《汽车机械基础》汽车常用机构课件

1、单元一 汽车常用机构 汽车发动机的正常运转、车轮的转向、气门的启闭、驻车制动的锁止等功能都是由一些典型的机构来实现的，这些常用机构主要包括铰链四杆机构、凸轮机构、棘轮机构和齿轮机构。机构构成后，是否具有确定的运动呢？下面通过学习五个典型的任务来了解和掌握汽车常用机构的工作原理。 【任务描述】 汽车发动机通常采用的是内燃机，它的运动规律可以用运动简图的形式来进行描述。掌握内燃机运动简图的绘制方法，可以帮助理解内燃机的工作原理。内燃机机构运动简图是怎样绘制的呢？ 【学习目标】（1）了解平面机构的组成。（2）掌握零件和构件的特点。（3）掌握运动副的形式和符号。（4）掌握机构中构件的分类。（5）具备计

2、算简单机构自由度的能力。（6）具有绘制内燃机机构运动简图的能力。1.1.1 机构简介 在日常生活和工作中所接触到的洗衣机、电冰箱、缝纫机、汽车、机器人和起重机等都是机器。机器种类繁多，其结构、功能各异，但从机器的组成来分析，它们有共同之处：（1）都是人为的实体组合。（2）各实体间具有确定的相对运动。（3）能实现能量的转换或完成有用的机械功。 同时具备这三个特征的称为机器，而机构仅具备前两个特征。所谓机构就是多个实体的组合，能实现预期的机械运动。 如图1-1所示的内燃机是一个机器，它的功能是将燃料的热能转化为曲轴转动的机械能。它主要是由活塞、连杆、曲轴、齿轮、凸轮、气门挺杆及气缸体等组成的。它们

3、构成了曲柄连杆机构、齿轮机构、凸轮机构，如图1-2所示。其中，曲柄连杆机构将燃料燃烧时体积迅速膨胀而使活塞产生的直线移动转化为曲轴的转动；凸轮机构用来控制适时启/闭排气阀；齿轮机构保证进/排气阀与活塞之间形成协调的动作。 由此可见，机器是由机构组成的，从运动观点来看，两者并无差别，工程上统称为机械。 组成机械各相对运动的实体称为构件。构件可以是一个零件，如内燃机的曲轴（见图1-3）；也可以是若干个零件的刚性组合体，如内燃机的连杆（见图1-4）。构件是机器的运动单元。 零件是机器组成中不可再拆的最小单元，是机器的制造单元。按使用特点，零件可分为两类：一类是在各种机器中都可能用到的零件，称为通用零

4、件，如螺母、螺栓、凸轮、齿轮、键等。1.1.2运动副 当构件组成机构时，需要以一定的方式把各个构件彼此连接起来，但这种连接不同于焊接、铆接等刚性连接，它既要对彼此连接的两构件的运动加以限制，又允许其间产生相对运动。这种两个构件直接接触又能产生一定相对运动的连接称为运动副。 运动副中构件间的接触形式分为点、线和面三种形式。按照构件间的接触特性，一般运动副可分为低副和高副两类。1.低副 两构件通过面接触而组成的运动副称为低副。根据构件之间的相对运动是转动或移动，低副又可以分为转动副和移动副。（1)转动副。运动副的两构件之间只能绕着同一轴线作相对转动，则该运动副称为转动副，又称为铰链。如图1.5（a

5、）所示，构件1与构件2之间通过圆柱面接触而组成转动副。例如，内燃机的曲轴与连杆、连杆小头与活塞之间都组成转动副。（2)移动副。若组成运动副的两构件之间只能沿着某一轴线方向作相对移动，则该运动副称为移动副。如图1.5（b）所示，构件1与构件2之间通过四个平面接触组成移动副，这两个构件只能产生沿轴线的相对移动。例如，内燃机中的活塞与气缸之间组成移动副。低副中两构件之间是面接触，承受相同载荷时，压强较低，不易磨损。2.高副 两构件通过点接触或线接触而组成的运动副称为高副。如图1-6所示的齿轮副和凸轮副都是高副，构件2可以相对于构件1绕接触点A转动，同时又可以沿接触点的切线tt方向移动，只有沿公法线n

6、n方向的运动受到限制。 高副中两构件之间是点接触或线接触，其接触部分的压强较高，故容易磨损。 根据组成运动副的两构件间的相对运动是平面运动还是空间运动，运动副可分为平面运动副和空间运动副。除上述常见的平面运动副外，常见的空间运动副还有螺旋副和球面副，如图1-7所示。1.1.3 平面机构运动简图 所有构件均在同一平面或平行平面内运动的机构称为平面机构。由于机构的运动特性只与构件的数目、运动副的类型（低副或高副）、运动副的数目及相对位置（转动副中心、移动副中心线和高副接触点位置等）有关，而与构件的外形、截面尺寸、组成构件的零件数目及运动副的具体构造无关。 因此，分析机构运动时，为了简化问题、便于研

7、究，可按一定的长度比例尺确定运动副的位置，并用特定的构件和运动副符号及简单线条绘制出图形。这种表示机构运动特性的简单图形称为机构运动简图。1.平面机构的组成 根据机构工作时构件的运动情况不同，可将构件分为机架、主动件和从动件三类。机构中固定不动的构件称为机架，它用来支承其他活动构件；机构中接受外部给定运动规律的活动构件称为主动件或原动件，一般与机架相连；机构中随主动件而运动的其他全部活动构件称为从动件。2.机构运动简图的符号 轴、杆等构件常用线段表示；若构件固连在一起，则涂以焊接记号；图中画有斜线的构件代表机架。转动副为固定铰链和中间铰链；移动副为滑块在直线或槽中移动；表示高副时要绘出两构件接

8、触处的轮廓形状。机构运动简图的常用符号见表1-1。 表1-1机构运动简图的常用符号名称简图符号名称简图符号构件平 面 低 副杆、轴三副构件构件的固定连接转动副移动副机架平 面 高 副基本符号机架是转动副的一部分机架是移动副的一部分齿轮副外啮合齿轮副内啮合凸轮副 .3.机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制方法和步骤如下：（1）观察机构的实际结构，分析机构的运动情况，找出机构的固定件（机架）、主动件和从动件。（2）从主动件开始，按运动传递路线，分清构件间相对运动的性质，确定运动副的类型。（3）以与机构运动平面相平行的平面作为绘制运动简图的平面，用规定的符号和线条按比例尺绘制在此平面上，得到的图形即

9、为机构运动简图。现以单缸内燃机为例，说明机构运动简图的绘制方法和步骤。例1.1绘制如图1-8所示内燃机的机构运动简图。解：（1）曲柄滑块机构：由于气缸1与内燃机机体可视为固连，故对整个机构而言是相对静止的固定件，即为机架；活塞2在燃气的推动下运动，是主动件；其余的构件是从动件。活塞2与其气缸1之间的相对运动是移动，从而构成移动副；活塞2与连杆3、连杆3与曲轴4以及曲轴4与机体之间的相对运动是转动，所以都构成转动副。上述四个构件中，用了一个移动副和三个转动副，从固定件开始，经主动件到从动件沿运动传递路线按顺序相连，又回到固定件，从而形成一个独立的封闭构件组合体，即组成一个独立的机构，称为曲柄滑块

10、机构。选择平行于曲柄滑块机构的运动平面作为视图平面。当活塞2（主动件）相对气缸1的位置确定后，选取适当的比例尺用规定的构件和运动副的符号，可绘制出机构的运动简图。（2）平面齿轮机构。齿轮4与曲轴4固连，因曲轴运动已知，所以齿轮4是主动件；齿轮6是从动件。齿轮4和6分别通过曲轴4和凸轮轴由气缸1支持，故气缸1是机架。齿轮4和6分别相对机架作转动，所以组成转动副。齿轮4和6之间的接触是线接触，构成高副。因此，三个构件用两个转动副和一个高副沿运动传递路线按顺序相连，形成一个独立的封闭的构件组合体，即平面齿轮机构。选择齿轮的运动平面作为视图平面，并选用与曲柄滑块机构相同的比例尺，用规定的构件和运动副的

11、符号绘制出机构运动简图。（3）平面凸轮机构。凸轮6与机架1构成转动副，并与气门推杆5构成高副，形成一个独立封闭的构件组合体，即平面凸轮机构。选择凸轮的运动平面作为视图平面，并选用与曲柄滑块机构相同的比例尺，用规定的构件和运动副的符号绘制出机构运动简图。 以上内燃机三个机构的运动简图组成了内燃机的机构运动简图，如图1-9所示。1.1.4平面机构自由度1.自由度与约束 在平面运动链中，各构件相对于某一构件所需独立运动的参变量数目，称为运动链的自由度。自由度是构件可能出现的独立运动的衡量指标。任何一个构件在空间自由运动时皆有6个自由度，即在直角坐标系内沿x轴、y轴和z轴的移动及转动。而对于一个作平面

12、运动的构件，则只有3个自由度，如图1-10（a）所示。自由构件可在xOy平面内绕任一点A转动，也可沿x轴或y轴方向移动。 当一个构件与其他构件组成运动副以后，构件的某些独立运动就要受到限制，自由度减少，这种对构件独立运动的限制称为约束。两个构件之间相对约束的数目和性质取决于其构成运动副的类型。如图1-10（b）所示，如果将A点与x轴铰接，则构件在xOy平面内沿x轴和y轴方向的运动受到限制，只能绕点A转动。2.机构具备确定运动的条件 运动链和机构都是由构件和运动副组成的系统。机构要实现预期的运动传递和转换，必须使其运动具有可能性和确定性。无相对运动的构件组合或无规则乱动的运动链都不能实现预期的运

13、动传递和变换。将运动链的一个构件固定为机架，当运动链中一个或几个主动件位置确定时，其他从动件的位置也随之确定，则称机构具有确定的相对运动。那么究竟取一个还是几个构件做主动件，取决于机构的自由度。机构的自由度就是机构具有的独立运动的数目。因此，平面机构具有确定运动的充分必要条件为：机构的自由度大于0，且机构的主动件数目等于机构的自由度。3.平面运动链的自由度计算 设一个平面运动链中除去机架，其余活动构件的数目为n，而一个不受任何约束的构件在平面中有3个自由度，故一个运动链中活动构件在平面共具有3n个自由度。当两构件连接成运动副后，其运动受到约束，自由度将减少。自由度减少的数目，应等于运动副引入的

14、约束数目。由于平面运动链中的运动副只可能是高副或低副，其中每个低副引入的约束数为2，每个高副引入的约束数为1。因此，对于平面运动链，若各构件之间共构成了pL个低副和pH个高副，则它们共引入2pL+pH个约束。平面运动链自由度计算公式为 （1-1）式中,F为运动链的自由度；n为活动构件的数目；pL为低副的数目；pH为高副的数目。由式（1-1）可知，机构自由度F取决于活动构件的数目以及运动副的性质和数目。如图1-11所示桁架的自由度为F=3n2pLpH=33230=0，它的各杆件之间不可能产生相对运动。如图1-12所示五杆铰链机构自由度为F=3n2pLpH=34250=2，原动件数小于机构自由度数

15、，机构运动不确定，表现为任意乱动。如图1-13所示平面四杆机构自由度为F=3n2pLpH=33240=1，原动件数等于机构自由度，机构有确定的运动。如图1-14所示的搅拌机，其活动构件数n3，低副数pL=4，高副数pH=0，则该机构的自由度为F=3n2pLpH=33240=1。原动件数等于机构自由度，机构有确定的运动。综上所述，机构具有确定运动的条件是机构自由度必须大于零，且原动件的数目与其自由度必须相等。4.计算机构自由度的注意事项 应用式（1-1）计算机构的自由度时，必须注意以下问题。（1）复合铰链。由两个以上构件组成两个或更多个共轴线转动副，即为复合铰链。如图1-15（a）所示，构件1、

16、2和3在同一处构成转动副，而从图1-15（b）可见，该处包含2个转动副。当由m个构件组成复合铰链时，则应当组成m1个共轴线转动副。（2）局部自由度。在机构中不影响运动输出与输入关系的构件的独立运动自由度称为局部自由度。如图1-16(a)所示的凸轮机构中，滚子绕本身轴线的转动不影响其他构件的运动，因此滚子绕本身轴线的转动就是凸轮机构的局部自由度。在计算时先把滚子看成与从动件连成一体，消除局部自由度（见图1-16（b），然后再计算该机构的自由度。由此，该机构的自由度为 F=3n2pLpH=32221=1 局部自由度虽不影响机构的运动关系，但可以变滑动摩擦为滚动摩擦，从而减轻了由于高副接触而引起的摩

17、擦和磨损。因此，在机械中常见具有局部自由度的结构，如滚动轴承和滚轮等。(3)虚约束。在运动副引入的约束中，有些约束与其他约束的作用是重复的，对机构实际运动不起限制作用，称为虚约束。在计算机构自由度时虚约束应当除去不计，虚约束常出现在下列场合：1)两个构件之间在链接点处的运动轨迹重合，则该运动副引入的约束是虚约束。如图1-17（a）所示的平行四边形机构中，两个转动副M和N引入后，效果与图1-17（b）的机构相同，故M和N组成的二副构件为轨迹重合的虚约束，计算机构自由度时，应除去不计。这样，该机构的自由度为F=3n2pLpH=33240=1。2)两个构件之间组成多个轴线重合的回转副时，只有一个回转

18、副起作用，其余都是虚约束。例如，在内燃机中曲轴与气缸体由两个共轴线回转副相连，其中之一提供的是虚约束，计算运动副数时应略去不计。又如图1-18所示的齿轮机构中，转动副A（或B）为虚约束。3)机构中有多杆等长或有对称结构时可能有虚约束，具体情况如下：当用带两个回转副的构件连接机构运动中距离保持不变的两点时。当用带一个移动副和一个回转副的某构件与机构中轨迹是直线的某点铰接，移动副又以该点的轨迹线为导路时。机构中对传递运动不起独立作用的对称部分。 如图1-19所示的行星轮系，为了受力均衡安装了三个行星轮，但从机构运动传递来看，仅有一个行星轮即可实现既定的运动。而另两个行星轮并不影响机构的运动传递，故

19、为虚约束。 应当注意，对于虚约束，从机构的运动观点来看是多余的，但能增加机构的刚性，改善其受力状况，因而被广泛采用。但是虚约束对机构的几何条件要求较高，如果这些特定的几何条件不能满足，则这些虚约束会变成实际约束，因此，在采用虚约束的机构中，对它的加工和装配都有较高的要求。例1-2计算如图1-20（a）所示的筛料机构的自由度。解：（1）检查机构中有无3种特殊情况。由图中可知，机构中滚子自转为局部白由度；顶杆DF与机架组成两导路重合的移动副E和E，故其中之一为虚约束；C处为复合铰链。去除局部自由度和虚约束以后，应按图1-20（b）计算自由度。图1-20筛料机构(2)计算机构自由度。机构中的可动构件

20、数为n=7，pL=9，pH=1，故该机构的自由度为 F=3n2pLpH=37291=2【任务实施】绘制内燃机机构运动简图（1）带着以下问题观察内燃机实物、模型或结构图，并回答问题。壳体和气缸体是否为一个整体？壳体和气缸体在内燃机中起机架的作用吗？气缸体内的活塞是整个系统的主动件吗？活塞运动是否会带动连杆、曲轴转动？曲轴上的齿轮和凸轮轴上的齿轮是否啮合？凸轮轴是否在转动？顶杆是否在作上、下往复运动？曲轴、连杆、齿轮、凸轮、顶杆是否都为从动件？（2）分析运动传递路线和相对运动性质，确定运动副的类型。运动由主动件活塞输入，活塞与气缸组成移动副。活塞驱动连杆，连杆带动曲轴，曲轴支承在壳体上，它们之间都

21、组成转动副。运动由曲轴上的齿轮传到凸轮轴上的齿轮，它们是线接触，组成高副。凸轮轴与机架组成转动副。凸轮轴上的齿轮与凸轮连在一起为同一构件。凸轮推动顶杆移动，它们之间是点接触或线接触，组成高副。顶杆与机架组成移动副。（3）准备绘制运动简图的工具，包括直尺、铅笔、本子等。（4）判断内燃机主要运动机构是否为平面机构。（5）选择其运动平面为视图平面，选择适当的绘图比例尺。（6）根据构件的相对位置和构件的大小，用规定的符号和线条画出所有构件和运动副。（7）内燃机机构运动简图绘制完成，如图1-21所示。1.2汽车常见四杆机构【任务描述】 内燃机中的活塞、连杆、曲轴等组成了平面连杆机构，而汽车的转向机构、车

22、门的启/闭机构采用了铰链四杆机构，那这些铰链四杆机构是怎样实现汽车转向和车门启/闭的呢？【学习目标】（1）了解铰链四杆机构的概念。（2）掌握铰链四杆机构的基本类型。（3）熟悉平面四杆机构的性质。（4）了解铰链四杆机构的演化。（5）具有分析汽车常见四杆机构运动的能力。【专业知识】 构件间全部由低副连接而成的机构称为平面连杆机构。由四个构件组成的平面连杆机构称为平面四杆机构，它是平面连杆机构中最常见的形式，主要包括铰链四杆机构和滑块四杆机构两大类。1.2.1铰链四杆机构 铰链四杆机构是将四个构件用四个转动副组成的机构。如图1-22所示，机构中固定不动的构件4称为机架；机构中与机架相连的构件1，3称

23、为连架杆，连架杆若能绕机架作整周转动则称为曲柄，连架杆只能绕机架在小于360的范围内作往复摆动则称为摇杆；与连架杆相连的杆2称为连杆。 铰链四杆机构有三种类型：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。1.曲柄摇杆机构 两个连架杆中一个是曲柄、另一个是摇杆的铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构，如图1-23所示。 曲柄摇杆机构的作用是将曲柄的整周回转运动转换成摇杆的往复摆动。如图1-24所示的汽车前窗刮水器，当主动曲柄AB转动时，从动摇杆CD作往复摆动，利用摇杆的延长部分实现刮水动作。也有摇杆作为主动件而曲柄作为从动件的情况，如图1-25所示的缝纫机踏板机构。2.双曲柄机构 两个连架杆都为曲柄的铰链四杆机

24、构称为双曲柄机构。通常其主动曲柄等速转动时，从动曲柄作变速转动。如图1-26所示的惯性筛机构，当主动曲柄1作等速转动时，从动曲柄作变速转动，通过构件5使筛体作变速往复直线运动，筛面上的物料由于惯性作用而达到筛的目的。 当两曲柄的长度相等而且平行时，称为平行双曲柄机构，这时四根杆组成了平行四边形，如图1-27（a）所示。双曲柄机构如果对边杆长度相等，但互不平行，则称为反平行双曲柄机构。两曲柄旋转方向相反，角速度不相等，如图1-27（b）所示。如图1-28所示的公共汽车车门启/闭机构，它利用反平行双曲柄机构使两扇车门朝相反方向转动，从而保证车门能同时开关。3.双摇杆机构 两个连架杆若都是摇杆，则称

25、为双摇杆机构。如图1-29所示为飞机起落架机构，飞机起飞后，为减小飞行阻力，通过该机构将着陆轮收回机翼，在飞机要着陆时，通过该机构将着陆轮从机翼中放下来。汽车前轮的转向机构同样也是双摇杆机构。1.2.2铰链四杆机构中曲柄存在的条件 在铰链四杆机构中有的连架杆能作整周回转而成为曲柄，有的则不能，这主要取决于机构中各杆的长度关系以及机架的确定。 如图1-22所示的铰链四杆机构，AD为机架，AB能绕A点作整周转动，则AB为曲柄。杆件AB可处于与杆件BC拉直共线和重叠的两个位置，为了能使杆件AB成为曲柄，它必须能够顺利通过这两个共线位置。由此可知，在铰链四杆机构中曲柄存在的条件是：（1）连架杆与机架中

26、必有一杆是最短杆。（2）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和。 根据曲柄存在的条件，可以得到以下推论：在铰链四杆机构中，最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和时，则取与最短杆相邻的杆为机架时，此机构为曲柄摇杆机构，如图1-30（a）所示。取最短杆为机架时，此机构为双曲柄机构，如图1-30（b）所示。取与最短杆相对的杆为机架时，此机构为双摇杆机构，如图1-30（c）所示。若铰链四杆机构中，最短杆和最长杆长度之和大于其他两杆长度之和，则无论取哪一杆件作为机架，此机构均为双摇杆机构，如图1-30（d）所示。1.2.3铰链四杆机构的演化 1.曲柄滑块机构的形成 在曲柄摇杆机构中，

27、摇杆上C点的运动轨迹为以D为圆心、杆CD的长度为半径的圆弧，若将杆CD的长度增至无穷大，即D点移至无穷远处，则C点的运动轨迹将成为一条直线。杆件CD变为滑块在移动副中沿机架导路滑动，于是曲柄摇杆机构就演化为曲柄滑块机构。 当导路中心线通过曲柄转动中心时，称为对心曲柄滑块机构，如图1-31（a）所示；当导路中心线不通过曲柄转动中心时，称为偏置曲柄滑块机构，如图1-31（b）所示。2.导杆机构 导杆机构可看成是改变曲柄滑块机构中的机架演化而来的，改变曲柄滑块机构中的机架位置，即可演化出不同类型的导杆机构，见表1-2。表1-2不同类型的导杆机构类型特点机构曲柄导杆机构曲柄摆动导杆机构杆件2的长度小于

28、机架1，可绕机架整周转动，导杆4只能摆动，如牛头刨床机构曲柄转动导杆机构杆件2的长度大于机架1，杆件2和4都能绕机架整周转动移动导杆机构以滑块为机架，导杆相对滑块作往复移动，又称定块机构，如抽水唧筒机构（见图1-32）曲柄摇杆机构杆件1的长度小于机架2，能绕机架整周转动，杆件4与滑块组成移动副，滑块与机架组成转动副而绕C点转动，如载货汽车自动卸料机构（见图1-33）1.2.4曲柄连杆机构的受力分析 如图1-34（a）所示，汽车发动机活塞曲柄机构是由活塞1、连杆2、曲轴3和缸体4组成的四杆机构。活塞与缸体之间的相对运动为移动，两者构成移动副；活塞与连杆小头通过活塞销连接，相对运动为转动，两者构成

29、转动副；连杆大头与曲轴之间的相对运动为转动，两者构成转动副；曲轴轴颈和缸体座孔之间的相对运动为转动，两者构成转动副。这种在机构中只含有低副，且构件数为4个的平面机构，称为四杆机构。1.机构的受力分析 活塞的受力：如图1-34（b）所示，活塞除受到原动力p（燃气压力）的作用外，还受到缸体和连杆对它的约束力(N和R)作用，在三个力的作用下，活塞处于平衡状态，即三力的合力为零。三力同处于一个平面内，且作用线汇交于一点，这种力系称为平面汇交力系。物体在汇交力系的作用下要取得平衡，必须是力系的合力为零，即 F=p+N+R注释：约束力：一物体的空间位置受到周围物体的限制时，这种限制就称为约束。约束阻挡了物

30、体本来可能产生的某种运动，从而实际上改变了物体可能的运动状态。约束限制物体运动的力称为约束反力或约束力。约束力的大小要根据作用在物体上的已知力以及物体的运动状态来确定。约束力作用在被约束物体的接触处，其方向总是与该约束所限制的运动趋势方向相反。工程中常见的约束见表1-3。表1-3工程中常见的约束约束类型约束反力典型举例简图代表符号柔性约束过柔索的约束点沿柔索，背离被约束体带传动无光滑面约束过接触点的公法线指向被约束体火车车轮与铁轨无(续表)约束类型约束反力典型举例简图代表符号铰链约束中间铰链固定铰链活动铰链支座过铰链中心待定连杆小头与活动销待定曲轴轴径与缸体座孔待定游动轴承端求平面汇交力系合力

31、的方法有两种，即几何法和解析法。几何法：设一刚体上受平面汇交力系作用，汇交点为O，如图1-35（a）所示。根据力的平行四边形原理中二力合成的简化方法力的三角形法，可以先将F1和F2合成为R1，再将F3和R1合成为R，这样连续应用三角形法，就把F1，F1，F3合成为合力R，合力R的作用线必通过汇交点O，如图1-35（b）所示。但这样求汇交力系的方法较麻烦。可用简便的方法，作矢量多边形Oabc，如图1-35（c）所示，令其各边Oa，ab，bc分别与力F1，F2，F3的矢量相等，则封闭边Oc表示合力R的大小和方向，合力R的作用线必通过汇交点O。上述合成的方法称为力的多边形法。综上所述，平面汇交力系合

32、力的大小和方向为该力系中各力的矢量和，即 R=F1+F2+Fn=F解析法：几何法是直接利用矢量的几何性质来求合力与分力之间的关系，解析法是通过矢量在坐标轴上的投影来求合力与各分力之间的关系。图1-35平面汇交力系的合力（1）力在坐标轴上的投影。设有任意力F和选定的直角坐标系Oxy，力F与x轴成锐角，如图1-36所示。从力的两端A和B分别向x轴和y轴作垂线，得线段ab，ab，其中ab称为力F在x轴上的投影，以Fx表示；ab称为力F在y轴上的投影，以Fy表示。力在坐标轴上的投影是代数量，不仅有大小不同，还有正负的区别。如投影的指向与坐标轴的正向一致，投影值取正值；反之，则取负值。图1-36所示的情

33、况为 Fx=Fcos Fy=Fsin当力与坐标轴垂直时，力在该轴上的投影为0；力与坐标轴平行时，其投影的绝对值与该力的大小相等。必须注意，力的投影与力的分力是不同的，力的分力是矢量，力的投影是代数量。若已知力的投影Fx，Fy，可反过来求出力F的大小及方向。F=F2x+F2ytan=FyFx式中，n为F与x轴所夹锐角；F的指向要根据Fx和Fy的正负号决定。（2）解析法求平面汇交力系的合力。设由n个平面汇交力作用在刚体上以汇交点O作为坐标原点，建立直角坐标系Oxy，如图1-37所示，R=F1+F2+Fn=F，将上式两边分别向x和y轴投影，有 Rx=F1x+F2x+Fnx=Fx Ry=F1y+F2y

34、+Fny=Fy上式即为合力投影定理：力系的合力在某轴上的投影等于各分力在同轴上投影的代数和。由此可进一步求得合力R的大小和方向（见图1-37）： R=（Fx)2+（Fy)2 tan=Fy/Fx式中，为合力R与x轴所夹锐角，R的指向要根据Fx和Fy的正负号决定。连杆的受力：连杆的受力如图1-38所示。在不计连杆自重的情况下，连杆受到活塞销和曲轴两个构件的作用，在两个力的作用下，连杆处于平衡。在机械结构中，凡只受二力作用处于平衡状态的构件，且具有所受二力在两个力的作用点的连线上的特征，称为二力杆，如图1-39的中BC构件。曲轴的受力：曲轴的受力如图1-40所示。曲轴受到连杆的作用力R和缸体轴承孔的

35、约束力(FAy，FAx)，另外还受到工作阻力矩Mf的作用，曲轴在这些力的作用下处于平衡。像这种各力作用线分布在同一平面且不汇交于一点的力系，称为平面任意力系。平面任意力系的简化。设刚体上作用着一平面任意力系F1,F2,Fn(见图1-41（a）)，将力系中诸力向平面内任选一点O平移，得到一平面汇交力系F1,F2,Fn和一附加平面力偶系M1,M2,Mn，如图1-41（b）所示。根据力的平移定理可知：F1=F1,F2=F2,Fn=FnM1=MO（F1）,M2=MO（F2）,Mn=MO（Fn）根据前面平面汇交力系和平面力偶系中的简化结论，上述汇交力系可进一步简化为一合力R，如图1-41（c）所示，此合

36、力的作用线通过简化中心O，其大小和方向筹于原力系中各力的矢量和，即R=F1+F2+Fn=F1+F2+Fn=F当用解析法时，在力系作用面内任选直角坐标系，可计算合力R在x轴和y轴上的投影：Rx=F1x+F2x+Fnx=FxRy=F1y+F2y+Fny=Fy从而可得到R=（Fx)2+（Fy)2tan=Fy/Fx式中，是力R与x轴之间所夹锐角。上述附加平面力偶系可进一步简化为一合力偶MO，图1-41（c），其大小等于各附加力偶矩的代数和，也等于原力系中各力对简化中心的力矩的代数和，即MO=M1+M2+Mn=MO（F1）+MO（F2）+MO（Fn）=MO（F） 由上述推导过程我们可以注意到R，MO并不

37、是原平面任意力系的合力或合力偶，为区别起见，称R为原平面任意力系的主矢，称MO为原平面任意力系的主矩。 由此得出如下结论：平面任意力系向平面内一点简化，得到一主矢和一主矩，主矢的作用线通过简化中心。一般情况下，主矢的大小和方向与简化中心的位置选择无关；而主矩的大小和转向与简化中心位置的选择有关。1.2.5平面四杆机构的性质1.急回运动特性 平面四杆机构中，从动件空回行程的速度比工作行程的速度大的特性称为连杆机构的急回特性。 图1-42所示的曲柄摇杆机构，设曲柄AB为主动件，在AB转动一周的过程中，有两次与连杆BC共线，这时连架杆CD分别处于两个极限位置C1D和C2D，其夹角称为摇杆摆角。在摇杆

38、位于两极限位置时，主动曲柄的相应两位置AB1和AB2所夹的锐角称为曲柄的极位夹角。曲柄沿顺时针方向以等角速度从AB1转手AB2时，其转角为1=180+，所需时间为t1=(180+)/，从动摇杆从左极限位置C1D摆到右极限位置C2D，取此过程为做功的工作行程；当曲柄继续从AB2转到AB1时，其转角2=180-，所需时间t2=(180-)/，摇杆从右极限位置C2D摆到左极限位置C1D，取此过程为空回行程。显然，t1t2。又因为摇杆在两行程中的摆角都是，故空回行程C点的速度v2大于工作行程C点的速度v1，说明曲柄摇杆机构具有急回运动特性。 在某些机械中（如牛头刨床、插床等），通常利用机构的急回特性来

39、缩短空回行程的时间以提高生产率。 为了表明急回运动的相对程度，常用v2与v1的比值K来衡量，K称为行程速比系数，即 K=v2v1=/t2/t1=t2t1=180+180-（1-1）式（1-1）表明：当曲柄摇杆机构在运动中出现极位夹角时，机构就具有急回运动特性。夹角越大，K越大，机构的急回运动性质就越显著。由式（1-1）可得 =180K1K+1（1-2）式（1-2）表明：若要得到既定的行程速比系数，只要设计出相应的极位夹角即可。2.压力角和传动角 如图1-43所示，构件1为主动件，通过连杆2推动从动件3。若连杆2为二力构件，则主动件通过连杆作用在从动件上的力F沿BC方向。作用于从动件上的力F与其

40、作用点C的绝对速度VC方向之间所夹的锐角称为压力角。压力角的余角称为传动角。 力F可分解为Fn和Ft，Fn只对摇杆CD产生径向压力，Ft则是推动摇杆运动的有效分力。越小，越大，有效分力Ft就越大，对机构传动就越有利。为保证机构良好的传动性，设计时通常要限制工作行程的最大压力角，对于一般机械max50，对于高速重载机械max40。3.死点位置 在曲柄摇杆机构中，若摇杆CD为主动件时，当摇杆处于两个极限位置时，连杆和曲柄共线，连杆传给曲柄的作用力通过曲柄的转动中心A点。此时，机构的传动角为零，不能推动曲柄AB转动。机构的这种位置称为死点位置，如图1-44所示。 为了使机构能顺利通过死点位置，通常在

41、从动曲柄上安装飞轮，利用飞轮的惯性通过死点位置，安装飞轮还可储备能量，使机构运转速度波动减小。例如，缝纫机、柴油机等就是利用惯性来越过死点位置的。另一方面，机构在死点位置的传力特性，常在工程中得到应用。如图1-45所示的夹具，当夹紧工件后，机构处于死点位置，即使反力很大也不会松开，使工件夹紧、牢固可靠。在夹紧和需要松开时，在杆上只需加一较小的力即可。【任务实施】分析汽车前轮转向机构（1）带着以下问题观察汽车前轮转向机构实物、模型或运动简图，如图1-46所示，并回答问题。转向机构各杆件之间是通过什么连接的？转向机构是铰链四杆机构吗？此机构中机架是哪根杆件？连架杆是哪些杆件？连杆是哪根杆件？汽车左

42、、右两前轮的转角，相等吗？图中ABCD组成的四边形是等腰梯形吗？四边形ABCD中哪个边最小？（2）回顾曲柄存在的条件，并作简要记录。（3）曲柄存在的第一个条件满足吗？（4）最短杆和最长杆长度之和大于另外两杆长度之和吗?（5）曲柄存在的第二个条件满足吗？（6）此转向机构中是否存在曲柄？（7）在汽车上转动转向盘证实一下，左、右两前轮能整周回转吗？（8）确定汽车前轮转向机构的类型为双摇杆机构。（9）总结。 汽车前轮转向机构是具有等长摇杆的双摇杆机构，它能使与摇杆固连的两前轮转过的角度不同，使车辆转弯时每一瞬时都绕一个转动中心D点转动，保证四个车轮与地面之间作纯滚动，从而避免了轮胎由于滑拖所引起的磨损

43、，增加了车辆转向的稳定性。1.3内燃机配气机构【任务描述】 内燃机中的配气机构是发动机中的重要机构，工作时要求在一个工作循环内，气门迅速打开，随即迅速关闭，然后保持关闭不动。这种要求用平面四杆机构是不能实现的，那么配气机构是如何实现气门启闭的呢？【学习目标】（1）了解配气机构的工作原理。（2）掌握凸轮机构的组成和分类。（3）掌握凸轮机构的基本参数。（4）掌握压力角的大小对传动效率的影响。（5）熟悉从动件常用的运动规律。【专业知识】 在自动化机械中，当需要从动件按复杂的运动规律运动或从动件的位移、速度、加速度按照预定的规律变化时，常用凸轮机构来实现。内燃机配气机构就是凸轮机构的一个典型实例。1.

44、3.1凸轮机构的组成、应用和特点 凸轮机构主要由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。凸轮是一个具有特殊曲线轮廓或凹槽的构件。凸轮一般为主动件，通常作等速转动，但有时也作往复摆动和往复直线移动。通过凸轮与从动件的直接接触，驱使从动件作往复直线运动或摆动。只要适当地设计凸轮轮廓曲线，就可以使从动件获得预定的运动规律。因此，凸轮机构广泛应用于各种自动化机械、自动控制装置和仪表中。 如图1-47所示为内燃机中用以控制气门开闭的凸轮机构，凸轮等速回转，当转到凸起部分顶动气门弹簧座时，迫使气门向下移动，气门打开。当凸起部分转离时，在弹簧力的作用下气门又向上移动，气门关闭。气门开启和关闭时间的长短及其速度变

45、化，取决于凸轮轮廓曲线的形状。 凸轮机构在汽车上的应用还有柴油机高压油采中用凸轮控制柱塞的直线移动，以实现供油；汽油机分电器中的凸轮控制触点的开闭，实现定时点火。 凸轮机构结构简单、紧凑，设计方便，可以高速起动，动作准确可靠，但凸轮与从动件之间为点或线接触，属于高副，故易磨损。因此，凸轮机构一般用于传递动力不大的场合。1.3.2凸轮机构的分类1.按凸轮的形状分类（1）盘形凸轮机构。盘形凸轮是一个绕固定轴线转动并具有变化向径的盘形构件，如图1-47所示。它是凸轮的最基本形式，结构简单，应用最广，但从动件的行程不能太大，否则将导致结构庞大。（2）移动凸轮机构。移动凸轮是一个具有曲线轮廓并作往复直线

46、运动的构件，如图1-48所示。有时也可将凸轮固定，而使从动件连同其导路相对凸轮运动。 上述两种凸轮机构的凸轮和从动件都在平面内运动，所以被称为平面凸轮机构。（3）圆柱凸轮机构。圆柱凸轮是一个在圆柱面上开有曲线凹槽或在圆柱端面上作出曲线轮廓的构件，并绕其轴线旋转，它的从动件可以获得较大的行程。如图1-49所示的缝纫机挑线机构即为圆柱凸轮机构。当圆柱凸轮等速回转时，利用其上凹槽的侧面迫使挑线杆2绕其转轴上、下往复摆动，完成挑线工作，其摆动规律取决于凹槽曲线的形状。 从动件在平行于凸轮轴线的平面内运动，因此，凸轮与从动件的相对运动是空间运动，圆柱凸轮机构属于空间凸轮机构。2.按从动件的形状分类（1）

47、尖顶从动件凸轮机构。如图1-50（a）所示，这种机构的从动件结构简单，尖顶能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，故可使从动件实现复杂的运动规律。但尖顶承载能力小，易磨损，适用于传力小、速度低的场合。（2）滚子从动件凸轮机构。如图1-50（b）所示，这种机构的从动件一端铰接一个可自由转动的滚子，滚子和凸轮轮廓之间为滚动摩擦，因此磨损较小，可传递较大的动力，应用较广泛。（3）平底从动件凸轮机构。如图1-50（c）所示，凸轮与从动件接触处易于形成油膜，润滑良好；凸轮给从动件的作用力始终垂直于平底，传动效率较高，因而适用于高速场合。但平底从动件不能用于具有内凸轮廓的凸轮机构。3.按从动件运动形式分类 按从动

48、件运动形式凸轮机构可分为移动从动件凸轮机构（见图1-47）和摆动从动件凸轮机构（见图1-49）。1.3.3凸轮机构的基本参数及运动过程1.基圆 以凸轮的最小向径为半径所作的圆称为基圆，基圆半径用r0表示。如图1-51所示，图示位置是凸轮转角为零，从动件位移为零，从动件尖端位于离轴心O最近的位置A，称为起始位置。2.推程及从动件的升程 当凸轮以等角速度1，顺时针转过0时，凸轮轮廓AB段按一定运动规律将从动件尖顶由起始位置A推到最远位置B，这一过程称为推程，而与推程对应的凸轮转角0称为推程运动角。从动件移动的距离h称为从动件的升程。 凸轮继续转过s时，对应的凸轮轮廓BC段是圆弧，故从动件在最高位置

49、静止不动，对应的凸轮转角s称为远休止角。4.回程 凸轮继续转过h时，从动件在其重力或弹簧力作用下按一定运动规律沿CD段回到初始位置，这个过程称为回程，凸轮相应的转角h称为回程运动角。5.近休止角 凸轮继续转过s时，因凸轮轮廓DA段为圆弧，故从动件在最近位置静止不动，对应的凸轮转角s称为近休止角。凸轮继续转动时，从动件将重复上述过程。6.位移曲线 当凸轮顺时针转过角时，从动件就会产生一个位移s。用横坐标代表凸轮的转角，纵坐标代表从动件的位移，把从动件位移随凸轮转角的变化关系用曲线描绘出来，此曲线称为位移曲线，如图1-51（b）所示。7.压力角 如图1-52所示，压力角是在从动件与凸轮的接触点，从

50、动件的受力方向线（凸轮轮廓曲线的法线）与速度方向之间的夹角。凸轮机构的压力角随凸轮的转动不停地变化，凸轮给从动件的力Fn，可分解成沿从动件运动方向的分力Fy和沿接触点处凸轮的速度方向的分力Fx。Fy是推动从动杆运动的有效分力，而Fx只能使从动件与支承处的正压力增大，摩擦阻力增大，是有害分力。压力角越大，则有效分力Fy越小，而有害分力Fx越大。当仅增加到一定值时，有效分力Fy已不能克服由Fx所引起的摩擦阻力，从动件将会卡死。为了保证凸轮机构正常工作，并具有较高的传动效率，必须限制凸轮的最大压力角不得超过许用值。对于移动从动杆凸轮机构，推杆在推程时30，在回程时70。1.3.4从动件常用的运动规律

51、 设计凸轮机构时，首先应根据工作要求确定从动件的运动规律，然后再按照这一规律设计相应的凸轮轮廓曲线，即凸轮的轮廓形状。所谓运动规律是指从动件在运动过程中，其位移s、速度v和加速度a随时间t（凸轮转角）变化的规律。从动件常用的运动规律有等速运动和等加速等减速运动。1.等速运动规律 等速运动是从动件上升或下降的速度为一常数的运动。设凸轮机构的从动件以速度v作匀速运动，其位移s与时间t的关系为s=vt。凸轮以角速度作匀速运动，其转角的大小与时间t的关系为=t，即从动件的位移s与凸轮的转角成线性函数，因此等速运动规律的位移曲线是直线。如图1-53所示为等速运动线图。 由图1-53可以看出：运动刚开始时

52、，速度从零突变为v0，运动终止时，速度从v0突变为0，这时的瞬时加速度无穷大，从而引起刚性冲击，对构件产生破坏力。从动件作等速运动的凸轮机构只适用于低速、从动件质量轻的场合。 例如，某凸轮杌构与从动件作匀速运动，凸轮转角与从动件位移s的对应关系见表1-4。表1-4从动件的运动规律凸轮转角0180180270270360从动件位移等速上升20 mm等速下降20 mm停止不动根据上述条件可绘制出从动件等速运动规律的位移曲线，如图1-54所示。2.等加速等减速运动规律 当凸轮转速提高时，为避免刚性冲击，可使从动件采用等加速等减速运动规律。此时从动件在推程（或回程）的前半段行程作等加速运动，后半段行程

53、作等减速运动。通常，等加速段和等减速段时间相等，加速度的绝对值也相等。从动杆件位移、速度、加速度与凸轮转角的关系为 s=a222 v=a a=常数 等加速等减速运动线图如图1-55所示。 由图1-41可以看出：从动件在整个运动过程中，速度没有发生突变，避免了刚性冲击；但在加速度由正值变为负值时，会有柔性冲击。等加速等减速运动规律位移曲线作图方法如下：（1）画出坐标轴，横坐标代表凸轮转角，纵坐标代表从动件的位移s。（2）选取适当的长度比例尺和角度比例尺，在横坐标轴上按角度比例尺截取推程角1及其半角12，在纵坐标轴上按长度比例尺截取行程h及其一半h2。（3）将12分成若干等份，现取4等份，得分点1

54、，2，3，4。将h2取相同的等份，得分点1，2，3，4。连接顶点与各分点1，2，3，4，得斜线O1，O2，O3，O4，过分点1，2，3，4作垂线分别与斜线O1，O2，O3，O4相交于1，2，3，4。（4）用平滑的曲线连接顶点O及各交点1，2，3，4，即得到等加速段的位移曲线。可运用相似三角形的关系进行验证。（5)用同样的方法可画出等减速段及回程的位移曲线。除上述两种运动规律以外，从动件的运动规律还有简谐运动规律、摆线运动规律等，需要时可查阅相关资料。1.3.5凸轮和滚子的材料 凸轮机构工作时，往往要承受冲击载荷，同时凸轮表面有严重的磨损，凸轮轮廓磨损后将导致从动件运动规律发生变化。因此，要求凸

55、轮表面硬度要高且耐磨，而心部要有较好的韧性。在低速、轻载的场合，凸轮采用40号钢、45号钢调质；在中速、中载的场合，采用45号钢或40Cr钢表面淬火或20Cr钢渗碳淬火；在高速、重载的场合，采用40Cr钢高频感应加热淬火。 滚子通常采用45号钢或采用T9，T10等工具钢来制造，要求较高的滚子可用20Cr钢渗碳淬火处理。1.3.6凸轮轴 在发动机配气机构中，凸轮尺寸小且接近轴径时，凸轮与轴作成一体，称为凸轮轴，如图1-56所示。1.凸轮轴的功用 凸轮轴的主要功用是按照发动机的工作顺序、配气相位及气门开度的变化规律驱动和控制气门的开起和关闭。虽然在四冲程发动机里凸轮轴的转速是曲轴的一半（在二冲程发

56、动机中凸轮轴的转速与曲轴相同），不过通常它的转速依然很高，而且需要承受很大的转矩，因此，设计中要求凸轮轴具有足够的韧性和刚度。2.凸轮轴的构造 凸轮轴主要由各缸凸轮和轴颈组成，如图1-57所示。凸轮分为进气凸轮和排气凸轮两种，分别驱动进气门和排气门，使其按一定的工作顺序和配气相位及时开闭，并具有足够的气门升程。凸轮轴的轴颈一般都大于凸轮的轮廓，并从前向后依次减小，以便拆装。凸轮轴的前端装有正时齿轮或同步齿形带等。 凸轮轴安装在气缸盖上，或气缸体一侧（上置式或下置式）的座孔，或剖分式轴承座孔中，在轴承座孔中镶有巴氏合金或青铜薄壁衬套作为轴承。凸轮轴一般用优质钢模锻而成，也可采用合金铸铁或球墨铸铁

57、铸造。凸轮和轴颈的工作表面一般经热处理后精磨，以改善其耐磨性。【任务实施】（1）带着以下问题观察汽车配气机构实物、模型，并回答问题。配气机构的凸轮是哪种形式？配气机构中从动件属于哪种类型？凸轮和其支承轴是可分离的吗？凸轮在机构中是主动件吗？凸轮机构压力角是常数吗？（2）为什么要采用凸轮轴而不将轴和凸轮分开加工制造？（3）为什么对凸轮的表面结构要求很低？（4）凸轮机构压力角的大小对其工作有什么影响？【任务描述】 汽车停在斜坡上不会下滑是因为驻车制动器在起作用，是什么装置保证驻车制动器工作？驻车制动器的锁止装置是哪种装置呢？【学习目标】（1）了解间歇运动机构的特点。（2）掌握棘轮机构的组成。（3）

58、掌握棘轮机构的工作原理。（4）熟悉棘轮机构的类型。（5）了解槽轮机构的类型和应用。【专业知识】 某些机械中，主动件连续运动时，常要求从动件作周期性的时动时停的间歇运动。间歇运动在许多自动化机械中应用广泛，如牛头刨床的横向进给机构，电影放映机的送片机构等，都采用了间歇运动机构。现主要介绍以下两种间歇运动机构。1.4.1棘轮机构1.棘轮机构的组成和特点 如图1-58所示的是一种齿式棘轮机构，它由棘轮、棘爪和机架组成。主动摇杆1空套在棘轮的中心支承轴上，当它向左摆动时，其上的棘爪2在自重或弹簧的作用下嵌入棘轮3的齿槽内，推动棘轮逆时针转过一定角度，而止回棘爪4在棘轮的齿背上滑过。当摇杆1向右摆动时，

59、止回棘爪4借助弹簧嵌入到棘轮3的齿槽内，阻止棘轮顺时针转动，同时棘爪2在棘轮3的齿背上滑过，棘轮则静止不动。当摇杆作往复摆动时，棘轮作单向的间歇运动。摇杆的摆动可通过曲柄摇杆机构和凸轮机构来实现。 棘轮机构结构简单、制造方便、运动可靠，改变棘轮转角方便（如改变摇杆的摆角）。可实现步进运动、分度、超越运动和制动等。但棘轮机构在工作时，棘爪在棘轮齿背滑行时，在运动开始和终止的瞬间将引起刚性冲击、噪声和磨损，运动精度不高，平稳性差，常用于载荷不大、转速不高的场合。2.棘轮机构的类型及应用 棘轮机构按工作原理可分为齿式棘轮机构和摩擦式棘轮机构。其中应用较广泛的齿式棘轮机构类型较多，现分别介绍其特点及应

60、用实例。（1）外啮合棘轮机构。如图1-58所示，棘爪装在棘轮的外面，这种机构称为外啮合棘轮机构。在卷扬机提升机构中，为防止在升起过程中重物意外回落，采用外啮合棘轮机构可阻止卷筒倒转，起到安全保护作用，如图1-59所示。（2）内啮合棘轮机构。如图1-60所示，自行车后轴上的飞轮，棘爪2装在棘轮3的内部，这种机构称为内啮合棘轮机构。当脚蹬踏板时，经链轮和链条带动内圈有棘齿的链轮顺时针转动，再经棘爪带动后轮轴顺时针转动，从而驱动自行车前进。当自行车前进时，如果不蹬踏板，后轮轴借助惯性便会超越链轮而转动，让棘爪在棘齿背上滑过，产生从动件转速超过主动件转速的超越运动，从而实现自行车自动滑行。（3）单动式