的设计思想，根据机器要完成

的工艺动作和工作性能，选择已有机构或创新设计新机构，构造新型

机器。内燃机就是由曲柄滑块机构(由活塞、连杆、曲轴和机架组成)、

凸轮机构(由凸轮、顶杆和机架组成)和齿轮机构等组成。

二、研究内容

1.机构的运动设计

主要研究机构的组成原理以及各种机构的类型、特点、功用和运

动设计方法。主要内容包括机构的组成和机构分析、连杆机构、凸轮

机构、齿轮机构和间歇运动机构等一些常用的机构及组合方式，阐述

满足预期运动和工作要求的各种机构的设计理论和方法。

2•机械的动力设计

主要介绍机械运转过程中所出现的若干动力学问题，以及如何通

过合理设计和实验改善机械动力性能的途径。主要包括求解在已知力

作用下机械的真实运动规律的方法、减少机械速度波动的调节问题、

机械运动过程中的平衡问题、以及机械效率和摩擦问题。

3.机械系统方案设计

主要介绍机械系统方案设计的设计内容、设计过程、设计思路和

设计方法。主要内容包括机械总体方案的设计和机械执行系统的方案

设计等内容。

三、机械原理课程在教学中的任务、地位和作用

1.机械原理课程学习的目的

机械工业是国家综合国力发展的基石，为了满足各行各业和广大

人民群众日益增长的新需求，就需要创造出越来越多的新产品，故现

代机械工业对创新型人才的渴求及日俱增。机械原理课程在培养机械

方面的创新型人才中将起到不可或缺的重要作用。

2.机械原理课程在教学中的地位、任务和作用

机械原理是以高等数学、物理学及理论力学等基础课程为基础

的，研究各种机械所具有的共性问题；它又为以后学习机械设计和有

关机械工程专业课程以及掌握新的科学技术成就打好工程技术的理

论基础。因此，机械原理是机械类各专业的一门非常重要的技术基础

课。

机械原理课程在培养高级机械工程技术人才的全局中，为学生从

事机械方面的设计、制造、研究和开发算定了重要的基础，并具有增

强学生适应机械技术工作能力的作用。

四、机械原理课程的学习方法

(1)学习机械原理知识的同时，注重素质和能力的培养。

(2)重视逻辑思维的同时，加强形象思维能力的培养。

(3)注意把理论力学的有关知识运用于本课程的学习中。

(4)注意将所学知识用于实际，做到举一反三。

五、机械原理学科发展趋势简介

1.机构的结构理论

2.常用机构和组合机构的设计及研究

3.机器人机构及仿生机构

4・微型机械及机电一体化

5.机械系统设计

6.机械系统动力学

7.计算机辅助设计及机构优化设计

课时授课计划

项目一机构组成原理及机构结构分析

§任务一机构的组成§任务二机构运动简图及绘制

教学目的

1.熟练掌握机构运动简图的绘制方法。能够将实际机构或机构的

结构图绘制成机构运动简图；能看懂各种复杂机构的机构运动简图;

能用机构运动简图表述自己的设计构思。

2.掌握运动链成为机构的条件。

教学重点

机构运动简图

教学难点

将实际机构或机构的结构图绘制成机构运动简图

教学方法

讲授

课堂环节组织教学导入新课讲授新课巩固新课布置作业

时间分配

2106585

作业、复习内容、要求

1.完成任务二后思考题3;

2.预习机构自由度的计算。

课后小结

1.内容较多*课堂上课时间有些紧张*同学们接受能力有限,需放

慢上课速度；

2.有部分同学听课状态很差，需尽力找到他们的兴趣点所在。

项目一机构组成原理及机构结构分析

任务一机构的组成

【知识点回顾】

1.说明机构和机器的相同点及不同点。

2.脚踏自行车和电动自行车相比，哪种属于机器的范畴•它们都

是机械吗？

3.机械原理研究的对象是什么？

4.设想一下机械工业将会发展成什么样子？

【知识点导入及任务布置】

我们在进行运动机构的设计时，都需将具体的机构组成部分抽象

成简单的运动学模型，绘制出机构的运动简图。绘制平面机构运动简

图要求熟悉构件、运动副的概念，掌握各种平面运动副和构件的一般

表不方法。

通过本节课的学习，主要解决以下几个方面问题：

1.机构由哪几部分组成？

2.自由度、约束、构件、运动副的相关概念？

3.机构及运动链的区别是什么？

学生们在完成任务一和任务二的学习后•需完成以下任务：

绘制绪论中单缸内燃机的机构运动简图。

【知识讲授】

一、构件及自由度

1.构件

构件：从运动的观点分析机械时，构件是参加运动的最小单元体。

构件可以是一个零件，也可以是由多个零件组成的刚性系统。

零件：从制造的观点分析机械时，零件是组成机械的最小单元体。

任何机械都由许多零件组合而成的。

2•自由度

一个做平面运动的自由构件具有三个独立运动。如图1-1所示•

在税y坐标系中•自由构件可随其上任一点/沿x轴、y轴方向移

动和绕/点转动。构件所具有的独立运动的数目称为自由度(degree

offreedom)°

图1-1构件做平面运动时的自由度

二、运动副及约束

1・运动副

运动副：两构件直接接触所形成的可动联接。

运动副元素：两构件直接接触而构成运动副的点、线、面部分。

构件的自由度：构件所具有的独立运动的数目C

两个构件构成运动副后，构件的某些独立运动受到限制,这种限制

称为约束。

约束：运动副对构件的独立运动所加的限制。运动副每引入一个

约束，构件就失去一个自由度。

2.运动副的分类

1）按运动副的接触形式分：

低副：构件及构件之间为面接触，其接触部分的压强较低，低副

认可分成移动副和转动副。

高副：构件及构件之间为点、线接触，其接触部分的压强较高。

2）按相对运动的形式分

平面运动副：两构件之间的相对运动为平面运动。

空间运动副：两构件之间的相对运动为空间运动。

3）按运动副引入的约束数分类

引入1个约束的运动副称为1级副，引入2个约束的运动副称为

2级副，引入3个约束的运动副称为3级副，引入4个约束的运动

副称为4级副，引入5个约束的运动副称为5级副。

三、运动链及机构

1・运动链

运动链是指两个或两个以上的构件通过运动副联接而构成的系

统。

闭式运动链(闭链)：运动链的各构件构成首末封闭的系统•如

图l-2a°

开式运动链(开链)：运动链的各构件未构成首末封闭的系统，

如图l-2b。

(a)(b)

图1-2

2•机构

在运动链中，如果将某一个构件加以固定，而让另一个或几个

构件按给定运动规律相对固定构件运动时如果运动链中其余各构

件都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。

机构：具有确定运动的运动链。

机架：机构中固定不动的构件；

原动件：按照给定运动规律独立运动的构件

【知识点总结】

本任务主要讲述了平面机构自由度及约束的概念以及自由度的类

型,通过对本任务的学习，让学生对机构的组成有一定的掌握，会区

分平面机构自由度的类型。

请同学回答以下问题：

1.何谓构件？何谓运动副？如何区分运动副的类型？

2.何谓运动链？运动链和机构的差别是什么？

任务二机构运动简图及绘制

-、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，并按一

•••••••

定比例确定运动副相对位置，绘制出的能够准确表达机构组成和各

构件间运动父系的简单图形，称为机构运动简图(kinematic

diagramofmechanism)°

机构示意图：只是为了表明机构的结构或者运动原理，也可以不

按比例来绘制运动简图，这种图形称为机构示意图(schematic

diagramofmechanism)°

机构运动简图中通常应表达出下列内容：

(1)构件数目；

(2)运动副的数目和类型；

(3)及运动变换相欠的构件尺寸参数;

(4)原动件及具运动特性。

二、机构运动简图及绘制

1.机构运动简图中一些常用的表示方法

(1)构件

(2)运动副的表示方法

1)转动副

两构件组成转动副时，其表示方法如图1-3所示。数字1和2表

示两个构件，圆圈表示转动副，其圆心必须及回转轴线重合。图l-3a

中的两个构件均为活动构件；图l-3b中的构件1是机架，固定构件，

构件2是活动构件。

(a)(b)

图1-3转动副的表示方法

2)移动副

构件1和构件2组成移动副时，表示方法如图1-4所示；移动导

路必须及相对移动方向一致。

图1-4移动副的表示方法

3)高副

两构件组成平面高副时，应画出两构件接触处的轮廓曲线，如图

1-5所示的凸轮副和齿轮副。

图1-5凸轮副和齿轮副

（4）常用机构的表示方法

GB/T4460—1984对一些常用机构在机构运动简图中的表示方

法作了规定•现摘录其中一部分以供参考（表）。

2.机构运动简图绘制

（1）机构运动简图绘制的一般步骤：

1）分析机构运动，找出机架、原动件和从动件。

2）原动件开始•按照运动的传递顺序，分析各构件之间的相对

运动性质，确定活动构件的数目、运动副的类型和数目。

3）选择表达各构件间运动关系的视图平面和机构运动时的瞬时

投影位置。

4）选择适当的比例尺出。〃尸实际长度/图示长度（单位：m/mm

或mm/mm）°

5）按比例确定各运动副之间的相对位置，用规定符号绘制机构

运动简图。

6）用阿拉伯数字给各构件编号♦用大写英文字母标出各个运动

副，并用箭头标出机构原动件的运动方向。

（2）机构运动简图绘制的实例分析

【任务小结】

本任务主要讲述了机构运动简图符号及绘制方法，通过对本任务

的学习，让学生认识平面机构的运动简图，掌握机构运动简图的符号

及绘制方法•以便更好的分析及设计机构。

课堂提问问题：

1.机构运动简图及示意图有什么区别？

2.机构运动简图能表示出原机构哪些方面的特征？

课时授课计划

§任务三机构自由度的计算及其具有确定运动的条件

教学目的

1.熟练掌握机构自由度的计算方法和机构具有确定运动的条件。

2.能够分析机构自由度计算中的特殊注意事项。

教学重点

机构自由度的II算方法

教学难点

复杂机构自由度的计算

教学方法

讲授

课堂环节组织教学导入新课讲授新课巩固新课布置作业

时间分配

3270105

作业、复习内容、要求

1.完成任务三后思考及练习题5;

2.复习机构自由度的计算，准备下次课的阶段考试。

课后小结

1.考虑到中职本学生接受能力•取消了原定计划中任务四的学习。

2.在下次课的阶段测试中，增加习题讲解。

3.9月17号进行课程阶段测试。(3-1)

4.9月21号去实验室做实验，内容认知实验和平面机构简图测绘。

(3-2)

任务三机构自由度的计算及其具有确定运动的条件

【知识点回顾】

1.为什么要绘制机构运动简图？机构运动简图及机构示意图有

什么区别？

2.机构运动简图的作用是什么？

【知识点导入】

完成了机构的运动简图后我们需要考虑选择原动件的问题•应该

选什么样的构件为原动件合适？需要几个原动件？原动件的个数选

择不当会对机构的运动产生哪些影响？要回答这些问题就要先学会

计算机构的自由度。

【知识点讲解】

一、平面机构自由度的计算

机构的自由度：机构具有确定运动所必须给定的独立运动的数目。

分析：平面机构中•若共有N个构件，除去机架外，其活动构件

数为n=N-1。显然•这些活动构件在未组成运动副之前，其自由度

总数为3n，当它们用几个低副和4个高副连接组成机构后，因为

每个低副引入两个约束，每个高副引入一个约束，所以，总共引入

（2凡+2）个约束。机构的自由度尸应为活动构件的总自由度数减

去总约束数，即

F=3n-（2凡+4）=3/7-2凡-4

例题讲解：

1.计算曲柄滑块机构的自由度

2.计算钱链四杆机构和五杆机构的自由度

二、机构具有确定运动的条件

机构的自由度及原动件的关系有以下几种情况：

若仁0,表示没有原动件，这时机构变成了桁架，不能成为机构。

若原动件数目小于尸，机构的运动将不完全确定•沿阻力最小的

方向运动•以钱链五杆机构为例讲解；

若原动件数目大于尸，则将导致机构中最薄弱的环节损坏，以较

链四杆机构为例讲解。

由此，可以得出机构具有确定运动的条件是：尸＞0，且下等于原

动件数。

三、应用平面机构自由度计算公式时的注意事项

1・复合校链

两个以上的构件在同一处用转动副相连接就构成复合校链

(compoundhinge)°攵个构件在一处校接形成的复合较链应具有

kA个转动副。

机构中某一构件的运动不影响原动件和输出构件的运动传递，该

构件的运动产生的自由度称为局部自由度(passivedegreeof

freedom)o常见于凸轮机构滚子从动件及类似的将滑动摩擦变为滚

动摩擦的情况中。在计算机构自由度时，可将该构件去掉或作固定处

理。

例：试计算图示凸轮机构的自由度。

解：该机构滚轮处形成局部自由度，处理方

所示，其自由度为：

F=3n-2PL-/^=3x2-2x2-l=l

3.虚约束(图略，见课本)

对机构运动实际上不起限制作用的重复约束称为虚约束

(redundantconstraint)°计算机构自由度时应将带入虚约束的构

件及其运动副除去不计。

虚约束常出现在以下场合：

(1)平行四边形机构

图1-17所示的机车车轮驱动机构即是平行四边形机构，杆2、4、

5相互平行且长度相等，其中任意一构件去掉后均不影响机构的运

动。

(2)两构件之间组成多个导路平行的移动副

如图1-18所示的杆件1和机架2在/、8、。三处形成移动副，

只有一个移动副起作用,另两个为虚约束。

(3)两个构件之间组成多个轴线重合的转动副

如图1-19所示一对轴承支承一根轴，只能看作一个转动副。

(4)机构中对传递运动不起作用的对称部分

如图1-20所示的行星轮系,太阳轮1驱动三个对称布置的行星

轮2、2'和2〃•带动内齿轮3•实际上1个行星轮即可满足传动的

需要，其他两个行星轮则引入了虚约束。在计算尸时应将多余的行星

轮去掉。

思考：既然虚约束对机构的运动不起实际限制作用，为什么要引

人虚约束？

【知识点总结】

本任务主要讲述了机构自由度的计算方法及其注意事项。通过对

本任务的学习，让学生学会计算机构自由度并判断机构运动的确定

性，掌握复合较链、局部自由度和虚约束的概念。

综合练习：

计算图l-21a所示大筛机构的自由度，并判断该机构是否有确定

的相对运动。

项目二平面机构的运动分析

任务一研究机构运动分析的目的和方法

任务二速度瞬心法及其在机构速度分析上的应用

教学目的

1.了解机构运动分析的目的和方法；

2掌握瞬心法原理及瞬心位置的确定方法。

教学重点

瞬心的概念，三心定理，瞬心位置的确定方法

教学难点

速度瞬心位置的确定方法

教学方法

讲授

课堂环节组织教学导入新课讲授新课巩固新课布置作业

时间分配

3570102

作业、复习内容、要求

预习有关瞬心法进行速度分析的内容

课后小结

1.瞬心的概念比较抽象•学生们埋解比较慢•应该把进度放慢。

2.这节课开始用到理论力学运动学部分内容，应督促学生做好理

论基础准备工作。

任务一研究机构运动分析的目的和方法

【知识导入】

-、什么是机构的运动分析？

平面机构的运动分析就是从运动学观点出发，根据原动件的已知

运动规律，确定机构中其余构件上任一点的轨迹、位移、速度和加速

度以及这些构件的角位移、角速度和角加速度。1.机构运动分析要

解决什么问题？

二、为什么要进行机构的运动分析？

不论是对于了解、认识和分析现有机械的运动特性以便合理有效

地运用这些机器，还是设计新的机械，进行机构的运动分析都是很重

要的。

【知识点讲解】

一、机构运动分析的目的

机构运动分析的内容包括位移分析、速度分析和加速度分析三部

分。

通过对机构进行位移分析，可以了解机构运动的全过程，从而确

定机构中构件所需的运动空间，判断各构件在运动过程中是否会发生

相互干涉,还可以确定出从动件的行程以及构件上某点的运动轨迹

等。

通过对机构进行速度分析，可以确定从动件的速度变化规律能否

满足工作要求,也可确定出机构的某些结构参数。

对于某些高速机械进行加速度分析是为了确定各个构件的惯性

力，进而确定出在构件上所产生的冲击及其对机构运动的影响。

二、机构运动分析的方法

1•图解法

(1)速度瞬心法

简单直观、精度低、求系列位置时繁琐.当构件数目较少时，适

合用瞬心法进行速度分析。

(2)矢量方程图解法

利用理论力学的相对运动原理，把速度方程和加速度方程转换为

几何矢量方程，用作图的方法求解构件的角速度、角加速度或某些点

的速度及加速度。

2•解析法

在建立机构运动学模型的基础上，采用数学方法求解构件的角速

度、加速度或某些点的速度及加速度，计算工作量大，但借助计算机

可获得很高的计算精度。

任务二速度瞬心法及其在机构速度分析上的应用

一、瞬心法

1•速度瞬心的概念

互作平面运动的两构件上，瞬时速度相等的重合点即为速度瞬心，

简称瞬心，用符号与表示，下角标i、j分别代表两个构件。

相对瞬心一如果两个构件中有一个是固定不动的构件，则其瞬心

称为绝对速度瞬心(absoluteinstantaneouscentreofvelocity)°

由于固定不动的构件速度为零，所以绝对瞬心是运动构件上绝对速度

等于零的点。

绝对瞬心一如果两个构件都是运动的构件«则其瞬心称为相对速

度瞬心(relativeinstantaneouscentreofvelocity)°

注意：任意两个构件无论它们是否直接形成运动副都存在一个瞬

心。

二、机构中瞬心的数目

由于在作相对运动的任意两构件之间都有一个瞬心，如果一个机

构由《个构件(包含机架)组成，则机构所具有的瞬心数目/V为

三、机构中瞬心位置的确定

i.两个自由构件之间的瞬心\

在图2-1中,设某一瞬时,已知构件1和晨：右)

构件2在重合点力和6处的相对速度分别为

以2Al和42B「过点工作相对速度幺2Al的垂线«过点8作相对速度

»B2B1的垂线，这两条垂线交于点?一则该交点就是两个构件的瞬心。

2.两个构件之间直接接触组成运动副时的瞬心

运动副类型ES瞬心位置特征

三个瞬心位于同一直线上，称这一结论为三心定理。三心定理用于求

机构中两个构件之间不以运动副相连或组成滚动兼滑动的高副时的

瞬心。

(2)瞬心多边形法当机构的瞬心数目较多时，应用三心定理

直接求解各个瞬心比较复杂，这里介绍瞬心多边形法来求解各个瞬心

的位置。瞬心多边形法是三心定理的具体应用。

应用瞬心多边形法的步骤如下：

a)利用公式，计算瞬心数目。

b)在机构简图上把两构件直接用运动副连接的瞬心用直接法标

出。

c）按构件数目画出正K边形的K个顶点，每个顶点代表一个构

件，并按顺序标注阿拉伯数字，每两个顶点连线代表一个瞬心。多边

形的各个棱边表示两个构件用运动副直接连接的瞬心，而多边形的对

角线则表示不以运动副相连的两个构件的瞬心，即未知瞬心。三个顶

点连线构成三角形的三条边表示三瞬心共线。

d）根据三心定理，利用两个三角形的公共边可找出未知瞬心。

在求机构的瞬心时，首先确定瞬心多边形中各个边表示的瞬心，

然后用三心定理确定对角线表示的瞬心。

【知识点总结】

本任务主要讲了速度瞬心法、机构中瞬心的数目计算方法及瞬心

位置的确定，通过对本任务的学习，使学生能够用速度瞬心法对机构

进行运动分析。

课堂提问：

L何谓速度瞬心？相对瞬心及绝对瞬心有何异同点？

2.能否用速度瞬心法求构件的加速度？为什么？

3•何谓三心定理？何种情况下的瞬心需要用三心定理来确定？

课时授课计划

项目二平面机构的运动分析

任务二速度瞬心法及其在机构速度分析上的应用（二）

教学目的

掌握用瞬心法对常用机构进行速度分析

教学重点

速度瞬心法在机构运动分析中的应用

教学难点

速度瞬心法在机构运动分析中的应用

教学方法

讲授

课堂环节组织教学导入新课讲授新课巩固新课布置作业

时间分配

55502010

作业、复习内容、要求

i.完成项目二任务二中思考及练习4、5两道大题；

2,预习项目三平面连杆机构

课后小结

习题讲解一定要细致，鼓励学生多做练习，熟能生巧。

任务二速度瞬心法及其在机构速度分析上的应用

【知识导入】

-、什么是机构的运动分析？

通过上节课的介绍，我们了解了速度瞬心的概念，知道了瞬心位

置的确定方法，这节课我们就通过四道例题学习如何利用速度瞬心法

求解构件的角速度或者是构件上任一点的速度。

【知识点讲解】

三、机构中瞬心位置的确定

例2-1确定如图2-3所示的钱链四杆机构的全部瞬心。

解：a）如图2-3a所示的钱链四杆机构中，瞬心的总数

b）各构件之间的银链中心分别为瞬心84、P12、&、&。由于

瞬心位置及两构件次序无关，故P14及此1相同，P\2及丹1相同,P23

及只2相同，自4及/3相同°未知瞬心为P13'丹4可利用瞬心多边

形法找出来。

c）如图2-3b所示画出正四边形的四个顶点1、2、3、4，表示

该机构的四个构件1、2、3、4。连接顶点4、1，表示瞬心①；连

接顶点1、2，表示瞬心P12；连接顶点2、3,表示瞬心P23；连接顶

点3、4，表示瞬心84。四边形的对角线13和24分别表示未知瞬

心P13和P?4。

d）直接应用三心定理，利用三角形123、143的公共边找出P、3。

三角形123中•表示々2、&'月3共线,三角形143中,表示周、

月4'共线,两线交点即为P13°同理，三角形124中*表示P12、

自4、84共线,三角形234中*表示&、自4、月4共线，两线交点

即为P24°

（a）（b）

校链四杆机构瞬心求法

例2-2确定如图2-4所示的曲柄滑块机构的全部瞬心。

解：a）如图2-4a所示的曲柄滑块机构中，瞬心的总数

b）可直接找出的瞬心P14、P12、&、&。未知瞬心为P13、P24、

可利用瞬心多边形法找出来。

c）如图2-4b所示画出正四边形各棱边分别表示瞬心々4、々2、

乌3、24。四边形的对角线13和24分别表示未知瞬心心和乌4。

d）根据三心定理小在&和丹3的连线上，又在尺4和a的

连线上，其交点为尺3。&在尺2和自乙的连线上，又在％和&

的连线上，其交点为丹4。

(a)(b)

曲柄滑块机构瞬心求法

四、速度瞬心法在机构速度分析中的应用

利用速度瞬心对机构进行速度分析时，要选择一个适当的比例尺

川，画出机构运动简图•找出机构的全部瞬心并标注在机构运动简图

上。利用瞬心是两构件重合点处的等速重合点和瞬时转动中心的概

念，找出待求构件的速度。

例2-3已知图2・5所示的钱链四杆机构的尺寸、位置，

构件1的角速度幼，用瞬心法求解构件2、3的角速度幼，幼。

解：找出该机构的全部速度瞬心并标注在机构运动简图上。

因已知构件1的角速度si，待求角速度的构件要同构件1联系

起来。

若求解5，则找出构件1和构件2的同速点，既瞬心P12。

户12在构件1上，尢=匕="外

P12在构件2上，入=%=在⑹

若求5，则应找出构件1和构件3的同速点，既瞬心P\3。

扩大构件1、3，其同速点为丹3。

其方向可由其速度方向判断。

瞬心法在钱链四杆机构分析中的应用瞬心法在凸轮

机构中的应用

例2-4已知上图所示凸轮机构中的凸轮角速度32，用瞬心法

求从动件速度刈。

解：1）画出机构运动简图并标注全部速度瞬心。

该机构共有三个瞬心，々2在构件1、2的转动副处，々3在垂直

于构件1、3组成的移动副导路的无穷远处•而丹3既要在过接触点

的法线上/7上，又要在尺2及凡3的连线上，则公法线〃”及凡2和

月3的连线的交点即为丹3，如图2-6所六。

2）求从动件的移动速度

丹3为凸轮2及推杆3的速度瞬心，即两构件的同速点，则有

心=牡与内=匕，推杆的运动方向可由瞬心处的速度方向决定°从上

式可找出以下关系：

该关系式在凸轮机构的设计中有重要应用。

当机构中的构件很多时，寻找全部瞬心是件很繁琐的事情，只有

当机构的构件数较少时，应用瞬心法作速度分析才比较简便快捷。

【知识点总结】

瞬心法适合于求简单机构的速度，机构复杂时因瞬心数急剧增加

而求解过程复杂•而且有时瞬心点落在纸面外。还要注意的是«速度

瞬心法仅适于求速度V•不能用于机构的加速度分析，应用有一定局

限性

总结练习题：

在图示机构中已知各构件的长度，主动件AB以等角速度31顺

时针方向旋转。试求：

(1)标出机构的全部速度瞬心，指出其中的绝对瞬心；

(2)用速度瞬心法求传动比/13=31/他；

课时授课计划

课程名称

项目三平面连杆机构及其设计

任务一连杆机构的应用及其设计的基本问题

任务二平面四杆机构的类型及其应用

教学目的

1.了解连杆机构的分类、应用和传动特点。

2.了解平面连杆机构设计的基本问题、常用的设计方法和发展趋

势。

3.熟悉平面四杆机构的基本形式及其演化方法。

教学重点

平面四杆机构的基本形式及演化方法

教学难点

平面四杆机构的基本形式及演化方法

教学方法

讲授

课堂环节组织教学导入新课讲授新课巩固新课布置作业

时间分配

3570102

作业、复习内容、要求

课后小结

项目三平面连杆机构及其设计

任务一连杆机构的应用及其设计的基本问题

【知识点导入】

客车车门是如何巧妙自如地开闭？机械手是如何如同人的手臂般

灵活动作？玩具马又是如何能模仿马跃上、窜下、前俯、后仰的奔驰

姿态，自行车方便的刹车，飞机通过着陆轮安全着陆等，连杆机构在

其中起到了重要作用。本章将介绍连杆机构的有关知识。

学习任务：

同学们首要完成的任务就是能够辨认实际应用实例中平面四杆机

构的类型，说明平面四杆机构在实际应用中的作用。

【知识点讲解】

-、连杆机构的类型及应用

连杆机构(linkagemechanism):由若干刚性构件用低副(转

动副和移动副)连接而成的机构，又称为低副机构。

平面连杆机构：若各运动构件均在相互平行的平面内运动，则称为

平面连杆机构。

空间连杆机构：若各运动构件不都在相互平行的平面内运动•则称

为空间连杆机构。

二、连杆机构的传动特点

优点：，压强小，易于润滑,磨损小;

2.制造方便，精度高；能由本身几何形状保持接触;

3.可实现多种运动变换和运动规律；

4.连杆曲线形状丰富，可满足各种轨迹要求。

缺点：，传动积累误差较大，影响运动精度，降低机械效率；

2.惯性力不易平衡，动载荷大•不适用高速传动。

3.设计方法复杂•不易精确地满足运动规律和运动轨迹的要

求。

三、平面连杆机构设计的基本问题

平面连杆机构设计的基本问题是根据给定的要求选定机构的形

式•确定各构件的尺寸，同时还要满足结构条件(如要求存在曲柄、

杆长比恰当等)、动力条件(如适当的传动角等)和运动连续条件等。

可以分为两类基本问题：

(1)实现已知的运动规律(位置设计)

(2)实现已知的运动轨迹(轨迹设计)

四、平面连杆机构的设计方法

平面连杆机构的设计方法有图解法、解析法和实验法三种方法。

(1)图解法

(2)解析法

(3)实验法

五、平面连杆机构设计的发展趋势

任务二平面四杆机构的类型及其应用

-、平面四杆机构的基本类型及其应用

平面四杆机构可以根据低副类型分为较链四杆机构（全是转动

副）、含有一个移动副的平面四杆机构和含有两个移动副的平面四杆

机构。较链四杆机构是平面四杆机构的基本型式。

机架4一链四杆机构中，固定不动的构

件。

连架杆1、3一及机架4相连的构件。

连杆2一连接两连架杆的构件。

曲柄1一相对于机架能作360。整周回转的连架杆。

摇杆3一只能在小于360。的某一角度范围内作往

复摆动的连架杆。

周转副A、B一组成转动副的两构件若能作整周相对转动，则该转

动副称为周转副。

摆转副C、D一组成转动副的两构件若不能作整周相对转动«则该

转动副称为摆转副

钱链四杆机构根据其两连架杆运动形式的不同，可分为以下三种

基本类型。

1.曲柄摇杆机构

在钱链四杆机构中，若两个连架杆中一个是曲柄，另一个是摇杆，

则称该机构为曲柄摇杆机构(crank-rockermechanism)°曲柄摇

杆机构可将曲柄的等速连续转动转换为摇杆的往复摆动，如图3-6

所示的雷达天线俯仰机构和图3-7所示的搅拌机；也可将摇杆的往

复摆动转换为曲柄的整周转动，如图3-8所示的缝纫机踏板机构。

2,双曲柄机构

在钱链四杆机构中，若两连架杆均为曲柄，则称该机构为双曲柄

机构(double-crankmechanism)•当主动曲柄等速回转时•

从动曲柄。作变速转动。图3-10所示的惯性筛机构，图3-1(b)

所示的冲床六杆机构都是应用实例。

双曲柄机构中有两种特殊机构：平行四边形机构和反平行四边形

机构

在双曲柄机构中•若两对边构件长度相等且平行，则称为平行四

边形机构。应用实例如图3-12所示的天平机构，图3-13所示的摄

影车升降机构,图3-14所示的砂轮圆弧打磨机和图3-15所示的机

车车轮联动机构。

两曲柄长度相同，而连杆及机架不平行的钱链四杆机构，称为反

平行四边形机构，图3-18所示的车门后闭机构，就是它的应用实例。

3.双摇杆机构

在较链四杆机构中，若两连架杆均为摇杆，则称该机构为双摇杆

机构(double-rockermechanism)°如图3-19所示的鹤式起重机，

图3-20所示的飞机起落架机构是其应用实例。

在双摇杆机构中，若两摇杆长度相等并最短，则构成等腰梯形机

构，图3-21所示的汽车前轮转向机构是应用实例。

二、平面四杆机构的的演化形式及其应用

1.改变构件的形状和运动尺寸(如下表所示)

曲柄摇杆机构转化曲柄滑块机构

偏置曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构

2.改变运动副的尺寸

曲柄滑块机构中•当曲柄的尺寸很小时，两个转动副力和8

会靠的很近，这会大大影响到曲柄的传动强度•如果传递功率较

大在一个较短的构件上加工两个尺寸较大的转动副甚至是难以实现

的。为此，我们可将转动副B的半径扩大，使之超过曲柄的长度«

将杆状曲柄改作几何中心8不及其回转中心/重合的圆盘，这种转

化后机构称为偏心轮机构。剪床、冲床、颛式破碎机、柱塞泵以及锻

压设备中均有其应用。

3.取不同构件为机架（如下表所示）

将各种机构的应用实例举出•由学生辨认其中使用的平面四杆机

构的类型，并且说明连杆机构在其中所起的作用，通过实际训练达到

知识巩固和总结的作用。

课时授课计划

任务三平面四杆机构有曲柄的条件和几个基本概念

教学目的

1.重点掌握钱链四杆机构有曲柄的条件。2.重点掌握平面四杆

机构的急回特性。

3.掌握平面连杆机构的压力角和传动角。4.掌握平面四杆机构

的死点位置。

教学重点

钱链四杆机构有曲柄的条件；急回特性；

平面连杆机构的压力角和传动角

教学难点

急回特性；最小传动角的找法

教学方法

讲授

课堂环节组织教学导入新课讲授新课巩固新课布置作业

时间分配

327582

作业、复习内容、要求

1.完成任务三课后思考和练习题5、6.。

2.预习平面连杆机构的设计。

3•准备阶段测试。

课后小结

1.本节内容较多•要多引入例题，举一反三。

2.要留出足够的时间让学生自己解决问题，知识点点到即可。

任务三平面四杆机构有曲柄的条件和几个基本概念

【知识导入】

了解了平面四杆机构的类型和应用后，我们要研究连杆机构的工

作特性。连杆机构的工作特性是指其运动特性和传力特性。运动特性

包括急回特性、运动的连续性以及曲柄存在条件等，而传力特性主要

是指运动过程中从动件上某点的压力角和传动角、机构的死点位置及

机械增益等・下面逐一详细进行介绍。

【知识点讲解】

是曲柄，另一连架杆。是摇杆，各杆的长度分别为8、6、cd。

当时，由曲柄的定义可知杆必能绕校链/相对机架作360。

整周回转，所以肯定会通过及机架共线的两位置/员和AB?。当

转动到时，曲柄及机架重叠共线，摇杆摆动到OG

位置，构成/&G。；当继续转动到时，曲柄及机架

延长共线，摇杆摆动到0G位置，构成/&G。。根据三角形任意两

边长度之和必大于第三边长度的几何关系并考虑到极限情况，可得

a+d<b-\-c(1)

即a+b4c+d

(2)

即a+cWb+d

(3)

将上述三式分别两两相加，可得

a<b,a<c,a<d(4)

由此,得出钱链四杆机构存在曲柄的条件为：

(1)最短杆和最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和

(杆长条件)；

(2)最短杆或者最短杆的相邻杆为机架(最短杆条件)。

思考：若第一个条件满足，我们考虑一下当选取不同的构件作

机架时•会得到什么样的机构？

(1)若取最短杆为机架——得双曲柄机构；

(2)若取最短杆的任一相邻的构件为机架——得曲柄摇杆机构；

(3)若取最短杆对面的构件为机架——得双摇杆机构。

注意：如果四杆机构不满足杆长之和条件，则不论选取哪个构件为

机架，所得机构均为双摇杆机构。

二、急回运动和行程速度变化系

数

1.极位夹角6

右图所示为一曲柄摇杆机构，设

曲柄为原动件，当摇杆处于两极

限位置时，相应的曲柄位置所在直线之间所夹的锐角，称为该曲柄摇

杆机构的极位夹角，用8表示。摇杆在这两个极限位置之间所夹的

角度称为摇杆的摆角，用W表示。将概念推广到一般四杆机构，即

极位夹角就是指当从动件处于两极限位置时，主动件对应两位置所夹

的锐角。

课中练习一：

(1)请同学根据书中曲柄摇杆机构的作图轨迹描述曲柄摇杆机构

极位夹角的作图过程。

(2)用图解法做出偏置曲柄滑块机构和对心曲柄滑块机构的极位

夹角和滑块的行程。

(3)用图解法做出摆动导杆机构的极位夹角和导杆的摆角。

2.急回运动

当曲柄作等速转动时，摇杆往复摆动的平均速度不同，因此摇杆

作往复变速摆动。机构的这种运动称为急回运动。

3.行程速度变化系数K

为了表明急回运动的急回程度，可用摇杆空回行程的平均速度4

和工作行程的平均速度吸的比值《来表示，《称为行程速度变化系

数即

只要机构中板位夹角8钝或者K>1，机构就一定具有急回特性。

6角越大，大值越大，机构的急回运动性质也越显著，但机构传动的

平稳性下降。一般推荐后1.2~2.0。

课中练习二：

(1)请同学自行证明曲柄摇杆机构有急回特性。

(2)说明偏置曲柄滑块机构、对心曲柄滑块机构和摆动导杆机构是

否有急回特性。

3.压力角和传动角

(1)压力角

在下图所示的曲柄摇杆机构中•力厂的作用线及力作用点。处的

绝对速度匕之间所夹的锐•角•a称为机构在此位置时的压力角

(pressureangle)。

F,=Fcosa（有效分力）

E=.sina（有害分力）

在驱动力尸一定的条件下，显然，压力角a越小，有效分力就越

大.有害分力就越小，对机构的传动越有利，传动效率越高。

由此可见，连杆机构是否具有良好的‘专力性能，可以用压力角a

的大小来衡量。压力角a越小，机构的传力性能就越好。因此，压

力角是反映机构传力性能的一个重要指标。

曲柄摇杆机构的压力角和传动角

（2）传动角

压力角a的余角称为传动角（transmissionangle）*用p表示。

在工程上常用传动角）/的大小来衡量机构的传力性能。传动角y

越大，机构的传力性能就越好。反之，传动角1/越小，机构传力越费

力，传动效率越低。所以，传动角是反映机构传力性能的另一个重要

指标。

对于一般机构，通常取对于传力较大的机构，则应使

ymin>40°;

Nmin»50。；对于一些受力很小或不常使用的操纵机构，则可允许Ymin

略小于40。•只要不发生自锁即可。

在上图的曲柄摇杆机构中，当/8COW90。时即为传动角；

/8。>90。时，传动角片180。-tBCD。因此最小传动角将出

现在如下两个位置之一:

i）当主动件28及机架共线时（ABr）位置•这时最小，

其值为

2）当主动件处及机架的延长线上时（AB2）位置，这时

最大，其值为

/-BiCiD=arccos"一（"+”（3-10）

2bc

若N&GZ;＜90。，则N&G。为最小传动角；若/昆＜?。＞90。-

则应比较N&G。及180°-乙B2c2D，二者谁小，谁就是最小传动角

J/nin°

在偏置曲柄滑块机构中•曲柄为主动件时，从动件所受的力尸及

从动件滑块。的速度匕间的夹角为压力角a而力尸及导路垂线尸沙

间的夹角为传动角y。可见在图示ABC处，有最小传动角j/min，可

按下式计算，即

曲柄滑块机构中，当曲柄为主动件时，最小传动角出现在曲柄及

导路垂直且远离偏心一方的机构位置。

图3-39偏置曲柄滑块机构的传动角

对于导杆机构，当曲柄为主动件时,由于在任何位置上，曲柄通

过滑块对导杆的作用力始终垂直于导杆而导杆上力作用点的速度总

是垂直于导杆，故传动角）/始终等于90°，所以具有良好的传力性能。

四、死点位置

在曲柄摇杆机构中，若以摇杆。为主动件，则当机构处于连杆

及从动曲柄共线的两个位置时，连杆8。作用在从动曲柄上的驱

动力会通过曲柄的回转中心驱动力矩为零，传动角片0。，此时

不论连杆8。对曲柄28的作用力有多大，都不能使曲柄转动•机构

的这种位置称为机构的死点位置。

死点位置会使机构的从动件出现卡死或运动不确定的现象，对传

动机构是不利的。为了使机构能顺利地通过死点而正常运转，可采用

将两组以上的相同机构组合使用或采用安装飞轮加大惯性的方法，等

等。

在工程实践中•也有很多利用死点位置的场合•如书中图3-20

所示的飞机起落架机构和图3-42所示的工件夹紧机构都是利用死点

的实际例子。

【知识点总结】

本任务主要讲述了平面四杆机构存在挣柄的条件、急回特性、压

力角和传动角及死点位置四个今于平面连杆机构运动特性和传力特

性的问题，本任务是整个项目中的重点和难点所在。通过本任务的学

习，学生应该掌握及平面连杆机构基本特性有关的概念，能够判断皎

链四杆机构的类型，能够通过图解法判断机构是否有急回特性，能够

通过计算求得机构的最小传动角并判定最小传动角所处的位置，能够

观察机构中是否存在死点，并能举出避免和利用死点位置的实例。

总结练习:

如图所示，设已知四杆机构各构件的长度240mm-

6=600mm-c=400mm♦4=500mm•试回答以下问题：

1）当取杆4为机架时，是否有曲柄存在？若有曲

柄，则杆为曲柄，此时该机构为。

2）要使此机构为双曲柄机构，则应取杆为机架。

3）要使此机构为双摇杆机构，则应取杆为机架•

且其长度的允许变动范围为。

4）如将杆4的长度改为d=400mm，而其他各杆的长度不变，则

当分别以1、2、3杆为机架时，所获得的机构为机构。

课时授课计划

任务四平面四杆机构的运动设计

教学目的

通过本任务的学习•主要解决以下几个方面问题：

1.掌握按给定连杆的位置设计平面四杆机构

2.掌握按给定连架杆的位置设计平面四杆机构

3.掌握按给定行程速度变化系数设计平面四杆机构

教学重点

按给定行程速度变化系数设计平面四杆机构

教学难点

按给定行程速度变化系数设计平面四杆机构

教学方法

讲授、小组讨论、多媒体演示

课堂环节组织教学导入新课讲授新课巩固新课布置作业

时间分配

3570102

作业、复习内容、要求

课本79页思考及练习2、3

课后小结

1.这节内容以启发为主，讲明思路，鼓励学生独立思考、独立设计。

2.内容较多，时间有些仓促。任务四平面四杆机构的运动设计

【知识导入】

平面连杆机构在工程实际中应用十分广泛。根据工作对机构所要

实现运动的要求，这些范围广泛的应用问题，通常可归纳为三大类设

计问题。

(1)实现刚体给定位置的设计

在这类设计问题中，要求所设计的机构能引导一个刚体顺序通过

一系列给定的位置。该刚体一般是机构的连杆。

(2)实现预定运动规律的设计

在这类设计问题中，要求所设计机构的主、从动连架杆之间的运

动关系能满足某种给定的函数关系。如车门开闭机构，工作要求两连

架杆的转角满足大小相等而转向相反的运动父系以实现车门的开官

和关闭；又如汽车前轮转向机构，工作要求两连架杆的转角满足某种

函数关系，以保证汽车顺利转弯；再比如，在工程实际的许多应用中，

要求在主动连架杆匀速运动的情况下，从动连架杆的运动具有急回特

性，以提高劳动生产率。

平面连杆机构的设计方法大致可分为图解法、解析法和实验法三

类，本节课只介绍图解法。

【知识点讲解】

-、按给定连杆的位置设计平面四杆机构

1.按给定连杆的两个位置设计四杆机构

设计任务：如图所示，假设已知连杆6U的长度和连杆运动中两

个预定占据的位置81G和B2c2，要求设计校链四杆机构ABCD。

设计过程：做B]B?'GG的垂直平分线仇2和02，在⑦2和02

上任选两个点作为钱链/、。，最后，连接/&G。即得所求的钱链

四杆机构。如果设计要求中还给定了其他附加条件，如机架的长度、

运动中的最小传动向、曲柄条件等，结合这些条件•可得到唯一解。

3.按给定连杆的三个位置设计四杆机构

设计任务：如图3-47所示，已知连杆8。的长度以及连杆运动时的

三个预定位置81G、

B2c2、B3c3，要求设计校链四杆机构

设计步骤：

1）选取比例尺3绘出连杆的三个预定位置B1C1B2C233c3。

2）连接B1B2、B2B3，分别作B1B2和B2B3的垂直平分线，

两条垂直平分线会相交于一点，这点就是钱链A的位置。

3）连接C1C2、C2C3，分别作C1C2和C2C3的垂直平分线，

两条垂直平分线会相交于一点，这点就是校链D的位置；

4）连接AB1C1D，即得所求的钱链四杆机构。各构件的实际长

度为图中所量长度乘以比例尺山。

二、按给定连架杆的位置设计平面四杆机构

1.按给定两连架杆的两组对应位置设计平面四杆机构

设计任务：如图所示，已知连架杆和机架的长度•两连架

杆和。。的两组对应位置分别为力瓦、。后和AB?、DE?（其中

Er£两点为。。杆上任意选取的一点£所占据的位置），对应角度

父系分别为6、5和6、M要求设计此较链四杆机构。

设计过程：

用图解法设计时，通常将给定两连架杆的对应位置转化为给定连

杆的位置来处理。

作，与£正282七。求出改点，再作81、改两点连线的中垂线

氏2，则其上任意一点都可作为转动副中心G，故有无穷多个解。若

在中垂线必2上任取一点G作为转动副中心，由于G不在连架杆

的第一个位置。后线上，因此连架杆。。必须及固接成一个

构件DCE。于是当机构分别在图示的两个位置时，连架杆上的

直线OF分别在。8和位置，从而满足了设计要求。若附加其他

条件，例如G应取在。后直线上，这时G就是⑦2及。后的交点，

只有唯一解。

2.按给定连架杆的三组对应位置设计平面四杆机构

设计任务：如图所示，已知两连架杆的的三组对应位置/氏、。自，

、，、；其对应角分别为6、5'S、5,6、5;

AB2DE2AB3DE3

连架杆/夕和机架的长度分别为d和〃,要求设计此钱链四杆机

构。

设计步骤：

1）选取比例尺〃/（m/mm），按给定的条件画出两连架杆的三

组对应位置AB、、DEi,AS、DE?，AB3、DE3;并连接与、£、。

和83、A、。得两三角形,与金。和/83A。。

2）作三角形/贝瓦。和/当后。，并使瓦8z