机械原理优秀课件—第八章 平面连杆机构及()..其设计
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机械原理课件第8章平面连杆机构及其设计
机械原理课件第8章平面 连杆机构及其设计
本章介绍了平面连杆机构的基本概念、分类、运动分析方法和设计原则，以 及通过设计实例来展示平面连杆机构的应用。让我们一起探索这个有趣而重 要的机械原理领域吧！
平面连杆机构简介
平面连杆机构是机械工程中常见的一类机构，由连杆和铰链连接而成。它们的运动以及如何将动力传递 至其他部件都是设计时需要考虑的重要因素。
以汽车发动机中的连杆机构设计为例，通过优化连杆长度和转动角度，提高 功率输出和燃油效率。
平面连杆机构的设计步骤
1
需求分析
明确机构的工作要求，包括运动形式、
构想设计
2
速度要求等。
根据需求，初步构想机构的组成和结
构形式，并进行快速仿真验证。
3
细化设计
对构想设计进行细化，确定材料、尺
制造和调试
4
寸和制造工艺等。
按照设计图纸制造机构，并进行装配 和调试，确保运动性能符合要求。
平面连杆机构设计实例
平面连杆机构的基本组成
连杆
连杆是平面连杆机构中最基本的元件，常见的包括曲柄、摇杆和滑块。
铰链
铰链是连接连杆的关节，它们允许连杆相对运动，并使机构能够完成所需的动作。
驱动力
驱动力（如电机或手动操作）通过连杆传递运动，实现机构的工作。
平面连杆机构的分类
曲柄摇杆机构
曲柄摇杆机构由一个曲柄和一 个摇杆组成，广泛用于活塞式 发动机和机械手臂等应用中。
双摇杆机构
双摇杆机构由两个摇杆组成， 常用于切割机、绞盘等需要定 向力的设备。
滑块曲柄机构
滑块曲柄机构包括一个滑块和 一个曲柄，常见于发动机的曲 轴机构。
平面连杆机构的运动分析方法
1 刚体分析法
本章介绍了平面连杆机构的基本概念、分类、运动分析方法和设计原则，以 及通过设计实例来展示平面连杆机构的应用。让我们一起探索这个有趣而重 要的机械原理领域吧！
平面连杆机构简介
平面连杆机构是机械工程中常见的一类机构，由连杆和铰链连接而成。它们的运动以及如何将动力传递 至其他部件都是设计时需要考虑的重要因素。
以汽车发动机中的连杆机构设计为例，通过优化连杆长度和转动角度，提高 功率输出和燃油效率。
平面连杆机构的设计步骤
1
需求分析
明确机构的工作要求，包括运动形式、
构想设计
2
速度要求等。
根据需求，初步构想机构的组成和结
构形式，并进行快速仿真验证。
3
细化设计
对构想设计进行细化，确定材料、尺
制造和调试
4
寸和制造工艺等。
按照设计图纸制造机构，并进行装配 和调试，确保运动性能符合要求。
平面连杆机构设计实例
平面连杆机构的基本组成
连杆
连杆是平面连杆机构中最基本的元件，常见的包括曲柄、摇杆和滑块。
铰链
铰链是连接连杆的关节，它们允许连杆相对运动，并使机构能够完成所需的动作。
驱动力
驱动力（如电机或手动操作）通过连杆传递运动，实现机构的工作。
平面连杆机构的分类
曲柄摇杆机构
曲柄摇杆机构由一个曲柄和一 个摇杆组成，广泛用于活塞式 发动机和机械手臂等应用中。
双摇杆机构
双摇杆机构由两个摇杆组成， 常用于切割机、绞盘等需要定 向力的设备。
滑块曲柄机构
滑块曲柄机构包括一个滑块和 一个曲柄，常见于发动机的曲 轴机构。
平面连杆机构的运动分析方法
1 刚体分析法
机械原理课件8平面连杆机构与设计说明
切向分力:
法向分力:
FFco sFsin FFcos
n
▲切向分力F ′越大,机构的传力
性能越好,法向分力 F″越大,机
构的传力性能越差
B
结论：
A
为保证机构的传力
F″
t
C γα F
F′ t
F ″ T′
D
F′
性能，压力角α不能
过大，传动角γ不能过小。
设计时要求:γmin≥50°
γmin出现的位置：
当 最小或最大时，都有可能出现
§8－2平面四杆机构的类型和应用
一. 平面四杆机构的基本形式 铰链四杆机构
双曲柄机构
曲柄摇杆机构
双摇杆机构
各铰部链名四称杆及机运构动形式 机是构架平的面基固四本定杆形的机式构件 连架杆 直接与机架相连接的杆件
连杆
B
铰曲链柄曲四柄能杆摇整机杆周构机转的构动三的种构基件本形式连为架：杆
A
摇杆 只双能曲做柄非机整构周摆动的连架杆
A
4
B
A1
2 3 C 导杆机构,动画
4
转动导杆机构 摆动导杆机构
曲柄滑块机构演化实例
B 1
A
2 3
4
C
曲柄摇块机构〔连杆作机架
B 1 A
4
2
C 3
DC
B A
自卸卡车举升机构
移动导杆机构
B BBB 11 1
222
A AA A
3333 CCC 444
B 1
A
2 3
4
C
曲柄滑块机构
B 1
A
手摇唧筒
2 3
F’ E’
C’
D’
G’
《机械原理》第八章第2讲平面连杆机构及其设计PPT课件
设计步骤：
1、计算极位夹角θ θ=180°(K-1)/(K+1)
2、任取一点D为摇杆固定 铰链中心 ，作等腰三角形 C1C2D，两腰长度等于CD， ∠C1DC2=φ 。
1. 按给定的连杆位置设计四杆机构（续）
◆已知连杆长度，要求机构在运动过程中占据图示 B1C1、B2C2、B3C3三个位置，试设计该四杆机构。
设计步骤：
b12
B1
B2
C1 b23
C2
c23 C3
B3
D
A
2020年9月28日
8
2. 按两连架杆的预定位置设计四杆机构
（1）设计方法 机架转换法或反转法：指根据机构的倒置理论，通
满足预定运动的规 律要求机构示例：
利用两连架杆的转 角关系实现对数计算。
对数计算机构
车门开闭机构 动画
2020年9月28日
设计时要求两连架杆的 转角应大小相等，转向相反， 以实现车门的起闭。
4
一、平面连杆设计的基本问题（续）
又称为刚体引导问题 （2）满足预定的连杆位置要求
即要求连杆能依次占据一系列的预定位置。
2020年9月28日
13
2. 按两连架杆的预定位置设计四杆机构（续） ◆给定两连架杆的对应位置设计四杆机构。
已知：连架杆AB和机架AD的长度，两连架杆三组对应 位置AB1 、AB2 、AB3 和DE1、DE2、DE3。 要求：设计该铰链四杆机构。
提示：用机架转换法，既改
取连架杆CD作为机架，原先
的机架AD作为连架杆，则B
第8章 平面连杆机构及其设计
◆平面四杆机构的基本知识
▲铰链四杆机构有曲柄的条件 ▲四杆机构传动角及压力角
◆平面四杆机构的设计
机械原理 平面连杆机构及设计课件
能。
连杆机构的力设计
力学模型建立Leabharlann 强度与刚度校核传动效率优化
连杆机构的优化设计
目标函数确定
约束条件设置
优化算法应用
设计结果验证
04
平面连杆机构的案例分析与实践
典型连杆机构的设计案例解析
案例一：曲柄摇杆机构设计
• 该案例详细解析了曲柄摇杆机构的工作原理和设计方法，通过改变曲柄长度和摇杆角度实 现不同的运动轨迹。
机械原理 平面连杆机构 及设计课 件
• 引言 • 平面连杆机构基础知识 • 平面连杆机构的设计原理与方法 • 平面连杆机构的案例分析与实践 • 先进设计方法与工具介绍 • 课程总结与前景展望
01
引言
机构设计的重要性
功能性
安全性 经济性
平面连杆机构的应用领域
01
交通运输
02
农业机械
03
工程机械
04
轻工机械
课程目标与学习内容概述
01
02
03
04
05
06
02
平面连杆机构基础知识
平面连杆机构的定义和分类
定义
分类
根据连杆和铰链的连接方式及运动特 征，平面连杆机构可分为四类，即曲 柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机 构和移动导杆机构。
机构运动的基本原理
01
02
传动原理
运动学原理
03 动力学原理
• 曲柄摇杆机构是一种常见的连杆机构，广泛应用于往复运动和旋转运动之间的转换。通过 调整曲柄长度和摇杆角度，可以精确控制输出运动的轨迹和特性。设计时需要考虑到机构 的传动性能、刚度和耐磨性等因素。
典型连杆机构的设计案例解析
01 02 03
机构设计实践：简单连杆机构设计
连杆机构的力设计
力学模型建立Leabharlann 强度与刚度校核传动效率优化
连杆机构的优化设计
目标函数确定
约束条件设置
优化算法应用
设计结果验证
04
平面连杆机构的案例分析与实践
典型连杆机构的设计案例解析
案例一：曲柄摇杆机构设计
• 该案例详细解析了曲柄摇杆机构的工作原理和设计方法，通过改变曲柄长度和摇杆角度实 现不同的运动轨迹。
机械原理 平面连杆机构 及设计课 件
• 引言 • 平面连杆机构基础知识 • 平面连杆机构的设计原理与方法 • 平面连杆机构的案例分析与实践 • 先进设计方法与工具介绍 • 课程总结与前景展望
01
引言
机构设计的重要性
功能性
安全性 经济性
平面连杆机构的应用领域
01
交通运输
02
农业机械
03
工程机械
04
轻工机械
课程目标与学习内容概述
01
02
03
04
05
06
02
平面连杆机构基础知识
平面连杆机构的定义和分类
定义
分类
根据连杆和铰链的连接方式及运动特 征，平面连杆机构可分为四类，即曲 柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机 构和移动导杆机构。
机构运动的基本原理
01
02
传动原理
运动学原理
03 动力学原理
• 曲柄摇杆机构是一种常见的连杆机构，广泛应用于往复运动和旋转运动之间的转换。通过 调整曲柄长度和摇杆角度，可以精确控制输出运动的轨迹和特性。设计时需要考虑到机构 的传动性能、刚度和耐磨性等因素。
典型连杆机构的设计案例解析
01 02 03
机构设计实践：简单连杆机构设计
精品课件!《机械原理》_第八章 平面连杆机构及其设计精选全文
1. 运动特性
曲柄存在条件 杆长条件 最短杆条件
急回特性 极位夹角 行程速比系数
2. 传力特性
压力角和传动角 死点
小结
平面四杆机构的基本知识
要求：
正确理解和掌握平面机构 工作特性的有关概念；
用有关工作特性检验机构 的运动和传力性能；
运用有关概念设计性能优 良的机构。
§8-4 平面四杆机构的设计
即要求连杆能占据一系列预定位置（又称刚体导引问题）。
小型电炉炉门的开闭机构
3. 实现给定的运动轨迹 即要求在机构的运动过程中，连杆上某些点的轨迹能满足预定的 轨迹要求。 鹤式起重机 搅拌机构
连杆机构的设计方法： 图解法、解析法、图谱法和实验法。
平面四杆机构的设计
二. 用图解法设计四杆机构 （一）. 按连杆预定的位置设计 ➢图解设计问题—作图求解各铰链中心的位置问题
第八章 平面连杆机构及其设计
§8-1 连杆机构及其传动特点 §8-2 连杆机构的类型和应用 §8-3 平面四杆机构的基本知识 §8-4 平面四杆机构的设计 §8-5 多杆机构
§8-1 连杆机构及其传动特点
1.应用举例 例 铰链四杆机构
C
2
B
B
31
1
4
A
此类机构的共同特点：
DA
机构的原动件1和从动件3运动都需要经过连杆2来传动， 故 此类机构统称为连杆机构。
α e A max
C'
平面四杆机构的基本知识
4.死点
以摇杆CD为主动件，则当连杆与从动件曲柄共线时，机构 的传动角γ＝0°，这时主动件CD通过连杆作用于从动件AB上的 力恰好通过其回转中心，出现了不能使构件AB转动的“顶死”现 象，机构的这种位置称为“死点”
《平面连杆机构设计》PPT课件
D
精选ppt
C y=logx 函数机构
要求两连架杆的转角
满足函数 y=logx
38
三类设计要求：
1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如: 飞机起落架、函数机构。前者要求两连架杆转角对应，后者要求急回运动
2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。
C’ B’
B
设计：潘存云
C
A
D
要求连杆在两个位置 垂直地面且相差180˚
精选ppt
31
死点的应用
• 飞机起落架机构
D A
C
B
在机轮放下时，杆BC 与CD成一直线，此时 机轮虽受到很大的力，
但由于机构处于死点
位置，起落架不会反 转(折回)，这可使飞 机起落和停放更加可 靠。
精选ppt
32
机构的死点与极位的关系
• 机构的极位和死点实际上是机构的同一位置，所 不同的仅是机构的原动件不同。
要求，但其设计却是十分繁难的，且一般只能近似地得以满足。
精选ppt
3
§8－2 平面四杆机构的类型和应用
1、平面四杆机构的基本型式
(1)铰链四杆机构：构件之间都是用转动副联接它是平面四杆机构
的基本型式，其他型式的四杆机构可认为是它的演化型式。
机架——固定不动的构件。 连架杆——与机架相联接的构件。 分为：曲柄——能整周转动
• 急回作用有方向性，当原动件的回转方向 改变，急回的行程也跟着改变。故在牛头
刨床等设备上都用明显的标志标出了原动 件的正确回转方向。
精选ppt
24
3、压力角和传动角
精选ppt
25
精选ppt
26
4、死点位置
B1
机械原理教学课件平面连杆机构及其设计
优化构件材料
选择轻质、高强度的材料 ，减少构件的重量，降低 能耗，提高机构效率。
优化运动轨迹
通过优化连杆机构的运动 轨迹，使机构在运动过程 中尽可能减少无效的能量 损失，提高机构效率。
减小机构尺寸
紧凑化设计
通过优化构件尺寸、减小运动副 间隙等方式，使机构在满足功能 需求的前提下尽可能减小尺寸。
轻量化设计
优化机构尺寸参数
根据运动分析结果，对机构尺寸参数进行优化，以提高机构的运动 性能。
校核机构强度和刚度
对机构进行强度和刚度校核，以确保机构在承受载荷时能够保持稳 定性和可靠性。
PART 04
平面连杆机构的优化与改 进
REPORTING
提高机构效率
优化运动副
通过减小摩擦、选择合适 的润滑剂等方式，降低运 动副的摩擦阻力，从而提 高机构效率。
PART 03
平面连杆机构的设计
REPORTING
确定机构尺寸
确定连杆长度
确定连杆位置
根据机构运动要求，计算出连杆的长 度，确保机构能够实现预期的运动轨 迹。
根据机构运动要求，确定连杆在平面 内的位置，以实现预期的运动轨迹。
选择合适的转动副半径
转动副半径的大小会影响机构的运动 性能，应根据实际需求选择合适的半 径值。
发展
随着科技的进步和工程实际需求的变化，平面连杆机构的设 计和制造技术也在不断发展和完善。现代的平面连杆机构已 经广泛应用在自动化生产线、机器人、航空航天等领域，其 设计和制造精度也得到了极大的提高。
PART 02
平面连杆机构的工作原理
REPORTING
曲柄摇杆机构
总结词
曲柄摇杆机构是平面连杆机构中 最基本的一种形式，由曲柄、连 杆和摇杆组成。
机械原理--平面连杆机构及其设计 ppt课件
变更机架
曲柄滑块机构
移动导杆机构（定块机构） 曲柄摇块机构 导杆机构
B2 1
3
移动导杆机构1
B
1
2 3
A
4
C
曲柄滑块机构
A
4
C 移动导杆机构2
B
1
2 3 C 曲柄摇块机构
A
4
B
1 A
2 4
3 C 导杆机构,动画
转动导杆机构
ppt课件
摆动导杆机19构
曲柄滑块机构演化实例
B 1
A
2 3
4
C
曲柄摇块机构（连杆作机架）
3. 连杆机构的设计比较复杂繁琐，且一般多为近似解。
连杆机构设计近年来的新方法、新的发展趋势
1. 根据机械设计理论，利用数学上的最优化方法，借助计算机
对机构进行设计，即计算机优化设计近年来已成为一个重要发 展方面；
2. 已不再仅局限在单自由度的四杆机构设计，更多地注意 多自由度的多杆机构的研究；
3. 同时兼顾运动学和动力学的特性的研究；
9
平行四边形机构应用举例
天平
B C
A
D
平行四边形机构运动不确定问题 第一种可能 第二种可能 改进措施 加虚约束构件 或加焊接构件
注意：在长边做机架的平行四边形机构中，当各构件位于一
条直线时（两曲柄与机架共线时）从动曲柄有可能反转，即
在曲柄通过机架位置时，存在pp运t课件动不确定。
10
3）逆（反）平行四边形机构
4. 针对高速运动构件的运动弹性动力学研究得到高速发展；
ppt课件
3
§8－2平面四杆机构的类型和应用
一. 平面四杆机构的基本形式 铰链四杆机构
机械原理 平面连杆机构及设计课件
仿真分析
利用计算机仿真软件对机构进行模拟分析， 评估其性能。
实验测试
通过实际测试机构的性能，与理论分析进行 对比验证。
优化算法
采用遗传算法、粒子群算法等智能优化算法 ，对机构参数进行优化。
04
平面连杆机构的运 动分析
机构运动的基本方程
01
平面连杆机构的基本运动方程是 根据机构的运动学和动力学特性 建立的，它描述了机构中各构件 之间的相对运动关系。
刚度对机构性能的影响
刚度不足会导致机构运动失 真、振动等问题，影响其正 常工作。
06
平面连杆机构的实 例分析
曲柄摇杆机构的实例分析
曲柄摇杆机构是一种常见的平面连杆机构，它由曲柄、摇杆、连杆和机架组成。 曲柄旋转，通过连杆传递运动给摇杆，使摇杆在一定范围内摆动。
实例：缝纫机脚踏板机构。缝纫机脚踏板机构就是一个典型的曲柄摇杆机构的应 用。当脚踏板转动时，通过连杆将运动传递给摇杆，使机头上下摆动，完成缝纫 工作。
应力分析
通过计算机构各构件在工作状态下的应力分布，评估其强度是否 满足设计要求。
疲劳强度
考虑机构在循环载荷作用下的疲劳强度，预测其使用寿命。
可靠性分析
基于概率论和统计学方法，评估机构在各种工作条件下的可靠性。
机构的刚度分析
刚度定义
刚度表示机构抵抗变形的能 力。
刚度分析方法
通过有限元分析、实验测试 等方法，评估机构的刚度性 能。
双曲柄机构的实例分析
双曲柄机构由两个曲柄、连杆和机架组成。两个曲柄同时旋 转，通过连杆传递运动，使另一个曲柄产生相对的旋转运动 。
实例：飞机起落架机构。飞机起落架机构中的前轮转向机构 就是一个双曲柄机构的应用。当飞机滑行时，双曲柄机构使 前轮左右摆动，实现飞机的前轮转向。
机械原理课件 第八章 平面连杆机构及其设计-1o
第 八 章 平 面 连 杆 机 构 及 其 设 计
m'
m"
M1 M2
连杆曲
线
B A
M
连杆
D
j
M3
§8-2 平面四杆机构的类型和应用
平面四杆机构（Planar Four-bar Linkage）
构成和研究平面多杆机构的基础；
第 八 章 平 面 连 杆 机 构 及 其 设 计
应用最广泛的连杆机构。
平 K 面 连 杆 原动件转角 机 构 工作行程 ∠B AB =180°+θ 1 2 及 其 空回行程 ∠B1AB2=180°-θ 设 计
ψ
t2=(180°- θ)／ω1
180 K 180
第 八 章 平 面 连 杆 机 构 及 其 设 计
K 1 180 K 1
B ω θ 180°＋θ A A B1 第 八 章 B2 180°-θ
C2
ψ
CC D D
行程速比系数
（time ratio） K
1
两行程平均速
度v2、v1比值；
表示急回程度 。
v2 t2 t1 180 v1 t1 t 2 180
从动件转角 时间 ψ t1=(180°+θ)／ω1
§8-1 连杆机构及其传动特点
y b B a C
b
d
一、平面连杆机构特点
a0
x
c
j
a j0
D
第 八 章 平 面 连 杆 机 构 及 其 设 计
A
由低副将若干构件（杆） 连接而成，又称为低副 机构；
连杆曲线
M
M1
M2
机械原理NO[1].11 第八章 平面连杆机构及其设计1
![机械原理NO[1].11 第八章 平面连杆机构及其设计1](https://img.taocdn.com/s3/m/160e5564376baf1ffd4fad1a.png)
8-2 在什么条件下，曲柄滑块机构具有急回特性？
8-3 在四杆机构中，能实现急回特性的机构有哪几种？
8-4 在曲柄摇杆机构中，以曲柄为主动件时，一定具有急回特性 吗？ 8-5 何谓机构的传动角？它与压力角的关系？传动角大小对四 杆机构的工作有什么影响？ 8-6 在曲柄摇杆机构中，以曲柄为主动件时，最小传动角将出现 在何位置？ 8-7 铰链四杆机构在死点位置时，驱动力任意增加也不能使机构 产生运动，这与机构的自锁现象是否相同？为什么？ 8-8 双摇杆机构会不会出现死点位置？双曲柄机构会不会出现死 点位置？
基本型式：铰链四杆机构
机架（frame) 连架杆：曲柄（crank)
摇杆（rocker) 连杆（coupler) 转动副(revolute pair)： 周转副：
两构件能做整周相对转动 摆转副：
两构件不能做整周相对转动
1。曲柄摇杆机构
(crank-rocker mechanism)
机械原理
第八章 平面连杆机构及其设计
而自锁与摩擦密切相关，不计摩擦就无所谓自锁，且自锁是有一 定范围的（b<y、e<r) 8-8双摇杆机构不会出现死点位置. 双曲柄机构不会出现死点位置(平行四边形机构除外）。
4。运动副元素的逆换
a) 构件2包容3 b) 构件3包容2
机械原理
§第8-八3平章 面平面四连杆杆机机构构的及其工设作计特性
Working Characteristics of Planar Four-bar Linkages
一、平面四杆机构有曲柄的条件
若AB为曲柄，A必为周转 副，要满足的条件：
4）不适合高速场合；
2）构件运动形式和运动规律具有多样性； 5）运动精度不高；
3）连杆曲线具有多样性；
8-3 在四杆机构中，能实现急回特性的机构有哪几种？
8-4 在曲柄摇杆机构中，以曲柄为主动件时，一定具有急回特性 吗？ 8-5 何谓机构的传动角？它与压力角的关系？传动角大小对四 杆机构的工作有什么影响？ 8-6 在曲柄摇杆机构中，以曲柄为主动件时，最小传动角将出现 在何位置？ 8-7 铰链四杆机构在死点位置时，驱动力任意增加也不能使机构 产生运动，这与机构的自锁现象是否相同？为什么？ 8-8 双摇杆机构会不会出现死点位置？双曲柄机构会不会出现死 点位置？
基本型式：铰链四杆机构
机架（frame) 连架杆：曲柄（crank)
摇杆（rocker) 连杆（coupler) 转动副(revolute pair)： 周转副：
两构件能做整周相对转动 摆转副：
两构件不能做整周相对转动
1。曲柄摇杆机构
(crank-rocker mechanism)
机械原理
第八章 平面连杆机构及其设计
而自锁与摩擦密切相关，不计摩擦就无所谓自锁，且自锁是有一 定范围的（b<y、e<r) 8-8双摇杆机构不会出现死点位置. 双曲柄机构不会出现死点位置(平行四边形机构除外）。
4。运动副元素的逆换
a) 构件2包容3 b) 构件3包容2
机械原理
§第8-八3平章 面平面四连杆杆机机构构的及其工设作计特性
Working Characteristics of Planar Four-bar Linkages
一、平面四杆机构有曲柄的条件
若AB为曲柄，A必为周转 副，要满足的条件：
4）不适合高速场合；
2）构件运动形式和运动规律具有多样性； 5）运动精度不高；
3）连杆曲线具有多样性；
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