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1、项目二单缸内燃机结构和运动分析一、教学目标.1 . 了解平面连杆机构和凸轮机构。2 .熟悉平面连杆机构和凸轮机构的分类。3 .掌握平面连杆机构和凸轮机构各项参数。二、课时分配安排2课时。三、教学重点通过本项目的学习，可以掌握平面连杆机构、凸轮机构相关知识，具备对 平面连杆机构、凸轮机构进行结构和运动分析的能力。四、教学难点1 .熟悉平面连杆机构和凸轮机构的分类。2 .掌握平面连杆机构和凸轮机构各项参数。五、教学内容一、平面连杆机构1.平面连杆机构概述由若干个刚性构件用低副连接而成的，各个构件在同一平面或相互平行的 平面内运动的机构称为平面连杆机构。（1）平面连杆机构的特点平面连杆机构主要有以下
2、特点：1）平面连杆机构中的构件可实现多种运动形式，如转动、摆动、移动、平 面运动等。通过连杆机构进行运动形式转换，容易得到所需的运动形式。2）平面连杆机构中的运动副都是低副，组成运动副的两构件间接触面积大, 单位面积上承受的压力小，不易磨损，便于润滑，可用于承受载荷较大的场合。3）运动副的接触面均为几何形状比较简单的圆柱面或平面，并可靠其自身 的几何约束来保持接触，因而制造比较简单。4）由于平面连杆机构中有较多的构件和运动副，致使构件尺寸和运动副间隙的累计误差较大，机械效率较低。2）传动角丫图2-32摆动导杆机构的传动角3）最小传动角丫 min（3）死点位置1）死点位置图2-34曲柄摇杆机构的
3、死点位置如图2-34所示，以摇杆为主动件的曲柄摇杆机构，在连杆BC与从动曲柄 AB共线的两个位置之一时，连杆对从动曲柄的作用力通过其回转中心A,机构 的传动角丫=0 ,压力角a =90 ,出现从动曲柄不能转动或转向不确定的现象, 机构的这种位置称为死点位置。机构是否存在死点位置，取决于连杆是否与从 动件共线。图2-35所示的对心曲柄滑块机构，如果以滑块为主动件时，则连杆 与从动曲柄有两个共线位置，因此该机构存在死点位置。当曲柄摇杆机构和曲 柄滑块机构均以曲柄为主动件时，两机构都不存在死点位置。2）死点位置的克服死点位置对于传动是不利的。为了消除死点位置的不良影响，使机构顺利 通过死点位置而正常
4、运转，可以通过对从动曲柄施加外力、加飞轮或利用构件 自身重量以增大从动件的惯性作用以及采用机构错位排列的方法使机构顺利通 过死点位置。图2-36所示的缝纫机踏板机构是以摇杆为主动件的曲柄摇杆机构，机构存 在死点位置致使从动曲柄（曲轴）不转或出现倒转现象，曲轴上的大带轮能够 起到飞轮的作用以增大其惯性，使机构顺利通过死点位置。图2-37所示的蒸汽 机车车轮联动机构，使两组机构的死点位置相互错开，靠位置差的作用使其通 过各自的死点位置。图2-36死点位置的克服一一加飞轮b r c图2-37死点位置的克服一一两组车轮的错位排列3）死点位置的应用同任何事物一样，死点位置既有它不利于传动的一面，也有它可
5、利用的一 面。图2-38所示的飞机起落架，当机轮放下时，利用连杆BC与从动杆AB共线, 机构处在死点位置使降落可靠。图2-39所示夹具机构，工件被夹紧后，连杆 BC与从动杆CD共线，机构处在死点位置，即使工件反力很大，夹具也不会自 动松脱。图2-38死点位置的应用一一起落架机构图2. 39死点位置的应用一一夹紧装置二、凸轮机构1.凸轮机构概述凸轮机构是机械.匚程中广泛应用的一种高副机构。它能把主动件简单的连 续运动，转换为从动件按工作要求变化的复杂运动。(1)凸轮机构的组成如图2-40所示，凸轮机构由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。凸轮 是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，通常作为主动件做等速
6、连续运动。从动件从动件机架图2-40凸轮机构的组成(2)凸轮机构的分类凸轮机构的类型很多，不同类型的凸轮机构是由不同类型的凸轮、从动件 及其接触形式组成。1)按照凸轮的形状，可分为盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮。如图2-41(a)所示，盘形凸轮是外廓或凹槽具有变化向径的盘形构件，是凸轮的基本形式，应用比较广泛；但从动件的行程不能太大，所以一般应用于行程较短的场 合。如图2-41 (b)所示，移动凸轮可视为回转中心趋向于无穷远的盘形凸轮,它具有曲线轮廓，工作时相对于机架做往复直线移动。如图2-41 (c)所示,圆柱凸轮在圆柱端面上制出曲线轮廓，或在圆柱面上开有曲线凹槽，可使从动 件得到较大的行程。
7、(引圆柱凸轮(d)圆柱凸轮图2-41按照凸轮形状凸轮机构分类2)按照从动件顶端的形状，可分为尖顶从动件、滚子从动件和平底从动件,如图2-42所示。(a)尖顶从动件(b)滚子从动件(c)平底从动件图2-42按照从动件顶端形状凸轮机构分类尖顶从动件的尖顶能与复杂的凸轮轮廓保持接触，从而实现任意预期的运 动规律；但由于凸轮与从动件之间通过点或线接触，容易产生磨损，所以只适 用于低速、传力小和动作灵敏的场合，如仪表机构中。滚子从动件的滚子与凸 轮之间为滚动摩擦，磨损较小，可传递较大动力，应用较广。其缺点是凸轮上 凹陷的轮廓未必能很好地与滚子接触，从而影响实现预期的运动规律。平底从 动件的平底与凸轮之间
8、易于形成油膜，利于润滑，适用于高速传动，且凸轮作 用于从动件的力始终与平底垂直，传动效率高，常用于高速凸轮机构中。其缺 点也是凸轮上凹陷的轮廓未必能很好地与平底接触。3)按照从动件的运动形式，可分为对心移动从动件、偏置移动从动件、摆 动从动件，如图2-43所示。(a)对心移动从动件(b)偏置移动从动件(c)摆动从动件图2-43按照从动件运动形式凸轮机构分类4)按照锁合方式，可分为力锁合和形锁合，如图2-44所示。为保证凸轮机构的正常工作，必须使凸轮轮廓与从动件始终保持接触，这 种作用称为锁合。力锁合是利用从动件的重力、弹簧力或其他外力使从动件和 凸轮保持接触。形锁合是利用凸轮与从动件特殊的几何
9、结构使两者保持接触。（a）力锁合（b）形锁合图2-44按照锁合方式凸轮机构分类（3）凸轮机构的特点1）从动件可准确地实现给定的运动规律。2）结构简单、紧凑，易于设计。3）可以高速启动，动作准确、可靠。4）高副接触，不便润滑，容易磨损，为延长使用寿命，传递动力不宜过大。5）凸轮轮廓曲线精度要求高，不易加工。6）从动件的行程不能过大，否则会使凸轮变得笨重。（4）凸轮机构的应用凸轮机构常用于低速、轻载的场合，只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从 动件得到任意的预期运动，因此在自动机床、轻工机械、纺织机械、印刷机械、 食品机械、包装机械和机电一体化产品中得到了广泛应用。图2-45所示为自动车床上使用的走刀
10、机构，当圆柱凸轮转动时，依靠凸轮的轮廓（即曲线凹槽） 带动从动件绕固定轴做往复摆动，再通过从动件上的扇形齿轮和齿条啮合传动, 带动刀架按一定规律运动，完成进刀或退刀动作。图2-46所示为靠模切削机构, 工件回转，凸轮作为靠模被固定在床身上，刀架在弹簧的作用下与凸轮轮廓保 持接触。当拖板纵向移动时，刀架在靠模板（凸轮）曲线轮廓的推动下做横向移动，从而切削出与靠模板曲线一致的工件。齿条图2-45凸轮机构应用自动车床走刀机构拖板图2-46凸轮机构应用一一靠模切削机构2.凸轮的轮廓曲线与从动件的运动规律凸轮机构能否按照预期的运动规律良好地工作，主要取决于凸轮的轮廓曲 线。确定凸轮轮廓曲线的基本依据是生
11、产实际中的工作要求。在一般情况下，5）平面连杆机构中大部分构件或构件重心在运动过程中都做变速运动，因 此产生的惯性力难以消除，故不宜用于高速的场合。（2）平面连杆机构的类型和应用1）平面连杆机构的类型2）平面连杆机构的应用平面连杆机构被广泛用于各种机械设备、仪器仪表、操纵控制装置以及日 常生活用具中的下述情况：把主动件的转动转换为从动件的往复摆动或往复直线运动，也可做相反 的运动转换。把主动件的转动或摆动转换为与其运动规律相同或不同的转动或摆动。在不直接与机架相连的构件上，不同点的轨迹是形状各异的曲线，称为 连杆曲线，可以满足生产中所需的各种轨迹要求。2较链四杆机构（1）银链四杆机构的组成如图
12、2-2所示，钱链四杆机构由四个杆形构件和四个转动副组成。其中， 固定不动的杆件称为机架；与机架相连的杆件称为连架杆；不直接与机架相连 的杆件称为连杆。连架杆中，能做整周回转运动的连架杆称为曲柄；只能绕机 架在小于360。的范围内做往复摆动的连架杆称为摇杆。图2-2较链四杆机构的组成（2）钱链四杆机构的基本类型根据两个连架杆的运动形式不同，较链四杆机构可分为曲柄摇杆机构、双 曲柄机构和双摇杆机构三种基本形式。1）曲柄摇杆机构凸轮机构工作时，凸轮做等速的回转运动，从动件做往复直线运动或摆动，凸 轮轮廓曲线上各点向径大小是随凸轮的转角6的变化而变化的。（1）凸轮机构的工作过程图2-47凸轮机构的工作
13、过程图2-47 （a）所示尖顶对心移动从动件盘形凸轮机构中，凸轮的轮廓曲线 是由AB、BC、CD、DA四段曲线组成的，其中BC、DA段曲线分别是以凸轮轴心 0为圆心，以不同长度为半径的两段圆弧。凸轮轮廓曲线上，以凸轮轴心。为 圆心，以凸轮轮廓的最小向径0A为半径所作的圆称为基圆，其半径r。称为基 圆半径。凸轮以等角速度3逆时针方向转动，起始位置是从动件的尖顶与基圆 上开始上升的轮廓曲线A点接触，此时从动件的尖顶离凸轮轴心0最近。凸轮 转动，向径增大，从动件按一定规律上升，到向径最大的B点与尖顶接触时， 从动件被推到最远处，这一过程称为推程，与之对应的凸轮的转角称为推程 角。接着，凸轮BC段轮廓
14、与从动件尖顶接触，从动件在最远处停止不动，这一 过程称为远休止程，对应的凸轮转角称为远休止角6 s。凸轮继续转动，从动件 尖顶与向径逐渐变小的CD段轮廓接触，从动件返回，这一过程称为回程，对应 的凸轮转角称为回程角3。当凸轮DA段轮廓与尖顶接触时，从动件在最近处 停止不动，这一过程称为近休止程，对应的凸轮转角称为近休止角6。当凸 轮继续回转时，从动件重复上述的上升一停止一下降一停止的运动循环。通常, 推程是凸轮机构的工作行程，而回程则是凸轮机构的空同行程。从动件上升或 下降的距离称为位移s,其中的最大距离称为行程h。表示从动件的位移s与凸 轮转角5关系的曲线称为位移曲线（s-S曲线），如图2-
15、47 （b）所示。（2）从动件常用的运动规律从动件的运动规律是指其位移s、速度V和加速度a随凸轮转角6 （或时 间t）的变化规律。不同的机器或同一机器的不同工作过程，因工作要求不同, 故从动件的运动规律也是不同的。凸轮轮廓曲线的形状取决于从动件的运动规 律。凸轮机构从动件常用的运动规律有等速运动规律、等加速等减速运动规律 和余弦加速度运动规律。1）等速运动规律从动件在推程或者回程的过程中速度为一常数的运动规律称为等速运动规 律。设凸轮以等角速度3逆时针转动，当凸轮转过推程角6,时，从动件等速上 升行程h,其推程的运动方程为：s=h/8 t 8v=h w/ 8 t二常数a=0图2-48 （a）所
16、示为等速运动规律推程的位移曲线，为一条经过原点的斜 直线；图（b）为推程速度曲线，图（c）为推程加速度曲线。（a）位移曲线（b）速度曲线（c ）加速度曲线图2-48等速运动规律推程运动线图可以看出，从动件在运动开始和停止的瞬间，速度由0突变为v或由v突 变为0,其加速度在理论上为+8和-8,因而产生的惯性力理论上也达到无穷 大，由此产生的冲击称为刚性冲击。实际上，由于材料的弹性变形，加速度和惯性力都不会达到无穷大，但是 刚性冲击仍对构件极为不利。因此，等速运动规律只适用于低速、轻载或特殊 需要的凸轮机构中。2）等加速等减速运动规律从动件在一个推程或者回程的过程中，前半段做等加速运动，后半段做等
17、 减速运动，且加速度与减速度的绝对值相等的运动规律称为等加速等减速运动 规律。设凸轮以等角速度3逆时针转动，当凸轮转过3/2时，从动件等加速上升 h/2；当凸轮转过6/2时，从动件等减速上升h/2。推程等加速段的运动方程为：s=2h 62/6：v=4h 3 6 / 6/a=4h32/3：=常数推程等减速段的运动方程为：s=h-2h ( 66 / 5:v=4h 3(3-5)/6a二-4 h 3 2/ 6二常数图2-49 (a)所示为等加速等减速运动规律推程位移曲线，为下凹和上凸 的两段抛物线；图(b)所示为推程速度曲线，图(c)所示为加速度曲线。可以看 出，从动件在推程的两端及中点，其加速度仍存
18、在有限突变，因而产生的惯性 力也为有限值，由此产生的冲击称为柔性冲击。因此，等加速等减速运动规律 适用于中低速、轻载的凸轮机构中。图2-49等加等减速运动规律推程运动线图3)余弦加速度运动规律从动件上升或下降的加速度按余弦曲线变化的运动规律称为余弦加速度运 动规律。设凸轮以等角速度3逆时针转动，当凸轮转过推程角Bt时，从动件以余弦 加速度上升h,其推程的运动方程为：s=hl -cos(n S / 8 J /2v=nh(osin(n 8 / 8 t)/2 8 ta= n 2h w 2cos ( n 3 / 8 J 2 8 Ja= n 2h w 2cos ( n 3 / 8 J 2 8 J(a)位
19、移曲线(b )速度曲线(c)加速度曲线图2-50余弦加速度运动规律推程运动线图图2-50 (a)所示为余弦加速度运动规律推程位移曲线，为一简谐运动曲 线；图(b)所示为推程速度曲线，图(c)所示为加速度曲线。可以看出，从 动件做推程的起点和终点，从动件有停歇时才有柔性冲击，一般情况下只适用 于中速、中载场合。如果从动件做无停歇的往复运动时，可得到连续的余弦曲 线，运动中完全消除了柔性冲击，若在推程和回程中都采用这种运动规律，则 可用于高速凸轮机构。单缸内燃机结构和运动分析项目工单：参照图2-1所示单缸内燃机工作原理图，进行结构和运动分析。 一、结构分析图2-51单缸内燃机结构分析如图2-51所
20、示，单缸内燃机利用由活塞、连杆、曲轴和气缸四个构件组成 的曲柄滑块机构将燃料燃烧释放的化学能和热能转换为机械能；利用由凸轮、 从动件和机架三个构件组成的凸轮机构完成进气和排气工作。二、运动分析单缸内燃机的主动件是活塞，其运动传动路线是：活塞一连杆一曲轴一小 齿轮一大齿轮一凸轮一从动件。六、课后作业1.连杆机构在运动过程中只要存在（）角，该机构就具有急回作用。A.压力角B.极位夹角C.传动角D.摆角2.平面连杆机构中，当传动角丫较大时，则（）A.机构的传力性能较好B.机构的传力性能较差C.可以满足机构的自锁要求D.机构的效率较低3机构中按给定独立运动规律运动的构件称为。4在曲柄摇杆机构中，若将曲
21、柄改为机架，变成 机构。5凸轮机构中，从动件运动方向和接触处凸轮轮廓法线方向之间所夹的锐 角称为 。6.曲柄摇杆机构中，当摇杆为主动件时会出现死点位置，这时机构传动有什么影响？如图2-3所示，在被链四杆机构中，若两个连架杆中一个是曲柄，另一个 是摇杆，该机构称为曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构可以方便地实现曲柄的整周 回转运动与摇杆的往复摆动之间的转换。图2-3曲柄摇杆机构图2-4所示为汽车前窗的雨刷器，当主动曲柄AB整周回转时，从动摇杆 CD做往复摆动，利用摇杆的延长部分实现刮雨动作。图2-5所示为雷达调整机 构，当主动曲柄整周回转时，通过连杆带动固定在从动摇杆上的天线做一定角 度的往复摆动，以调
22、整天线的俯仰角。图2-4曲柄摇杆机构应用汽车雨刷器连杆连杆连架杆（摇杆）连架杆（曲柄）图2-5曲柄摇杆机构应用一一雷达调整机构在曲柄摇杆机构中，当摇杆为主动件时，可将摇杆的往复摆动经连杆转换 为曲柄的连续整周回转运动，在生产中应用广泛。图2-6所示的缝纫机踏板机 构，当脚踏板CD （相当于摇杆）做往复摆动时，通过连杆带动曲轴AB （相当于 Illi柄）做连续整周回转运动。图2-6曲柄摇杆机构应用一一缝纫机踏板机构2）双曲柄机构如图2-7所示，在钱链四杆机构中，若两个连架杆均为曲柄，则该机构称 为双曲柄机构。该机构主动曲柄等速回转一周，从动曲柄变速回转一周。图2- 8所示的惯性筛工作时，主动曲柄
23、AB做等速回转运动，通过连杆BC带动从动 曲柄CD做周期性的变速转动，再通过E点的连接，使筛子做变速往复运动。惯 性筛就是利用从动曲柄的变速转动，筛子具有一定的加速度，使筛面上的物料 由于惯性来回抖动以达到筛分物料的目的。图2-8 一般双曲柄机构应用一一惯性筛在双曲柄机构中，常见的还有平行双曲柄机构和反向双曲柄机构。如图2- 9所示，当两曲柄的长度相等且平行时（其他两杆也平行且长度相等），称为平 行双曲柄机构。平行双曲柄机构中两曲柄的旋转方向相同，角速度也相等。平 行双曲柄机构应用广泛，在图2T0所示的机车车轮联动机构中，车轮相当于 曲柄，保证了各车轮同速同向转动。此装置中还增设了一个曲柄EF
24、作辅助构件, 以防止平行双曲柄机构ABCD反向转动。图2-9平行双曲柄机构图2-10平行双曲柄机构应用一一机车车轮联动机构如图2-11所示，如果双曲柄机构两曲柄长度相等但互不平行，则称为反向 双曲柄机构。反向双曲柄两曲柄旋转方向相反，角速度也不相等。图272所示 的车门启闭机构就应用了反向双曲柄机构，当主动曲柄AB转动时，通过连杆 BC使从动曲柄CD反向转动，从而保证两扇车门能同时开启和关闭。B图2-11反向双曲柄机构图2-12反向双曲柄机构应用一一车门启闭机构3）双摇杆机构如图2T3所示，在校链四杆机构中，若两个连架杆均为摇杆，则该机构称 为双摇杆机构。在双摇杆机构中，主动摇杆往复摆动时，通
25、过连杆带动从动摇 杆也做往复摆动。连枉图2-13双摇杆机构双摇杆机构在机械工程上也有着广泛的应用，图2-14所示为港口起重机机 构。当主动摇杆AB往复摆动时，从动摇杆CD也随之摆动，吊在连杆BC上点E 处的重物做近似水平移动，从而避免了重物在移动过程中产生不必要的升降， 减少能量消耗。图2-14双摇杆机构应用一一港口起重机（3）钱链四杆机构类型的判定1）较链四杆机构曲柄存在的条件校链四杆机构的三种基本形式的根本区别在于连架杆中是否有曲柄。而连 架杆能否成为曲柄，与机构中各杆的长度关系和机架的位置有关。要使连架杆 成为能做整周回转的曲柄，必须同时满足如下两个曲柄存在的条件。最长杆与最短杆长度之和
26、小于或等于其余两杆长度之和；机架与两连架杆中必有一杆为最短杆。2）钱链四杆机构类型的判定判断钱链四杆机构的类型应按照以下两个步骤顺序进行：第一步，判断较链四杆机构中是否存在曲柄。根据钱链四杆机构是否同时满足曲柄存在的两个条件来判断机构中是否存 在曲柄。第二步，判断存在曲柄的校链四杆机构的具体类型。如果以最短杆的邻边为机架，则机构为曲柄摇杆机构；如果以最短构件为 机架，则机构为双曲柄机构。图2-15较链四杆机构类型的判定图2-15所示的钱链四杆机构类型判断过程如下：判断钱链四杆机构中是否存在曲柄。该机构最短杆为AB, %=50 mm;最长杆为AD,10 mmo由于最短杆与最长杆长度之和Iab+I
27、ad-50 mm+110 mm=160 mn】小于其他两杆长度之和1设+%=90 mm+80 mm=170用m,并且最短杆AB为连架杆，所以该机构存在曲柄。判断存在曲柄的钱链四杆机构的具体类型。该机构是以最短杆AB的邻边AD为机架，是曲柄摇杆机构。3.钱链四杆机构的演化及其应用除了被链四杆机构的三种类型以外，人们还广泛使用其他形式的平面四杆 机构，这些平面四杆机构是通过改变较链四杆机构某些构件的形状、相对长度 或选择不同构件作为机架等途径演化而来的。（1）曲柄滑块机构（2）导杆机构（3）摇块机构（4）定块机构（5）偏心轮机构4.平面连杆机构的工作特性平面连杆机构具有传递、变换运动和实现力的传递
28、的功能，了解平面连杆 机构的工作特性，对于正确选择平面连杆机构的类型具有重要的意义。（1）急回特性1）极位和极位夹角在图2-29所示的曲柄摇杆机构中，主动件曲柄AB以等角速度3做顺时针 回转，它每回转一周与连杆BC有两个共线的位置AB1和AB”与此同时，从动 件摇杆CD分别位于GD和CzD左、右两个极限位置，简称极位。主动曲柄的两 个位置ABi和AB?之间所夹的锐角称为极位夹角0,从动件摇杆左、右两个极限 位置GD和GD之间的夹角称为摇杆的最大摆角4 o图2-29曲柄摇杆机构的急回特性2）急回特性3）急回特性系数K图2-30摆动导杆机构的急回特性（2）压力角和传动角平面连杆机构不但要满足变换运动的要求，而且应具有良好的传力性能以 提高机械效率。1）压力角Q