课    题：平面连杆机构

教学目标：

本讲的教学目标是使学生明确带平面机构的自由度计算、平面连杆结构的类型及其判别和平面连杆机构的设计方法。

重点与难点

本节的重点是明确平面连杆机构的自由度计算和平面连杆机构的工作特性。难点是平面连杆机构的类型判别和设计。

教学设计：

1.   平面连杆机构：主要介绍机构的组成、运动副的分类以及平面机构自由度的计算。

2.   平面连杆机构的类型及其判别：重点介绍平面连杆机构的类型及其判别条件、平面连杆机构

的工作特性。

3.   平面连杆机构的设计：主要讲解图解法设计两种类型的平面连杆机构。

教学方法和教学手段：

采用启发式教学、案例教学等教学方法。教学手段采用多媒体课件、虚拟现实、视频等媒体技术。教学组织采用课堂整体讲授和分组演示。

多媒体教学资源：

课前准备：

收集各种类型平面机构的图片，以及常见平面连杆机构工作过程的图片或视频。将课程教材和收集的资料用PowerPoint制作成演示文档。

教学过程和组织：

Ø 1. 平面机构的结构和运动分析【重点】

（1）机构的组成

① 构件

作为一个整体参与机构运动的刚性单元体称为构件。

构件与零件的本质区别在于：构件是运动的基本单元，而零件是制造的基本单元。一个构件中可以包含多个固连在一起的零件，一个单独的零件可以是一个最简单的构件。

② 运动副

机构是由若干构件组合而成的。每个构件都以一定的方式与其他构件相互联接，构件之间存在着一定的相对运动。这种使两构件直接接触而又能产生一定相对运动的联接就称为运动副。

（2）运动副的分类

按两构件的接触形式可把运动副分为低副和高副。

两构件之间为面与面的接触称为低副。低副一般有转动副、移动副等。

                图6- 1转动副                         图6- 2移动副

两构件之间为线与线或点与点的接触为高副。

             图6- 3凸轮高副                             图6-4齿轮高副

（3）运动链和机构

两个以上的构件通过运动副连接而成的系统成为运动链。运动链有闭式运动链和开式运动链。

在运动链中，将某一个构件固定为机架，而另一构件或几个构件按给定的运动规律相对于该固定构件运动时，其余构件也随之具有确定的相对运动，这种运动称为机构。

（4）平面机构运动简图

表示机构的组成和各构件间相对关系的运动简图，称为平面机构的运动简图。

表明机构的运动状态或各构件的相互关系，不按比例绘制的运动简图，称为机构示意图。

                                       表6-1常用机构构件和运动副代表符号

（5）平面机构的自由度

① 自由度和约束

任何构件在空间自由运动时，皆有六个自由运动，即沿着三个坐标轴的移动和绕三个坐标轴的转动。构件相对于参考系所具有的独立运动的数目称为自由度。

                                                        图6-8 构件空间自由度

对构件的相对运动所加的限制称为约束。每个低副引入两个约束剩下一个自由度，每个高副引入一个约束剩下两个自由度。

② 平面机构自由度计算

平面机构的自由度就是该机构中各构件相对于机架所具有的独立运动的数目。

③ 机构具有确定运动的条件

机构具有确定运动的条件：机构自由度必须大于零，且主动件数与其自由度数必须相等。

Ø 2. 平面连杆机构的类型及工作特性【重、难点】

（1）铰链四杆机构的组成、特点和应用

平面连杆机构是由若干构件用低副连接组成的平面机构。

优点 ：①低副不易磨损而又易于加工。

       ②形状简单、加工方便。

       ③在原动件等速连续运动的条件下，当各构件的相对长度不同时，可使从动件实现

         多种形式的运动，满足多种运动规律的要求。

缺点：①构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。

      ②产生动载荷（惯性力），不适合高速。

      ③设计复杂，难以实现精确的轨迹。

（2）平面连杆机构的基本类型及其判别

① 曲柄摇杆机构

铰链四杆机构的两个连架杆中，若一个是曲柄，另一个是摇杆，则称为曲柄摇杆机构。

当曲柄做等速转动时，摇杆为从动件做往复摆动。

                                                       图6-9曲柄摇杆机构

② 双曲柄机构

两连架杆均为曲柄的四杆机构称为双曲柄机构。双曲柄机构将等速回转转变为等速或变速回转。

                                                  图6-10 双曲柄机构

③ 双摇杆机构

铰链四杆机构的两个连架杆若都是摇杆，则称为双摇杆机构。双摇杆机构将一种摆动转换为另一种摆动。

                                                   图6-11鹤式起重机

④ 铰链四杆机构中曲柄存在条件

铰链四杆机构中存在曲柄的条件为：

条件一：长度和条件，机构中最短构件与最长构件长度和小于或等于其余两构件长度和，即

条件二：最短构件条件，连架杆与机架中必有一杆为最短构件。

铰链四杆机构基本类型的判别方法：

满足长度和条件，即

l 若以最短构件相邻边为机架时，机构为曲柄摇杆机构；

l 若以最短构件为机架，则机构为双曲柄机构；

l 若以最短构件对边为机架，则机构为双摇杆机构。

不满足长度和条件，则无论取哪个构件为机架均为双摇杆机构。

（3）平面连杆机构的演化形式

 常用的演化方法：变转动副为移动副；取不同的构件作机架；扩大转动副和移动副的尺寸。  

① 曲柄滑块机构

                                             图6- 12曲柄滑块机构的演化过程

曲柄滑块机构分为偏心曲柄滑块机构和对心曲柄滑块机构。偏距为曲柄转动中心距导路的距离，在偏心曲柄滑块机构偏距e≠0，在对心曲柄滑块机构中e=0。

② 导杆机构

导杆机构改变对心曲柄滑块中的机架而演化来的，通过改变曲柄滑块机构的机架，以构件1为机架。如AC杆长度大于BC杆则为转动导杆机构，否则为摆动导杆机构。

                              图6- 13导杆机构                        图6-14摇块机构

③ 摇块机构和定块机构

在曲柄滑块机构中，以构件2为机架，可得摇块机构。以构件3为机架，得到定块机构。

④ 偏心轮机构

在曲柄滑块机构或其他含有曲柄的四杆机构中，当曲柄长度很短时，由于存在结构设计困难，工程中常将曲柄设计成偏心轮或偏心轴的形式。

                                                1-偏心轮2-连杆3-滑块4-机架

                                                     图6-15偏心轮机构

（4）平面连杆机构的工作特性

① 急回特性

                                   图6- 16曲柄摇杆机构的运动特性  

② 传力特性

在连杆机构中，常用连杆与从动件间所夹的锐角(传动角)检验机构的传力性能。传动角愈大，机构的传力性能愈好，反之则不利于机构中力的传递。为保证机构的传力性能良好，必须限定机构的最小传动角，通常γ_min ≥ [γ]。

在不计构件的重力、惯性力和运动副中摩擦阻力的条件下，当机构处于传动角γ=0°（或α=90°）的位置时，称为机构的死点位置。

克服死点的方法：

增大从动件的质量，利用惯性度过死点位置；

在从动曲柄上施加外力或安装飞轮以增加惯性；

采用相同的机构错位排列。

Ø 3. 平面四杆机构的设计【难点】

四杆机构的设计方法有图解法、实验法和解析法三种，本文只介绍图解法。

（1）按给定连杆的位置设计四杆机构

设计步骤如下：

                  图6- 19按行程速比系数设计四杆机构

布置作业：复习本讲内容，思考与练习六1、2、3。