《机械原理及应用》课件 学习情境二 探究平面连杆机构及其设计

学习情境二

探究平面连杆机构及其设计学习情境二

探究平面连杆机构及其设计01分析平面连杆机构及其传动特点02传动类型不同的平面四杆机构及应用03学习平面四杆机构的基本知识04设计平面四杆机构任务1分析平面连杆机构及其传动特点PARTONE任务1分析平面连杆机构及其传动特点【知识目标】1.掌握什么是连杆机构，连杆机构的组成2.了解连杆机构传动的特点3.掌握连杆机构的优缺点

【能力目标】1.具有识别连杆机构的能力2.灵活应用连杆机构优缺点分析问题3.了解连杆机构的实际应用场景

【素质目标】1.养成严格按照规范、标准工作的职业意识

2.培养学生遵守职业法规3.培养学生团队合作意识和爱国主义精神任务1分析平面连杆机构及其传动特点【情境导入】连杆机构是一种应用十分广泛的机构，在工程机械以及重装设备中都得到了广泛的应用，航空航天领域尤为广泛，如飞船在飞抵月球时的泥土采样机械手在抓取土壤时的传动机构，以及日常生活中折叠雨伞时的收放机构，缝纫机脚踏板机构等，都是连杆机构。那么什么是连杆机构呢？连杆机构有哪些特点呢？连杆机构的应用场景有哪些呢？让我们一起来认识连杆机构吧。任务1分析平面连杆机构及其传动特点【任务描述】理解平面连杆机构的基本概念和定义，包括其组成部分和工作原理。掌握平面连杆机构的主要特点，如结构特点、传动特点、工作可靠性等。通过学习，提高对平面连杆机构的辨别能力和技能。培养创新思维，探索平面连杆机构的新应用和改进方法，从而达到本任务的学习目标。任务1分析平面连杆机构及其传动特点【课程思政】平面连杆机构广泛的应用于航空航天领域，我国航天在几代航天人的不断努力下取得了丰硕的成果，我们要发扬他们的精益求精的工匠精神，继承他们不畏艰辛、勇敢担当的爱国情怀。长征系列运载火箭：中国航天自主研发了长征系列运载火箭，成为了全球少数几个拥有自主发射能力的国家之一。长征系列火箭已成功地将中国的卫星、载人飞船、探月器等送入了太空。任务1分析平面连杆机构及其传动特点【课程思政】天宫空间站：中国航天自主研发了天宫空间站，成为了继俄美之后第三个有自己空间站的国家。天宫空间站将成为中国载人航天的重要基地，也将为全球航天科技的发展做出贡献。任务1分析平面连杆机构及其传动特点【相关知识】2.1.1平面连杆机构连杆机构是由多个刚性部件通过低副（例如转动副、移动副、球面副和圆柱副等）相互连接而构成的，因此也被称为低副机构。根据运动方式的不同，连杆机构可分为平面连杆机构和空间连杆机构两种类型。在平面连杆机构中，所有构件都在同一平面内运动，而空间连杆机构则涉及构件在不完全平行的多个平面上运动。任务1分析平面连杆机构及其传动特点【相关知识】2.1.2平面连杆机构传动特点2.1.2.1平面连杆机构的优点(1)平面连杆机构的运动副都是低副，运动副元素之间为面接触，所以压强小，承载能力大，寿命长，耐冲击，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠性有利。(2)在平面连杆机构中，当取不同机架时，可得到不同尺寸特性和不同类型的机构；由于选取不同的原动件和从动件，可得到不同的运动规律，满足不同的机构设计要求。(3)随着机构中各构件相对长度的改变，可以实现不同的运动规律，滑过的曲线也是多种多样的，可以满足一些特定工作的需要。利用连杆机构还可很方便地达到改变运动的传递方向、扩大行程、实现增力和远距离传动等目的。任务1分析平面连杆机构及其传动特点【相关知识】2.1.2.2平面连杆机构的缺点(1)在连杆机构中，构件和运动副比较多，且运动需经过中间构件传递，容易使机构复杂，不仅容易发生自锁现象，而且各构件的尺寸误差和运动副的间隙易使机构产生较大的累积误差，给机构的传动精度带来很大的影响，且机械效率低。(2)在连杆的运动过程中，构件的质心时刻发生变化，产生的惯性力很难被消除，因而连杆机构不宜用于高速运动。(3)连杆设计复杂，且一般只能近似地满足设计要求，很难精准的实现所有要求的运动规律和轨迹。(4)连杆设计中部分零件、构件形状特殊，缺乏设计参考资料。运动过程中需要进行动平衡计算，需用大量的专用设备和仪器。任务1分析平面连杆机构及其传动特点【任务实施】1什么是平面连杆机构？作业解答：2平面四杆机构和平面多杆机构的区别？作业解答：

3平面连杆机构有哪些优点和缺点？作业解答：任务1分析平面连杆机构及其传动特点【思考与习题】1.机构中的运动副指的是什么，如何区分高副和低副？2.平面连杆机构是由多个刚性构件组成，通过什么方式连接在一起？3.平面四杆机构和曲柄滑块机构的区别是什么？任务2传动类型不同的平面四杆机构及应用PARTTWO任务2传动类型不同的平面四杆机构及应用【知识目标】1.掌握平面四杆机构的四种类型2.了解平面四杆机构的演化过程，演化目的3.了解平面四杆机构的应用场景

【能力目标】1.具有识别平面四杆机构不同类型的能力2.掌握四种类型机构传动原理3.了解平面四杆机构实际应用及优缺点【素质目标】1.培养创新思维和解决问题的能力2.提高认识和操作四杆机构的能力

3.培养学生遵守职业法规4.培养团队协作和沟通技能

任务2传动类型不同的平面四杆机构及应用【情境导入】连杆机构因其结构简单、易于制造、工作可靠等优点，在各种机械系统中得到了广泛的应用。火车轮子曲轴传动，工业机械输送带旋转机构，模具制造冲压上下运动等，了解这些应用不仅有助于更好地理解和设计这类机构，还能为解决实际工程问题提供有效的解决方案。通过对连杆机构的深入研究和应用优化，可以显著提高各类机械系统的性能和效率。任务2传动类型不同的平面四杆机构及应用【任务描述】掌握平面四杆机构的四种类型，每种类型的特点。了解平面四杆机构的演化是一个多样化的过程，其核心在于通过改变和优化机构的结构配置来满足特定的运动要求、改善受力状况或适应结构设计的需求。通过对基本机构的创造性改造，不断拓展机构的应用范围和提升性能。进而在实际应用中，灵活运用这些演化方法，设计出既满足功能需求又具有优良性能的机构。

任务2传动类型不同的平面四杆机构及应用【课程思政】平面四杆机构广泛的应用于火车领域，尤其是车轮的传动机构。近些年，我国在高速铁路领域取得了令世界瞩目的成就，高速铁路的建设始于2008年，当时的京津城际铁路的开通标志着高速铁路时代的来临。此后，高速铁路网络迅速扩展，覆盖了国家的大部分主要城市。高速铁路运营里程已经超过3.8万公里，居世界之首。我国高铁不仅速度快，安全系数高，而且舒适度也得到了旅客的广泛赞誉。乘坐高速列车穿梭于城市之间，旅客可以享受到快捷、平稳的旅行体验。任务2传动类型不同的平面四杆机构及应用【相关知识】2.2.1平面四杆机构的基本类型及应用当四杆机构各构件都用转动副连接时，该机构称为平面四杆机构，它是四杆机构的最基本形式。在此机构中，固定不动的构件AD称为机架；与机架相连接的杆件AB、CD称作连架杆，其中能作整周回转运动的连架杆AB称为曲柄，只能在一定范围内作往复摆动的连架杆CD称为摇杆；机构中作平面运动的BC杆称为连杆。任务2传动类型不同的平面四杆机构及应用【相关知识】根据连架杆的不同运动形式，平面四杆机构可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种基本类型。曲柄摇杆机构在平面四杆机构中，若两连架杆中一杆为曲柄，另一杆为摇杆，称该四杆为曲柄摇杆机构。图所示的是雷达天线俯仰机构，它是以曲柄AB为原动件，通过连杆BC带动摇杆CD做往复摆动；任务2传动类型不同的平面四杆机构及应用【相关知识】双曲柄机构若平面四杆机构中的两个连架杆均为曲柄，则称为双曲柄机构。如图惯性筛中，当原动曲柄1等速回转时，从动曲柄3作变速转动，从而使筛体具有极大变化的加速度，利用加速度产生的惯性力，使被晒材料达到理想的筛分效果。任务2传动类型不同的平面四杆机构及应用【相关知识】双摇杆机构若平面四杆机构中的两个连架杆均为摇杆，则称为双摇杆机构。如图鹤式起重机的主体机构就是双摇杆机构。当主动件AB摆动时，从动摇杆CD也随之摆动，而且可以通过设计找到连杆BC上某点E的运动轨迹近似为水平直线。将点E作为起吊滑轮转动中心，可以避免在变幅运动的过程中使用重物产生上下颠簸。任务2传动类型不同的平面四杆机构及应用【相关知识】2.2.2平面四杆机构的演化。2.2.2.1改变构件的形状和运动尺寸任务2传动类型不同的平面四杆机构及应用【相关知识】2.2.2.2通过选取不同构件作为机架来演化四杆机构任务2传动类型不同的平面四杆机构及应用【相关知识】2.2.2.3改变转动副的尺寸任务2传动类型不同的平面四杆机构及应用【相关知识】2.2.2.4运动副元素的逆换任务2传动类型不同的平面四杆机构及应用【任务实施】1平面四杆机构的四种类型及特点？作业解答：2简介平面四杆机构的演化过程？作业解答：

3举例说明平面四杆机构的实际应用？作业解答：任务2传动类型不同的平面四杆机构及应用【思考与习题】1.曲柄摇杆机构中，如何改变成曲柄滑块机构？2.曲柄滑块机构中，如何改变成偏心轮机构？3.平面四杆机构的基本形式是什么？有几种演变形式？演变的目的是什么？任务3学习平面四杆机构的基本知识PARTTHREE任务3学习平面四杆机构的基本知识【知识目标】1.掌握平面四杆机构有曲柄条件判断2.掌握平面四杆机构的急回特性3.了解平面四杆机构的传动特性和死点位置

【能力目标】1.在实际设计中快速判别曲柄存在条件2.应用四杆机构的急回特性优化现有机构3.能够具体分析机构的压力角及传动角【素质目标】1.掌握设计的基本原则和标准2.通过学习增强动手能力和工程实践经验

3.提高创新思维，能够在现有机械设计基础上提出改进方案4.培养学生应用工具的能力、精益求精的工匠精神

任务3学习平面四杆机构的基本知识【情境导入】在平面四杆机构中，死点是指机构在特定位置附近失去其预期的传动能力，导致机构不能正常工作的现象。因此，理解死点的概念及其发生条件对于机械设计至关重要。通过合理的机构设计和尺寸优化，可以有效地减少死点的不良影响，提高机械系统的可靠性和效率。如飞机的起落架不仅应用四杆机构进行收放，而且利用死点的特点提高起落架的稳定性，我们应该如何确定死点的位置呢？让我们进入本节课的学习吧。任务3学习平面四杆机构的基本知识【任务描述】在平面四杆机构设计中，判断曲柄条件是关键步骤。首先学习通过构件的长度关系确定曲柄的存在；之后学习机构的急回特性，急回特性影响机构的工作速度和效率；压力角和传动角也是设计时需考虑的重要因素，压力角和传动角则直接关系到机构的动力传递能力和运动平稳性。最后学习什么是死点，判别出现在主动件无法驱动从动件开始运动的位置关系。本节课通过理论分析，我们可以优化机构设计，提高其机构性能和可靠性。

任务3学习平面四杆机构的基本知识【课程思政】平面四杆机构广泛的应用于飞机制造，我国在大飞机制造取得长足的进步，C919飞机是我国按照国际民航规章自行研制、具有自主知识产权的大型喷气式民用飞机，已经完成立项论证、可行性论证、预发展阶段工作，转入量产阶段。C919的成功研制是中国航空工业取得的重大历史突破，也是我国创新驱动战略的重大时代成果。在未来，C919有望在国内外航空市场中占据一席之地，为全球航空业的发展做出贡献。任务3学习平面四杆机构的基本知识【相关知识】2.3.1平面四杆机构的几何特性由于平面四杆机构是平面四杆机构的基本型式，其他的四杆机构可认为是由它演化而来的。所以在此只着重研究平面四杆机构的一些基本知识，其结论可很方便地应用到其他型式的四杆机构上。任务3学习平面四杆机构的基本知识【相关知识】任务3学习平面四杆机构的基本知识【相关知识】任务3学习平面四杆机构的基本知识【相关知识】任务3学习平面四杆机构的基本知识【相关知识】图2-3-4

平面四杆机构的急回特性任务3学习平面四杆机构的基本知识【相关知识】任务3学习平面四杆机构的基本知识【相关知识】任务3学习平面四杆机构的基本知识【相关知识】2.3.3平面四杆机构的传动特性2.3.3.1压力角和传动角任务3学习平面四杆机构的基本知识【相关知识】任务3学习平面四杆机构的基本知识【相关知识】2.3.3.2死点任务3学习平面四杆机构的基本知识【相关知识】2.3.3.2死点任务3学习平面四杆机构的基本知识【任务实施】1平面四杆机构中有曲柄的条件是什么？作业解答：2平面四杆机构中压力角和传动角是如何定义的？作业解答：

3行程速比系数表示机构什么特征？什么是极位夹角？作业解答：任务3学习平面四杆机构的基本知识【思考与习题】1.什么是死点？它在什么情况下发生？举例说明死点的危害和死点在机械工程中的作用。2.铰链四杆机构的压力角是指在不计算摩擦力的情况下连杆作用于___________上的力与该力作用点速度间所夹的锐角。3.曲柄滑块机构中，当___________与___________处于两次互相垂直位置之一时，出现最小传动角。4.在___________条件下，曲柄滑块机构具有急回运动特性。5.平面连杆机构中传动角和压力角之和等于___________。任务4设计平面四杆机构PARTFOUR任务4设计平面四杆机构【知识目标】1.掌握图解法设计平面四杆机构2.了解解析法设计平面四杆机构

3.了解实验法设计平面四杆机构

【能力目标】1.按照给定行程速度变化系数设计平面四杆机构2.按照给定的位置设计平面四杆机构3.按照给定两连架杆预定的对应位置设计平面四杆机构【素质目标】1.培养学生养成严格按照规范、标准工作的职业意识2.培养学生机械设计创新思维

3.培养学生团队合作意识和爱国主义精神任务4设计平面四杆机构【情境导入】汽车在运动过程中，动力来源于发动机，活塞的往复直线运动通过连杆转化为曲轴的旋转运动。连杆的一端与活塞销相连，另一端则与曲轴上的曲柄相连，形成一个典型的平面四杆机构(包括活塞、连杆、曲轴及曲轴箱固定点)。当活塞上下移动时，连杆带动曲柄旋转，从而将直线运动转换为旋转运动，实现能量的转换和传递，为了保证能量传递过程的能量损耗最低，效率最高，耐用性好，需要我们合理的设计平面四杆机构，那么应该如何设计平面四杆机构呢？让我们一起来学习吧。任务4设计平面四杆机构【任务描述】平面四杆机构的设计的主要任务是根据给定的运动要求选择机构类型，并确定机构运动简图的尺寸参数。本节课重点掌握两类问题，一是按照给定从动件的位置设计平面四杆机构，二是按照给定的轨迹设计四杆机构；本文将介绍设计四杆机构常见的图解法，解析法和实验法。图解法和实验法比较直观简明，常用于解决一些较为简单的设计问题。解析法则用于解决精确的设计问题。

任务4设计平面四杆机构【课程思政】四杆机构的设计广泛的应用在汽车领域，如发动机气缸、四轮转向机构等。近年来，我国汽车工业在近年来取得了举世瞩目的成就，彰显了强大的发展动力和创新能力。首先，我国已成为全球汽车产销第一大国，连续多年保持领先地位，不仅满足了国内市场需求，还积极开拓国际市场。其次，在新能源汽车领域，我国实现了从跟跑到并跑乃至领跑的转变，以电动汽车为核心的新能源汽车产业蓬勃发展，引领全球汽车产业绿色转型。任务4设计平面四杆机构【相关知识】2.4.1平面四杆机构设计的基本问题和方法1.基本问题根据机构所要完成的运动而提出的设计条件来确定机构的运动学尺寸，包括各运动副之间的相对位置尺寸等，并且画出机构简图。进行平面四杆机构的设计时，不仅要考虑基本的要求，还要考虑机构的连续性、是否要求某连架杆为曲柄、是否有特殊的运动特性的要求等。总结机构的设计问题可以包括以下几个方面：(1)实现已知轨迹问题。设计时要求在机构运动过程中，连杆上某点能实现预定的轨迹，或者能按顺序通过给定曲线上的一系列的点。(2)实现已知运动规律问题。在这类设计问题中，要求两连架杆的转角能够满足预定的对应关系，或要求在原动件运动规律一定的条件下，从动件能够准确的或近似的满足预定的运动规律要求。任务4设计平面四杆机构【相关知识】2.设计方法连杆机构的设计方法有：图解法、解析法、实验法。图解法是用几何作图法求解运动学参数的方法。该法直观易懂，求解速度一般较快，但精度不高，适用于简单问题或对精度要求不高的问题求解。解析法是以机构参数来表示机构中各构件间的函数关系，此法求解的精度高，对解决复杂问题有利。实验法常用于设计运动要求较复杂的连杆机构，精度较低，但直观简单，可对机构进行初步的预设计。任务4设计平面四杆机构