汽车机械基础课件 项目五 汽车常用机构

项目五汽车常用机构汽车机械基础任务一平面机构的结构分析汽车常见四杆机构汽车凸轮机构与棘轮机构目录CONTENTS任务二任务三项目五汽车常用机构【情境再现】

情境12022年11月12日，李女士在某汽车4S店购买了一辆家用代步车（长安逸动），一辆新车刚买回就出现发动机声音很大的现象，这问题令车主感到困惑。发动机大多数常见异响的存在取决于发动机的转速状态，或者发动机的异响故障往往与发动机的工作循环有明显的关系，尤其是曲柄连杆机构和配气机构的异响都与工作循环有关。假如你是4S店服务人员，你该如何给李女士介绍这些更换项目和检查呢？

情境22021年12月1日，李女士在某汽车4S店购买了一辆家用代步车（吉利帝豪），但在行驶过程中，发现发动机怠速时，汽缸盖罩内发出有节奏的“嗒嗒嗒”的响声。假如你是4S店服务人员，你该如何给李女士介绍这些更换项目和检查呢？

分析：1、李女士购买的新车，怎么判断异响是由什么引起的？依据是什么？

2、作为4S店维修接待服务人员，想要为李女士提供维修服务，针对相关汽车常用机构，需要学习和掌握哪些相关知识？【目标导航】12掌握运动副的概念及其类型；初步掌握平面机构运动简图的绘制方法和分析方法。掌握平面机构自由度的方法了解铰链四杆机构的基本类型及应用；掌握四杆机构的传动特性和曲柄存在条件了解凸轮机构的类型、特点和应用；了解间歇运动机构的工作原理、传动特点及应用。3知识目标实践目标素养目标

会绘制平面机构运动简图

会计算平面机构的自由度

会判断四杆机构的类型；会利用四杆机构的传动特性解决实际问题

会用图解法设计凸轮轮廓培养学生树立理论联系实际的实践精神；培养学生良好的口头表达能力以及人际沟通能力；培养学生的团队精神和协作精神；培养学生树立严谨的工作态度和责任意识。平面机构的结构分析任务一任务一平面机构的结构分析任务描述汽车常用的机构有刮水器机构、前轮转向机构、内燃机配气机构等，这些机构的各组成部分之间是通过运动副连接的。那么，内燃机配气机构（见图5-1）采用了哪些运动副?内燃机配气机构的各构件之间具有确定的相对运动。那么，机构具有确定相对运动的条件是什么?图5-1内燃机配气机构1——挺柱2——气门3——弹簧4——摇臂5——推杆6——凸轮任务一平面机构的结构分析

一、平面机构的组成1．构件的自由度

做平面运动的构件相对于指定参考系具有的独立运动的数目，称为构件的自由度。如图5-2所示，一个在xOy平面内做平面运动的自由构件，具有三个独立的运动，即沿x轴和y轴的移动，以及绕任一垂直于xOy平面的轴线的转动。因此，做平面运动的自由构件具有三个自由度。平面机构是由多个构件，通过一定的约束关系有机地组合而成的。为了正确地分析或设计平面机构，必须了解构件的自由度、运动副和构件类型等知识。

图5-2构件的自由度任务一平面机构的结构分析

一、平面机构的组成

图5-2构件的自由度

2．运动副

在机构中，组成机构的各构件都应具有确定的相对运动，为传递运动，各构件间必须以某种方式进行相互连接。这种连接不是固定连接，而是能产生一定相对运动的连接。这种使两构件直接接触，并能产生一定相对运动的连接，称为运动副。如轴与轴承的连接、内燃机中活塞与气缸的连接、活塞与连杆的连接、传动齿轮两个齿轮轮齿间的连接等，都构成了运动副。

两构件组成运动副后，就限制了两构件间的某些相对运动，这种限制称为约束。构件受到约束后自由度便随之减少，运动副引入的约束数等于构件失去的自由度数。

任务一平面机构的结构分析

一、平面机构的组成

2．运动副

运动副中的两构件接触形式不同，其限制的运动也不同，其接触形式主要有点、线、面三种。按照两构件间的接触形式，通常把平面运动副分为低副和高副。（1）低副

两构件间通过面的形式接触而组成的运动副，称为低副。低副根据两构件间允许的相对运动形式不同，又可分为回转副和移动副。

①回转副

组成运动副的两构件只能绕某一轴线在一个平面内做相对转动，这种运动副称为回转副，又称为铰链。如图5-3（a）所示，构件1与构件2之间通过圆柱面接触而组成回转副。内燃机的曲轴与连杆、曲轴与机架、连杆与活塞之间都组成回转副。图5-3（a）回转副

任务一平面机构的结构分析

一、平面机构的组成

2．运动副

②移动副

组成运动副的两个构件只能沿某一方向做相对直线运动，这种运动副称为移动副。如图5-3（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。内燃机中的活塞与气缸之间组成移动副。

由于低副中两构件之间的接触为面接触，因此，容易制造和维修，承载能力大。承受相同载荷时，压强较低，不易磨损，使用寿命较长，故传力性能较好。但其效率低，不能传递较复杂的运动。

当两构件组成平面回转副时，两构件间便只具有一个独立的相对转动；当两构件组成平面移动副时，两构件间便只具有沿一个方向的独立的相对移动。因此，平面低副引入两个约束，使构件失去了两个自由度。图5-3（b）移动副

任务一平面机构的结构分析

一、平面机构的组成

（2）高副

两构件间通过点或线的形式相接触而组成的运动副，称为高副。如图5-4（a）所示的凸轮副和图5-4（b）所示的齿轮副都是高副。显然，构件2可以相对于构件1绕接触点A转动。同时，又可以沿接触点的公切线t-t方向移动，只有沿公法线n-n方向的运动受到限制。

由于高副中两个构件之间的接触为点接触或线接触，因此，制造和维修较困难，承载能力小。在承受载荷时，压强较高，接触处易磨损、使用寿命短。但高副比较灵活，能传递较复杂的运动，易于实现设计的运动规律。

两构件组成高副时，在接触处公法线n-n方向的移动受到约束，但保留了沿公切线t-t方向的移动和绕接触点A的转动。因此，平面高副引入一个约束，使构件失去了一个自由度。（a）凸轮副（b）齿轮副图5-4高副

任务一平面机构的结构分析

一、平面机构的组成

此外，常用的运动副还有图5-5（a）所示的球面副(球面铰链)及图5-5（b）所示的螺旋副。它们都是空间运动副，本任务不讨论。（a）球面副

（b）螺旋副

图5-5空间运动副任务一平面机构的结构分析

一、平面机构的组成

3．组成机构的构件类型

由上述分析可知，机构由构件和运动副组成。构件按其运动性质不同，可分为以下三类。

（1）机架

图5-6回转副的表示方法

机架是固定构件，用来支承活动构件。组成机构的构件中必有也只有一个构件为机架，其余构件为活动构件。图5-6所示的单缸内燃机中，气缸体就是固定构件，它用来支承活塞、曲轴等。研究机构中活动构件的运动时，常以机架作为参考系。任务一平面机构的结构分析

一、平面机构的组成

3．组成机构的构件类型

由上述分析可知，机构由构件和运动副组成。构件按其运动性质不同，可分为以下三类。

（2）原动件

原动件也称为主动件，是机构中有驱动力作用或已知运动规律的构件。原动件一般与机架相连，一个机构中必有一个或几个原动件。图0-6中的活塞就是原动件，其运动是由燃料燃烧形成的高压气体驱动的。任务一平面机构的结构分析

一、平面机构的组成

3．组成机构的构件类型

由上述分析可知，机构由构件和运动副组成。构件按其运动性质不同，可分为以下三类。

（3）从动件

图5-6回转副的表示方法

机构中随原动件运动而运动的所有活动构件称为从动件。图5-6中的连杆、曲轴等都是从动件。完成工作动作的从动件又称为执行构件。

由以上分析可知，一般机构由机架、原动件和从动件组成。特殊的机构可以没有从动件，但必须有原动件和机架，如电动机和液压油缸等。任务一平面机构的结构分析

二、机构运动简图的绘制

在研究机构运动特性时，为使问题简化，可不考虑构件和运动副的实际结构，只考虑与运动有关的构件数目、运动副类型及相对位置。按国家标准（GB/T4460—2013）以简图图形符号来表示机构构件和运动副，并按一定的比例确定运动副的相对位置及与运动有关的尺寸，这种表明机构的组成和各构件间真实运动关系的简明图形，称为机构运动简图。利用机构运动简图可以表达一部复杂机器的传动原理，可以进行机构的运动和动力分析。任务一平面机构的结构分析

二、机构运动简图的绘制1．机构运动简图图形符号（1）运动副的表示方法

回转副即为铰链，用圆圈表示，其圆心代表相对转动的轴线。两构件组成回转副的表示方法，如图5-6所示。组成移动副的两个构件中，将长度较短的块状构件称为滑块，将长度较长的槽状或杆状构件称为导槽或导杆，滑块、导槽、导杆的导路必须与相对移动方向一致。两构件组成移动副的表示方法，如图5-7所示。两构件组成高副时，需画出两构件接触处的曲线轮廓，如图5-8所示。

图5-7移动副的表示方法图

图5-6回转副的表示方法

图5-8高副的表示方法图任务一平面机构的结构分析二、机构运动简图的绘制（2）构件的表示方法轴、杆等构件图形符号的图线用两倍粗实线表示，块类构件图形符号用小方块表示。若构件固连在一起，则涂以焊接记号；画有斜线的构件代表机架。机构运动简图的常用图形符号见表5-1。任务一平面机构的结构分析

二、机构运动简图的绘制名称简图符号名称简图符号构件轴、杆机架基本符号两副构件机架是回转副的一部分机架是移动副的一部分三副构件平面高副齿轮副外啮合平面低副回转副齿轮副内啮合移动副凸轮副表5-1机构运动简图的常用图形符号任务一平面机构的结构分析二、机构运动简图的绘制2.机构运动简图的绘制方法和步骤

绘制机构运动简图时，首先，要分析清楚机构的组成和运动情况，明确三类构件，即机架、原动件和从动件，弄清组成该机构的构件数目；其次，仔细分析各构件间的相对运动关系，确定运动副的类型和数目，以及运动副间的相对位置；最后，选择适当的视图平面，按一定的比例尺，用规定的符号和线条绘制机构运动简图。机构运动简图的绘制方法和步骤如下所述。①分析机构的运动情况，找出机构的机架、原动件和从动件。②分析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。④按比例尺用规定的符号和线条绘制机构运动简图。任务一平面机构的结构分析

二、机构运动简图的绘制3．绘制机构运动简图时，原动件上应标有箭头。

例1-1绘制图0-6所示单缸内燃机的运动简图。

解：绘制单缸内燃机运动简图的步骤如下所述。

①分析机构的运动情况，找出机构的机架、原动件和从动件。由图0-6可知，内燃机壳体和气缸体9是一个整体，在内燃机中起机架的作用，气缸体9内的活塞1是原动件，连杆7、曲轴6和与之相固连的大齿轮4、小齿轮5、凸轮10和进气门推杆2都是从动件。任务一平面机构的结构分析二、机构运动简图的绘制

②分析构件间相对运动的性质，确定运动副的类型。该机构的运动由活塞1输入，活塞1与气缸体9组成移动副；活塞1与连杆7，连杆7与曲轴6，曲轴6与内燃机壳体之间组成回转副。运动经小齿轮5传到大齿轮4，它们之间是线接触，组成高副；小齿轮5与气缸体9组成回转副；大齿轮4与凸轮10连在一起为同一构件，凸轮10与进气门推杆2之间是线接触，组成高副；进气门推杆2与气缸体9组成移动副。

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。选择内燃机的主运动平面作为绘制单缸内燃机运动简图的平面。

④按比例尺用规定的符号和线条绘制机构运动简图。根据选择的绘图比例尺，用规定符号和线条画出所有构件和运动副，即可得到单缸内燃机的运动简图，如图5-9所示。图5-9单缸内燃机的运动简图任务一平面机构的结构分析三、机构具有确定相对运动的条件1．机构的自由度

为了使所设计的机构能够具有确定运动，必须研究机构的自由度和机构具有确定运动的条件。

机构中各构件相对于机架所具有的独立运动数目，称为机构的自由度。显然，机构的自由度应为所有活动构件自由度的总数与运动副引入的约束总数之差。

设一个平面机构由N个构件组成，其中必有一个构件为机架，则活动构件数为n=N-1。它们在没组成运动副之前，共有3n个自由度。由前述可知，平面低副引入两个约束，平面高副引入一个约束。若机构中各构件共组成PL个低副、PH个高副，则平面机构自由度F的计算公式为任务一平面机构的结构分析二、机构运动简图的绘制

例1-2计算图5-9所示单缸内燃机机构的自由度。

解：图中曲轴6与小齿轮5、凸轮轴3上凸轮10与大齿轮4皆固连在一起，故可分别视为一个构件。因此，可得活动构件数n=5，低副数高副数所以，该机构的自由度为：

图5-9单缸内燃机的运动简图任务一平面机构的结构分析二、机构运动简图的绘制2．计算机构自由度的注意事项（1）复合铰链

两个以上的构件在同一处以回转副相连，则称该连接为复合铰链。图5-10所示为三个构件在A点形成复合铰链。由图可知，这三个构件实际上组成了轴线重合的两个回转副，而不是一个回转副。一般地，K个构件形成的复合铰链具有（K-1）个回转副。计算自由度时，应注意找出复合铰链。图5-10复合铰链任务一平面机构的结构分析二、机构运动简图的绘制

（2）局部自由度

与机构运动无关的构件的独立运动称为局部自由度。如图5-11（a）所示的凸轮机构，为减少磨损，在从动件2的端部装有滚子3。凸轮1为原动件，当其逆时针转动时，通过滚子3使从动件2在导路中往复移动。显然，滚子3绕其自身轴线的转动，完全不会影响从动件2的运动，因而滚子3的这一转动属局部自由度。在计算该机构的自由度时，可将滚子与从动件看成一个构件，如图5-11（b）所示，这样就可以去除局部自由度。计算机构自由度时，局部自由度应除去不计。这时，该机构中n=2，PL=2，PH=1，其自由度F=3×2-2×2-1=1。

局部自由度虽不影响机构的运动关系，但可以减少高副接触处的摩擦和磨损。因此，在机械中常见有局部自由度的结构，如滚动轴承、滚子凸轮等。图5-11局部自由度

（a）滚子转动

（b）滚子不转动

任务一平面机构的结构分析二、机构运动简图的绘制（3）虚约束

机构中与其他约束重复，而对机构运动不起新的限制作用的约束称为虚约束。虚约束常出现在下列场合。

①两构件形成多个轴线重合的回转副。图5-12（a）所示曲轴与机架在A、B两处组成了两个回转副，图5-12（b）所示齿轮轴与机架在A、B两处组成了两个回转副。从运动关系看，只有一个回转副起约束作用，计算机构自由度时应按一个回转副计算。

图5-12回转副轴线重合的虚约束图

（a）曲轴与机架

（b）齿轮轴与机架任务一平面机构的结构分析二、机构运动简图的绘制

②两构件形成多个导路平行或重合的移动副。图5-13中，凸轮机构中的从动件2与机架4组成了两个导路重合的移动副，计算自由度时应只算作一个移动副。

上述两种虚约束情况都属于两构件形成多个作用相同的运动副。在判断时，应掌握两构件只能形成一个有效运动副的原则。

图5-13移动副导路重合的虚约束任务一平面机构的结构分析二、机构运动简图的绘制

③两构件上连接点的运动轨迹互相重合。如图5-14（a）所示的平行四边形机构，杆BC做平移运动，其上各点轨迹均为圆心在机架AD上、半径为AB的圆弧。该机构自由度

现若在该机构上加上构件EF,且EF//AB、EF=AB,构件EF上E点的轨迹与连杆BC上E点的轨迹重合，如图5-14（b）所示。显然，构件EF对该机构的运动并不产生任何影响，为虚约束。

因此，在计算机构自由度时，应将构件EF去除。应当注意，构件EF成为虚约束的几何条件为EF∥AB、EF=AB，否则构件EF将变为实际约束，其自由度使机构不能运动。

（a）平行四边形机构（b）虚约束图5-14运动轨迹互相重合的虚约束任务一平面机构的结构分析二、机构运动简图的绘制

④机构中具有对运动不起作用的对称部分。如图5-15（b）所示的行星轮系，为使受力均匀，有三个相同的行星轮对称布置。从运动关系看，只需一个行星轮2就能满足运动要求，如图5-15（a）所示，其余行星轮及其所引入的高副均为虚约束，应除去不计。该机构的自由度

综上所述，虚约束虽对机构运动不起约束作用，但为改善机构的刚性或受力情况，虚约束在机构设计中被广泛采用。计算机构自由度时，虚约束应除去不计。

（a）运动简图（b）行星轮对称布置图5-15对称结构引入的虚约束任务一平面机构的结构分析二、机构运动简图的绘制

例1-3计算图5-16（a）所示筛料机构的自由度。

解：经分析可知，机构中滚子F处有一个局部自由度。推杆DF与机架组成两导路重合的移动副E、E’，故其中之一为虚约束。C处为复合铰链，弹簧不起限制自由度作用。去除局部自由度和虚约束后，按图5-16（b）所示的机构计算自由度。机构中n=7,PL=9,PH=1,其自由度为（a）平行四边形机构

（b）虚约束

图5-16筛料机构任务一平面机构的结构分析二、机构运动简图的绘制

例1-4计算图5-17所示冲压机构的自由度。

解：经分析可知，机构中滚子D处有一个局部自由度；杆GG'与机架组成两导路重合的移动副，故其中之一为虚约束；B处为复合铰链。去除局部自由度和虚约束后，计算机构自由度。机构中其自由度为

图5-17冲压机构

任务一平面机构的结构分析二、机构运动简图的绘制3．机构具有确定运动的条件

通常，机构的原动件只能输入一个独立运动。显然，只有机构的自由度大于零，机构才有可能运动。同时，只有给机构输入的独立运动数目与机构的自由度数相等，该机构才能有确定的运动。例如，例5-3中筛料机构的自由度为2，从图5-16中可看出，其原动件数也为2，因此，该机构具有确定的相对运动。

图5-18所示四杆机构中，原动件数等于2，机构自由度构件要同时满足原动件AB和原动件CD的给定运动，则势必将杆BC拉断。图5-19所示为一个三构件组合体，但各构件之间无法相对运动，所以它不是机构。图5-20所示为一个五杆机构，当只给定构件AB运动时，其余构件的运动并不确定。

图5-18四杆机构图

图5-19三构件组合体图5-20五杆机构任务一平面机构的结构分析二、机构运动简图的绘制

综上所述，当机构自由度数小于原动件数时，机构不能运动；当机构自由度数大于原动件数时，机构的运动不确定；只有当机构自由度数大于零且等于原动件数时，机构才具有确定的相对运动。

因此，机构具有确定相对运动的条件为：机构的自由度数大于零，且等于机构的原动件数。

总之，机构自由度的计算和其运动确定性的分析，可帮助设计人员判断其合理性，同时也有助于设计人员判断所绘制机构运动简图的正确性。任务一平面机构的结构分析总结机构具有确定运动的条件机构的自由度计算机构自由度的注意事项两构件形成多个轴线重回的回转副两构件形成多个导路平行或重合的移动副两构件上连接点的运动轨迹互相重合机构中具有对运动不起作用的对称部分虚约束复合铰链局部自由度平面机构的结构分析平面机构的组成构件的自由度回转副低副移动副运动副高副从动件原动件组成机构的构建类型机架机构具有确定相对运动的条件机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制方法和步骤构件的表示方法运动副的表示方法机构运动简图图形符号汽车常见四杆机构任务二任务二汽车常见四杆机构任务描述汽车风窗刮水器（见图5-21）、汽车前轮转向机构（见图5-22）、汽车车门启闭机构（见图5-23）采用的都是四杆机构，进而实现车窗玻璃的清洁、汽车的转向和车门的启闭。那么，汽车风窗刮水器、汽车前轮转向机构、汽车车门启闭机构分别采用的是哪种四杆机构?是怎样进行工作的?图5-21汽车风窗刮水器图5-22汽车前轮转向机构图5-23汽车车门启闭机构任务二汽车常见四杆机构一、平面连杆机构

平面连杆机构是由一些刚性构件用回转副和移动副相互连接而组成的机构。低副是面接触，耐磨损；回转副和移动副的接触表面是圆柱面和平面，制造简便，易于获得较高的制造精度。因此，平面连杆机构在各种机械和仪器中获得广泛使用。但低副中存在间隙，数目较多的低副会引起运动累积误差；而且它的设计比较复杂，不易精确地实现复杂的运动规律。

由四个构件组成的平面连杆机构称为平面四杆机构。根据有无移动副的存在，平面四杆机构可分为铰链四杆机构和滑块四杆机构两大类。在平面四杆机构中，铰链四杆机构是最基本的形式，其他四杆机构可以看作铰链四杆机构的演化形式。任务二汽车常见四杆机构一、平面连杆机构1．铰链四杆机构的组成

全部用回转副相连的平面四杆机构称为平面铰链四杆机构，简称铰链四杆机构。铰链四杆机构的组成如图5-24所示。机构中相对固定不动的构件4称为机架，与机架4相连的构件1、构件3称为连架杆，不与机架直接相连的构件2称为连杆。相对机架可做360°整周回转运动的连架杆，又称为曲柄；相对机架做小于360°往复摆动的连架杆，又称为摇杆。图5-24铰链四杆机构任务二汽车常见四杆机构一、平面连杆机构2．铰链四杆机构的基本类型

在铰链四杆机构中，两个连架杆可以一个是曲柄一个是摇杆，也可以都是曲柄或都是摇杆。因此，铰链四杆机构有三种基本类型，即曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。（1）曲柄摇杆机构

铰链四杆机构的两连架杆中，如果一个为曲柄（AB杆），另一个为摇杆（CD杆），则称为曲柄摇杆机构，如图5-25所示。曲柄摇杆机构的主要用途是改变运动形式，它可以将曲柄的回转运动转变为摇杆的往复摆动，如图5-26所示的雷达天线俯仰机构；也可以将摇杆的往复摆动转变为曲柄的回转运动，如图5-27所示的缝纫机踏板机构；或实现所需的运动轨迹，如图5-28所示的搅拌机机构。

图5-25曲柄摇杆机构图5-26雷达天线俯仰机构

图5-27缝纫机踏板机构

图5-28搅拌机机构任务二汽车常见四杆机构一、平面连杆机构（2）双曲柄机构

铰链四杆机构的两连架杆（BC杆与AD杆）均为曲柄时，称为双曲柄机构，如图5-29所示。双曲柄机构能将主动曲柄的整周回转运动转换为从动曲柄的整周回转运动。

一般双曲柄机构中的两曲柄的长度不相等，连杆与机架的长度也不相等。因而，当主动曲柄做匀速运动时，从动曲柄做周期性的变速运动。图5-30所示的惯性筛就是利用了双曲柄机构的这个特点。当主动曲柄1匀速回转时，从动曲柄3变速回转，通过构件5使筛子6做变速往复直线运动，达到筛分物料的目的。图5-29双曲柄机构图

图5-30惯性筛机构任务二汽车常见四杆机构一、平面连杆机构

当双曲柄机构中相对的两杆长度分别相等时，该双曲柄机构称为平行双曲柄机构或平行四边形机构，如图5-31所示，有正平行双曲柄机构和反平行双曲柄机构两种。正平行双曲柄机构的运动特点是两曲柄AB和CD的转向相同，且角速度相等，连杆做平动。反平行双曲柄机构的运动特点是两曲柄AB和CD的转向相反，且角速度不等。图5-32所示的机车车轮联动机构，就是正平行双曲柄机构的应用实例。图5-31平行双曲柄机构

图5-32机车车轮联动机构（a）正平行双曲柄机构

（b）反平行双曲柄机构任务二汽车常见四杆机构一、平面连杆机构（3）双摇杆机构

铰链四杆机构的两连架杆（BC杆与AD杆）均为摇杆时，称为双摇杆机构，如图5-33所示。双摇杆机构的两个摇杆只能在一定的角度内摆动。图5-34所示的港口起重机是典型的双摇杆机构的应用实例，当摇杆CD摆动时，摇杆AB随之摆动，连杆BC上挂重物的M点的运动轨迹近似一水平直线，这样可以节省动力的消耗。图5-33双摇杆机构

图5-34港口起重机任务二汽车常见四杆机构二、铰链四杆机构类型的判别

铰链四杆机构三种基本类型的主要区别在于，连架杆是否为曲柄和存在几个曲柄。机构是否有曲柄存在，取决于机构中各构件的相对长度和最短杆所处的位置。

①当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，可得到如下结论。a．若最短杆为连架杆，该机构一定是曲柄摇杆机构。b．若最短杆为机架，该机构一定是双曲柄机构。c．若最短杆为连杆，该机构一定是双摇杆机构。

②当最短杆与最长杆长度之和大于其他两杆长度之和时，则无论取哪一个构件为机架，都无曲柄存在，机构只能是双摇杆机构。

③当构件的长度具有特殊的关系，如不相邻的杆长度两两分别相等，则该机构无论以哪个构件为机架，都是双曲柄机构（正平行双曲柄机构或反平行双曲柄机构）。

综上，铰链四杆机构存在曲柄的条件是：①最短杆与最长杆的长度之和≤其他两杆长度之和；

②连架杆和机架中必有一杆是最短杆。任务二汽车常见四杆机构二、铰链四杆机构类型的判别例1-5图5-35所示的铰链四杆机构中,杆AB长L₁=70mm,杆BC长.杆CD长杆AD长试判断其类型。

解：分析最短杆AB与最长杆AD之和与其他两杆之和的关系。因为

所以又因为最短杆AB为连架杆，所以，该铰链四杆机构为曲柄摇杆机构。

图5-35铰链四杆机构任务二汽车常见四杆机构三、铰链四杆机构的基本性质1．急回特性

如图5-36所示的曲柄摇杆机构，设曲柄AB为原动件，摇杆CD为从动件，曲柄每转一周的过程中，曲柄与连杆BC有两次共线，此时摇杆CD分别处于左、右两个极限位置C₁D和C₂D。当摇杆处于两极限位置时，曲柄在两相应位置所夹的锐角θ称为极位夹角。

图5-36曲柄摇杆机构急回特性任务二汽车常见四杆机构三、铰链四杆机构的基本性质

由图5-36可知，当曲柄以角速度ω匀速转过180°+θ时,摇杆从C₁D摆至C₂D,称为推程或正行程，所需时间为t₁，C点的平均速度为v₁;当曲柄再转过180°-θ时,摇杆从C₂D摆回至C₁D，称为回程或反行程，所需时间为t₂，C点的平均速度为v₂。不难看出，由于所以，。又由于摇杆上C点从C1到C2和从C2到C1的摆角相等，而所用时间却不同，所以往返的平均速度也不同，即这种回程比推程的平均速度快的运动特性，称为曲柄摇杆机构的急回特性。

机构的急回特性常用行程速比系数K表示，即

由上式可见，K值大小取决于极位夹角θ：当θ=0°时，K=1，机构没有急回特性；当θ>0°时，K>1，机构具有急回特性。K值的大小反映了机构的急回程度，K值越大，急回特性越明显；反之，则越不明显。通常利用机构的急回特性，缩短回程（非生产）时间，提高劳动生产率。任务二汽车常见四杆机构三、铰链四杆机构的基本性质2．压力角与传动角

在设计和选用四杆机构时，不但应保证实现给定的运动要求，还应使机构具有较好的传力性能，以使机构运转灵活、轻便，效率高。机构的传力性能与压力角有关。压力角和传动角是反映机构传力性能的重要标志。

图5-37曲柄摇杆机构压力角和传动角任务二汽车常见四杆机构三、铰链四杆机构的基本性质

在图5-37所示的曲柄摇杆机构中，取曲柄AB为原动件，摇杆CD为从动件。若忽略各构件质量和运动副中的摩擦，则曲柄AB通过连杆BC作用于摇杆CD上C点的力F沿BC方向，它与受力点C的绝对速度v。之间所夹的锐角α称为压力角。力F沿v。方向的分力

是推动从动件运动的有效分力；而沿摇杆轴心线方向的分力

会增大运动副中的摩擦和磨损，对机构传动不利，故称为有害分力。显然，压力角α越小，有效分力.越大，有害分力₁越小，机构的传力性能越好。压力角的余角，即连杆与从动件间所夹的锐角称为传动角，用γ表示。压力角越小，传动角越大，机构的传力效果越好。任务二汽车常见四杆机构三、铰链四杆机构的基本性质3．死点位置

在图5-38所示的曲柄摇杆机构中，若摇杆CD为原动件，曲柄AB为从动件，则当摇杆CD处于两极限位置时，从动曲柄AB与连杆BC共线（AB₁与共线、AB₂与共线），主动摇杆CD通过连杆BC传给从动曲柄AB的作用力通过曲柄的转动中心。此时，曲柄的压力角α=90°，传动角γ=0°，无法推动曲柄AB转动，机构的这个位置称为死点位置。图5-38曲柄摇杆机构死点位置任务二汽车常见四杆机构三、铰链四杆机构的基本性质

铰链四杆机构中有无死点位置，取决于从动件是否与连杆共线。对曲柄摇杆机构而言，当曲柄为原动件时，摇杆与连杆无共线位置，不出现死点。此外，当机构在运动中通过死点位置时，从动曲柄有可能会产生不确定的情况，既可能顺时针回转，也可能逆时针回转。因此，死点位置对机构的传动是有害的，应设法避免。

通常利用构件的惯性作用，使机构通过死点，缝纫机就是借助带轮的惯性使机构通过死点位置的；单缸发动机的曲轴在运动过程中，是依靠具有较大质量的飞轮的惯性，顺利通过死点位置（活塞处于上、下止点），并使从动曲柄转向不变的。任务二汽车常见四杆机构三、铰链四杆机构的基本性质

工程上，有时也利用死点位置提高机构工作的可靠性。如图5-39所示的飞机起落架，当机轮着陆时，BC杆和CD杆共线，机构处于死点位置，即使机轮受到很大的力，构件BC也不会使CD杆转动（起落架不会折回），使飞机着陆可靠。又如图5-40所示的钻床工件夹紧装置，当工件被夹紧后，BCD成一条直线，机构处于死点位置，无论工件的反力多大，夹紧装置上的夹具也不会自行松脱。图5-39飞机起落架死点位置图5-40钻床工件夹紧装置死点位置任务二汽车常见四杆机构四、铰链四杆机构的演化形式1．曲柄滑块机构

在曲柄摇杆机构中，将一个回转副转化为一个移动副时，该机构就转化为曲柄滑块机构。图5-41所示的机构，连架杆AB绕相邻机架4做整周转动，是曲柄；另一连架杆3在移动副中沿机架导路滑动，称为滑块。因此，该机构称为曲柄滑块机构。图5-42所示的内燃机中的曲柄连杆机构就是曲柄滑块机构的应用。

图5-42内燃机中的曲柄滑块机构图5-41曲柄滑块机构

汽车机构中，还有由铰链四杆机构演变而成的机构。一般可通过将铰链四杆机构的回转副转化为移动副，获得相应的派生机构。凡含有移动副的四杆机构，简称滑块四杆机构。本任务分析两种汽车中常用的滑块机构，即曲柄滑块机构和曲柄摇块机构。任务二汽车常见四杆机构二、铰链四杆机构的基本性质2．曲柄摇块机构

如图5-43所示，取与滑块铰接的杆件2作为机架，当杆件1的长度小于杆件2（机架）的长度时，则杆件1能绕B点做整周转动，滑块3与机架2组成回转副而绕C点转动，故该机构称为曲柄摇块机构。图5-44所示的自卸车翻斗机构就是曲柄摇块机构的应用。在自卸车翻斗机构中，当油缸中压力油推动活塞杆运动时，车厢便绕回转副中心倾斜，当达到一定角度时，物料就自动卸下。图5-43曲柄摇块机构

图5-44自卸车翻斗机构任务二汽车常见四杆机构

总结汽车常见四杆机构平面连杆机构铰链四杆机构的演化形式曲柄滑块机构曲柄摇块机构铰链四杆机构的组成双摇杆机构双曲柄机构曲柄摇杆机构铰链四杆机构的基本类型铰链四杆机构的基本性质铰链四杆机构类型的判别死点位置压力角与传动角急回特性汽车凸轮机构与棘轮机构任务三任务三汽车凸轮机构与棘轮机构任务描述

汽车内燃机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要迅速打开，随即迅速关闭，然后保持关闭不动。汽车停在斜坡上不会下滑是驻车制动锁止机构在起作用。那么，内燃机配气机构[见图5-48（a）]采用的是哪种机构，是怎样进行工作的?驻车制动锁止机构[见图5-48（b）]采用的又是哪种机构，是怎样进行工作的?（a）内燃机配气机构

（b）驻车制动锁止机构

图5-48内燃机配气机构与驻车制动锁止机构任务三汽车凸轮机构与棘轮机构一、凸轮机构（一）凸轮机构的组成与特点

1．凸轮机构的组成

凸轮机构是由凸轮1、从动件2和机架3三个基本构件组成的高副机构，如图5-49所示。凸轮是一个具有特定曲线轮廓（或凹槽）的构件，一般为主动件，做回转运动或往复移动。与凸轮轮廓接触的从动件一般做往复移动或摆动，称为从动杆动。从动件靠重力或弹簧力与凸轮紧密接触。

在凸轮机构中，当凸轮转动时，借助凸轮本身的曲线轮廓或凹槽迫使从动件做一定的运动，即从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线或凹槽曲线的形状。图5-49凸轮机构1-凸轮2-从动件3-机架任务三汽车凸轮机构与棘轮机构一、凸轮机构2．凸轮机构的特点

凸轮机构的主要优点是结构简单、工作可靠、设计方便，只要做出适当的凸轮轮廓，就可以使从动件得到预定的复杂运动规律。其缺点是凸轮轮廓加工较为困难，凸轮轮廓精度要求高时、需用数控机床进行加工。而且，凸轮副是点接触或线接触的高副，接触应力较大，易磨损。所以，凸轮机构通常用于传力不大的调节机构或控制机构中。任务三汽车凸轮机构与棘轮机构一、凸轮机构（二）凸轮机构的类型

根据凸轮和从动件的不同形状和运动方式，凸轮机构有以下几种分类方式。

1．按凸轮的形状分类（1）盘形凸轮

盘形凸轮是凸轮的最基本形式，如图5-50所示。它是一个绕固定轴线转动并具有变化向径的盘形构件，结构简单，应用最广，但从动件的行程不能太大，故多用于行程较短的场合。图5-50盘形凸轮任务三汽车凸轮机构与棘轮机构一、凸轮机构（2）移动凸轮

移动凸轮（又称板状凸轮）是一个具有曲线轮廓，并做往复直线运动的构件，如图5-51所示。当盘形凸轮的回转中心趋于无穷大时，即成为移动凸轮。（3）圆柱凸轮

圆柱凸轮是一个在圆柱端面上做出曲线轮廓或在圆柱面上开有曲线凹槽的构件，并绕其轴线旋转，如图5-52所示。它的从动件可以获得较大的行程，适用于行程较大的场合。图5-51移动凸轮

图5-52圆柱凸轮任务三汽车凸轮机构与棘轮机构一、凸轮机构2．按从动件的形状分类

（1）尖顶从动杆

尖顶从动杆以尖顶与凸轮轮廓接触，如图5-53（a）所示。这种从动杆结构最简单，能与任何复杂的凸轮轮廓保持接触，故可使从动杆实现任意的运动规律。但尖顶易磨损，故仅适用于传力不大、低速及要求传动灵敏的场合，如仪表、记录仪等。（2）曲面从动杆

为了克服尖顶从动杆的缺点，可以把从动杆的端部做成曲面，称为曲面从动杆。曲面从动杆以曲面与凸轮轮廓接触，如图5-53（b）所示。这种从动杆在生产中应用较多。

图5-53从动杆的形状

（b）曲面从动杆（a）尖顶从动杆

任务三汽车凸轮机构与棘轮机构一、凸轮机构（3）滚子从动杆

滚子从动杆的端部铰接一个滚子，并以滚子与凸轮轮廓接触，如图5-53（c）所示。由于滚子与凸轮轮廓是线接触，又是滚动摩擦，磨损较小且均匀，所以，它可用于传递较大的力，故应用最广泛。（4）平底从动杆

平底从动杆以平底与凸轮轮廓接触，如图5-53（d）所示。由于平底与凸轮之间容易形成楔形油膜，因此利于润滑和减少磨损。不计摩擦时，凸轮给从动杆的作用力始终垂直于平底，传动效率较高，故常用于高速凸轮机构中。但平底从动杆不能与具有内凹或凹槽轮廓的凸轮相接触。图5-53从动杆的形状（d）平底从动杆（c）滚子从动杆

任务三汽车凸轮机构与棘轮机构一、凸轮机构3．按从动件的运动方式分类（1）移动从动杆

移动从动杆相对于机架做往复直线移动，如图5-49所示。（2）摆动从动杆

摆动从动杆相对于机架做往复摆动，如图5-50所示。图5-49凸轮机构1-凸轮2-从动件3-机架图5-50盘形凸轮任务三汽车凸轮机构与棘轮机构一、凸轮机构（三）凸轮机构的应用

凸轮机构在汽车中主要应用于发动机配气机构（在凸轮轴上）。凸轮轴是汽车中不可缺少的、非常重要的零件。按凸轮轴的布置位置，凸轮轴可分为凸轮轴上置式、凸轮轴中置式和凸轮轴下置式三种。按凸轮轴的数量，凸轮轴可分为单顶置凸轮轴和双顶置凸轮轴两种。单顶置凸轮轴直接驱动进、排气门；双顶置凸轮轴一根控制进气门、一根控制排气门。双顶置凸轮轴是多气门发动机必不可少的配备，现在的发动机大都采用双顶置凸轮轴（奥迪、丰田等）设计。有些V型气缸的发动机甚至会配备四根凸轮轴。

凸轮机构在机械传递和自动控制装置中的应用也比较广泛，其应用实例如下所述。任务三汽车凸轮机构与棘轮机构一、凸轮机构1．靠模车削机构

靠模车削机构如图5-54所示。靠模板4（相当于移动凸轮）固定在车床床身上。车削加工时，工件1旋转，刀架3带动车刀2（从动件）沿工件轴向移动，由靠模板曲线轮廓控制车刀相对于工件的径向进给；车刀按预定规律动作，从而车削出具有曲面轮廓的工件。

图5-54靠模车削机构

1-工件

2-车刀

3-刀架

4-靠模板任务三汽车凸轮机构与棘轮机构一、凸轮机构2．自动进刀机构

自动进刀机构如图5-55所示。带有曲线凹槽的圆柱凸轮1转动时，凹槽的侧面推动摆杆2端部的滚子，使摆杆绕固定铰链的回转中心C摆动，摆杆另一端的扇形齿轮与刀架底部的齿条相啮合，使刀架实现进刀和退刀动作。

图5-55自动进刀机构

1-圆柱凸轮2-摆杆任务三汽车凸轮机构与棘轮机构一、凸轮机构3．自动送料机构

自动送料机构如图5-56所示。当带有凹槽的圆柱凸轮1转动时，通过槽中的滚子，驱使从动件2按一定运动规律做往复移动，从动件即将储料器中的坯料推出，送到加工位置。凸轮每转一周，运送一个坯料到加工位置。

图5-56自动送料机构1-圆柱凸轮

2-从动件任务三汽车凸轮机构与棘轮机构一