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平面连杆机构教案


高等教育出版社

第二版 《机械基础》 (机械类)

课题:平面连杆机构(教材第 6 章第 1 节)

教案

教学目的:通过一些实例的演示讲解,使学生掌握平面连杆机构的组成、类型、特性及
应用,从而掌握一些比较简单的平面铰链四杆机构的设计方法。

教学对象:一年一期模具

制造技术、数控技术应用、机电技术应用、汽车维修与检测等
专业的新生。

教学重点:1、运动副的概念及机构运动简图的绘制;
2、平面铰链四杆机构类型的判别; 3、平面铰链四杆机构的运动特性及应用。

教学难点:机构运动简图的绘制、铰链四杆机构类型的判别及其运动特性。 教学方式:讲解法、演示法、例证法、讨论法 教学场地:多媒体教室 教学课时:2 课时 教学内容安排:
导入:先在多媒体屏幕上打开演示一个飞机起落的 3D 动画,引起学生的兴趣,集中学 生的注意力,由此提出飞机能平安着陆靠的是什么?由这样一个问题引出飞机起落架的运动 特性,从而开场今天的新课内容。

一、平面连杆机构概念 平面连杆机构的各构件是用销轴、滑道(低副)等方式连接起来的,各构件间的相对运 动均在同一平面或互相平行的平面内。 最简单的平面连杆机构是由 4 个杆件组成的, 简称平 面四杆机构,其结构简单、易于制造、工作可靠,因此应用非常广泛。应用实例有:雷达、 飞机起落架、铲斗、缝纫机、货车自卸机构、变速器、起重机、破碎机、筛选机、压紧机等 等。 二、运动副 1、定义:使两构件直接接触而又能产生一定相对运动的连接,称为运动副。 2、分类:在工程上,人们把运动副按其运动范围分为空间运动副和平面运动副两大类。 在一般机器中, 经常遇到的是平面运动副。 平面运动副根据组成运动副的两构件的接触形式 不同,可分为低副和高副。 (1) 、低副 是指两构件之间作面接触的运动副。如下图 1 所示。

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a 图1

b

c

(2) 、高副 高副是指两构件之间作点或线接触的运动副。如下图 2 所示。

a 图2

b

c

3、机构运动简图 机构运动简图就是指用一些简单的线条表示运动副关系的图形,称之为机构运动简图。

图 3 转动副的表示方法

图 4 移动副的表示方法 三、铰链四杆机构 图 5 齿轮副的表示方法 1、铰链四杆机构的组成 如图 6 所示,由 4 个构件通过铰链(转动副)连接而成的机构,称为铰链四杆机构。在 该机构中,固定不动的杆 4 称为机架;与机架用转动副相连接的杆 1 和杆 3 称为连架杆;不 与机架直接连接的杆 2(通常作平面运动)称这连杆。如果杆 1 或杆 3 能绕其回转中心 A 或 D 做整周转动,则称为曲柄。若仅能在小于 3600 的某一角度内摆动,则称为摇杆。图 6b 为 较链四杆机构的简图。

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a b 2、铰链四杆机构的基本形式 图6 (1)铰链四杆机构类型的判别 对于铰链四杆机构来说,机架和连杆总是存在的,按曲柄的存在情况,分为三种基本 形式: 铰链四杆机构

曲柄摇杆机构

双曲柄机构

双摇杆机构

从上述铰链四杆机构的三种基本形式中可知,它们的根本区别就在于连架杆是否为曲 柄。所以铰链四杆机构曲柄存在的条件 : ① 必要条件:最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和。 ② 充分条件:连架杆与机架中必有一个为最短杆。 再细分之: A、若取与最短杆相邻的任一杆为机架,则该机构为曲柄摇杆机构,且最短杆为曲柄。 B、若取最短杆为机架,则该机构为双曲柄机构。 C、若取最短杆相对的杆为机架,则该机构为双摇杆机构。 (2) 、曲柄摇杆机构 两连架杆中一个为曲柄, 另一个为摇杆的铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。 如图 7 所示:

图 7 曲柄摇杆机构 曲柄摇杆机构在生产中应用很广泛。

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1 ○、以曲柄为主动件、摇杆为从动件组成的机构应用如下图所示:

图 8 破碎机

图 9 雷达

图 10 蒸汽机 2 ○、摇杆的摇摆运动也可以转换为曲柄的整周回转运动应用如下图所示:

图 11 缝纫机 (3) 、双曲柄机构 两个连架杆均为曲柄的机构,称为双曲柄机构。如图 12 所示。

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图 12 一般双曲柄机构 具体应用: 1 ○、两曲柄相等、同向。

图 13 平行四边形机构

图 14 机车车辆联动机构
2 ○、两曲柄相等、反向。

图 15 客车车门机构 由于两相对构件相等,但 AD 与 BC 不平行,因此,曲柄 1 与 3 作不同速反向转动。图 15b 所示的车门机构,采用逆平行四边形机构,以保证与曲柄 1、3 固结的车门,能同时开关。 3 ○、两曲柄不相等。 如图 16 所示的惯性筛机构,主动曲柄等速转动,从动曲柄作变速转动。

图 16 惯性筛机构
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(4) 、双摇杆机构 两连架杆均为摇杆的机构,称之为双摇杆机构。

图 17 双摇杆机构

图 18 鹤式起重机的变幅机构

图 19 摄影平台

图 20 货车自卸机构 3、铰链四杆机构的运动特性 (1) 、急回特性

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图 21 四杆机构的极限位置 在曲柄摇杆机构、摆动导杆机构和曲柄滑块机构中,当曲柄为主运动件时,从动件往复 运动时,存在左、右两个极限位置,如图 21 所示 。 图 21(a)所示的曲柄摇杆机构,当摇杆 3 处在 C1D 和 C2D 两个极限位置时,曲柄 1 与连杆 2 共线。曲柄对应两极限位置所夹的锐角 ? 称为极位夹角。摇杆两极限位置间的夹 角 ? 称为最大摆角。图中 AC1=BC-AB, AC2=BC+AB。 图 21(b)所示摆动导杆机构中,导杆的两个极限位置是 B 点轨迹圆的两条切线 Cm 和 Cn,对于摆动导杆机构,极位夹角 ? 等于最大摆角 ? 。 图 21(c)所示的偏置曲柄滑块机构中,当滑块在 C1、C2 两个极限位置时,曲柄与连 杆共线,图中 ? 为极位夹角,AC1=BC-AB, AC2=BC+AB。 对于图 21(a)所示的曲柄摇杆机构,设曲柄以等角速度 ? 顺时针转动,当曲柄从 AB1 转至 AB2 时, 转过角度为 ?1=180°+? 所用时间 t1=?1/?, 摇杆从 DC1 摆至 DC2 摆角为 ? ; 当曲柄从 AB2 转至 AB1 时,转过角度为 ? 2=180°??,所用时间 t2=? 2/?,摇杆从 DC2 摆 回至 DC1,摆角仍为 ?。由于 ?1>? 2,所以 t1>t2,这反映了当曲柄匀速转动时,摇杆往 复摆动的快慢不同。设摇杆从 DC1 摆动至 DC2 为工作行程,其平均速度 v1=C1C2/t1;摇杆 从 DC2 摆回 DC1 为空回行程,其平均速度 v2=C1C2/t2。显然 v1<v2,这种当连杆机构主 动件等速回转时, 从动件空回行程平均速度大于从动件工作行程的平均速度, 这种运动特性 称为急回特性。 牛头刨床、往复式运输机等机械就利用这种急回特性来缩短非生产时间,提高生产率。 急回运动特性可以用行程速比系数 K 来表示,即

上式中 C1C2 为圆弧。 上式表明,极位夹角 ? 越大,K 值越大,急回特性越明显。当 ?=0°时,K=1,则机构 无急回特性。 如果已知 K,可以求出极位夹角 ? : ? =180°(K?1)/(K+1) (4-5) (2)死点

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图 22 曲柄摇杆机构的死点位置 如图 22 所示,在曲柄摇杆机构中,取摇杆 CD 为主动杆,当摇杆处在两极限位置时, 连杆与曲柄共线。出现了传动角 ?=0°的情况,若不计各杆的质量,则这时连杆加给曲柄的 力将通过铰链中心 A,此力对 A 点不产生力矩,因此不能使曲柄转动。此时,摇杆上无论加 多大驱动力也不能使曲柄转动,机构的此种位置称为死点位置。 当机构处在死点位置时,从动件将卡死,或出现运动不确定现象。设计时必须采取措施 确保机构能顺利通过死点。

图 23 蒸汽机车车轮联动机构 死点位置是有害的,但在某些场合却利用“死点”来实现工作要求。

图 24 钻床工件压紧机构

图 25 飞机起落架机构 四、课堂小结 1、通过本次课的学习,大家了解了平面连杆机构的基本形式、特性及其演化、明确了

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曲柄存在的条件、急回特性、死点等基本概念,学习了按给定的连杆的预定位置设计四杆机 构的方法和步骤。 2、通过各种实物的动画演示,加深对对种平面连杆机构认识和理解,从而掌握各种平 面连杆机构的特点与应用。 3、平面连杆机构的设计应注意给定的已知条件,条件不同,设计方法也不同,要注意 区别对待; 设计中还应注意对所设计机构的运动性能及传力性能的要求; 各种机器中广泛应 用的平面连杆机构, 虽然在形式上各不相同, 但都可看作是铰链四杆机构及其演化的不同组 合,要熟练的掌握平面连杆机构的设计,作到举一反三。 五、作业 《机械基础练习册》P57—P60 第 1 单元和第 2 单元练习题。

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