机械原理第8章 连杆机构及其传动特点

机械原理第8章连杆机构及其传动特点
●考纲
●1.铰链四杆机构的基本类型，演化和应用
●2.曲柄存在条件、行程速比系数、传动角、压力角、死点
●2.图解法设计四杆机构
●笔记
●8.1连杆机构及其传动特点
●连杆机构的共同特点是其主动件的运动都要经过一个不与机架直接相连的称之
为连杆（coupler)的中间构件，才能传动至从动件，故而称其为连杆机构
（linkage mechanism)。

●连杆机构的传动特点
●连杆机构具有以下一些传动特点：
●1)连杆机构中的运动副一般均为低副（故又称其为低副机构，lower pair
mechanism)。

其运动副元素为面接触，压强较小，承载能力较大，润滑
好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对
保证工作的可靠性较为有利。

●2)在连杆机构中，在主动件的运动规律不变的条件下，可用改变各构件
的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。

●3)在连杆机构中，连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线（称为连杆
曲线，coupler-point curve),其形状随着各构件相对长度的改变而改变，故
连杆曲线的形式多样，可用来满足一些特定工作的需要。

●此外连杆机构还可以很方便的达到改变运动的传递方向，扩大行程，实
现增力和远距离传动等目的。

●连杆机构也存在如下一些缺点：
●1)由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传动路线较长，
易产生较的误差累积，同时也使机械效率降低。

●2)在连杆机构运动中，连杆及滑块所产生的惯性力难以用一般平衡方法
加以消除而连杆机构不宜用于高速运动。

●8.2平面四杆机构的基本类型及应用
●1.铰链四杆机构的类型及应用
●(1)铰链四杆运动链周转副存在的条件
平面饺链四杆机构中曲柄存在的前提是其运动副中必有周转副存在
●转动副为周转副的条件是：
●1）最短杆长度＋最长杆长度≤其他两杆长度之和 (杆长条件)
l_{min}＋l_{max}≤l_i＋l_j
●2）组成该周转副的两杆中必有一个为最短杆(最短杆两端最易产生
周转副)
●此外，为了使四个杆能够装配成封闭的运动链，最长杆长度必须小于
其他三个杆长度之和
●I_{max} < l _{m in}＋l_i+ l_j
●(2)较链四杆机构的基本类型
●满足杆长条件l_{min}＋l_{max}≤l_i＋l_j
●1）.l_{min}＋l_{max}＜l_i＋l_j
●①最短杆为连架杆，曲柄摇杆机构
●②最短杆为机架，双曲柄机构
●③最短杆为连杆，双摇杆机构
●2）.l_{min}＋l_{max}＝l_i＋l_j
●①两两相邻杆长度相等，泛菱形结构
●长杆为机架，曲柄摇杆机构
●短杆为机架，双曲柄机构
●两相邻杆重叠时，一二杆机构
●②两两相对杆长度相等时，双曲柄机构
●两两相对杆平行，平行四边形结构
●平行四边形结构三个特点
●①两曲柄以相同角速度同向转动；
●②连杆作平动；
●③连杆上的任一点的轨迹均是以曲柄长度为半径的圆。

●两两相对杆不平行，逆平行（或反平行）四边形机构
（antiparallel-crank mechanism)。

●短杆为机架, 两曲柄沿相同的方向转动，其性能和一般双曲
柄机构相似。

●长杆为机架, 两曲柄沿相反的方向转动，转速也不相等，
即主动曲柄AB匀速转动时从动曲柄CD作反向非匀速转动。

●
●③当两曲柄运动到与机架共线两位置时
●如图8-8d中AB'C'D或AB"C"D所示，机构由平行四边形机构
变换为反平行四边形机构，即出现相反变化的可能，称此位置
为机构的转折点或机构运动的变换点（change points)位置，在
此两位置机构的运动是不确定的，这在工程上不允许的，应以
辅助的其他装置，使机构的运动得以确定。

●不满足杆长条件l_{min}＋l_{max}＞l_i＋l_j
●3）.l_{min}＋l_{max}＞l_i＋l_j
●双摇杆机构
运动链无周转副，全部为摆动副等腰梯形机构与三杆摆转式双摇
杆机构具有两摇杆半角或倍角运动变换的特性
●(3)铰链四杆机构的应用
●铰链四杆机构的基本类型主要有曲柄摇杆机构、双曲柄机构及双摇杆机
构和特殊形式的铰链四杆机构
●1)曲柄摇杆机构
●若以曲柄为主动件时，可将曲柄的连续运动转变为摇杆的往复摆动；
●若以摇杆为主动件时，可将摇杆的摆动转变为曲柄的整周转动。

前者
应用甚广
●2)双曲柄机构
●一般双曲柄机构其主动曲柄作匀速转动而从动曲柄作变速转动。

●3)双摇杆机构
●例：鹤式起重机、前轮转向机构、电风扇自动摇头机构，可变换靠背
方向的坐席机构
●2.其他演化形式的四杆机构的基本类型及应用
●1)单滑块（或导杆）四杆机构
●对于含一个移动副的四杆运动链，已由图2-34所示机构倒置演化可知，
其有偏置（或对心）式的曲柄滑块机构、曲柄导杆机构、曲柄摇块机构
和直动导杆机构等几种形式。

●2)十字导杆（或滑块）四杆机构
●对于含两相邻移动副的四杆运动链，其中含有一个十字导杆或滑块，对
其运动链进行倒置演化所形成的四杆机构如图8-15所示。

不难看出，这
些机构分别称为双滑块机构（图8-15a)、正弦机构（图8-15b、d)、双转
块机构（图8-15c)。

●3)双导杆四杆机构
●对于含两相对移动副的四杆运动链，如图8-16所示，其中有一个对心式
导杆2和一个偏置式导杆4。

当分别依次取构件4、1、2及3为机架时，
所形成的机构如图8-16所示。

不难看出，这些四杆机构分别为滑块摇块
机构（图8-16a)、双导杆机构(图8-16b、d)、摇块滑块机构（图8-16c)。

●8.3平面四杆机构的基本特性
●1.铰链四杆机构的急回运动
●(1)急回运动
●图8-18所示为一曲柄摇杆机构，设曲柄AB为主动件，在其转动一周的
过程中，有两次与连杆共线，这时摇杆CD分别处于两极限位置C,D和C2D。

机构所处的这两个位置称为极位。

机构在两个极位时，主动件AB 所在两个位置之间的夹角\theta称为极位夹角（crank angle between two limit positions)。

●极位夹角：由式（8-4)求出\theta＝\frac{k－1}{k＋1}180°
●(2)行程速度变化系数
●为了表明急回运动的急回程度，可用行程速度变化系数或称行程速比系
数（coefficient of travel speed variation)K来衡量，即
●K=\frac{v_2}{v_1}=\frac{180°+\theta}{180°-\theta} ……式（8-4)
●式（8-4)表明，当机构存在极位夹角 $\theta$ 时，机构便具有急回运
动特性，$\theta$角愈大，K值愈大,机构的急回运动性质也愈显著。

●一般双曲柄机构的行程速度变化系数K可如下求得：
●K＝\frac{ω_m}{ω_o} ＝\frac{(360°－φ_1)α_1}{(360°－α_1)φ_1}……
式（8-45)
●由式（8-5)可知，比值\frac{α_1}{φ_1}越大，K值也就越大，故一
般双曲柄机构可有很大的行程速变化系数K,并可用改变机架长度
等办法来改变行程速度变化系数，故常用作可调变速机构
●(3)急回特性的应用
●机构急回特性在工程上的应用有三种情况：
●慢进快退：第一种情况是工作行程要求慢速前进，以利切削、冲压等工
作的进行，而回程时为节省空回时间，则要求快速返回，如牛头创床、插床等就是如此，这是常见的情况。

●快进慢退：第二种情况是对某些颞式破碎机，要求其动颞快进慢退，使
已被破碎的矿石能及时退出颞板，避免矿石的过粉碎（因破碎后的矿石有一定的粒度要求）。

●无急回要求：第三种情况是一些设备在正、反行程中均在工作，故无急
回要求，如图8-20所示的收割机中的割刀片的运动。

某些机载搜索雷达
的摇头机构也是如此。

●平面四杆机构中能实现急回运动特性的是：曲柄摇杆机构，摆动导杆机构，
偏置曲柄滑块机构
●2.铰链四杆机构的传动角与死点
●(1).压力角与传动角
●力F与C点速度正向之间的夹角铰链四杆机构的称为机构在此位置时的
压力角（pressure angle)。

●而连杆BC和从动件CD之间所夹的锐角∠BCD=r称为连杆机构在此位
置时的传动角（transmission angle)。

●传动角\gamma_{min}和压力角\theta互为余角。

传动角\gamma愈大，对
机构的传力愈有利。

●所以，在连杆机构中常用传动角的大小及变化情况来衡量机构传力性能
的好坏。

●对于曲柄摇杆机构，最小传动角\gamma_{min}（最大压力角\theta）出现
在主动曲柄与机架共线的两位置之一处；摇杆为主动件曲柄与连杆共线
时出现死点位置，此时机构传动角为0°
●对于曲柄滑块机构
●(2).死点
●在曲柄摇杆机构中，以摇杆为主动件，则当连杆与从动曲柄共线时,机构
的传动角y=0°,这时主动件通过连杆作用于从动件上的力恰好通过其回转
中心，所以出现了不能使构件转动的“顶死”现象，机构的这种位置称为
死曲柄为死点（dead point)
●机构处于死点位置时，其传动角\gamma_{min}＝0°，压力角\theta_{min}
＝90°
●为了使机构能顺利地通过死点而正常运转，必须采取适当的措施，
●可采用将两组以上的相同机构组合使用，而使各组机构的死点相互错
开排列的方法
●也可采用安装飞轮加大惯性的方法，借惯性作用闯过死点
●在另一方面，在工程实践中也常利用机构的死点来实现特定的工作要求。

例如飞机起落架机构
●3.铰链四杆机构的连杆曲线
●(1)连杆曲线
●在四杆机构运动时，其连杆平面上的每一点均描绘出一条曲线，称为连
杆曲线（coupler curves)。

●(2)连杆曲线的特性
●尖点处瞬时速度为0，但是加速度不为0
●有的连杆具有对称性
●对于双曲柄机构，其连杆曲线较单调，故实际应用较少。

●对于双摇杆机构，如果连杆能相对于两连架杆作整周转动，则可生成封
闭的连杆曲线，如果连杆不能作整周转动，则只能生成非封闭连杆曲线
●(3)直线机构
●双摇杆机构的连杆曲线最常见的一种应用是生成近似直线。

如图所示的
三个双摇杆机构均为直线机构，它们分别为瓦特（Watt)直线机构（图8-
32a)、罗伯特（Robert)直线机构（图8-32b)和切比雪夫（Chebyschev)直
线机构图8-32c。

●*(4)同源机构
●4.铰链四杆机构的运动连续性
●所谓连杆机构的运动连续性是指连杆机构在运动过程中能否连续实现给定的
各个位置
●可行域
●不可行域
●在设计时不能要求其从动件在两个不连通的可行域内连续运动，连杆机构的
这种运动不连续称为错位不连续
●另外，在连杆机构的运动过程中，其连杆所经过的给定位置一般是有顺序的。

当主动件按同一方向连续转动时，若其连杆不能按顺序通过给定的各个位置，这也是一种运动不连,称为错序不连续。

●5.演化形式四杆机构的特性分析
●当对含移动副等演化形式四杆机构的基本特性分析时，只要将其移动副视为
转动中心位于垂直于导路无穷远处的转动副
●曲柄滑块机构中存在曲柄的条件
●连杆与滑块的铰链点C能够顺利通过BC与AB重叠共线的位置，即
b≥a+e,见图5-1。

●对于导杆机构
●若移动副的方向经过导杆的摆动中心C点[见图5-2(a)] 则曲柄始终存在。

●当曲柄长度大于机架长度（a>b)时，导杆BC也能绕其固定铰链点C
转动，因此是转动导杆机构；
●而曲柄长度小于机架长度 a<b时，导杆BC只能绕C点往复摆动，因
此是摆动导杆机构。

●若移动副的方向不通过导杆的转动中心C[见图5-2(b)],AB仍能绕A点转
动，即曲柄存在；但若要保证导杆BC也能转动，则必须满足：a>b+e。

●8.4平面四杆机构的设计
●三类问题(看课本P195) 重点
●1)满足预定连杆位置要求
●2)满足预定运动规律要求
●3)满足预定轨迹要求
●8.5平面多杆机构
●四杆机构结构简单，设计制造方便，但是性能具有较大局限性
●多杆机构的作用
●1.可获得较小的运动所占空间
●2.可获得有利的传动角
●3.可获得较大的机械效益
●4.改变从动件的运动特性
●5.可实现机构从动件的停歇运动
●6.可扩大机构从动件的行程
●7.可使机构的行程可调
●8.可实现特定要求下的平面导引
●平面多杆机构的类型及应用
●按杆数分：五杆，六杆，八杆机构等
●按自由度分：单自由度(6.8.10)，多自由度(五七2八3) ●8.6空间连杆机构的简介。