武理工机械设计基础教案03平面连杆机构

第四次课平面连杆机构（一）教学内容1.平面连杆机构概述2.平面连杆机构基本类型3.平面连杆机构的演化教学要求1.熟悉平面四杆机构的基本型式、应用及其演化；2.能准确判断具体实例属于哪种平面四杆机构类型。教学的重点与难点重点：平面四杆机构的基本型式、应用及其演化；平面四杆机构的基本类型。难点：平面四杆机构类型的演化。教学方法与手段多媒体教学，采用动画展示平面连杆机构的运动特点，注重启发学生理论联系实际。

教学过程组织：复习旧课：机构自由度计算公式，计算机构自由度时要注意的事项。引入新课：机构有很多种，组成和结构上各有特点，今天要介绍的是一种低副机构——连杆机构。概述：平面连杆机构是构件全部由平面低副连接而构成的机构。优点：1）低副是面接触，因此压强小、耐磨损。适用于载荷较大的场合。2）低副的接触面通常是容易加工的平面或圆柱面，容易获得较高的制造精度。3）低副的约束为几何约束(靠形状限制运动)，无需附加约束装置。4）连杆可做得很长，可较长距离传递运动。适合于操纵机构。5）平面四杆机构运动时，其连杆通常作平面复杂运动，连杆上每一点的轨迹曲线的形状随点在连杆上的位置和各杆相对尺寸的不同而变化。可以利用连杆曲线的这种多样性来实现我们需要的复杂轨迹。缺点：1）低副存在间隙，会引起运动误差积累。不宜用于高精度。2）连杆机构设计复杂，难于实现复杂的运动规律。3）有相当部分构件处于变速运动中，存在惯性力。不适合高速。应用举例：1）传送机构（动画演示）2）开门机构（动画演示）最简单的连杆机构是四杆机构，也是连杆机构的基础，一个复杂的连杆机构可以看成是由若干个四杆机构所组成的。四杆机构的基本型式：由四个构件用铰链连接而成的机构称为铰链四杆机构。如图所示，机构中固定不动的构件AD称为机架，与机架相连的构件AB和CD称为连架杆。如果连架杆能绕轴线作360

o的回转运动，称为曲柄；若只能在某一角度(小于360°)内摆动，称为摇杆。与机架不相连接的构件BC称为连杆。铰链四杆机构可按有无曲柄、摇杆，分为以下三种基本型式。1.曲柄摇杆机构定义：铰链四杆机构中，若两连架杆一个为曲柄，一个为摇杆时，此机构称为曲柄摇杆机构。应用举例：雷达机构、缝纫机机构，配合动画演示。雷达天线俯仰角调整机构缝纫机踏板机构2.双曲柄机构定义：铰链四杆机构中，若两连架杆均为曲柄时，此机构称为双曲柄机构。应用举例：惯性筛机构、机车车轮联动机构，配合动画。惯性筛

机车车轮联动机构3．双摇杆机构定义：铰链四杆机构中，若两连架杆均为摇杆时，此机构称为双摇杆机构。举例：鹤式起重机机构，配合动画演示。鹤式起重机机构平面四杆机构的演化：1）铰链四杆机构——曲柄滑块机构将导路的曲率半径增大趋于∞，则得到图c所示的曲柄滑块机构。曲柄滑块机构分为对心的(如内燃机中使用的)和偏置的(见图d)。2）曲柄滑块机构——导杆机构取曲柄滑块机构中的曲柄为机架，可得导杆机构。（动画演示）3）曲柄滑块机构——摇块机构和定块机构（1）摇块机构（动画演示）取取曲柄滑块机构中的连杆为机架。应用：自动卸货车机构。（动画演示）（2）定块机构（动画演示）取曲柄滑块机构中的滑块为机架。应用：抽水机机构。（动画演示）4）曲柄摇杆机构——偏心轮机构这种机构常用于冲床、剪床等机器中。构件１为圆盘，其几何中心Ｂ。因运动时该圆盘绕轴Ａ转动，故称为偏心轮。Ａ、Ｂ之间的距离e称为偏心距。机构运动简图如图中红线所示。偏心轮是将回转副Ｂ扩大到包括回转副Ａ而形成的，偏心距e即为曲柄的长度。当曲柄长度很小或传递很大的动力时，通常都把曲柄做成偏心轮。这样提高了偏心轴的强度和刚度；另一方面当轴颈位于中部时也便于安装整体式连杆，使结构简化。5）双滑块机构将铰链四杆机构的其中两杆杆长增至无穷可演化为具有两个移动副的四杆机构——双滑块机构。双滑块机构可分为四种形式：(1)两移动副不相邻。例如正切机构(其从动件3的位移与主动件1转角的正切成正比)。(2)两移动副相邻且其中一个与机架相连。例如正弦机构(从动件3的位移与曲柄1转角的正弦成正比)。(3)两移动副相邻但都不与机架相连。如十字滑块机构。十字滑块机构常用作联轴器，它可以自动补偿主、从动轴由于对中不良而产生的位置误差。（动画演示）(4)两移动副相邻且都与机架相连。如椭圆仪。当两个滑块在机架的滑槽中移动时，连杆上的各点的轨迹是长短半径不同的椭圆。（动画演示）小结：1.平面连杆机构概述2.平面连杆机构基本类型与应用3.平面连杆机构的演化作业与思考：1、铰链四杆机构有那几种基本型式？各有什么特点？2、铰链四杆机构可以通过那几种方式演变成其它型式的四杆机构？试说明曲柄摇块机构是如何演化而来的？第五次课平面四杆机构（二）教学内容平面连杆机构几个工作特性。教学要求理解平面四杆机构的几个工作特性；理解平面四杆机构工作特性的工程应用。教学的重点与难点重点：曲柄存在的条件，铰链四杆机构基本类型的判断，急回特性，压力角和传动角，死点。难点：曲柄存在的条件，急回特性，死点。教学方法与手段借助铰链四杆机构模型，利用动画辅助理解急回特性、死点位置概念，工程案例展示其应用。

教学过程组织：复习旧课：连杆机构的基本类型以及连杆机构的演变形式。引入新课：运用模型演示，以铰链四杆机构为例，一个铰链四杆机构是什么类型与构件的长度有关，除此之外，还和以哪一个构件为机架有关。下面讨论曲柄存在的条件。铰链四杆机构有曲柄的条件：（动画演示）根据三角形任意两边边长之和必大于等于第三边边长的定理:所以，在铰链四杆机构中，曲柄存在的条件为：（1）曲柄为最短构件，又称最短构件条件；（2）最短构件与最长构件长度之和小于或等于其他两构件长度之和，又称构件长度和条件。由此可以得到铰链四杆机构基本类型的判别方法：一、如果满足格拉肖夫判别式①以最短杆相邻的杆作机架，得到曲柄摇杆机构；②以最短杆作机架，得到双曲柄机构；③以最短杆相对的杆作机架，得到双摇杆机构。二、如果不满足格拉肖夫判别式，则无论以哪个杆作机架，都只能得到双摇杆机构。举例：判断下面铰链四杆机构的基本类型。急回特性：以牛头刨床为例，一般加工时速度慢点，提高加工质量，回来时速度快点，提高效率。一般将平均速度小的行程作为工作行程(正行程)，将平均速度大的行程作为非工作行程(反行程)。我们把曲柄摇杆机构这种正、反行程平均速度不等的特性称为急回特性。（动画演示）

行程速度变化系数的大小表示急回的程度。铰链四杆机构有无急回运动特性取决于该机构有无极位夹角，角越大，急回运动特性也越显著。连杆机构输出件具有急回特性的条件：1）原动件等角速整周转动；2）输出件做往复运动；3）极位夹角>0（K>1）。思考：对心曲柄滑块机构有无急回特性？偏置曲柄滑块机构呢？对心的没有，偏置的有。压力角和传动角：定义：输出件作用力和力作用点运动线速度方向之间所夹的锐角称为压力角，常用α表示；压力角的余角称为传动角，常用γ表示。传动角越大则机械效率越高；曲柄摇杆机构的传动角随曲柄的转动而变。动力传动中一般要求传动角最小值应大于40°。因此设计曲柄摇杆机构时有必要检验γmin值。当内夹角δ为锐角时，γ=δ

。当内夹角δ为钝角时，γ=180-δ。对于曲柄主动的曲柄摇杆机构，最小传动角出现在φ为0°或者180°时。γmin出现的位置：当∠BCD≤90°时，γ＝∠BCD当∠BCD＞90°时，γ＝180°-∠BCD在主动曲柄与机架共线的位置，都有可能出现γmin死点：当曲柄与连杆两次共线时，传动角为０，机构就会出现卡死或运动不确定的现象。称为死点。缝纫机脚踏板机构就存在死点。消除死点方法有?①利用构件自身或飞轮的惯性。②多组相同机构错位排列。死点也有应用价值，比如：下图所示为利用死点夹紧工件，当卸去夹紧驱动力P后，由于BCD三点共线，工件对压头(杆1)的反作用力Ｎ不能使杆１转动，因而工件不会松。（动画演示）小结：平面连