第八章平面连杆机构及其设计 1本章的教学目的及教学要求 了解平面连杆机构的基本型式及其演化:对平面四杆机构的一些基本知识包括曲 柄存在的条件、急回运动及行程速比系数、传动角及死点、运动的连续性等)有明确的 概念:能按已知连杆三位置、两连架杆三对应位置、行程速比系数等要求设计平面四杆 机构 2本章教学内容的重点及难点 平面四杆机构的一些基本知识;按已知连杆三位置、两连架杆三对应位置、行程速 比系数等要求设计平面四杆机构 3本章教学工作的组织及学时分配 本章理论教学时数为6学时。 31第1讲2学时) 1)教学内容 平面连杆机构的应用、特点及平面四杆机构的基本型式与演化方法 2)教学方法 介绍连杆机构的特点时,着重指出该机构属于低副机构,具有承载能力大、结构简 单、制造容易、工作可靠等优点,但也存在传动精度低、惯性力难以平衡等缺点,从而 指出,连杆机构一般适用于在中低速的场合 在讲授平面四杆机构的基本型式时,应先在黑板上画一个与所带教学模型完全相同 的铰链四杆机构的运动简图,讲清机架、连架杆和连杄等概念后说明铰链四杆机构的三 种基本型式。在几种演化规律中,重点讲清选择不同构件为机架的演化方法,反复说明 这种演化方法的实质是依据理论力学中相对运动原理,当给整个机构加一相同的运动 时,各构件之间的相对运动关系不发生改变,而各构件的绝对运动却改变了,这就形成 了与原机构不同的机构。讲清这个原理,可为本课程后面讲清连杆机构及凸轮机构的“反 转法”设计,和齿轮轮系一章中的“转化机构法”打下基础 3)教学手段 在介绍平面连杆机构的应用和特点时,可采用多媒体实现动画的CAI课件并用, 能增强学生的感性认识和激发学生的学习兴趣
1 第八章 平面连杆机构及其设计 1.本章的教学目的及教学要求 了解平面连杆机构的基本型式及其演化；对平面四杆机构的一些基本知识(包括曲 柄存在的条件、急回运动及行程速比系数、传动角及死点、运动的连续性等)有明确的 概念；能按已知连杆三位置、两连架杆三对应位置、行程速比系数等要求设计平面四杆 机构。 2.本章教学内容的重点及难点 平面四杆机构的一些基本知识；按已知连杆三位置、两连架杆三对应位置、行程速 比系数等要求设计平面四杆机构。 3.本章教学工作的组织及学时分配 本章理论教学时数为 6 学时。 3.1 第 1 讲(2 学时) 1)教学内容 平面连杆机构的应用、特点及平面四杆机构的基本型式与演化方法。 2)教学方法 介绍连杆机构的特点时，着重指出该机构属于低副机构，具有承载能力大、结构简 单、制造容易、工作可靠等优点，但也存在传动精度低、惯性力难以平衡等缺点，从而 指出，连杆机构一般适用于在中低速的场合。 在讲授平面四杆机构的基本型式时，应先在黑板上画一个与所带教学模型完全相同 的铰链四杆机构的运动简图，讲清机架、连架杆和连杆等概念后说明铰链四杆机构的三 种基本型式。在几种演化规律中，重点讲清选择不同构件为机架的演化方法，反复说明 这种演化方法的实质是依据理论力学中相对运动原理，当给整个机构加一相同的运动 时，各构件之间的相对运动关系不发生改变，而各构件的绝对运动却改变了，这就形成 了与原机构不同的机构。讲清这个原理，可为本课程后面讲清连杆机构及凸轮机构的“反 转法”设计，和齿轮轮系一章中的“转化机构法”打下基础。 3)教学手段 在介绍平面连杆机构的应用和特点时，可采用多媒体实现动画的 CAI 课件并用， 能增强学生的感性认识和激发学生的学习兴趣
在介绍铰链四杆机构的基本型式时,带上教学模型,注意用多媒体运动简图,便于 讲述。讲完演化方法后,归纳总结出平面四杆机构的演化规律。 4)注意事项 由于这部分的教学内容很丰富,例子也很多,但学时有限,故要结合运用现代教学 手段。 32第2讲(2学时) 1)教学内容 平面四杆机构的一些基本知识,包括曲柄存在条件,急回运动与行程速比系数,传 动角与死点,运动的连续性等内容。 2)教学方法 i)在分析曲柄存在以前,可先提出上一讲在介绍平面四杆机构的基本型式时我们看 到,同是铰链四杆机构,有的存在曲柄,有的机构却无曲柄。而且在介绍机构的倒置时 还发现,即使是同一个运动链,若选用不同构件为机架,则有的机构有曲柄,有的却没 有。从而提出平面四杆机构在什么条件下才存在曲柄呢?并引出小标题“平面四杆机构有 曲柄的条件”。条件为:最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和;组成 该转动副的两杆中必有一杆为最短杆。这两个条件须同时满足,缺一不可。 i)在讲述急回运动与行程速比系数时,以曲柄摇杆机构为例,先介绍摇杆的极位与 机构极位夹角的概念,然后提出当曲柄等速回转时,摇杆是否也等速摆动的问题,从而 引出急回运动及急回运动特性,并推导出行程速比系数K与极位夹角0之间的数学关 系式K=(1800+0)(1800-0)或=1800×(K-1)/(K+1)。上式的几点讨论:只要极位夹角不 等于零,机构就必然存在急回运动;θ角越大,K值就越大,机构急回运动愈显著 1)传动角γ与压力角α是衡量机构传力性能的好坏指标,关于机构的压力角,不 仅在平面连杆机构中,而且在后面的凸轮机构和齿轮机构中都要用到这个概念。指出传 动角是压力角的余角,即a+=90。引入传动角的原因是在连杆机构中分析传动角比压 力角更为方便一些。介绍了压力角与传动角的概念之后,指出从传力的角度看,有效 驱动力越小,传动角越小,机构传力性能越差,故应限制max≤[a]和γmaxe。 强调说明α、γ随机构所处位置不同而变化,至于机构出现最小传动角的位置,可以用 解析法,也可用教具定性的说明,使学生有一个深刻的印象 v)在讲清传动角的概念后,可以提出一个问题,若传动角y=00,机构将会发生什 么变化?显然当机构处于这位置时,无论驱动力有多大,作用在从动件上的有效驱动力
2 在介绍铰链四杆机构的基本型式时，带上教学模型，注意用多媒体运动简图，便于 讲述。讲完演化方法后，归纳总结出平面四杆机构的演化规律。 4)注意事项 由于这部分的教学内容很丰富，例子也很多，但学时有限，故要结合运用现代教学 手段。 3.2 第 2 讲(2 学时) 1)教学内容 平面四杆机构的一些基本知识，包括曲柄存在条件，急回运动与行程速比系数，传 动角与死点，运动的连续性等内容。 2)教学方法 i)在分析曲柄存在以前，可先提出上一讲在介绍平面四杆机构的基本型式时我们看 到，同是铰链四杆机构，有的存在曲柄，有的机构却无曲柄。而且在介绍机构的倒置时 还发现，即使是同一个运动链，若选用不同构件为机架，则有的机构有曲柄，有的却没 有。从而提出平面四杆机构在什么条件下才存在曲柄呢?并引出小标题“平面四杆机构有 曲柄的条件”。条件为: 最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和；组成 该转动副的两杆中必有一杆为最短杆。这两个条件须同时满足，缺一不可。 ii)在讲述急回运动与行程速比系数时，以曲柄摇杆机构为例，先介绍摇杆的极位与 机构极位夹角的概念，然后提出当曲柄等速回转时，摇杆是否也等速摆动的问题，从而 引出急回运动及急回运动特性，并推导出行程速比系数 K 与极位夹角 θ 之间的数学关 系式:K=(1800+θ)/(1800-θ)或 θ=1800×(K-1)/(K＋1)。上式的几点讨论：只要极位夹角不 等于零，机构就必然存在急回运动；θ 角越大，K 值就越大，机构急回运动愈显著。 iii)传动角 γ 与压力角 α 是衡量机构传力性能的好坏指标，关于机构的压力角，不 仅在平面连杆机构中，而且在后面的凸轮机构和齿轮机构中都要用到这个概念。指出传 动角是压力角的余角，即 α+γ=900。引入传动角的原因是在连杆机构中分析传动角比压 力角更为方便一些。介绍了压力角与传动角的概念之后，指出从传力的角度看， 有效 驱动力越小， 传动角越小，机构传力性能越差，故应限制 αmax≤［α］和 γmax≥[γ]。 强调说明 α、γ 随机构所处位置不同而变化，至于机构出现最小传动角的位置，可以用 解析法，也可用教具定性的说明，使学生有一个深刻的印象。 vi)在讲清传动角的概念后，可以提出一个问题，若传动角 γ=00，机构将会发生什 么变化?显然当机构处于这位置时，无论驱动力有多大，作用在从动件上的有效驱动力
都等于零,机构将不能运动。这个位置就是机构的死点位置,既然在死点时,无论驱动 力多大,机构都不能运动,所以就要使机构在正常工作时越过这个位置。接着可介绍利 用机构的惯性及机构错位排列等方法使机构越过死点位置。最后指出死点并不都是有害 的,在工程实践中,有些机构恰恰是利用死点位置来实现一定的工作要求,并举几个实 例予以说明(如飞机起落架机构、轮椅的制动装置、拉铆机等)。 )关于铰链四杆机构的运动连续性问题,以曲柄摇杆机构为例,提出当曲柄连续转 动时,摇杆是否能在任意角度范围内往复摆动呢?以引起学生的兴趣。接着分析该机构 的可行域和非可行域,并指出机构在两个不连通的可行域之间的运动是不能连续的 3)教学手段 在讲述本讲时,需要板书进行简要的推导,并利用多媒体教学系统和教具进行现场 4)注意事项 要向学生强调平面四杆机构中曲柄存在的两个条件必须同时满足,缺一不可。注意 机构死点位置与自锁现象的区别,指出机构之所以发生自锁,是由于机构中存在摩擦的 缘故而机构处于死点位置时,即使不存在摩擦,机构也不能运动,这就是它们之间的 本质区别。 33第3讲2学时) 1)教学内容 平面四杆机构的设计。 2)教学方法 首先介绍连杆机构的设计的基本问题,其任务是根据设计要求(如预定位置,运动 规律或运动轨迹等)来确定机构各构件的尺度参数。由于平面四杆机构可供选择的尺度 参数的数目是有限的,所以用平面四杆机构来满足各种设计要求,大多只能近似的实现 其次说明连杆机构的设计方法有解析法、作图法和实验法三种。对于作图法,学生 常认为只是简单的几何作图而不予重视,因此需针对典型的设计命题,重点讲授,使学 生必须掌握。按连杆的预定位置用作图法设计四杆机构,学生比较容易理解和接受,而 机构的“倒置”,则把按两连架杆对应位置设计问题转化为按连杄预定位置设计的问题, 这类问题的关键是如何反转?只要告诉学生把所求连架杆反转,难点就克服了。讲述实 验法时,由于这种方法没有严密的理论分析,又带有试凑的性质,学生可能不太习惯。 在讲述前应先把运动要求比较复杂,特别是对于按照给定轨迹要求设计四杆机构的问题
3 都等于零，机构将不能运动。这个位置就是机构的死点位置，既然在死点时，无论驱动 力多大，机构都不能运动，所以就要使机构在正常工作时越过这个位置。接着可介绍利 用机构的惯性及机构错位排列等方法使机构越过死点位置。最后指出死点并不都是有害 的，在工程实践中，有些机构恰恰是利用死点位置来实现一定的工作要求，并举几个实 例予以说明(如飞机起落架机构、轮椅的制动装置、拉铆机等)。 v)关于铰链四杆机构的运动连续性问题，以曲柄摇杆机构为例，提出当曲柄连续转 动时，摇杆是否能在任意角度范围内往复摆动呢?以引起学生的兴趣。接着分析该机构 的可行域和非可行域，并指出机构在两个不连通的可行域之间的运动是不能连续的。 3)教学手段 在讲述本讲时，需要板书进行简要的推导，并利用多媒体教学系统和教具进行现场 演示。 4)注意事项 要向学生强调平面四杆机构中曲柄存在的两个条件必须同时满足，缺一不可。注意 机构死点位置与自锁现象的区别，指出机构之所以发生自锁，是由于机构中存在摩擦的 缘故;而机构处于死点位置时，即使不存在摩擦，机构也不能运动，这就是它们之间的 本质区别。 3.3 第 3 讲(2 学时) 1)教学内容 平面四杆机构的设计。 2)教学方法 首先介绍连杆机构的设计的基本问题，其任务是根据设计要求(如预定位置，运动 规律或运动轨迹等)来确定机构各构件的尺度参数。由于平面四杆机构可供选择的尺度 参数的数目是有限的，所以用平面四杆机构来满足各种设计要求，大多只能近似的实现。 其次说明连杆机构的设计方法有解析法、作图法和实验法三种。对于作图法，学生 常认为只是简单的几何作图而不予重视，因此需针对典型的设计命题，重点讲授，使学 生必须掌握。按连杆的预定位置用作图法设计四杆机构，学生比较容易理解和接受，而 机构的“倒置”，则把按两连架杆对应位置设计问题转化为按连杆预定位置设计的问题， 这类问题的关键是如何反转？只要告诉学生把所求连架杆反转，难点就克服了。讲述实 验法时，由于这种方法没有严密的理论分析，又带有试凑的性质，学生可能不太习惯。 在讲述前应先把运动要求比较复杂，特别是对于按照给定轨迹要求设计四杆机构的问题
提出来,并指出这类问题不论用解析法,还是用作图法都是难以精确解决,若采用实验 法,只要有足够的耐心,是可以近似地求解,使学生产生对于实验法的浓厚兴趣 3)教学手段 讲授用作图法设计四杆机构时,教师用多媒体一笔一笔地把线条画出,进行分析讲 解, 4注意事项 作图法中的转化机构法是一个难点,结合实例讲解基本原理,详细说明作图法设计 的基本方法及步骤。按连杆的预定位置及按给定的行程速比系数设计四杆机构,虽然比 较容易理解,但要学生注意紧密结合四杆机构的基本知识进行深入的思考,使所设计的 四杆机构能满足运动要求,而且有良好的传力性能
4 提出来，并指出这类问题不论用解析法，还是用作图法都是难以精确解决，若采用实验 法，只要有足够的耐心，是可以近似地求解，使学生产生对于实验法的浓厚兴趣。 3)教学手段 讲授用作图法设计四杆机构时，教师用多媒体一笔一笔地把线条画出，进行分析讲 解。 4)注意事项 作图法中的转化机构法是一个难点，结合实例讲解基本原理，详细说明作图法设计 的基本方法及步骤。按连杆的预定位置及按给定的行程速比系数设计四杆机构，虽然比 较容易理解，但要学生注意紧密结合四杆机构的基本知识进行深入的思考，使所设计的 四杆机构能满足运动要求，而且有良好的传力性能
