【課題】平面四桿機(jī)構(gòu)（3）【教材版本】【教學(xué)目標(biāo)】1.理解鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化。2.理解平面四桿機(jī)構(gòu)急回運(yùn)動特性、壓力角和死點(diǎn)位置的運(yùn)動現(xiàn)象。3.了解平面機(jī)構(gòu)中拉壓構(gòu)件的強(qiáng)度分析?！窘虒W(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)】教學(xué)重點(diǎn)：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化形式。教學(xué)難點(diǎn)：1.平面四桿機(jī)構(gòu)急回運(yùn)動特性、壓力角和死點(diǎn)位置。【教學(xué)媒體及教學(xué)方法】借助于多媒體課件，將靜態(tài)的圖形直觀展示；通過教師的講解、學(xué)生的觀察、分析、討論，師生充分互動，采用大量聯(lián)系實(shí)際的案例，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生觀察分析、自主探究的能力，使全體學(xué)生在合作學(xué)習(xí)中都能有所收獲?！菊n時安排】2課時（45分鐘×2）【教學(xué)建議】教學(xué)中應(yīng)交替使用教材、實(shí)物和圖片。根據(jù)學(xué)生基本情況及學(xué)習(xí)本次內(nèi)容后的總體反應(yīng)，使用不同的教學(xué)方法，加強(qiáng)和學(xué)生的互動，使學(xué)生積極地參與到教學(xué)活動中來?！窘虒W(xué)過程】任務(wù)導(dǎo)入（5分鐘）新課講授（75分鐘）2.3鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化在生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中，除了上述的三種基本型式外，還廣泛采用其他型式的四桿機(jī)構(gòu)，一般是通過改變鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)某些構(gòu)件的形狀、相對長度或不同構(gòu)件作為機(jī)架等方法演化而成，主要有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、搖塊機(jī)構(gòu)和定塊機(jī)構(gòu)。2.3.1曲柄滑桿機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是具有一個曲柄和一個滑快的平面四桿機(jī)構(gòu)，是由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)演化而來，圖5-1-11a、b所示為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。曲柄1作連續(xù)整周轉(zhuǎn)動，滑塊3作往復(fù)直線移動。圖5-1-11a所示，滑塊移動導(dǎo)路中線通過曲柄轉(zhuǎn)動中心，稱為對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。a．對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)b.偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)圖5-1-11圖5-1-11b所示，滑塊移動導(dǎo)路中線不過曲柄轉(zhuǎn)動中心，稱為偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。對于偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，要保證構(gòu)件1為曲柄，必須滿足l1+e≤l2（5-1）

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特點(diǎn)是將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為往復(fù)移動，或?qū)⒁苿愚D(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動。圖5-1-12為常見的一些應(yīng)用實(shí)例。圖5-1-12a為壓力機(jī)中應(yīng)用的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；圖5-1-12b為在內(nèi)燃機(jī)中，應(yīng)用滑塊（活塞）的往復(fù)移動轉(zhuǎn)換成曲柄（曲軸）的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；圖5-1-12c為搓絲機(jī)應(yīng)用的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；圖5-1-12d為自動送料裝置，曲柄轉(zhuǎn)一周滑塊就從料槽中推出一個工件。a．壓力機(jī)b.內(nèi)燃機(jī)c．搓絲機(jī)b.自動送料裝置圖5-1-122.3.2導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)可以看成是改變曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中固定件的位置演化而成的，若將對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（圖5-1-13a）中的構(gòu)件1作為機(jī)架，就形成導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)可分為轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)兩種。（1）動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)如圖5-1-13a所示，當(dāng)l1＜l2時，機(jī)架1為最短桿，它相鄰桿2與導(dǎo)桿4均能繞機(jī)架作連續(xù)轉(zhuǎn)動，故稱為轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。圖5-1-13b所示為插床機(jī)構(gòu)，其中構(gòu)件1、2、3、4組成轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。工作時，導(dǎo)桿4繞A點(diǎn)回轉(zhuǎn)，帶動構(gòu)件5及插刀6往復(fù)運(yùn)動，進(jìn)行切削。a．b.圖5-1-13（2）擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

當(dāng)l1＞l2時，如圖5-1-14a所示，機(jī)架1不是最短桿，它的相鄰構(gòu)件導(dǎo)桿4只能繞機(jī)架擺動，故稱為擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。圖5-1-14b所示為刨床機(jī)構(gòu)，其中構(gòu)件1、2、3、4組成擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。工作時導(dǎo)桿4擺動，帶動構(gòu)件5及刨刀6往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)刨削。a．b.圖5-1-142.3.3定塊機(jī)構(gòu)a．b.圖5-1-15若取對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（圖5-1-15a）中的構(gòu)件3（滑塊）為機(jī)架，如圖5-1-15a所示，則滑塊固定不動，故稱為固定滑塊機(jī)構(gòu)，簡稱定塊機(jī)構(gòu)。圖5-1-15b所示的手動泵是定塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例。扳動手柄1，使導(dǎo)桿4連同活塞3上下移動，便可抽水或抽油。2.3.4搖塊機(jī)構(gòu)若取對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（圖5-1-16a）中的構(gòu)件2為機(jī)架，如圖5-1-16a所示，因滑塊3只能相對機(jī)架搖動，故稱為搖動滑塊機(jī)構(gòu)，簡稱搖塊機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)多用擺缸式內(nèi)燃機(jī)或液壓驅(qū)動裝置。如圖5-1-16b所示為卡車車廂的自動翻轉(zhuǎn)卸料機(jī)構(gòu)。利用油缸中油壓推動活塞桿4運(yùn)動，迫使車廂1繞B點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，物料便自動卸下。

a．b.圖5-1-16*2.4平面四桿機(jī)構(gòu)的急回運(yùn)動特性、壓力角和死點(diǎn)位置2.4.1平面四桿機(jī)構(gòu)急回運(yùn)動特性下面以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為例，說明機(jī)構(gòu)的急回特性。在圖5-1-17所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，設(shè)曲柄AB為主動件。曲柄在旋轉(zhuǎn)過程中每周有兩次與連桿共線，如圖5-1-17中的B1AC1和AB2C2兩位置。這時的搖桿位置C1D和C2D稱為極限位置，簡稱極位。當(dāng)從動件搖桿處于兩極限位置時，主動件曲柄對應(yīng)的兩位置AB1和AB2所夾的銳角θ稱為極位夾角。C1D與C2D的夾角稱為最大擺角。圖5-1-17曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性設(shè)曲柄以等角速度ω1順時針轉(zhuǎn)動，從AB1轉(zhuǎn)到AB2和從AB2到AB1所經(jīng)過的角度為（180°＋θ）和（180°－θ），所需的時間為t1和t2。相應(yīng)的搖桿從C1D擺動C2D的行程為工作行程，克服生產(chǎn)阻力對外做功；從C2D擺動C1D的行程為空回行程，只克服運(yùn)動副中的摩擦阻力，C點(diǎn)在工作行程和空回行程中的平均線速度分別為v1和v2，顯然有t1＞t2，v1＜v2。這種空回行程速度大于工作行程速度的現(xiàn)象稱為急回特性，通常用v1與v2的比值K來描述急回特性，K稱為行程速比系數(shù)，即 (5-2)或有(5-3)可見，θ越大K值就越大，急回特性就越明顯。急回特性在實(shí)際中廣泛應(yīng)用于單向工作的場合，使空回行程所花的非生產(chǎn)時間縮短以提高生產(chǎn)率。例如牛頭刨床滑枕的運(yùn)動。2.4.2平面四桿機(jī)構(gòu)壓力角和死點(diǎn)位置的運(yùn)動現(xiàn)象在工程應(yīng)用中,不僅要求連桿機(jī)構(gòu)能滿足機(jī)器的運(yùn)動要求，而且希望運(yùn)轉(zhuǎn)輕便，效率較高，也即具有良好的傳力性能。（1）壓力角和傳動角衡量機(jī)構(gòu)傳力性能的特性參數(shù)是壓力角。在不計構(gòu)件重力、慣性力和運(yùn)動副中的摩擦力時，從動件上受力點(diǎn)的速度方向與所受作用力方向之間所夾的銳角，稱為機(jī)構(gòu)的壓力角。

圖5-1-18曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的壓力角和傳動角如圖5-1-18所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，曲柄AB為主動件，搖桿CD為從動件。由于不計重力與摩擦，連桿BC為二力桿。所以主動件AB通過連桿BC傳給從動件CD的力F，總是沿著BC桿方向。受力點(diǎn)的速度Vc的方向垂直于CD桿。力F與Vc之間所夾的銳角α即為機(jī)構(gòu)該位置的壓力角。將傳動力F沿速度Vc的方向和垂直于速度的方向分解為Ft=FFn=FFt是推動從動件運(yùn)動的分力，稱為有效分力；Fn不僅對從動件無推動作用，反而會增大鉸鏈間的摩擦力，稱為有害分力。顯然壓力角α越小，有效分力Ft越大，對機(jī)構(gòu)傳動越有利。因此，壓力角α是衡量機(jī)構(gòu)傳力性能的重要參數(shù)。在具體應(yīng)用中，為度量方便和更為直觀，常將壓力角α的余角γ稱為傳動角，在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中就是連桿和從動件所夾的銳角。由于γ更便于觀察，所以通常用來檢驗機(jī)構(gòu)的傳力性能。傳動角γ隨機(jī)構(gòu)的不斷運(yùn)動而相應(yīng)變化，γ越大，機(jī)構(gòu)傳力性能越好；反之，機(jī)構(gòu)傳力性能就差。當(dāng)γ過小時，機(jī)構(gòu)就會自鎖。為保證機(jī)構(gòu)有較好的傳力性能，應(yīng)控制機(jī)構(gòu)的最小傳動角γmin。一般可取γmin≥40°，重載高速場合取γmin≥50°。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的最小傳動角出現(xiàn)在曲柄與機(jī)架共線的兩個位置之一，如圖5-1-18所示的B1點(diǎn)或B2點(diǎn)位置。偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，以曲柄為主動件，滑塊為工作件，傳動角γ為連桿與導(dǎo)路垂線所夾銳角，如圖5-1-19所示。最小傳動角γmin出現(xiàn)在曲柄垂直于導(dǎo)路時的位置，并且位于與偏距方向相反一側(cè)。對于對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，即偏距e=0的情況，顯然其最小傳動角γmin出現(xiàn)在曲柄垂直于導(dǎo)路時的位置。對以曲柄為主動件的擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，如圖5-1-20所示，因為滑塊對導(dǎo)桿的作用力始終垂直于導(dǎo)桿，其傳動角γ恒為90°，即γ=γmin=γmax=90°,表明導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)具有最好的傳力性能。圖5-1-19曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的傳動角圖5-1-20擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（2）死點(diǎn)位置從Ft=Fcosα知，當(dāng)壓力角α=90°時，對從動件的作用力或力矩為零，此時連桿不能驅(qū)動從動件工作。機(jī)構(gòu)處在這種位置稱為止點(diǎn)，又稱死點(diǎn)。如圖5-1-21a)所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，若搖桿為主動件，當(dāng)從動曲柄AB與連桿BC共線時，出現(xiàn)壓力角α=90°，傳動角γ=0。如圖5-1-21

b所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如果以滑塊為主動件，則當(dāng)從動曲柄AB與連桿BC共線時，外力F無法推動從動曲柄轉(zhuǎn)動。機(jī)構(gòu)處于止點(diǎn)位置，一方面驅(qū)動力作用降為零，從動件要依靠慣性越過止點(diǎn)；另一方面是運(yùn)動方向不確定，可能因偶然外力的影響造成反轉(zhuǎn)。a．b.圖5-1-21平面四桿機(jī)構(gòu)的止點(diǎn)位置四桿機(jī)構(gòu)是否存在止點(diǎn)，取決于從動件是否與連桿共線。例如上述圖5-1-21a)所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如果曲柄主動，則搖桿為從動件，因連桿BC與搖桿CD不存在共線的位置，故不存在止點(diǎn)。又例如前述圖5-1-21b所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如果改曲柄為主動，就不存在止點(diǎn)。止點(diǎn)的存在對機(jī)構(gòu)運(yùn)動是不利的，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)止點(diǎn)。當(dāng)無法避免出現(xiàn)止點(diǎn)時，一般可以采用加大從動件慣性的方法，靠慣性幫助通過止點(diǎn)。例如內(nèi)燃機(jī)曲軸上的飛輪。也可以采用機(jī)構(gòu)錯位排列的方法，靠兩組機(jī)構(gòu)止點(diǎn)位置差的作用通過各自的止點(diǎn)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，有許多場合是利用止點(diǎn)位置來實(shí)現(xiàn)一定工作要求的。如圖5-1-22a所示為一種快速夾具，要求夾緊工件后夾緊反力不能自動松開夾具，所以將夾頭構(gòu)件1看成主動件，當(dāng)連桿2和從動件3共線時，機(jī)構(gòu)處于止點(diǎn)，夾緊反力N對搖桿3的作用力矩為零。這樣，無論N有多大，也無法推動搖桿3而松開夾具。當(dāng)我們用手搬動連桿2的延長部分時，因主動件的轉(zhuǎn)換破壞了止點(diǎn)位置而輕易地松開工件。如圖5-1-22b所示為飛機(jī)起落架處于放下機(jī)輪的位置，地面反力作用于機(jī)輪上使AB件為主動件，從動件CD與連桿BC成一直線，機(jī)構(gòu)處于止點(diǎn)，只要用很小的鎖緊力作用于CD桿即可有效地保持著支撐狀態(tài)。當(dāng)飛機(jī)升空離地要收起機(jī)輪時，只要用較小力量推動CD，因主動件改為CD破壞了止點(diǎn)位置而輕易地收起機(jī)輪。此外，還有汽車發(fā)動機(jī)蓋、折疊椅等。a．b.圖5-1-22機(jī)構(gòu)止點(diǎn)位置的應(yīng)用學(xué)習(xí)評價及作業(yè)（10分鐘）