6.1认识平面连杆机构（课件）-《汽车机械基础》同步教学（航空工业出版社）

项目六 汽车常用机构 知识目标 能力目标 了解并掌握平面连杆机构、凸轮机构等汽车常用机构的作用和特点。 掌握运动副的概念及类型。 掌握铰链四杆机构的组成、基本类型及演化机构。 掌握凸轮机构的组成、工作原理及类型。 熟悉汽车中平面连杆机构和凸轮机构的应用情况。 会安装、演示铰链四杆机构。 能正确拆装汽车发动机配气机构的凸轮轴。 任务一 认识平面连杆机构 平面连杆机构在汽车中的应用 汽车的正常工作，需要各种机构来实现特定形式的运动。例如，发动机利用活塞连杆机构的连续运转来提供动力，如图（a）所示；汽车前后窗利用雨刮器的左右摆动来清洁玻璃，如图（b）所示；载货汽车利用车厢的自动翻转来卸载货物，如图（c）所示。汽车上述功能的实现都离不开平面连杆机构。那你知道什么是平面连杆机构吗？它在汽车中还有哪些应用？让我们一起来认识平面连杆机构吧！ 任务描述 任务目标 利用硬纸板、螺栓、螺母等器材制作最基本的平面连杆机构——铰链四杆机构，并演示各类铰链四杆机构的运动情况，学习平面连杆机构的相关知识。 了解平面连杆机构、运动副的概念及类型。 掌握铰链四杆机构的组成、基本类型及其判别方法。 熟悉铰链四杆机构的演化机构的类型及应用。 会安装、演示铰链四杆机构，能分析汽车中常用的平面连杆机构。 一、平面连杆机构的概念 根据项目一所学知识可知，机器一般由若干机构组成，机构又由若干构件组成，各构件之间能发生相对运动。当机构中各构件均在同一平面或相互平行的平面内运动时，该机构称为平面机构。若组成机构的构件间只能发生相对转动或滑动，则该平面机构称为平面连杆机构。目前工程实际中常见的机构多为平面机构，而其中又以平面连杆机构居多。 二、运动副的概念及分类 1．运动副的概念 构件在组成机构时，要以一定方式将各个构件彼此连接起来，但这种连接不同于螺栓连接、焊接等固定连接，它既要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一定的相对运动。这种允许构件间直接接触时能产生相对运动的活动连接称为运动副。机构中的运动和动力都是通过运动副来传递的。 2．运动副的分类 低副 两构件之间通过面接触形成的运动副称为低副，如图所示。根据运动副中构件间的相对运动形式不同，低副又可分为转动副和移动副两种。 （a）转动副（固定铰链） （b）转动副（活动铰链） （c）移动副 低副 若两构件组成运动副后只能在平面内作相对转动，则该副称为转动副，又称铰链。例如，发动机活塞与连杆小头之间相对转动的连接即为转动副。如图（a）所示，滚动轴承1和轴2组成一个转动副，由于有一个构件被固定，故又称固定铰链。如图（b）所示，构件1和2组成转动副，由于两个构件都未被固定，故又称活动铰链。 若两构件组成运动副后只能作相对直线运动，则该副称为移动副，如（c）所示。例如，发动机活塞与气缸之间可以相对滑动的连接即为移动副。 转动副 移动副 （a）转动副（固定铰链） （b）转动副（活动铰链） （c）移动副 低副 高副 两构件之间通过点或线接触形成的运动副称为高副。如图所示，钢轨1与火车轮2、凸轮1与从动件2（凸轮副）、啮合的两个轮齿1和2（齿轮副）构成的高副中，构件2可以相对于构件1绕接触点A转动，同时也可以沿接触点的切向方向 t — t 移动，而沿公法线方向 n — n 的运动则受到限制。 （a）钢轨与火车轮 （b）凸轮与从动件（凸轮副） （c）啮合的轮齿（齿轮副） 高副 三、铰链四杆机构 平面连杆机构中各构件均由低副（转动副或移动副）连接而成，它能够实现一些较为复杂的平面运动，在工程实际中有着广泛的应用，如汽车雨刮器、汽车转向机构等。平面连杆机构的种类和形式很多，其中最常见、最具代表性的是由四个构件组成的铰链四杆机构。本节将重点介绍铰链四杆机构的基本类型及其演化机构。 1．铰链四杆机构的组成 铰链四杆机构是指由四个构件组成且构件间均采用转动副连接的平面连杆机构。如图所示，铰链四杆机构中固定不动的构件4称为机架；与机架相连的构件1，3称为连架杆；连接两个连架杆的构件2称为连杆。 铰链四杆机构示意图 连架杆按运动特征不同可分为曲柄和摇杆两种。其中，能绕轴线作整周回转运动的连架杆称为曲柄；仅能在某一角度范围内往复摆动的连架杆称为摇杆。 2．铰链四杆机构的基本类型 按机构中曲柄和摇杆数目的不同，铰链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 曲柄摇杆机构是指一个连架杆为曲柄，另一个连架杆为摇杆的铰链四杆机构，如图所示。曲柄摇杆机构的作用是将曲柄的整周回转运动转换为摇杆的往复摆动（曲柄为主动件），或将摇杆的往复摆动转换为曲柄的整周回转运动（摇杆为主动件）。 曲柄摇杆机构示意图 表6-1-1 曲柄摇杆机构的应用 双曲柄机构 双曲柄机构是指两个连架杆均为曲柄的铰链四杆机构。它的作用是将主动曲柄的匀速转动转换为从动曲柄的等速或变速转动。常见双曲柄机构的类型有不等长双曲柄机构、平行双曲柄机构、反平行双曲柄机构等。它们的应用如表6-1-2所示。 由表6-1-2中铲斗机和汽车车门开闭机构的工作特点可知，平行双曲柄机构中，两个曲柄作等速同向转动，连杆平动；反平行双曲柄机构中，两个曲柄转动方向相反。 表6-1-2 双曲柄机构的应用 双摇杆机构 双摇杆机构是指两个连架杆都为摇杆的铰链四杆机构。它能将主动摇杆的摆动转换为从动摇杆的另一种摆动。双摇杆机构常用于汽车转向机构、港口鹤式起重机等机构或设备中，如表6-1-3所示。 表6-1-3 双摇杆机构的应用 3．铰链四杆机构类型的判别 上述铰链四杆机构是根据机构中曲柄和摇杆的数目来分类的。因此要判别铰链四杆机构的类型，必须先判断机构中是否存在曲柄。 曲柄存在的条件 理论分析表明，曲柄的数目取决于铰链四杆机构中各构件的相对长度和最短杆所处的位置。设铰链四杆机构中，四个构件的长度从短到长分别为。则机构中存在曲柄需要同时满足下列两个条件。 机构中最短构件与最长构件的长度之和小于或等于其余两构件的长度和。即: 最短构件为机架或连架杆。 铰链四杆机构类型的判别方法 在铰链四杆机构中，当构件长度满足lmin+lmax<l2+l3时，需要根据机架的位置分情况讨论。 ① 取与最短构件相邻的构件为机架时，该机构为曲柄摇杆机构。 ② 取最短构件为机架时，该机构为双曲柄机构。 ③ 取与最短构件相对的构件为机架时，该机构为双摇杆机构。 在铰链四杆机构中，当构件长度满足lmin+lmax > l2+l3时，不管取哪个构件为机架，该机构都为双摇杆机构。 思考 如图所示为某铰链四杆机构，已知l1=110 mm，l2=260 mm，l3=190 mm，l4=290 mm。试根据所学知识判断取不同构件为机架时，该机构分别属于哪种基本类型？并利用任务实施中制作的铰链四杆机构来验证理论判断。 4．铰链四杆机构的演化 铰链四杆机构作为平面连杆机构的一类基本形式，其运动特性远远不能满足工程实际的需要。于是人们通过变转动副为移动副、改变机架等方法，得到了各种演化机构。 曲柄滑块机构 在如图6-1-7（a）所示的曲柄摇杆机构中，先用绕弧形轨道滑动的滑块代替摇杆CD，弧形轨道的半径为摇杆CD的长度；当CD长度增加到无穷大时，弧形轨道变为直线轨道，C点的轨迹变为直线，如图6-1-7（b）所示，所得机构称为曲柄滑块机构。 如图6-1-7（b）所示的曲柄滑块机，C点的运动轨迹通过曲柄的回转中心，故又称为对心曲轴滑块机构；如图6-1-7（c）所示的曲柄滑块机构，C点的运动轨迹与曲轴的回转中心之间存在偏心距e，故又称为偏置曲柄滑块机构。 （a）铰链四杆机构 （b）对心曲柄滑块机构 （c）偏置曲柄滑块机构 其他演化机构 取不同的构件为机架时，将演化出以下各种类型的机构，如表6-1-4所示。 表6-1-4 曲柄滑块机构的演化机构 5．铰链四杆机构的基本特性 急回特性 在如图所示的曲柄摇杆机构中，曲柄AB在转动一周的过程中与连杆BC重合两次，摇杆CD分别到达极限位置C1D和C2D，它们之间的夹角称为摆角，用y 表示。摇杆CD处于两个极限位置时AB1，AB2曲柄相应的两位置，所夹的锐角称为极位夹角，用q 表示。 曲柄摇杆机构 当曲柄从以等角速度w沿顺时针方向转动到AB2时，转过角度j1=180*+ q，所用时间为t1=(180*+ q)/w；摇杆相应地从C1D向右摆动到C2D，摆过角度y。取该行程为做功的工作行程，记C点的平均速度为v1。 当曲柄从以等角速度w沿顺时针方向转动到AB2时，转过角度j2=180°- q，所用时间为t2=(180*- q)/w；摇杆相应地从C2D向左摆动到C1D，摆过角度y。取该行程为不做功的空回行程，记C点的平均速度为v2。显然，t1> t2，又由于两行程中摇杆摆动的角度均为y，故v2 > v1，即C点在空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度。曲柄摇杆机构的这一特性称为急回特性。 为了表示急回特性的相对程度，特引入行程速度变化系数K，其大小为: 由上式可知，当极位夹角q>0 时，K>1，v2>v1，即机构存在急回特性。K越大，机构的急回特性就越显著。利用行程速度变化系数K可以计算极位夹角q，即: 由上式可知，要使机构按设定的行程速度变化系数K运转，只要控制机构相应的极位夹角q 即可。 在牛头刨床、插床等机械设备中，通常利用机构的急回特性来缩短空回行程的时间，以提高生产加工效率。 死点位置 在如图所示的曲柄摇杆机构中，以摇杆CD为主动件，曲柄AB为从动件，当曲柄分别处于位置和时，连杆BC均与曲柄共线。此时，连杆无法推动曲柄转动，机构将处于“卡死”或运动方向不确定的状态。机构的这两个位置称为死点位置。 在工程实际中，死点位置对机构的传动是不利的。例如，对于表6-1-1中的缝纫机踏板机构，当连杆BC与曲柄AB共线，即机构处于死点位置时，缝纫机会出现踩不动或倒转的现象。又如，在发动机活塞连杆机构中，活塞与连杆处于同一直线且通过曲柄回转中心的死点位置时，通常称活塞处于“上止点”和“下止点”。 曲柄摇杆机构的死点位置 判别平面四杆机构中是否存在死点位置的依据是从动件与连杆能否共线。例如，在如图所示的曲柄摇杆机构中，若以曲柄AB 为主动件，摇杆CD 为从动件，则由于连杆BC 与从动件CD 不可能共线，则此时该机构不存在死点位置。 虽然死点位置的存在不利于机构的传动，但工程实际中常利用死点位置来实现夹紧和防松。例如，如图所示为连杆式快速夹具，在图示位置，构件BC与CD共线，机构处于死点位置，工件被夹紧，即使反作用力很大也不会松开。在手柄上施加较小的力即可松开或夹紧工件。如图所示为飞机起落架，当起落架打开时轮胎被锁死在曲柄摇杆机构的死点位置，能抵抗来自跑道的巨大作用力。 连杆式快速压紧夹具 飞机起落架示意图 谢谢观赏 $$