汽车机械技术基础 1

汽车机械基础项目1汽车常用机构认知任务1.1平面机构的结构分析内燃配气机构组成的各构件都具有确定的相对运动。然而，任意拼凑的构件组合不一定能够运动，即使能够运动，也不一定具有确定的相对运动。只有对机构进行结构分析，了解各种机构的组成及其对运动的影响，以及机构具有确定的相对运动的条件，才能合理地使用现有机构并充分发挥其效能，同时为验证和改进设计提供依据。【任务描述】内燃机配气机构1—挺柱2—气门3—弹簧

4—摇臂

5—推杆6—凸轮

7—凸轮轴构件在同一平面或在相互平行的平面内运动的机构。平面机构同一平面相互平行的平面至少有两个构件能在三维空间中相对运动。常用的机构大多数为平面机构。平面机构：空间机构：机构分类空间机构一、平面机构的组成1.构件的自由度自由度：构件可能出现的独立运动。一个做平面运动的自由构件有3个自由度。2.运动副

运动副：两个构件直接接触又能产生一定相对运动的连接称为运动副。轴与轴承传动齿轮约束：对构件独立运动的限制。活塞与连杆（1）低副--面接触

运动副中两个构件的接触形式主要有点、线、面（运动副元素）三种。（2）高副--点或线接触面接触点接触线接触移动副回转副回转副①回转副：组成运动副的两构件，只能绕某一轴线在一个平面内做相对转动的运动副；（1）低副面接触的接触部分压强较低，不易磨损，使用寿命较长。②移动副：组成运动副的两个构件，只能沿某一方向做相对直线运动的运动副。（2）高副齿轮副凸轮副点接触或线接触的接触部分压强较高，故容易磨损。高副提供约束及自由度情况：引入1个约束，保留2个自由度。低副提供约束及自由度情况：引入2个约束，保留1个自由度。回转副移动副平面机构自由度与约束情况

根据组成运动副的两构件之间的相对运动是平面运动还是空间运动，运动副可分为平面运动副和空间运动副。

螺旋副球面副空间运动副机架-原动件-从动件-按给定运动规律独立运动的活动构件必有一个。其余活动构件，其活动取决于原动件的运动规律及机构的组成情况。固定构件只有一个。构件机构由构件和运动副组成。3.构件类型二、机构运动简图的绘制回转副（1）运动副的表示方法1.机构运动简图的图形符号若构件固连在一起，则涂以焊接记号；画有斜线的构件代表机架。移动副凸轮副齿轮副齿轮副外啮合齿轮副内啮合（2）构件的表示方法两副构件

轴、杆等构件图形符号的图线用两倍粗实线表示，块类构件图形符号用小方块表示。三副构件步骤如下：①分析机构的运动情况，找出机构的机架、原动件和从动件。②分析构件间相对运动的性质，确定运动副的类型。③以与机构运动平面相平行的平面作为绘制运动简图的平面。④按比例尺用规定的符号和线条绘制机构运动简图。2.机构运动简图的绘制方法和步骤例1-1绘制单缸内燃机的运动简图。1—活塞2、8—推杆3—凸轮轴4—大齿轮

5—小齿轮6—曲轴7—连杆9-气缸体10-凸轮自由度计算公式：设平面机构有n个活动构件，PL个低副，PH个高副。F=3n-2PL-PHF=3×3–2×4–0

=

1

机构的自由度是指机构中各构件相对于机架所具有的独立运动数目。三、机构具有确定相对运动的条件1.机构的自由度n=3，PL=4，PH=0

解：n=3，PL=4，PH=0

F=3n–2PL–PH=3×3–2×4–0=1解：n=2，PL=2，PH=1

F=3n–2PL–PH=3×2–2×2–1=1解：

计算实例n=5，PL

=7，PH=0

F=3n–2PL–PH=3×5–2×7–0=1解：例1-2计算单缸内燃机机构的自由度。F=3n–2PL–PH

=3×5–2×6–2=1解：（1）复合铰链：两个以上构件在同一处构成同轴线的回转副。处理：三个构件在同一轴线处，有两个回转副。n个构件时，有n–1个回转副。推理：2.计算机构自由度的注意事项412356n=5，PL=7，PH=0

F=3n–2PL–PH=3×5–2×7–0=1解：（2）局部自由度：不影响其它构件相对运动的自由度，只与局部运动有关。F＝33-23-1＝2（

）F＝32-22-1＝1（

）

在计算机构自由度时，局部自由度可预先排除。（3）虚约束：与其他约束重复而不起限制运动作用的约束。①两构件形成多个轴线重合的回转副。F＝31-21-0＝1（

）

在计算机构自由度时，应当除去虚约束不计。②两构件形成多个导路平行或重合的移动副。F＝32-22-1＝1（

）F＝32-22-1＝1（

）

在计算机构自由度时，应当除去虚约束不计。F＝33-24-0＝1（

）F＝34-26-0＝0（

）③两构件上连接点的运动轨迹互相重合。

在计算机构自由度时，应当除去虚约束不计。④机构中具有对运动不起作用的对称部分。

虚约束对机构运动虽然不起作用，但可以增加构件的刚性，改进受力，减少磨损，因而在机构中经常出现。F＝33-23-2＝1（

）例1-3计算图示筛料机构的自由度。F=3n–2PL–PH

=3×7–2×9–1=2解：例1-4计算图示冲压机构的自由度。F=3n–2PL–PH=3×9–2×12–2=1解：机构自由度原动件结论F＝3

3-2

4=11

F=原动件数目

机构有确定运动。F＝3

3-2

4

=12

F＜原动件数目

机构将破坏。3.机构具有确定的相对运动的条件机构自由度原动件结论F＝3

4-25=21

F＞原动件数目

机构运动不确定。F＝3

2-2

3

=00

F=0

机构为桁架结构，不能运动。F≤0F>0原动件数=F，运动确定。原动件数<F，运动不确定。原动件数>F，机构破坏。结论构件间无相对运动，不成为机构。构件机架原动件从动件运动副高副低副回转副移动副平面机构自由度计算平面机构运动简图1.

F=3n-2PL-PH2.注意事项复合铰链局部自由度虚约束具有确定运动的条件F＞0

=原动件数

总结运动副类型分析。凸轮6与挺柱1的接触形式是点接触或线接触，组成

副；气门2与弹簧3组成

副；气门2与摇臂4的接触形式是点接触或线接触，组成

副；摇臂4与推杆5组成

副；挺柱1与机架（内燃机壳体和气缸体）组成

副。①

计算机构的自由度：②

机构是否具有确定的相对运动？内燃机配气机构【任务实施】运动副类型分析。构件1与构件2、构件1与构件4、构件2与构件3、构件3与构件4组成

副。①

计算机构的自由度：②

机构是否具有确定的相对运动？四杆机构【任务实施】运动副类型分析。活塞1与气缸体8组成

副；活塞1与连杆7、连杆7与曲轴6、曲轴6与内燃机壳体组成

副；运动经小齿轮5传到大齿轮4，它们的接触形式是线接触，组成

副；小齿轮5与气缸体8组成

副；大齿轮4与凸轮9固连在一起，视为同一构件，凸轮9与进气门推杆2的接触形式是线接触，组成

副；进气门推杆2与气缸体8组成

副。①

计算机构的自由度：②

机构是否具有确定的相对运动？单缸内燃机机构【任务实施】汽车机械基础项目1汽车常用机构认知任务1.2铰链四杆机构制作汽车风窗刮水器汽车前轮转向机构汽车车门启闭机构【任务描述】不同的平面四杆机构具有不同的工作原理。铰链四杆机构是平面四杆机构中基本的形式。要掌握不同平面四杆机构的工作原理，会制作平面四杆机构，必须要学习铰链四杆机构相关知识。一、平面连杆机构

平面连杆机构是由一些刚性构件用回转副和移动副相互连接而组成的机构。平面连杆机构能进行多种运动的变换及实现一些简单的运动规律和运动轨迹。运动副都是低副，是面接触，不易磨损，使用寿命长。

低副的接触表面是圆柱面和平面，易于加工，成本较低。

低副中存在间隙，将不可避免地引起机构的运动误差。

数目较多的低副会引起运动累积误差，降低运动精度。

低副不容易精确地实现复杂的运动规律。

在各种运动精度要求不高、运动规律不复杂的机械和仪器中获得广泛使用。

优点：

缺点：

应用范围：

铰链四杆机构：全部用回转副相连的平面四杆机构，简称铰链四杆机构。由四个构件组成的平面连杆机构称为平面四杆机构。平面四杆机构

铰链四杆机构

滑块四杆机构：凡含有移动副的平面四杆机构，简称滑块四杆机构。

滑块四杆机构连架杆：与机架相连的构件1、3连杆：不与机架相连的构件2机架：机构固定不动的构件4曲柄：作整周转动的连架杆1摇杆：作往复摆动的连架杆31.铰链四杆机构的组成1234铰链2.铰链四杆机构的基本类型（1）曲柄摇杆机构（2）双曲柄机构（3）双摇杆机构曲柄连杆摇杆连架杆连架杆机架（1）曲柄摇杆机构主要用途：改变运动形式。

应用：雷达天线俯仰机构将转动变为摆动！应用：缝纫机踏板机构将摆动变为转动！应用：搅拌机机构实现所需的运动轨迹！应用：汽车风窗刮水器（2）双曲柄机构主要用途：改变运动速度。

应用：惯性筛机构改变运动速度！

双曲柄机构中有两种特殊机构：正平行双曲柄机构和反平行双曲柄机构。

反平行双曲柄机构：两曲柄转向相反，角速度不等。

正平行双曲柄机构：两曲柄转向相同，角速度始终相等。应用：机车车轮联动机构被联动的各轮与主动轮作相同的运动！应用：汽车车门启闭机构（3）双摇杆机构主要用途：改变

摆角。应用：港口起重机应用：飞机起落架双摇杆机构有一种特殊机构：等腰梯形机构（两摇杆长度相等）。

等腰梯形机构运动时，两个摇杆AB与CD的摆角不等，使其与机架AD所夹的角度也不相同。应用：汽车前轮转向机构最长杆最短杆a.若最短杆为连架杆，该机构一定是曲柄摇杆机构；b.若最短杆为机架，该机构一定是双曲柄机构；c.若最短杆为连杆，该机构一定是双摇杆机构。①

当最短杆+最长杆≤其余两杆之和。②

当最短杆+最长杆＞其余两杆之和。不论取哪一杆为机架，均为双摇杆机构。二、铰链四杆机构类型的判别③

当构件的长度具有特殊的关系，如不相邻的杆长度两两分别相等。不论取哪一杆为机架，均为双曲柄机构。最长杆最短杆综上，铰链四杆机构存在曲柄的条件是：①最短杆与最长杆的长度之和≤其他两杆长度之和；②连架杆和机架中必有一杆是最短杆。

最短杆AB与最长杆BC之和与其他两杆之和的关系为：例1-5图示铰链四杆机构中，杆AB长L1=70mm，杆BC长L2=160mm，杆CD长L3=120mm，杆AD长L4=170mm，试判断其类型。解：L1+L4=240mm又因为最短杆AB为连架杆，所以，该铰链四杆机构为曲柄摇杆机构。L2+L3=280mmL1+L4

＜L2+

L3三、铰链四杆机构的基本性质曲柄摇杆机构急回特性曲柄摇杆右极限:连杆与曲柄拉伸共线左极限:连杆与曲柄重叠共线正行程（推程、慢行程）：曲柄转过：180º

；反行程（回程、快行程）：曲柄转过：180º

。

极位夹角

：从动件处于两极限位置时，曲柄在对应位置所夹的锐角。1.急回特性行程速比系数K：有效分力

Ft

Fcos

Fsin

有害分力

Fn

Fsin

Fcos

压力角

—作用在从动件上的力的方向与受力点的绝对速度之间所夹锐角。

传动角

—压力角的余角。2.压力角与传动角

角越大，Ft越大，Fn越小，对机构的传动越有利。连杆机构中，常用传动角的大小及变化情况来衡量机构传力性能的优劣。

不管在主动件上作用多大的驱动力，都不能在从动件上产生有效分力的机构位置，称为机构的死点位置。连杆与曲柄在两个共线位置时，主动件摇杆通过连杆作用于从动件曲柄上的力F通过其回转中心，

0°，曲柄不能转动。3.死点位置死点位置有其不利的一面，也有其有利的一面。死点位置有其不利的一面，也有其有利的一面。1.曲柄滑块机构曲柄摇杆机构中一个回转副转化为移动副。四、铰链四杆机构的演化形式对心曲柄滑块机构

偏置曲柄滑块机构

应用：内燃机中的曲柄滑块机构2.曲柄摇块机构曲柄滑块机构中，当将连杆改为机架时，就演化成曲柄摇块机构。

应用：自卸车翻斗机构应用：自卸车翻斗机构组装铰链四杆机构，完成相关内容记录，并判断铰链四杆机构的类型

铰链四杆机构杆件名称ABBCCDAD杆件长度/mm

杆长条件

机架位置

机构类型

【任务实施】李亚杰汽车机械基础项目1汽车常用机构认知任务1.3汽车配气机构认识【任务描述】内燃机配气机构1—挺柱2—气门3—弹簧

4—摇臂

5—推杆6—凸轮

7—凸轮轴汽车中的内燃机配气机构是发动机中的重要机构，工作时要求在一个工作循环内气门能迅速打开，随即迅速关闭，然后保持关闭状态。控制内燃机配气机构的是凸轮机构，凸轮机构是一种常用的高副机构，可以将匀速运动转换为非匀速运动或间歇运动。要认识汽车配气机构，必须学习凸轮机构知识。一、凸轮机构的组成与特点凸轮：具有曲线轮廓或凹槽的构件1。从动件：由凸轮直接推动的构件2。机架：固定的构件3。（推杆）1.凸轮机构的组成2.凸轮机构的特点

优点：结构简单、工作可靠、设计方便，只要设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到所需的运动规律。

缺点：凸轮轮廓加工较为困难，凸轮轮廓精度要求高时，需用数控机床进行加工。而且，凸轮副是点接触或线接触的高副，接触应力较大，易磨损。

凸轮运动时，其上的曲线轮廓与从动件高副接触。若凸轮轮廓曲线或凹槽曲线按从动件的预期运动规律设计而成，可获得预期的运动。1.按凸轮的形状分类：盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮。

结构简单，易于加工，应用最为广泛。

它可视为盘形凸轮的回转轴心处于无穷远处时的演化型式。

空间凸轮机构，可使从动件获得大的工作行程。二、凸轮机构的类型

平板凸轮圆柱凸轮盘形凸轮2.按从动件的形状分类：尖顶从动件、曲面从动件、滚子从动件、平底从动件。

结构复杂、耐磨损，可承受较大载荷，在工程实际应用最为广泛。

结构简单、但易磨损，用于受力不大、低速及要求传动灵敏的场合，如仪表、记录仪。

受力好、能减小磨损，故用于高速传动，但不能用于具有内凹轮廓曲线的凸轮。尖顶从动件滚子从动件平底从动件3.按从动件的运动方式分类：移动从动件、摆动从动件。若

达到一定值时，会有：Fx-有害分力，垂直于导路；Fy-有效分力，沿导路方向。

越大→Fy越小，

Fx越大。Fx

>Fy

→机构发生自锁。为了保证凸轮机构正常工作，要求：

max≤[

]

定义：从动件运动方向和接触处轮廓法线方向所夹的锐角称为压力角

。推程时：对于移动从动件[

]=300；对于摆动从动件[

]=450；回程时：通常取[

]=700～800。

注：回程一般不会出现自锁，通常只需校核推程压力角。三、凸轮机构的压力角四、凸轮机构组成与分类凸轮机构在汽车中主要应用于发动机配气机构（在凸轮轴上）。凸轮轴是汽车中不可缺少的、非常重要的零件。凸轮轴主要由凸轮和凸轮轴轴颈组成。凸轮轴的组成四、凸轮机构组成与分类按凸轮轴的布置位置，凸轮轴可分为凸轮轴上置式、凸轮轴中置式和凸轮轴下置式3种。

凸轮轴上置式

凸轮轴中置式

凸轮轴下置式棘轮机构主要由棘爪、棘轮和机架组成。棘轮机构1.棘轮机构的组成【知识拓展】驻车制动锁止机构驻车制动时，将操纵杆向上扳起，通过平衡杠杆将驻车制动操纵拉绳拉紧，促动两后轮制动器制动。由于制动锁止机构中棘爪的单向作用，棘爪与棘轮啮合后，操纵杆不能反转，故整个驻车制动系统能可靠地被锁定在制动位置。2.棘轮机构的应用自行车后轮轴棘轮机构当人脚蹬自行车踏板时，经自行车前轮轴上链轮和其上链条带动后轮轴上的链轮（内圈具有棘齿）转动，链轮再通过棘轮和棘爪带动后轮轴转动，后轮轴与自行车后轮之间为刚连接，使后轮也随之转动，从而驱使自行车前行。

2.棘轮机构的应用认识内燃机配气机构（1）气门组。气门组的作用是准时接通和切断进排气系统与气缸之间的通道。气门组主要由气门2