機械零部件設(shè)計 第2版 課件 學(xué)習(xí)情境2 設(shè)計內(nèi)燃機中的常用機構(gòu)

《機械零部件設(shè)計》

情境二

設(shè)計

內(nèi)燃機中的常用機構(gòu)

1、了解內(nèi)燃機的組成及工作原理，學(xué)會進行內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)分析。2、掌握平面機構(gòu)運動簡圖繪制與自由度計算。3、掌握平面連桿機構(gòu)的設(shè)計。4、掌握凸輪機構(gòu)設(shè)計。5、培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實際問題的能力，勇于創(chuàng)新、敬業(yè)樂業(yè)的工作作風(fēng)和良好的職業(yè)道德以及團隊協(xié)作精神。學(xué)習(xí)目標任務(wù)二任務(wù)三任務(wù)四任務(wù)一工作任務(wù)內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)運動簡圖繪制與自由度計算平面連桿機的設(shè)計凸輪機構(gòu)設(shè)計任務(wù)一內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)分析工作任務(wù)1、掌握內(nèi)燃機的組成；2、了解內(nèi)燃機的分類；3、掌握內(nèi)燃機的工作原理；4、了解內(nèi)燃機的基本構(gòu)造。學(xué)習(xí)目標1、內(nèi)燃機的基本知識；2、內(nèi)燃機的組成；3、內(nèi)燃機的工作原理；4、內(nèi)燃機的構(gòu)造。主要內(nèi)容

內(nèi)燃機是一種動力機械，它是通過使燃料在機器內(nèi)部燃燒，并將其放出的熱能直接轉(zhuǎn)換為動力的熱力發(fā)動機。廣義上的內(nèi)燃機不僅包括往復(fù)活塞式內(nèi)燃機、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機和自由活塞式發(fā)動機，也包括旋轉(zhuǎn)葉輪式的燃氣輪機、噴氣式發(fā)動機等，但通常所說的內(nèi)燃機是指活塞式內(nèi)燃機?；钊絻?nèi)燃機以往復(fù)活塞式最為普遍。常見的活塞式內(nèi)燃機有柴油機和汽油機，通過將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，是通過做功改變內(nèi)能。各種類型的汽車、拖拉機、農(nóng)業(yè)機械、工程機械、小型移動電站和戰(zhàn)車等都以內(nèi)燃機為動力。海上商船、內(nèi)河船舶和常規(guī)艦艇，以及某些小型飛機也都由內(nèi)燃機來推進。一、內(nèi)燃機的基本知識

氣缸體1活塞2進氣閥3排氣閥4連桿5曲軸6凸輪7頂桿8齒輪9二、內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)組成

活塞下行，進氣閥打開，燃氣被吸入汽缸活塞上行，進氣閥關(guān)閉，壓縮燃氣點火后燃氣燃燒膨脹，推動活塞下行，經(jīng)連桿帶動曲軸輸出轉(zhuǎn)動

活塞上行，排氣閥打開，排出廢氣三、內(nèi)燃機的工作過程（1）曲柄連桿機構(gòu)四、內(nèi)燃機的基本構(gòu)造

活塞連桿機構(gòu)（2）配氣機構(gòu)四、內(nèi)燃機的基本構(gòu)造配氣機構(gòu)（3）燃料供給系統(tǒng)四、內(nèi)燃機的基本構(gòu)造

燃料供給系統(tǒng)

（4）潤滑系統(tǒng)（5）冷卻系統(tǒng)四、內(nèi)燃機的基本構(gòu)造

冷卻系統(tǒng)（6）點火系統(tǒng)四、內(nèi)燃機的基本構(gòu)造

冷卻系統(tǒng)（7）起動系統(tǒng)四、內(nèi)燃機的基本構(gòu)造

起動系統(tǒng)1、內(nèi)燃機的組成與分類。2、內(nèi)燃機的構(gòu)造。3、內(nèi)燃機的工作原理。小結(jié)《機械零部件設(shè)計》

情境二

設(shè)計

內(nèi)燃機中的常用機構(gòu)

1、了解內(nèi)燃機的組成及工作原理，學(xué)會進行內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)分析。2、掌握平面機構(gòu)運動簡圖繪制與自由度計算。3、掌握平面連桿機構(gòu)的設(shè)計。4、掌握凸輪機構(gòu)設(shè)計。5、培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實際問題的能力，勇于創(chuàng)新、敬業(yè)樂業(yè)的工作作風(fēng)和良好的職業(yè)道德以及團隊協(xié)作精神。學(xué)習(xí)目標任務(wù)二任務(wù)三任務(wù)四任務(wù)一工作任務(wù)內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)運動簡圖繪制與自由度計算平面連桿機的設(shè)計凸輪機構(gòu)設(shè)計任務(wù)二平面機構(gòu)運動簡圖繪制與自由度計算工作任務(wù)1、掌握平面機構(gòu)運動副的概念；2、學(xué)會平面機構(gòu)運動簡圖的繪制；3、掌握平面機構(gòu)自由度的概念，學(xué)會平面機構(gòu)自由度的計算方法和機構(gòu)運動確定性的判定方法。學(xué)習(xí)目標1、完成學(xué)習(xí)情境（二）工作任務(wù)單中的問題：（1）什么是高副？什么是低副？在平面機構(gòu)中高副和低副各引入幾個約束？（2）什么是機構(gòu)運動簡圖？繪制機構(gòu)運動簡圖的步驟？（3）什么是機構(gòu)的自由度？計算自由度應(yīng)注意那些問題？（4）機構(gòu)具有確定運動的條件是什么？若不滿足這一條件，機構(gòu)會出現(xiàn)什么情況？2、完成內(nèi)燃機機構(gòu)運動簡圖的繪制；3、計算內(nèi)燃機主體機構(gòu)的自由度。任務(wù)書1、平面機構(gòu)的運動副；2、平面機構(gòu)運動簡圖；3、平面機構(gòu)的自由度概念；4、平面機構(gòu)的自由度計算；5、平面機構(gòu)具有確定運動的條件。主要內(nèi)容1．平面運動副的定義兩個構(gòu)件或兩個以上構(gòu)件直接接觸，并且構(gòu)件之間能產(chǎn)生一定形式的相對運動的可動聯(lián)接稱為運動副。若運動副只允許兩構(gòu)件在同一平面或相互平行平面上做相對運動，則稱該運動副為平面運動副。一、運動副及其分類2．平面運動副的分類根據(jù)運動副中兩構(gòu)件接觸方式的不同，平面運動副分為低副和高副。兩構(gòu)件通過面接觸組成的運動副稱為低副，包括轉(zhuǎn)動副和移動副。兩構(gòu)件通過點或線接觸構(gòu)成的運動副稱為高副，包括凸輪副和齒輪副。一、運動副及其分類1）轉(zhuǎn)動副若運動副只允許兩個構(gòu)件作相對轉(zhuǎn)動，則稱該運動副為轉(zhuǎn)動副，也稱鉸鏈。（１）低副2）移動副若運動副只允許兩個構(gòu)件沿某一直線做相對移動，則稱該運動副為移動副。（１）低副1）齒輪副：兩個齒輪接觸形成的運動副稱為齒輪副。（2）高副2）凸輪副：與凸輪表面接觸所形成的運動副稱為凸輪副。（2）高副1.平面機構(gòu)運動簡圖的概念

所有構(gòu)件都只能在相互平行的平面上運動的機構(gòu)稱為平面機構(gòu)。為了便于研究機構(gòu)的運動，將機構(gòu)中那些與運動無關(guān)的實際外形和具體結(jié)構(gòu)略去，只用一些簡單線條表示構(gòu)件、用簡單的規(guī)定符號表示運動副的類型，按一定比例確定出各運動副的相對位置及與運動有關(guān)的尺寸。這種表示機構(gòu)各構(gòu)件間相對運動關(guān)系的簡單圖形稱為機構(gòu)運動簡圖。若不按比例繪制，則稱為機構(gòu)運動示意圖。二、平面機構(gòu)運動簡圖的繪制2.構(gòu)件的分類

（1）機架：機構(gòu)中相對固定的構(gòu)件稱為機架，它的作用是支承運動構(gòu)件。（2）主動件：給定運動規(guī)律的構(gòu)件稱為主動件，一般主動件與機架相連。（3）從動件：機構(gòu)中除主動件以外的全部活動件都稱為從動件。二、平面機構(gòu)運動簡圖的繪制3.繪制機構(gòu)運動簡圖的目的1）用來分析現(xiàn)有機器能夠了解機器由哪些構(gòu)件、哪些機構(gòu)組成的，還能根據(jù)這些機構(gòu)的運動性能知曉其工作特點。甚至能預(yù)知其容易發(fā)生故障的部位，進而能正確操作、使用與維護。二、平面機構(gòu)運動簡圖的繪制簡易沖床1.主動輪2.凸輪3.杠桿4.沖頭5.機架2）用來設(shè)計構(gòu)思新機器設(shè)計任何一部新機器，首先要根據(jù)工作要求，進行設(shè)計構(gòu)思，即擬定各種可能的不同設(shè)計方案，制作出機構(gòu)運動簡圖（或者示意圖），經(jīng)過比較從中選出最佳設(shè)計方案。一開始就進行機器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制零部件的工作圖是不可能的，也是不必要的。二、平面機構(gòu)運動簡圖的繪制4.平面機構(gòu)運動簡圖的繪制1）繪制簡圖的比例尺及機構(gòu)要素的符號繪制機構(gòu)運動簡圖的比例尺μl為

μl=實際長度(mm)

圖示長度(mm)

二、平面機構(gòu)運動簡圖的繪制2）繪制平面機構(gòu)運動簡圖的步驟（1）分析機構(gòu)的構(gòu)造和運動情況，搞清楚該機構(gòu)是由多少個構(gòu)件組成，各構(gòu)件之間用何種運動副連接。（2）選擇合適的①比例尺，②機構(gòu)位置，③投影面。（3）按照機構(gòu)運動簡圖的定義繪圖，即用簡單線條和規(guī)定符號分別表示構(gòu)件和運動副，按比例確定各運動副之間的位置，用簡單圖形把機構(gòu)運動情況反映出來?！飯D中各運動副順次標以大寫英文字母，各構(gòu)件標以阿拉伯數(shù)字，用箭頭標明主動件。二、平面機構(gòu)運動簡圖的繪制機構(gòu)運動簡圖符號繪制平面機構(gòu)運動簡圖實例試繪制圖示的自動卸貨機構(gòu)的運動簡圖。繪制平面機構(gòu)運動簡圖實例試繪制下圖所示顎式破碎機的機構(gòu)運動簡圖。電機皮帶曲軸動顎板肘板其運動傳遞為：繪制平面機構(gòu)運動簡圖實例訓(xùn)練：繪制內(nèi)燃機的機構(gòu)運動簡圖訓(xùn)練：繪制內(nèi)燃機的機構(gòu)運動簡圖三、平面機構(gòu)自由度的計算1、構(gòu)件的自由度所謂構(gòu)件的自由度，是指構(gòu)件可能作的獨立運動個數(shù)。一個作平面運動的自由構(gòu)件具有三個自由度。自由構(gòu)件三、平面機構(gòu)自由度的計算2、運動副的約束

2、運動副的約束平面低副的約束為2：

在低副中，十分顯然轉(zhuǎn)動副和移動副分別限制了構(gòu)件的兩個自由度（即兩個移動或一個移動和一個轉(zhuǎn)動），也就是說使機構(gòu)減少了兩個自由度；平面高副的約束為1：在高副中，只限制了兩個構(gòu)件沿接觸點公法線方向的移動，也就是說構(gòu)件減少了一個自由度。三、平面機構(gòu)自由度的計算三、平面機構(gòu)自由度的計算3、平面機構(gòu)自由度的計算

平面機構(gòu)可能做的獨立運動個數(shù)稱為平面機構(gòu)的自由度。

設(shè)一個平面機構(gòu)由N個構(gòu)件組成，其中必有一個構(gòu)件是機架，因機架為固定件，其自由度為零，故活動構(gòu)件數(shù)n=N－1。這

n個活動構(gòu)件在沒有通過運動副連接時，共有3n個自由度，當用運動副將構(gòu)件連接起來組成機構(gòu)之后，其自由度就要減少。當引入一個低副，自由度就減少兩個；當引入一個高副，自由度就減少一個。若機構(gòu)中有PL個低副和PH個高副，則共減少2PL+PH個自由度。于是，平面機構(gòu)的自由度F為

F=3n-2PL-PH[例]計算右圖所示機構(gòu)的自由度解：該圖中總構(gòu)件數(shù)N為6，轉(zhuǎn)動副數(shù)為5，移動副數(shù)為2，沒有高副。所以n=5，PL=7,PH=0，則自由度為：F=3n-2PL-PH=3×5-2×7-0=1機構(gòu)自由度計算實例

機構(gòu)具有確定運動的條件是：機構(gòu)原動件的數(shù)目W應(yīng)等于機構(gòu)的自由度F，即W=F>0如果F與W不相等，則1）若F=0，則機構(gòu)不能做獨立運動，不能動；

2）若F<0，機構(gòu)蛻變?yōu)閯傂澡旒?，超靜定，不能動；

3）若W>F，機構(gòu)按動力較大的原動件的運動規(guī)律運動，發(fā)生運動干涉，機構(gòu)的薄弱處可能遭到破壞。

4）若W<F，則機構(gòu)的運動不確定。四、機構(gòu)具有確定運動的條件五、計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的問題1、復(fù)合鉸鏈2、局部自由度3、虛約束訓(xùn)練：計算內(nèi)燃機機構(gòu)的自由度1、平面機構(gòu)的運動副；2、平面機構(gòu)運動簡圖；3、平面機構(gòu)的自由度概念；4、平面機構(gòu)的自由度計算；5、平面機構(gòu)具有確定運動的條件。小結(jié)《機械零部件設(shè)計》

情境二

設(shè)計

內(nèi)燃機中的常用機構(gòu)

1、了解內(nèi)燃機的組成及工作原理，學(xué)會進行內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)分析。2、掌握平面機構(gòu)運動簡圖繪制與自由度計算。3、掌握平面連桿機構(gòu)的設(shè)計。4、掌握凸輪機構(gòu)設(shè)計。5、培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實際問題的能力，勇于創(chuàng)新、敬業(yè)樂業(yè)的工作作風(fēng)和良好的職業(yè)道德以及團隊協(xié)作精神。學(xué)習(xí)目標任務(wù)二任務(wù)三任務(wù)四任務(wù)一工作任務(wù)內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)運動簡圖繪制與自由度計算平面連桿機的設(shè)計凸輪機構(gòu)設(shè)計任務(wù)三平面連桿機構(gòu)的設(shè)計工作任務(wù)1、理解鉸接四桿機構(gòu)基本形式、演化形式的應(yīng)用；2、掌握鉸接四桿機構(gòu)的工作特性；3、學(xué)會按給定連桿位置、行程速比系數(shù)K設(shè)計四桿機構(gòu)。學(xué)習(xí)目標1、鉸接四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用；2、含有一個移動副的平面四桿機構(gòu)；3、平面四桿機構(gòu)的工作特性；4、平面四桿機構(gòu)的設(shè)計。主要內(nèi)容定義：若干個剛性構(gòu)件用平面低副聯(lián)接而成的機構(gòu)，稱為平面連桿機構(gòu)，也可稱為平面低副機構(gòu)。優(yōu)點：平面連桿機構(gòu)中相鄰構(gòu)件之間的接觸面為平面或圓柱面，加工方便，接觸面上的比壓小、易潤滑、磨損輕，適用于傳遞較大載荷的場合。缺點：高速時會引起較大的振動，因此常用于速度較低的場合。最簡單的平面連桿機構(gòu)是由四個構(gòu)件組成的，簡稱平面四桿機構(gòu)。

一、平面連桿機構(gòu)的基本形式及演化平面四桿機構(gòu)的類型平面四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)(全轉(zhuǎn)動副)含有移動副的平面四桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)

雙曲柄機構(gòu)

雙搖桿機構(gòu)

曲柄滑塊機構(gòu)

曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)

曲柄搖塊機構(gòu)移動導(dǎo)桿機構(gòu)1、鉸鏈四桿機構(gòu)的組成鉸鏈四桿機構(gòu)中，固定不動的構(gòu)件為機架；與機架相聯(lián)的構(gòu)件為連架桿，連架桿中，能繞機架的固定鉸鏈作整周轉(zhuǎn)動的稱為曲柄，僅能在一定角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動的稱為搖桿；聯(lián)接兩連架桿且不與機架直接相聯(lián)的構(gòu)件稱為連桿。一、平面連桿機構(gòu)的基本形式及演化（1）曲柄搖桿機構(gòu)鉸接四桿機構(gòu)的兩個連架桿中，若一桿為曲柄，另一桿為搖桿，則此機構(gòu)稱為曲柄搖桿機構(gòu)。2、鉸接四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用2、鉸接四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用（1）曲柄搖桿機構(gòu)雷達天線調(diào)整機構(gòu)，即為曲柄搖桿機構(gòu)。天線固定在搖桿3上，當主動件曲柄1回轉(zhuǎn)時，通過連桿2使搖桿3（天線）擺動。并要求搖桿3的擺動達到一定的擺角，以保證天線具有指定的擺角。2、鉸接四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用（1）曲柄搖桿機構(gòu)下圖是汽車前窗刮雨器，當主動曲柄AB回轉(zhuǎn)時，通過連桿BC使從動搖桿CD作往復(fù)擺動，利用搖桿CD的延長部分實現(xiàn)刮雨動作。2、鉸接四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用（1）曲柄搖桿機構(gòu)當搖桿為原動件時，可將搖桿的往復(fù)擺動轉(zhuǎn)變?yōu)榍恼苻D(zhuǎn)動，如下圖所示的縫紉機踏板。（2）雙曲柄機構(gòu)若鉸接四桿機構(gòu)中的兩連架桿均為曲柄，則此機構(gòu)稱為雙曲柄機構(gòu)。2、鉸接四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用機車車輪聯(lián)動機構(gòu)

2、鉸接四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用（2）雙曲柄機構(gòu)

（3）雙搖桿機構(gòu)若鉸接四桿機構(gòu)中的兩連架桿均為搖桿，則此四桿機構(gòu)稱為雙搖桿機構(gòu)，雙搖桿機構(gòu)在實際中的應(yīng)用主要是通過適當?shù)脑O(shè)計，將主動搖桿的擺角放大或縮小，使從動搖桿得到所需的擺角；或者利用連桿上某點的運動軌跡實現(xiàn)所需的運動規(guī)律。

起重機為雙搖桿機構(gòu)應(yīng)用的例子。在雙搖桿AB和CD的配合下，使懸掛在E點的貨物，能沿近似水平的方向移動。2、鉸接四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用

（3）雙搖桿機構(gòu)

2、鉸接四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用

（3）雙搖桿機構(gòu)下圖所示的飛機起落架收放機構(gòu)即為雙搖桿機構(gòu)。飛機起飛后，需將輪5收起；飛機著陸前，要把輪5放下。這些動作是由主動搖桿1通過連桿2、從動搖桿3帶動著陸輪5予以實現(xiàn)的。2、鉸接四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用

（3）雙搖桿機構(gòu)在雙搖桿機構(gòu)中，若兩搖桿長度相等，則稱為等腰梯形機構(gòu)，如圖所示的汽車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)就是這種雙搖桿機構(gòu)。2、鉸接四桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用

汽車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)

3、鉸接四桿機構(gòu)中曲柄存在的條件

鉸鏈四桿機構(gòu)三種基本形式的區(qū)別在于機構(gòu)中是否有曲柄存在。而且，由于在生產(chǎn)實際中，驅(qū)動機械的原動機（電動機、內(nèi)燃機等）一般都是做整周轉(zhuǎn)動的，因此要求機構(gòu)的主動件也能做整周轉(zhuǎn)動，即原動件為曲柄。通過理論可證明，機構(gòu)在什么條件下存在曲柄，與其機構(gòu)的各構(gòu)件相對尺寸的大小以及取哪個構(gòu)件為機架有關(guān)。3、鉸接四桿機構(gòu)中曲柄存在的條件

鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄存在條件為：

1）連架桿和機架中必有一桿是最短桿；

2）最短桿與最長桿長度之和小于或等于其它兩桿長度之和。（稱為桿長條件）

上述兩個條件必須同時滿足，否則機構(gòu)不存在曲柄。

3、鉸接四桿機構(gòu)中曲柄存在的條件

對鉸鏈四桿機構(gòu)三種基本形式的具體判別方法：

(1)當最短桿與最長桿的長度之和大于其他兩桿的長度之和時，只能是雙搖桿機構(gòu)。

(2)當最短桿與最長桿的長度之和小于或等于其他兩桿的長度之和時：

①最短桿為機架，是雙曲柄機構(gòu)；

②最短桿相鄰桿為機架，是曲柄搖桿機構(gòu)；

③最短桿的對面桿為機架，是雙搖桿機構(gòu)。訓(xùn)練：判別機構(gòu)的形式

已知各構(gòu)件長度如下圖所示，若分別以構(gòu)件AB、BC、CD、DA為機架，分別得到何種機構(gòu)？（1）曲柄滑塊機構(gòu)

可看做曲柄搖桿機構(gòu)中搖桿長度變?yōu)闊o窮大，形狀變?yōu)榛瑝K而演變成的機構(gòu)。4、鉸接四桿機構(gòu)的演化形式（2）偏心輪機構(gòu)通過擴大轉(zhuǎn)動副B而形成的。

4、鉸接四桿機構(gòu)的演化形式（3）導(dǎo)桿機構(gòu)當改變曲柄滑塊機構(gòu)中的固定構(gòu)件時，可得到各種形式的導(dǎo)桿機構(gòu)。導(dǎo)桿為能在滑塊中作相對移動的構(gòu)件。4、鉸接四桿機構(gòu)的演化形式（3）導(dǎo)桿機構(gòu)

4、鉸接四桿機構(gòu)的演化形式擺動導(dǎo)桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)增加機架長度（4）搖塊機構(gòu)和定塊機構(gòu)當取曲柄滑塊機構(gòu)中的連桿2為機架時，則成為搖塊機構(gòu)。

4、鉸接四桿機構(gòu)的演化形式（4）搖塊機構(gòu)和定塊機構(gòu)當取曲柄滑塊機構(gòu)中的滑塊3為機架時，桿1可作整周回轉(zhuǎn)，桿4作往復(fù)移動，故稱為定塊機構(gòu)。4、鉸接四桿機構(gòu)的演化形式歸納：

四桿機構(gòu)的各種類型之間具有一定的內(nèi)在聯(lián)系。它們之間可以通過以下三種方式進行演化：１、改變構(gòu)件的相對長度或形狀。如改變鉸鏈四桿機構(gòu)中構(gòu)件的相對長度與形狀，可將其演化成含有移動副的四桿機構(gòu)；又如改變導(dǎo)桿機構(gòu)中構(gòu)件的相對長度，形成了擺動導(dǎo)桿和轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)。２、擴大轉(zhuǎn)動副半徑，可形成偏心輪機構(gòu)。３、通過選取不同構(gòu)件做機架，可得到具有不同運動特性的四桿機構(gòu)。如導(dǎo)桿機構(gòu)、搖塊機構(gòu)、定塊機構(gòu)都是通過對曲柄滑塊機構(gòu)換機架演化而來的。1、急回特性在工程實際中，往往要求做往復(fù)運動的從動件，在工作行程時的速度慢些，使得工作平穩(wěn)，而空回行程時的速度快些，以縮短非生產(chǎn)時間，從而提高生產(chǎn)率，這種特性就是所謂的急回特性。二、平面連桿機構(gòu)的工作特性

下圖曲柄搖桿機構(gòu)中，設(shè)曲柄AB為主動件，搖桿CD為從動件。曲柄AB作等速轉(zhuǎn)動，其回轉(zhuǎn)一周，搖桿CD往復(fù)擺動一次。曲柄AB在回轉(zhuǎn)一周的過程中，有兩次與連桿BC共線，可得曲柄AB與連桿BC重疊和延伸的兩個位置B1AC1、AB2C2，這時，從動搖桿CD分別處于兩個位置C1D和C2D，稱為極限位置，ψ稱為最大擺角。主動曲柄AB在對應(yīng)的兩個位置之間所夾的銳角θ稱為極位夾角。1、急回特性行程速比系數(shù)

為了表示從動件作往復(fù)運動時急回的程度，常用v1與v2的比值K來表示，K稱為行程速比系數(shù)，即

可見，極位夾角θ越大，K就越大，表示急回程度越大；當θ=０°時，K=1，表示機構(gòu)無急回作用。因此，行程速比系數(shù)K可表示機構(gòu)的急回程度，K越大，生產(chǎn)率越高。

下圖所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，從動搖桿3所受的力F與力作用點C的速度vc間所夾的銳角α稱為壓力角。2、壓力角與傳動角

由圖可知：Ft=Fcosα,Fr=Fsinα

壓力角α越小，F(xiàn)t越大，所作的有用功也越大，傳力性能越好。為度量方便，常用壓力角α的余角γ（桿2與桿3所夾的銳角）來判斷連桿機構(gòu)的傳力性能，γ角稱為傳動角。因γ=90°-α，α越小，γ越大，說明機構(gòu)的傳力性能越好。2、壓力角與傳動角傳動角等于零度的機構(gòu)位置稱為死點位置。發(fā)生死點的條件是機構(gòu)中往復(fù)運動構(gòu)件主動，曲柄從動；發(fā)生死點的位置為連桿與曲柄的共線位置。3、死點位置1、按給定的連桿位置設(shè)計四桿機構(gòu)

三、平面連桿機構(gòu)的設(shè)計2、按給定的行程速比系數(shù)K設(shè)計四桿機構(gòu)

三、平面連桿機構(gòu)的設(shè)計1、鉸鏈四桿機構(gòu)的基本形式、演化形式及應(yīng)用；2、曲柄存在的條件；3、平面四桿機構(gòu)的工作特性；4、平面機構(gòu)的的運動設(shè)計。小結(jié)《機械零部件設(shè)計》

情境二

設(shè)計

內(nèi)燃機中的常用機構(gòu)

1、了解內(nèi)燃機的組成及工作原理，學(xué)會進行內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)分析。2、掌握平面機構(gòu)運動簡圖繪制與自由度計算。3、掌握平面連桿機構(gòu)的設(shè)計。4、掌握凸輪機構(gòu)設(shè)計。5、培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實際問題的能力，勇于創(chuàng)新、敬業(yè)樂業(yè)的工作作風(fēng)和良好的職業(yè)道德以及團隊協(xié)作精神。學(xué)習(xí)目標任務(wù)二任務(wù)三任務(wù)四任務(wù)一工作任務(wù)內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)運動簡圖繪制與自由度計算平面連桿機的設(shè)計凸輪機構(gòu)設(shè)計任務(wù)四凸輪機構(gòu)設(shè)計工作任務(wù)1、掌握凸輪機構(gòu)的組成、分類、特點及應(yīng)用；2、掌握從動件的常用運動規(guī)律；3、掌握用反轉(zhuǎn)法原理設(shè)計凸輪輪廓曲線的一般方法；4、明確凸輪機構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的問題。學(xué)習(xí)目標1、凸輪機構(gòu)的組成、分類；2、從動件的常用運動規(guī)律；3、尖頂對心和對心滾子移動從動件盤形凸輪設(shè)計；4、凸輪機構(gòu)設(shè)計中的幾個問題；5、凸輪的材料選擇。主要內(nèi)容1、凸輪機構(gòu)的組成：

凸輪機構(gòu)是自動控制系統(tǒng)與自動機械的重要機構(gòu)。凸輪機構(gòu)由凸輪1、從動件2、機架3三個基本構(gòu)件及鎖合裝置組成，是一種高副機構(gòu)。其中凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，通常凸輪為主動件作連續(xù)等速轉(zhuǎn)動，從動件則在凸輪輪廓的控制下按預(yù)定的運動規(guī)律作往復(fù)移動或擺動。一、凸輪機構(gòu)的組成、應(yīng)用及特點2、凸輪機構(gòu)的應(yīng)用：

平面連桿機構(gòu)雖然應(yīng)用廣泛，但它只能近似地實現(xiàn)給定的運動規(guī)律，且設(shè)計比較復(fù)雜。當從動件須精確地按預(yù)定運動規(guī)律尤其是復(fù)雜運動規(guī)律工作時，則常采用凸輪機構(gòu)。內(nèi)燃機配氣閥門控制凸輪，凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動時，從動件（氣門）作斷續(xù)往復(fù)運動，從而控制氣門的開閉。一、凸輪機構(gòu)的組成、應(yīng)用及特點3、凸輪機構(gòu)的特點：優(yōu)點:只要正確地設(shè)計和制造出凸輪的輪廓曲線，就能把凸輪的回轉(zhuǎn)運動準確可靠地轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭蛹A(yù)期的復(fù)雜運動規(guī)律的運動，而且設(shè)計簡單;凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、運動可靠。缺點:凸輪與從動件之間為點或線接觸，故難以保持良好的潤滑，容易磨損。凸輪機構(gòu)通常適用于傳力不大的機械中。尤其廣泛應(yīng)用于自動機械、儀表和自動控制系統(tǒng)中。一、凸輪機構(gòu)的組成、應(yīng)用及特點1.按凸輪形狀分

（1）盤形凸輪。其凸輪都是繞固定軸線轉(zhuǎn)動且有變化向徑的盤形構(gòu)件。盤形凸輪機構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛，但限于凸輪徑向尺寸不能變化太大，故從動件的行程較短。工作時，從動件隨凸輪半徑的變化而在垂直于凸輪軸線的平面內(nèi)運動；或隨凸輪作往復(fù)擺動或移動。二、凸輪機構(gòu)的分類1.按凸輪形狀分（2）移動凸輪。其凸輪是具有曲線輪廓、作往復(fù)直線移動的構(gòu)件。由盤形凸輪演變而來，它可看成是轉(zhuǎn)動軸線位于無窮遠處的盤形凸輪。如右圖所示，凸輪作往復(fù)移動，從而使從動件上下運動。二、凸輪機構(gòu)的分類

靠模車削機構(gòu)

1.按凸輪形狀分（3）圓柱凸輪。由移動凸輪演變而來，其凸輪是圓柱面上開有凹槽的圓柱體，可

看成是繞卷在圓柱體上

的移動凸輪，利用它可

使從動件得到較大行程。

凸輪作空間回轉(zhuǎn)運動。二、凸輪機構(gòu)的分類圓柱凸輪機構(gòu)2.按從動件末端形狀分：

（1）尖頂從動件凸輪機構(gòu)其從動件的端部呈尖點，特點是能與任何形狀的凸輪輪廓上各點相接觸，因而理論上可實現(xiàn)任意預(yù)期的運動規(guī)律。只能用于輕載低速的場合。二、凸輪機構(gòu)的分類2.按從動件末端形狀分：（2）滾子從動件凸輪機構(gòu)其從動件的端部裝有滾子，由于從動件與凸輪之間可形成滾動摩擦，所以磨損顯著減少，能承受較大載荷，應(yīng)用較廣。不宜用于高速。二、凸輪機構(gòu)的分類2.按從動件末端形狀分：（3）平底從動件凸輪機構(gòu)其從動件端部為一平底。傳力性能良好，且凸輪與平底接觸面間易形成潤滑油膜，摩擦磨損小、效率高，故可用于高速，缺點是不能用于凸輪輪廓有內(nèi)凹的情況。二、凸輪機構(gòu)的分類3.按鎖合方式分

鎖合指保持從動件與凸輪之間的高副接觸。

（1）力鎖合。依靠重力、彈簧力或其他外力來保證鎖合，如內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu)。

（2）形鎖合。又稱幾何鎖合。依靠凸輪和從動件幾何形狀來保證鎖合。二、凸輪機構(gòu)的分類4.按從動件相對機架的運動方式分

（1）移動從動件凸輪機構(gòu)（2）擺動從動件凸輪機構(gòu)二、凸輪機構(gòu)的分類1.凸輪輪廓曲線與從動件運動規(guī)律的關(guān)系

生產(chǎn)中對從動件運動的要求是多種多樣的。凸輪機構(gòu)中，凸輪的輪廓形狀決定了從動件的運動規(guī)律，反之，從動件的不同運動規(guī)律要求凸輪具有不同形狀的輪廓。因此，設(shè)計凸輪機構(gòu)時，應(yīng)首先根據(jù)工作要求確定從動件的運動規(guī)律，再據(jù)此來設(shè)計凸輪的輪廓曲線。

從動件的運動規(guī)律是指其位移s、速度v和加速度a等隨凸輪轉(zhuǎn)角δ而變化的規(guī)律。這種規(guī)律可用方程表示，亦可用線圖表示。二、從動件的常用運動規(guī)律

圖a所示為一對心尖頂移動從動件盤形凸輪機構(gòu)。圖中，以凸輪的回轉(zhuǎn)軸心O為圓心，以凸輪輪廓的最小向徑r0為半徑所作的圓稱為凸輪的基圓，r0稱為基圓半徑。

推程AB段：當凸輪以等角速度ω順時針轉(zhuǎn)過角θ0時，從動件尖頂與凸輪輪廓AB接觸并按圖b對應(yīng)的運動規(guī)律上升至最高位置點B′，這個過程稱為推程，從動件移動的最大位移h稱為行程，對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角θ0稱為推程角。2、凸輪機構(gòu)的工作過程分析

遠休止BC段：當凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過角θs時，從動件尖頂與凸輪輪廓BC段接觸，由于BC是一段圓弧，向徑?jīng)]有變化，從動件處于最高位置點靜止不動，這一過程稱為遠程休止，對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角θs稱為遠休止角，在圖b中表現(xiàn)為一水平線段。（停）

回程段CD：當凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過角θh時，從動件尖頂與凸輪輪廓CD段接觸，從動件按一定規(guī)律由最高位置點B′下降至最低位置點A，這個過程稱為回程，對應(yīng)的轉(zhuǎn)角θh為回程角。（降）

近休止段DA：當凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過角θj時，從動件尖頂與凸輪輪廓圓弧段DA接觸，從動件處于最低位置靜止不動，這一過程稱為近程休止，對應(yīng)的轉(zhuǎn)角為θj為近休止角。（停）2、凸輪機構(gòu)的工作過程分析2、凸輪機構(gòu)的工作過程分析當凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動時，從動件將重復(fù)上述運動過程。推程、遠停程（遠休止）、回程、近停程（近休止）

等速運動規(guī)律：是指從動件在推程或回程的運動速度為常數(shù)的運動規(guī)律。凸輪以等角速度轉(zhuǎn)動，從動件在推程中的行程為h。從動件作等速運動規(guī)律的運動線圖如圖所示。其位移曲線為斜直線，速度曲線為平直線，加速度曲線為零線。3、等速運動規(guī)律

由圖可見，從動件在推程始末兩點處，速度有突變，瞬時加速度理論上為無窮大，因而產(chǎn)生理論上亦為無窮大的慣性力。而實際上，由于構(gòu)件材料的彈性變形，加速度和慣性力不至于達到無窮大，但仍會對機構(gòu)造成強烈的沖擊，這種沖擊稱為“剛性沖擊”或“硬沖”。因此，單獨采用這種運動規(guī)律時，只能用于凸輪轉(zhuǎn)速很低以及輕載的場合。3、等速運動規(guī)律3、等速運動規(guī)律自動機床的進刀機構(gòu)

等加速等減速運動規(guī)律：為了使從動件在開始和終止時的速度不發(fā)生突變，通常令推程或回程的前半程作等加速運動，后半程作等減速運動，且加速加速度與減速加速度的絕對值相等，這種運動規(guī)律稱為等加速等減速運動規(guī)律。凸輪轉(zhuǎn)速較高時，為了避免剛性沖擊，可采用等加速等減速運動規(guī)律。4、等加速等減速運動規(guī)律

加速度曲線：從動件在等加速上升時，加速度a不變，因此從動件的a-δ曲線為一水平直線。a-δ曲線在速度轉(zhuǎn)折處發(fā)生突變，則慣性力突變，但加速度不再是無窮大，由此將對機構(gòu)造成有限大小的沖擊，這種沖擊稱為“柔性沖擊”或“軟沖”。在高速情況下，柔性沖擊仍會引起相當嚴重的振動、噪聲和磨損，因此這種運動規(guī)律只適用于中速、中載的場合。

4、等加速等減速運動規(guī)律

4、等加速等減速運動規(guī)律運動線圖及繪制：反轉(zhuǎn)法原理：設(shè)想給凸輪機構(gòu)加上一個繞凸輪軸心并與凸輪角速度等值反向的角速度。根據(jù)相對運動原理，機構(gòu)中各構(gòu)件間的相對運動并不改變，但凸輪已視為靜止，而從動件則被看成隨同導(dǎo)路以角速度繞點轉(zhuǎn)動，同時沿導(dǎo)路按預(yù)定運動規(guī)律作往復(fù)移動。從動件尖頂?shù)倪\動軌跡即為凸輪的輪廓。這就是圖解法繪制凸輪輪廓曲線的原理，稱為“反轉(zhuǎn)法”。三、凸輪輪廓曲線的設(shè)計1、尖頂對心直動從動件盤形凸輪

已知，如圖（1）選與位移線圖一致的比例作凸輪的基圓；（2）將基圓分成與位移線圖中相對應(yīng)的等份；（3）分別自基圓圓周向外量取從動件位移線圖中相應(yīng)的位移量；（4）光滑連接各點即為所求的凸輪輪廓?；鶊A半徑Rb2、對心滾子移動從動件盤形凸輪

滾子從動件與尖頂從動件的不同點，只是從動件端部不是尖頂，而是裝了半徑為rT的小滾子。由于滾子的中心是從動件上的一個定點，此點的運動就是從動件的運動。在應(yīng)用反轉(zhuǎn)法繪制凸輪輪廓曲線時，滾子中心的軌跡與尖頂從動件尖端的軌跡完全相同，可參照前述方法繪制凸輪輪廓。

2、對心滾子移動從動件盤形凸輪

實際輪廓曲線

理論輪廓曲線

1.滾子半徑

滾子從動件有摩擦及磨損小的優(yōu)點，若僅從強度和耐磨性考慮，滾子的半徑宜大些，但滾子的半徑rT受到凸輪輪廓曲線曲率半徑的限制。四、凸輪機構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題（1）內(nèi)凹的輪廓曲線

可得：

ρa＝ρmin+rT

由于實際廓線的曲率半徑ρa等于理論廓線最小曲率半徑ρmin與滾子半徑rT之和，所以無論滾子半徑rT大小如何，對應(yīng)的實際廓線的曲率半徑ρa始終大于零，得到的是一條滿足運動要求的光滑曲線。（2）外凸的輪廓曲線可得：

ρa＝ρmin-rT

（1）當ρmin＞rT時，ρa＞0，實際輪廓曲線為光滑曲線。（2）當ρmin

＝rT時，ρa

＝0，實際輪廓曲線出現(xiàn)尖點，凸輪輪廓在尖點處極易磨損而因之改變原定的運動規(guī)律。（3）當ρmin＜rT時，ρa＜0，實際輪廓曲線相交，其交點以外的部分（圖中的陰影部分）加工時將被切去，這就使得從動件達不到預(yù)期的工作位置，一部分運動規(guī)律難以實現(xiàn)。這種現(xiàn)象稱為“運動失真”。（2）外凸的輪廓曲線

為了避免上述后兩種情形，必須使得ρa＞0，也就是說滾子半徑必須小于凸輪理論輪廓線的最小曲率半徑。設(shè)計時通常取rT≤0.8ρmin。為了減小凸輪和滾子間的接觸應(yīng)力和磨損，還同時要求實際廓線的最小曲率半徑ρamin不小于1～5mm。如果不能滿足上述要求，就應(yīng)適當減小滾子半徑（在滿足強度要求的前提下）或增大基圓半徑（使ρmin增大）。2.壓力角圖示為凸輪機構(gòu)在推程的某個位置。當不計摩擦?xí)r，凸輪加給從動件的壓力P沿凸輪的法線N-N方向傳遞。凸輪機構(gòu)的壓力角α是指從動件上某點速度v與該點的壓力P方向（法線N-N方向）所夾的銳夾角，其意義與前述連桿機構(gòu)的壓力角相同。四、凸輪機構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題2.壓力角將力P分解成兩個分力：（1）與從動件速度v方向一致的分力：P1=Pcosα；

（2）與速度v方向垂直的分力：