资源简介

课题 常用机构的运动分析（一）——平面连杆机构
课时 2课时（90 min）
教学目标 知识技能目标： （1）掌握平面机构的组成和基本分析方法 （2）掌握铰链四杆机构的类型及其演化 （3）了解平面四杆机构的工作特性 （4）能够绘制简单平面连杆机构的运动简图 （5）能够分析简单平面四杆机构的运动 思政育人目标： （1）培养运用科学理论解决工程问题的能力 （2）弘扬理论联系实际、知行合一的优良作风
教学重难点 教学重点：铰链四杆机构的类型及其演化；简单平面连杆机构的运动简图； 教学难点：绘制平面连杆机构的运动简图
教学方法 案例分析法、问答法、讨论法、讲授法
教学用具 电脑、投影仪、多媒体课件、教材
教学设计 第1节课：课前任务→考勤（2 min）→问题导入（5 min）→传授新知（13 min）→例题讲解（10 min）→传授新知（10 min）→例题讲解（5 min） 第2节课：传授新知（25 min）→任务实施（15 min）→课堂小结（3 min）→作业布置（2 min）
教学过程 主要教学内容及步骤 设计意图
第一节课
课前任务 【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单3.1”，并根据任务工单进行组内分工。同时，提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件预习本节课知识，了解平面机构的组成和基本分析方法，铰链四杆机构的类型及其演化、工作特性，平面连杆机构的运动简图等，并思考以下问题： （1）什么是运动副？如何区分高副和低副？ （2）铰链四杆机构的类型有哪些？请举例说明，并简要说明其判别方法与演化过程。 （3）平面四杆机构的工作特性有哪些？ 【学生】完成课前任务 通过课前任务，使学生了解所学课程的重要性，增加学生的学习兴趣
考勤
（2 min） 【教师】使用文旌课堂APP进行签到 【学生】按照老师要求签到 培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况
案例导入 （5 min） 【教师】提出以下问题： 假期到了，小杨开着汽车回老家探亲，途中天空忽然下起了瓢泼大雨。小杨随即降低车速、开启车灯和刮水器，密切注视着前方道路谨慎驾驶。这时，他注意到前挡风玻璃上那对左右摆动的刮水器，心中产生了疑问：这对刮水器每次摆动的轨迹都是一样的，其中是什么原理呢？ 【学生】思考、举手回答 【教师】通过学生的回答引入要讲的知识 通过案例导入的方法，引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣
传授新知
（13 min） 平面机构基础知识 【教师】讲解平面机构的组成，并在黑板上绘图 1．平面机构的组成 构件1处于运动状态且运动规律已知，称为主动件； 构件2、3的运动规律与主动件有关，称为从动件； 构件4固定不动，用来安装主动件和从动件，称为机架。 【学生】聆听、思考、记忆 【教师】新知讲解 2．运动副 【多媒体教学】 【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“运动副”，观看微课视频，学习运动副知识 【学生】观看、思考 运动副是指由两个直接接触的构件组成的可动连接，它限制了两个构件之间的某些相对运动。 例如，轴与轴承的连接、活塞与气缸的连接、传动齿轮中两个轮齿间的连接等。 两构件上能够参加接触而构成运动副的点、线、面称为运动副元素。 根据运动副元素类型的不同，运动副可分为低副和高副两类。 1）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。 （a）转动副（固定铰链） （b）转动副（活动铰链） （c）移动副 根据组成运动副的两构件之间相对运动形式的不同，低副又可分为转动副和移动副。 转动副：两构件之间的运动为转动的运动副，又称铰链。如上图（a）所示，轴承1和轴2组成一个转动副，由于有一个构件被固定，因此该转动副又称为固定铰链。如上图（b）所示，组成转动副的构件1和构件2都未被固定，该转动副又称为活动铰链。 移动副：两构件之间的运动为移动的运动副。如图（c）所示，组成移动副的构件1和构件2之间的运动为直线往复运动。 2）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3-5所示，火车轮1与钢轨2、凸轮1与从动件2、啮合的两个轮齿1和2，它们均在相互接触处形成了高副。 （a）火车轮与钢轨 （b）凸轮与从动件 （c）啮合的轮齿 【学生】聆听、思考、理解 【课堂互动】 【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答 请同学们列举生活中常见的运动副装置，并分析其属于哪种运动副。 【学生】聆听、思考、讨论、回答 【教师】新知讲解 3．机构的运动简图 机构运动简图是指用规定的符号和线条表示构件和运动副，按一定的比例表示运动副的相对位置，并准确反映平面机构运动特征的简图。 1）机构运动简图的表示方法 如图所示为机构运动简图中运动副的表示方法。 （a）转动副 （b）移动副 （c）高副 构件可用直线、三角形或方块等图形表示，画有成组斜线的构件代表机架； 转动副用小圆圈表示，小圆圈的中心位于回转中心处，如上图（a）所示； 移动副的导路必须与相对移动方向一致，如上图（b）所示； 两构件组成高副时，在机构运动简图中应画出两构件接触处的轮廓曲线，如上图（c）所示。 如图所示为机构运动简图中构件的表示方法。当一个构件参与组成两个运动副时，该构件可用如图（a）所示的图形表示；当一个构件参与组成三个运动副时，该构件常用如图（b）所示的图形表示。 （a）参与两个运动副的构件 （b）参与三个运动副的构件 2）机构运动简图的绘制步骤 （1）分析机构的组成和运动情况，找出主动件、从动件和机架。 （2）分析各构件之间相对运动的形式，确定运动副的类型和数目。 （3）选择适当的视图平面和比例尺。 （4）确定各运动副的相对位置，依照运动的传递顺序，用规定的运动副和构件表示方法绘制出机构运动简图。 【学生】聆听、思考、理解 【点拨】为清楚地表示机构中各构件的相对位置关系，防止机构运动简图中的构件出现相互重叠或交错的情况，应选择恰当的瞬时位置来绘制机构运动简图。 通过教师讲解、课堂互动、举例分析等教学方式，帮助学生掌握平面机构的组成，运动副以及机械运动简图等知识
例题讲解
（10 min） 【教师】请同学们练习以下例题 【例3-1】如图（a）所示为汽车发动机曲柄连杆机构的模型，请绘出该机构的机构运动简图。 （a）模型 1—曲轴；2—连杆；3—活塞；4—气缸体。 【学生】观察、思考、讨论、练习、上交 【教师】对照学生的回答，板书讲解上述例题 【解】（1）分析机构的组成和运动情况，找出主动件、从动件和机架。 汽车发动机曲柄连杆机构由曲轴1、连杆2、活塞3和气缸体4等构件组成，往复直线运动的活塞3通过连杆2驱动曲轴1转动。其中，气缸体4是机架，活塞3是主动件，其余为从动件。 （2）分析各构件之间的相对运动形式，确定运动副的类型和数目。 曲轴1与气缸体4、连杆2与曲轴1之间均发生相对转动，构成2个转动副；活塞3既与连杆2之间发生相对转动，又与气缸体4之间发生相对直线运动，构成1个转动副和1个移动副。 （3）选择适当的视图平面和绘图比例。 由于汽车发动机曲柄连杆机构是平面机构，因此选择连杆2的运动平面作为机构运动简图的视图平面，这样可清楚地表达构件间的运动传递情况。绘图比例根据图纸的大小确定。 （4）确定各运动副的相对位置，依照运动的传递顺序，用构件和运动副的表示符号绘制出机构运动简图。 取曲轴1与竖直方向成60°的位置为主动件的初始位置，各运动副之间的相对位置根据机构的实际测量尺寸按比例缩放后确定。依照运动的传递顺序，用规定的表示方法绘制运动副和构件，标出构件标号和主动件，如图（b）所示。 （b）机构运动简图 1—曲轴；2—连杆；3—活塞；4—气缸体。 【学生】聆听、思考、理解 通过例题讲解，加深学生对知识的理解，帮助学生强化知识点的记忆
传授新知
（10 min） 【教师】新知讲解 4．平面机构的自由度 1）自由度的概念 自由度是指构件相对于机架可进行自由运动的数目。如图（a）所示，平面xOy内的构件AB既能沿x、y方向移动，又能在平面xOy内绕某一点转动，因此自由运动的构件在一个平面内具有3个自由度，在空间内则具有6个自由度。 如图（b）所示，若构件AB的A端通过铰链连接在地面上，形成转动副，则构件AB沿x、y方向的移动被限制，而只能绕平面xOy内的A点转动，此时构件AB在平面xOy内只有1个自由度。由此可见，在引入运动副后，构件的自由运动将受到限制，自由度将减少，这种对构件运动的限制称为约束。 （a）自由运动的构件 （b）组成运动副的构件 【课堂互动】 【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答 请同学们根据上述所学知识，结合上图想一下，运动副、约束、自由度之间存在什么样的关系？ 【学生】聆听、思考、讨论、回答 一般而言，构件引入N个约束，则会失去N个自由度。1个低副会产生2个约束，使构件失去2个自由度；1个高副会产生1个约束，使构件失去1个自由度。如上图（b）所示，构件AB在引入一个低副后，产生了2个约束，失去了2个自由度。 2）平面机构自由度的计算 平面机构的自由度是指平面机构中各构件相对于机架所具有独立运动的数目之和。设一个平面机构包括机架在内共有N个构件，则活动构件的数目为。这些活动构件在未组成运动副之前的自由度总数为3n。设该平面机构中有个低副、个高副，则组成运动副后共计引入个约束，平面机构减少个自由度。该平面机构自由度F的计算公式为 （3-1） 【学生】聆听、思考、理解 通过教师讲解、课堂互动、举例分析等教学方式，帮助学生掌握平面机构的自由度
例题讲解
（5 min） 【教师】请同学们练习以下例题 【例3-2】计算如图所示的汽车发动机曲柄连杆机构的自由度。 1—曲轴；2—连杆；3—活塞；4—气缸体。 【学生】观察、思考、讨论、练习、回答 【教师】对照学生的回答，板书讲解上述例题 【解】该机构共有4个构件，活动构件的数目为3个，其中有3个转动副和1个移动副，则；没有高副，则。根据式（3-1），该机构的自由度为 【学生】聆听、思考、理解 通过例题讲解，加深学生对知识的理解，帮助学生强化知识点的记忆
第二节课
传授新知
（25 min） 二、平面四杆机构的类型和工作特性 【教师】新知讲解 最简单的平面连杆机构是由同一平面（或相互平行的平面）内低副连接的4个构件组成的，这种机构称为平面四杆机构。 平面四杆机构包括铰链四杆机构和滑块四杆机构两种。 1．铰链四杆机构的基本类型 所有构件全部采用转动副连接的平面四杆机构称为铰链四杆机构。 根据曲柄和摇杆数量的不同，铰链四杆机构的基本类型有曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构等三种。 1）曲柄摇杆机构 【多媒体教学】 【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“曲柄摇杆机构”，观看微课视频，学习曲柄摇杆机构知识 【学生】聆听、思考 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。 曲柄摇杆机构常用于汽车刮水器、脚踏式人力脱粒机、卫星天线、缝纫机踏板等机械中。 图3-11 汽车刮水器 图3-12 脚踏式人力脱粒机 2）双曲柄机构 【多媒体教学】 【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“双曲柄机构”，观看微课视频，学习双曲柄机构知识 【学生】聆听、思考 双曲柄机构是指两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构，其功能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。 对于双曲柄机构，当相对两构件长度相等且平行时称为平行四边形机构，如图（a）所示。平行四边形机构的两曲柄转向相同，角速度相等。 对于双曲柄机构，当相对两构件长度相等但不平行时称为反平行四边形机构。反平行四边形机构两曲柄的角速度不相等，而对于两曲柄的转向则有： 当以长的构件为机架时，两曲柄的回转方向相反，如图（b）所示； 当以短的构件为机架时，两曲柄的回转方向相同，如图（c）所示。 （a） （b） （c） 3）双摇杆机构 【多媒体教学】 【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“双摇杆机构”，观看微课视频，学习双摇杆机构知识 【学生】聆听、思考 双摇杆机构是指两连架杆均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。 图3-15 汽车转向机构 图3-16 鹤式起重机提升机构 2．铰链四杆机构类型的判别 前述铰链四杆机构的类型是根据曲柄和摇杆的数目进行区分的。因此，要判别铰链四杆机构的类型，必须先判断其是否存在曲柄。 设铰链四杆机构中四个构件的长度从短到长分别为、、和，若该机构中存在曲柄，则必须满足的条件为 （3-2） 当铰链四杆机构中构件的长度满足式（3-2）时，其基本类型可根据机架位置的不同进行判别： ① 若机架在最短构件的邻边，则该机构为曲柄摇杆机构； ② 若机架为最短构件，则该机构为双曲柄机构； ③ 若机架在最短构件的对边，则该机构为双摇杆机构。 当铰链四杆机构中构件的长度不满足式（3-2）时，机构中不存在曲柄，该机构为双摇杆机构。 由上述可知，铰链四杆机构中曲柄的数目取决于各构件的相对长度和最短杆所处的位置，存在曲柄的充分必要条件为： ① 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之和； ② 连架杆和机架之中必有一个为最短构件。 【学生】聆听、思考、理解 【课堂互动】 【教师】提出以下问题 如图所示为机架在不同位置时的铰链四杆机构，已知，，，。 请同学们根据所学知识判断这些铰链四杆机构分别属于哪种基本类型。 （a） （b） （c） （d） 【学生】聆听、思考、回答 【教师】新知讲解 3．铰链四杆机构的演化 1）曲柄滑块机构 【多媒体教学】 【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“曲柄滑块机构”，观看微课视频，学习曲柄滑块机构知识 【学生】聆听、思考 在如图（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。当摇杆CD的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（b）和图（c）所示，这些机构称为曲柄滑块机构。 （a）曲柄摇杆机构 （b）对心式曲柄滑块机构 （c）偏置式曲柄滑块机构 曲柄滑块机构可将主动件的转动转换为从动件的移动，也可将主动件的移动转化为从动件的转动，它广泛应用于活塞式内燃机、冲床等机械中。 2）曲柄导杆机构 【多媒体教学】 【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“移动导杆机构”、“摆动导杆机构”，观看微课视频，学习移动导杆机构和摆动导杆机构知识 【学生】聆听、思考 在如图（a）所示的对心式曲柄滑块机构中，若将构件1作为机架，构件2作为主动件，则原机构演变为曲柄导杆机构，如图（b）和图（c）所示。其中，构件4称为导杆，滑块3可相对导杆4滑动并同其一起绕A点转动。 （a）对心式曲柄滑块机构 （b）转动导杆机构 （c）摆动导杆机构 如图3-19（b）所示，若，则构件2和导杆4均能绕机架做整圈转动，此机构称为转动导杆机构。如图3-19（c）所示，若，则构件2回转时，导杆4只能绕机架摆动，此机构称为摆动导杆机构。 3）曲柄摇块机构 【多媒体教学】 【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“曲柄摇块机构”，观看微课视频，学习曲柄摇块机构知识 【学生】聆听、思考 在曲柄滑块机构中，若将构件2作为机架，则当构件1做回转运动时，滑块3将绕机架上C点来回摇摆，称为摇块，所得机构称为摇块机构，如图（a）所示。 摇块机构能将导杆4的往复移动转换为摇块3的摆动。如图（b）所示为摇块机构在货车自动卸货机构中的应用，活塞杆4在压力油的推动下做往复移动，并推动车厢1（相当于摇块）绕车身2的B点翻转，从而实现自动卸货。 （a）摇块机构 （b）货车自动卸货机构 【学生】聆听、思考、理解 【教师】新知讲解 4．平面四杆机构的特性 平面四杆机构的工作特性主要包括运动特性和传力特性等，它们可以体现平面四杆机构对运动与力进行传递和变换的性能。 【多媒体教学】 【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“曲柄摇杆机构的运动特性”，观看微课视频，学习曲柄摇杆机构的运动特性知识 【学生】聆听、思考 1）运动特性 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在同一直线上重合两次，此时摇杆CD达到极限位置和，它们之间的夹角称为摆角，用表示。摇杆CD处于两个极限位置时，曲柄所处位置和之间所夹的锐角称为极位夹角，用表示。 当曲柄AB按顺时针方向从匀速转动到时，转过角度；而摇杆CD相应地从摆动到，摆过角度，所用时间为，该过程若做功，则可称为工作行程，记其平均速度为。当曲柄AB以顺时针方向从匀速转动到时，转过角度，摇杆CD相应地从摆动到，摆过角度，所用时间为，该过程若不做功，则可称为空回行程，记其平均速度为。与之比为 （3-3） 式中： K——行程速度变化系数。 利用行程速度变化系数K可计算极位夹角，即 （3-4） 由式（3-4）可知，当极位夹角时，，则，这表示曲柄摇杆机构中，空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度，这种特性称为平面四杆机构的急回特性。 【课堂互动】 【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答 为什么偏置曲柄滑块机构和曲柄导杆机构常应用于牛头刨床、往复式输送机等机械中？ 【学生】聆听、思考、讨论、回答 越大，K值就越大，曲柄摇杆机构的急回特性越凸显，回程时间就越短，机器的生产效率就越高。由于存在急回特性，偏置曲柄滑块机构和曲柄导杆机构可在空回行程中快速运动以节省时间，因此它们常应用于牛头刨床、往复式输送机等机械中。 2）传力特性 如图所示，在铰链四杆机构中，主动件1经连杆2推动从动件3运动，在不计构件自重及转动副的摩擦力时，从动件3上C点所受力F沿BC方向，F与速度所夹的锐角称为压力角，用表示。 从动件3所受的水平分力为，它推动从动件运动而做有效功，属于有效分力；垂直分力为，它引起转动副内的摩擦力，属于有害分力。由此可见，压力角越小，有效分力越大，有害分力越小，机构的传动效率就越高。因此，压力角可作为衡量机构传力特性的参数。 在工程中，为了方便观察与测量，通常将连杆2和从动件3所夹的锐角作为衡量机构传力特性的参数，称为传动角，用表示。由图3-22可知，传动角是压力角的余角，传动角越大，机构的传力特性就越好。 机构传动过程中，和的大小随着构件位置的变化而变化。为了保证机构具有良好的传力特性，应限制传动角的最小值或压力角的最大值。一般机械中，取。 3）死点 如图所示，在曲柄摇杆机构中，以摇杆CD为主动件，曲柄AB为从动件，当曲柄AB分别处于位置和时，连杆BC与曲柄AB共线，传动角，压力角。此时，摇杆CD传递给曲柄AB的作用力与AB共线，有效分力为零，曲柄摇杆机构将处于“卡死”或运动方向不确定的状态。曲柄摇杆机构的这两个位置称为死点位置。 在工程中，死点位置对机构的传动是不利的。例如，在如图3-24所示的缝纫机踏板机构中，踏板3做往复摆动，通过连杆2带动曲柄1做连续旋转运动。在实际使用过程中，以较慢速度踩踏板时，当连杆2与曲柄1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。 【学生】聆听、思考、理解 【课堂互动】 【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答 判别平面四杆机构中是否存在死点的依据是什么？ 【学生】聆听、思考、讨论、回答 判别平面四杆机构中是否存在死点的依据是从动件与连杆能否共线。 例如，在如上图所示的曲柄摇杆机构中，若以曲柄AB为主动件，则从动件为摇杆CD，由于连杆BC与从动件CD不可能共线，因此这种情况下该机构不存在死点。 通过教师讲解、课堂互动、举例分析等教学方式，帮助学生掌握铰链四杆机构的基本类型、判别方法以及演化，平面四杆机构的工作特性等相关知识
任务实施
（15 min） 【教师】组织学生以小组为单位根据表格中的要求，绘制颚式破碎机工作机构的运动简图，计算该机构的自由度，并填写“任务工单3.1” 如图所示为颚式破碎机。 1—机架；2—偏心轴；3—动颚；4—肘板；5—带轮；6—定颚。 【学生】观察、思考、讨论、练习、填写任务工单 【教师】根据各组学生的表现进行评价，并填写任务工单中的考核评价表 【学生】结合自身表现和教师的评价，对本次任务进行总结 通过任务实施，加深对所学知识的理解，并将理论应用到实践中，做到学以致用
课堂小结
（3 min） 【教师】简要总结本节课的要点 本节课主要学面机构的组成、运动副、自由度相关基础知识，铰链四杆机构的判别方法及演化过程，平面四杆机构的工作特性等内容。希望同学们能够通过本节课的学习，掌握平面连杆机构运动简图的绘制，为学习后续有关知识、解决工程问题打好基础。 【学生】总结回顾知识点 总结知识点，巩固学生对所学知识的理解
作业布置
（2 min） 【教师】布置课后作业 完成教材项目三“思考与练习”中与本课相关的题目 【学生】完成课后任务 通过课后作业复习巩固学到的知识，提高实际操作能力
教学反思 本节课注重并体现了导学结合，以学生为主体，教师为主导的教学理念。在教学中，通过精心设计思考题，创设教学情景，激发学生讨论思考，积极调动学生的学习积极性。密切联系日常生活中的一些事例，启发学生思考，解决实际问题。

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