《机械基础(多学时)》教学讲义 单元五课题一(3)

【课题】平面四杆机构（3）
【教材版本】
【教学目标】
1. 理解铰链四杆机构的演化。

2. 理解平面四杆机构急回运动特性、压力角和死点位置的运动现象。

3. 了解平面机构中拉压构件的强度分析。

【教学重点、难点】
教学重点：
1.铰链四杆机构的演化形式。

教学难点：
1.平面四杆机构急回运动特性、压力角和死点位置。

【教学媒体及教学方法】
借助于多媒体课件，将静态的图形直观展示；通过教师的讲解、学生的观察、分析、讨论，师生充分互动，采用大量联系实际的案例，调动学生的学习积极性，培养学生观察分析、自主探究的能力，使全体学生在合作学习中都能有所收获。

【课时安排】
2课时（45分钟×2）
【教学建议】
教学中应交替使用教材、实物和图片。

根据学生基本情况及学习本次内容后的总体反应，使用不同的教学方法，加强和学生的互动，使学生积极地参与到教学活动中来。

【教学过程】
任务导入（5分钟）
新课讲授（75分钟）
2.3 铰链四杆机构的演化
在生产实际应用中，除了上述的三种基本型式外，还广泛采用其他型式的四杆机构，一般是通过改变铰链四杆机构某些构件的形状、相对长度或不同构件作为机架等方法演化而成，主要有曲柄滑块机构、导杆机构、摇块机构和定块机构。

2.3.1 曲柄滑杆机构
曲柄滑块机构是具有一个曲柄和一个滑快的平面四杆机构，是由曲柄摇杆机构演化而来，图5-1-11a、b所示为曲柄滑块机构运动简图。

曲柄1作连续整周转动，滑块3作往复直线移动。

图5-1-11a所示，滑块移动导路中线通过曲柄转动中心，称为对心曲柄滑块机构。

a．对心曲柄滑块机构 b.偏心曲柄滑块机构
图5-1-11 曲柄滑块机构
图5-1-11b所示，滑块移动导路中线不过曲柄转动中心，称为偏置曲柄滑块机构。

对于偏置曲柄滑块机构，要保证构件1为曲柄，必须满足
l1+e≤l2（5-1）
曲柄滑块机构的运动特点是将转动转化为往复移动，或将移动转化为转动。

图5-1-12为常见的一些应用实例。

图5-1-12a为压力机中应用的曲柄滑块机构；图5-1-12b为在内燃机中，应用滑块（活塞）的往复移动转换成曲柄（曲轴）的旋转运动；图5-1-12c为搓丝机应用的曲柄滑块机构；图5-1-12d为自动送料装置，曲柄转一周滑块就从料槽中推出一个工件。

a．压力机 b.内燃机
c．搓丝机 b. 自动送料装置
图5-1-12 曲柄滑块机构应用实例
2.3.2 导杆机构
导杆机构可以看成是改变曲柄滑块机构中固定件的位置演化而成的，若将对心曲柄滑块机构（图5-1-13a）中的构件1作为机架，就形成导杆机构。

导杆机构可分为转动导杆机构和摆动导杆机构两种。

（1）动导杆机构
如图5-1-13a所示，当l1＜l2时，机架1为最短杆，它相邻杆2与导杆4均能绕机架作连续转动，故称为转动导杆机构。

图5-1-13b所示为插床机构，其中构件1、2、3、4组成转动导杆机构。

工作时，导杆4绕A点回转，带动构件5及插刀6往复运动，进行切削。

a． b.
图5-1-13 转动导杆机构
（2）摆动导杆机构
当l1＞l2时，如图5-1-14a所示，机架1不是最短杆，它的相邻构件导杆4只能绕机架摆动，故称为摆动导杆机构。

图5-1-14b所示为刨床机构，其中构件1、2、3、4组成摆动导杆机构。

工作时导杆4摆动，带动构件5及刨刀6往复运动，实现刨削。

a． b.
图5-1-14 摆动导杆机构
2.3.3 定块机构
a． b.
图5-1-15 定块机构
若取对心曲柄滑块机构（图5-1-15a）中的构件3（滑块）为机架，如图5-1-15a所示，则滑块固定不动，故称为固定滑块机构，简称定块机构。

图5-1-15b所示的手动泵是定块机构的应用实例。

扳动手柄1，使导杆4连同活塞3上下移动，便可抽水或抽油。

2.3.4 摇块机构
若取对心曲柄滑块机构（图5-1-16a）中的构件2为机架，如图5-1-16a所示，因滑块3只能相对机架摇动，故称为摇动滑块机构，简称摇块机构。

这种机构多用摆缸式内燃机或液压驱动装置。

如图5-1-16b所示为卡车车厢的自动翻转卸料机构。

利用油缸中油压推动活塞杆4运动，迫使车厢1绕B点翻转，物料便自动卸下。

a ． b.
图5-1-16 摇块机构
*2.4平面四杆机构的急回运动特性、压力角和死点位置
2.4.1 平面四杆机构急回运动特性
下面以曲柄摇杆机构为例，说明机构的急回特性。

在图5-1-17所示的曲柄摇杆机构中，设曲柄AB 为主动件。

曲柄在旋转过程中每周有两次与连杆共线，如图5-1-17中的B1AC1和AB2C2两位置。

这时的摇杆位置C1D 和C2D 称为极限位置，简称极位。

当从动件摇杆处于两极限位置时，主动件曲柄对应的两位置AB1和AB2所夹的锐角θ称为极位夹角。

C1D 与C2D 的夹角ϕ称为最大摆角。

图5-1-17 曲柄摇杆机构的运动特性
设曲柄以等角速度ω1顺时针转动，从AB1转到AB2和从AB2到AB1所经过的角度为（180°＋θ）和（180°－θ），所需的时间为t1和t2 。

相应的摇杆从C1D 摆动C2D 的行程为工作行程，克服生产阻力对外做功；从C2D 摆动C1D 的行程为空回行程，只克服运动副中的摩擦阻力，C 点在工作行程和空回行程中的平均线速度分别为v1和v2 ，显然有t1＞t2 ，v1＜v2 。

这种空回行程速度大于工作行程速度的现象称为急回特性，通常用v1与v2的比值K 来描述急回特性，K 称为行程速比系数，即 θ
θ-+====002111222112180180//t t t C C t C C v v k (5-2) 或有
11
1800+-=K K θ (5-3) 可见，θ越大K 值就越大，急回特性就越明显。

急回特性在实际中广泛应用于单向工作的场合，使空回行程所花的非生产时间缩短以提高生产率。

例如牛头刨床滑枕的运动。

2.4.2 平面四杆机构压力角和死点位置的运动现象
在工程应用中,不仅要求连杆机构能满足机器的运动要求，而且希望运转轻便，效率较高，也即具有良好的传力性能。

（1）压力角和传动角
衡量机构传力性能的特性参数是压力角。

在不计构件重力、惯性力和运动副中的摩擦力时，从动件上受力点的速度方向与所受作用力方向之间所夹的锐角，称为机构的压力角。

图5-1-18 曲柄摇杆机构的压力角和传动角
如图5-1-18所示的曲柄摇杆机构，曲柄AB为主动件，摇杆CD为从动件。

由于不计重力与摩擦，连杆BC 为二力杆。

所以主动件AB通过连杆BC传给从动件CD的力F，总是沿着BC杆方向。

受力点的速度Vc的方向垂直于CD杆。

力F与Vc之间所夹的锐角α即为机构该位置的压力角。

将传动力F沿速度Vc的方向和垂直于速度的方向分解为
cos
Ft = Fα
sin
Fn = Fα
Ft是推动从动件运动的分力，称为有效分力；Fn不仅对从动件无推动作用，反而会增大铰链间的摩擦力，称为有害分力。

显然压力角α越小，有效分力Ft越大，对机构传动越有利。

因此，压力角α是衡量机构传力性能的重要参数。

在具体应用中，为度量方便和更为直观，常将压力角α的余角γ称为传动角，在曲柄摇杆机构中就是连杆和从动件所夹的锐角。

由于γ更便于观察，所以通常用来检验机构的传力性能。

传动角γ随机构的不断运动而相应变化，γ越大，机构传力性能越好；反之，机构传力性能就差。

当γ过小时，机构就会自锁。

为保证机构有较好的传力性能，应控制机构的最小传动角γmin。

一般可取γmin ≥40°，重载高速场合取γmin≥50°。

曲柄摇杆机构的最小传动角出现在曲柄与机架共线的两个位置之一，如图5-1-18所示的B1点或B2点位置。

偏置曲柄滑块机构，以曲柄为主动件，滑块为工作件，传动角γ为连杆与导路垂线所夹锐角，如图5-1-19所示。

最小传动角γmin出现在曲柄垂直于导路时的位置，并且位于与偏距方向相反一侧。

对于对心曲柄滑块机构，即偏距e = 0 的情况，显然其最小传动角γmin出现在曲柄垂直于导路时的位置。

对以曲柄为主动件的摆动导杆机构，如图5-1-20所示，因为滑块对导杆的作用力始终垂直于导杆，其传动角γ恒为90°，即γ = γmin = γmax =90°,表明导杆机构具有最好的传力性能。

图5-1-19 曲柄滑块机构的传动角图5-1-20摆动导杆机构
（2）死点位置
从Ft = F cosα知，当压力角α = 90°时，对从动件的作用力或力矩为零，此时连杆不
能驱动从动件工作。

机构处在这种位置称为止点，又称死点。

如图5-1-21a)所示的曲柄摇杆机构，若摇杆为主动件，当从动曲柄AB与连杆BC共线时，出现压力角α = 90°，传动角γ = 0。

如图5-1-21b所示的曲
柄滑块机构，如果以滑块为主动件，则当从动曲柄AB与连杆BC共线时，外力F无法推动从动曲柄转动。

机构处于止点位置，一方面驱动力作用降为零，从动件要依靠惯性越过止点；另一方面是运动方向不确定，可能因偶然外力的影响造成反转。

a． b.
图5-1-21 平面四杆机构的止点位置
四杆机构是否存在止点，取决于从动件是否与连杆共线。

例如上述图5-1-21a)所示的曲柄摇杆机构，如果曲柄主动，则摇杆为从动件，因连杆BC与摇杆CD不存在共线的位置，故不存在止点。

又例如前述图5-1-21b 所示的曲柄滑块机构，如果改曲柄为主动，就不存在止点。

止点的存在对机构运动是不利的，应尽量避免出现止点。

当无法避免出现止点时，一般可以采用加大从动件惯性的方法，靠惯性帮助通过止点。

例如内燃机曲轴上的飞轮。

也可以采用机构错位排列的方法，靠两组机构止点位置差的作用通过各自的止点。

在实际工程应用中，有许多场合是利用止点位置来实现一定工作要求的。

如图5-1-22a所示为一种快速夹具，要求夹紧工件后夹紧反力不能自动松开夹具，所以将夹头构件1看成主动件，当连杆2和从动件3共线时，机构处于止点，夹紧反力N对摇杆3的作用力矩为零。

这样，无论N有多大，也无法推动摇杆3而松开夹具。

当我们用手搬动连杆2的延长部分时，因主动件的转换破坏了止点位置而轻易地松开工件。

如图5-1-22b所示为飞机起落架处于放下机轮的位置，地面反力作用于机轮上使AB件为主动件，从动件CD与连杆BC成一直线，机构处于止点，只要用很小的锁紧力作用于CD杆即可有效地保持着支撑状态。

当飞机升空离地要收起机轮时，只要用较小力量推动CD，因主动件改为CD破坏了止点位置而轻易地收起机轮。

此外，还有汽车发动机盖、折叠椅等。

a． b.
图5-1-22 机构止点位置的应用
学习评价及作业（10分钟）
1、学习评价
充分体现学生在教学中的主体地位。

通过学生的自我评价，使其能够进行客观地自我反思，清晰地认识自我、自我总结的一个过程；通过小组评价，可以使学生更加注重小组的团结协作、互相学习，加强团队意识；通过教师评价，体现教师在教学中的另一主体地位，引导教学的方向和进程，指导学生掌握学习方法，学会探索、发现规律，同时，培养能力强的学生积极思考，主动探究；激励能力弱的学生认真观察，积极参
与，以提高教学效果。

2、课堂小结
简要小结本次课程的内容（学生归纳，老师点晴并指出需要注意的问题）。

3、布置作业：。