资源简介

模块六 机构与运动
6.1 运动形式与转换 6.2 平面四杆机构
【章节名称】
运动形式与转换 平面连杆机构
【教学目标与要求】
一、知识目标
1.掌握构件的运动特征；了解机构的运动功能。
2.了解铰链四杆机构的组成和三种基本型式的运动特性与应用。
3.熟悉曲柄存在条件的判别方法。
4.了解含有一个移动副的四杆机构。
5.了解铰链四杆机构的运动特性―急回特性和死点。
二、能力目标
1.了解机构的运动功能。
2.能够判断四杆机构是否存在曲柄？并根据已知条件确定四杆机构的具体型式。
3.熟悉含有一个移动副的四杆机构和三种基本型式的运动特性及应用场合。
三、素质目标
1.掌握构件的运动特征；了解机构的运动功能。
2.了解四杆机构的运动是将连续匀速的转动转变成变速的摇动或其他型式的运动机构，实现运动型式的转化。
3.熟悉三种常见的四连杆运动的基本型式的特点。
4.能够根据曲柄存在条件及取不同构件作为机架来判断出不同的四杆机构。
四、教学要求
1.掌握构件的运动特征；了解机构的运动功能。
2.熟悉低副接触四杆机构的运动特点和的组成条件。
3.能够判断四杆机构是否存在曲柄和该机构的基本型式。掌握三种机构的应用场合。
【教学重点】
1.构件的运动特征；机构的运动功能。
2.四杆机构曲柄存在条件的判别及四杆型式的确定。
3.熟悉三种基本型式的运动特点及应用场合。
【难点分析】
1.高、低运动副的区分和四杆机构基本型式的判断。
2.急回特性的形成，要借助于教具或实物演示，最好请同学上台自己体验。
3.死点的形成条件是曲柄摇杆机构中以摇杆作为主动件才可能出现，如果学生有自己使用过缝纫机请他谈谈使用的感受最好。在理论上要用力矩的大小等于力与力臂的乘积来决定，如果力臂为0，则无论力有多大，则力矩仍为0。
【教学方法】
讲授为主，配合教具课件演示，最后归纳总结。
【学生分析】
从机械零件的静止运动转变到常用机构的教学内容，是一个由静向动的变化过程，要从运动的角度出发来启发学生学习本章的内容就比较容易。同时要从具体的构件抽象出简图来研究运动特点，这也是要改变学生思路的方式。在讲课时，一定要把这些特点先告诉学生，以便更快地适应新的教学内容。
【教学资源】
机械基础在线开放课程．“中国职教MOOC”频道，高等教育出版社。
【教学安排】
4学时（180分钟）
【教学过程】
一、新课导言
机械的动力部分，以电动机和内燃机居多，输出的运动形式通常都是连续的转动；经过机械传动，一般以降低运动速度、获得较大的转矩、改变运动方向为目的；而在机械的执行部分，多采用机构进行运动形式的转换，以满足机械各种工作任务的需要。
二、新课讲授
（一）运动形式与转换
1构件的运动特征
在机构中，每个构件的平面运动，都可以用运动类型、运动路径和速度特性这三个特征来进行描述。
①运动类型 构件可以进行转动、移动、摆动、平移、实现轨迹及合成运动等。
②运动路径 构件可以沿X、Y、Z轴方向或者其他方向运动。如运动路径同为“X轴”，表示各构件运动轴线重合或平行。
③速度特性 构件的速度特性按速度方向，可以分为单向运动和双向运动；按速度的持续性，可以分为连续运动和间歇运动；按照速率的变化特性，可以分为匀速运动和变速运动。
为了便于分析、阐述方便，可以采用特定的符号来表示上述构件的运动特征。其中，对于转动副，用“●”表示周转副，用“○”表示摆动副。构件常见运动形式与表示符号，见表6-1。
2.机构的运动功能
对机构的各个构件，尤其是输入构件和输出构件的运动转换关系进行描述，称之为机构的运动功能。
为了解什么是运动的转换，我们不妨来看一个日常生活中使用的单折叠伞的例子。如图6-1所示，当我们开伞时，向上推动滑块3，伞的内撑架2便驱动伞面撑架1绕A点顺时针转动，伞面打开。在开伞过程中，构件3是输入构件，输入的是移动；伞面撑架1是输出构件，输出的是转动。收伞时，在伞面撑架1的驱动下，经过伞的内撑架2，向下推动滑块3，伞面收拢。在收伞过程中，构件1是输入构件，输入的是转动；构件3是输出构件，输出的是移动。可见，在开伞和收伞的过程中，完成了转动与移动这两种运动形式间的转换。
将此例抽象成一般形式，即为图6-2所示的含一个移动副的四杆机构。构件1可以围绕Z轴做单向或双向的连续转动；构件3沿机架4上的导路做沿X轴双向的匀速或变速移动；构件2的运动是平面一般运动（合成运动），而对其上的点P而言则是一个轨迹的运动。
此例机构的运动功能最常见的有3种，如表6-2所示。其中，基本功能用两个矩形框中的符号表示，表示由左框中的运动形式转换为右框中的运动形式。
构件的运动特征清楚了，输入和输出关系明晰了，机构的运动功能也就确定了。机构的本质就在于进行运动属性的变换，从而满足预定的运动规律、构件位置、运动轨迹等功能要求。
表6-3仅列出了本课程涉及到的常见的运动转换基本功能，列举了实现这些基本功能的机构，以及在本课程中学习这些机构的章节线索。
实现某一运动转换基本功能的机构形式有很多种，要根据每种机构的特点和具体的应用情况加以分析比较，择优而定。对于机械的执行部分来说，可能不止用到一种机构。将这些机构按照运动的传递顺序组合起来构成的运动方案也有很多种，确定运动方案就是机械设计的首要任务。因此，机械设计的魅力是无穷的，创新永无止境。
（二）平面四杆机构
1.铰链四杆机构的形式
凡是由四个杆件组成的机构即是四杆机构，它必定有固定不动的机架和两个与机架相连的连架杆，另一个不与机架相接触的杆件即为连杆。曲柄即能绕机架的固定转轴作整周转动，而摇杆只能绕机架作某个角度范围内的摆动。
1）曲柄摇杆机构
两个连架杆分别为曲柄和摇杆的铰链四杆机构。
双曲柄机构
两个连架杆都为曲柄的铰链四杆机构。如果两个连架杆的长度相等，称为平行四边形机构。
3）双摇杆机构
两个连架杆都为摇杆的铰链四杆机构 。
2.铰链四杆机构类型的判定
连架杆称为曲柄必须满足下列两条件:
①最短杆与最长杆的长度之和小于等于或其余两杆长度之和(简称杆长和条件)。
②连架杆与机架两者之一为最短杆(简称最短杆条件)
在满足①②的基础上，如果取最短杆作为连架杆，则为曲柄摇杆机构；如果取最短杆为机架，则为双曲柄机构；如果取最短杆作为连杆，则为双摇杆机构。如果不满足杆长和条件,此机构只能为双摇杆机构。
3.含有一个移动副的四杆机构
1）曲柄滑块机构
2）摇杆滑块机构
3）曲柄摇块机构
4）导杆机构
4.平面四杆机构的运动特性
1）急回特性
从演示中先让学生得出结论，然后再按书中图6-20来分析，着重注意虽然摇杆的行程往返一样长，但曲柄转过的圆心角都不相等，由于曲柄作等角速运动，走过较大的圆心角所需要的时间就长，反之所需要的时间就短，在相同的行程中，时间长的其移动的速度必然就慢，反之必然就快，这就导致在摇杆的往返两个行程产生了不同的行走速度，即一快一慢，出现了快速的回程，这正是机械中空行程所需要的，它可以缩短非工作时间。称为回程的急回特性。
2）压力角 压力角的大小影响到从动件的运动受力状况，压力角与传动角互成90度，传动角的大小由连杆和摇杆的夹角组成，在运动中容易观察，所以常用传动角的大小来控制。
3）死点 死点形成的前提是在曲柄摇杆机构中以摇杆作为主动构件，而当摇杆在两端极限位置时，极位夹角成0°或180°时，曲柄的力臂为0，此时无论施加多大的作用力，曲柄都不可能转动，称之为死点位置。解决死点位置的方法是加惯性轮，靠惯性的作用冲过死点，或者采用机构错位排列的方法。反之也可以利用死点来作有用的工作，如作夹具或飞机起落架。
讲课中重点要结合中职学生的职业特点讲述机构的应用实例，理论要贴近实际，应用到生产实践中，加深学生的记忆，也使学生学以致用，为用而学，才能调动学生的学习主动性。
三、小结
1.在机构中，每个构件的平面运动，都可以用运动类型、运动路径和速度特性这三个特征来进行描述。
2.平面连杆机构主要由低副联接而成的四杆机构，根据组成条件，可以分为曲柄连杆机构，双曲柄机构和双摇杆机构，这主要取决于四杆机构中是否存在曲柄，并取何杆件作为机架来决定。
3.双曲柄还可以根据两曲柄的特点进一步细分，但不必讲的过深，简单了解就可以。
4.急回特性是曲柄摇杆机构运动的特点，具有一定的实用价值。死点产生于以摇杆作主动构件的前题。
四、作业布置
活动作业：用图钉和厚纸板自制铰链四杆机构，看曲柄存在的条件。

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