平面连杆机构及设计
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《机械原理》第四章 平面连杆机构及其设计
2. 急回特性和行程速比系数
判断下列机构是否具有急回特性：
双曲柄机构和对心曲柄滑块机构适 当组合后，也可能产生急回特性。
机械原理
小结：
第四章 平面连杆机构及其设计
2. 急回特性和行程速比系数
1）急回特性的作用：节省空回行程的时间，提高劳动生产 率。 2）急回特性具有方向性，当原动件的回转方向改变时，急 回的行程也跟着改变。 3）对于有急回运动要求的机械，先确定K，再求θ。
∆DB1C1 中 : a + d ≤ b + c ∆DB2C 2 中 : b ≤ (d-a ) + c
(a ) 即 a+b≤c+d 即 a+c ≤ b+d
c ≤ (d-a ) + b (a ) + (b )，得 a ≤ c (a ) + (c )，得 a ≤ b
(b ) + (c )，得 a ≤ d
手摇唧筒
固定滑块3成为唧筒外壳，导杆4的下端固结着汲水活塞，在 唧筒3的内部上下移动，实现汲水的目的。
机械原理
2 . 平面四杆机构的演化形式 ( ) 运动副元素的逆换 4
第四章 平面连杆机构及其设计
将移动副两元素的包容关系进行逆换，并不影响两构件 之间的相对运动，但却能演化成不同的机构。
构件2 包容 构件3 导杆机构
4-2
平面四杆机构的类型和应用
1. 平面四杆机构的基本形式 2. 平面四杆机构的演化形式
机械原理
第四章 平面连杆机构及其设计
铰链四杆机构 1. 平面四杆机构的基本形式：
机架：固定不动的构件，如AD 杆 连杆：不直接与机架相连的构件，如BC杆 连架杆：直接与机架相连的构件，如AB、CD 杆 曲柄：能作整周转动的连架杆，如AB 杆 摇杆：不能作整周转动的连架杆，如CD 杆
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’
机械原理第五章 连杆机构设计
4. 曲柄滑块机构存在曲柄的条件
根据曲柄摇杆机构的演化过程及曲柄摇杆机构曲柄存在的 条件，机架为无穷大+偏距e，则有： 偏置曲柄滑块机构有曲柄的条件：
a
b
① a＋e≤b； ② a为最短杆。
若偏距=0，则得对心曲柄滑块机构有曲柄的条件：
① a≤b； ② a为最短杆。
例5-1 图示铰链四杆机构，lBC=50mm，lCD=35mm， lAD=30mm，AD为机架，若为曲柄摇杆机构， 试讨论lAB的取值范围。
机械原理 第五章 平面连杆机构及其设计
§5-1 平面连杆机构的应用及传动特点
§5-2 平面四杆机构的类型和应用
§5-3 平面四杆机构的一些共性问题 §5-4 平面四杆机构的设计
§5-1 平面连杆机构的应用及传动特点
应用举例 如：四足机器人（图片、动画）、内燃机中的曲柄滑块机构、 汽车刮水器、缝纫机踏板机构、仪表指示机构等。
锻压机肘杆机构
可变行程滑块机构
汽车空气泵
单侧曲线槽导杆机构
3）可用于远距离操纵、重载机构，如：自行车手闸机构，挖掘 机等。 4）连杆曲线丰富，可实现特定的轨迹要求，如：搅拌机构， 鹤式起重机等。
挖掘机
搅拌机构
鹤式起重机
二、平面连杆机构的缺点 1）运动副中的间隙会造成较大累积误差，运动精度较低。 2）多杆机构设计复杂，效率低。 3）多数构件作变速运动，其惯性力难以平衡，不适用于高速。 多杆机构大都是四杆机构组合或扩展的结果。 六杆机构及六杆机构的实际应用 本章介绍四杆机构的分析和设计。
1）最短杆长度＋最长杆长度≤其余两杆长度之和；（杆长条件） 2）组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。 2. 铰链四杆机构存在曲柄的条件
1）各杆长度应满足杆长条件； 2）最短杆为连架杆或机架。
平面连杆机构及其设计
设计要求可归纳为以下三类问题： (1)满足预定的运动规律要求 (2)满足预定的连杆位置要求 (3)满足预定的轨迹要求
连杆机构的设计方法有解析法、作图法和实验法，现 主要介绍作图法。
2。用作图法设计四杆机构
2。1 按连杆预定的位置设计四杆机构 1）已知活动铰链中心的位置
如图，已知连杆BC的三个位置，并知B、C为连杆的铰 链中心
1.2 双曲柄机构
铰链四杆机构中,若两连架杆均为曲柄,则称其为双曲柄机构.
1.2 双曲柄机构
双曲柄机构
1.3 双摇杆机构
铰链四杆机构中,若两连架杆均为摇杆,则称其为双摇杆机构.
2.平面四杆机构的演化型式
2.1、改变构件的形状和运动尺寸
在曲柄摇杆机构中，若摇杆的杆长增大至无穷长，则其 与连杆相联的转动副转化成移动副。 偏置曲柄滑块机构
a)2
(当B2C2 D
900 )
γ1 、γ2中的小者为γmin
3.2 死点
曲柄摇杆机构中,以摇杆为主动件,当曲柄与 连杆共线时,机构的传动角γ=0,机构出现顶死现 象,该位置称为死点.
避免死点的方法
1.错开排列
2.利用惯性
死点的运用 飞机起落架
利用死点设计的夹具
4。铰链四杆机构的运动的连续性
可行区域 ----ψ3（ ψ3’） 不可行区域---- δ 3（ δ 3’）
4。1 错位不连续： 从ψ3区域直接 运动到 ψ3’区域
4。2错序不连续：
当原动件连续运动时，其连杆不能按顺序通过给 定的各个位置。
例
已知铰链四杆机构机架长度 LAD=30mm； 其它两个连架杆长度分别为LAB=20mm； LCD=40mm，问：
即a+b ≤b+c ---2 c≤（d-a）+b
连杆机构的设计方法有解析法、作图法和实验法，现 主要介绍作图法。
2。用作图法设计四杆机构
2。1 按连杆预定的位置设计四杆机构 1）已知活动铰链中心的位置
如图，已知连杆BC的三个位置，并知B、C为连杆的铰 链中心
1.2 双曲柄机构
铰链四杆机构中,若两连架杆均为曲柄,则称其为双曲柄机构.
1.2 双曲柄机构
双曲柄机构
1.3 双摇杆机构
铰链四杆机构中,若两连架杆均为摇杆,则称其为双摇杆机构.
2.平面四杆机构的演化型式
2.1、改变构件的形状和运动尺寸
在曲柄摇杆机构中，若摇杆的杆长增大至无穷长，则其 与连杆相联的转动副转化成移动副。 偏置曲柄滑块机构
a)2
(当B2C2 D
900 )
γ1 、γ2中的小者为γmin
3.2 死点
曲柄摇杆机构中,以摇杆为主动件,当曲柄与 连杆共线时,机构的传动角γ=0,机构出现顶死现 象,该位置称为死点.
避免死点的方法
1.错开排列
2.利用惯性
死点的运用 飞机起落架
利用死点设计的夹具
4。铰链四杆机构的运动的连续性
可行区域 ----ψ3（ ψ3’） 不可行区域---- δ 3（ δ 3’）
4。1 错位不连续： 从ψ3区域直接 运动到 ψ3’区域
4。2错序不连续：
当原动件连续运动时，其连杆不能按顺序通过给 定的各个位置。
例
已知铰链四杆机构机架长度 LAD=30mm； 其它两个连架杆长度分别为LAB=20mm； LCD=40mm，问：
即a+b ≤b+c ---2 c≤（d-a）+b
第八章-平面连杆机构及其设计
许用值：[α] = 500（一般）、400（高速重载）；or [γ] = 400 、500 设计时： αman ≤ [α] or γmin ≥ [γ]
对于铰链四杆机构， γmin 为两极限位置时的 γ 角之一，要比较得出。 γ 与 各杆尺寸有关。
五、机构的死点位置 设曲柄摇杆机构的摇杆为主动件， 在图示两个位置有：
1.已知连杆几个给定位置设计机构
已知：B1C1、B2C2、B3C3 三位置 求：A、D 和 B、C
A、D 固定铰 B、C活动铰
C
Bb
a
c
A
d
D
解：① 选定B、C点
---据结构等附加条件
B1
② 作B1B2 、 B2 B3 垂直 平分线
C1B2C2 Nhomakorabea③ 垂直 平分线交点
即为 A 铰
B3
④ 同理可得 D 铰
P Pt：∥Vc---有效推力
Pt = Pcosα Pn = Psinα
B
1
φ
A
2 4
Pn
P
C
γ
α
Vc
Pt
3
D
α ----着力点的推力方向与其速度方向的夹角，称为 压力角。∵ α↑， Pn↑
γ ----传动角， 压力角的余角。 γ ↑， Pt↑，传力效果越好。 为保证一定的传力特性，设计机构时， α 不能太大， γ 不能太小。
曲柄存在条件：
1）机架和连架杆中必有一个为最短杆； 2）最短杆 + 最长杆≤ 其它两杆之和。
b
B
可知满足杆长条件时： 连架杆为最短杆，则得曲柄摇杆机构 机架为最短杆，则得双曲柄机构
a
φ
d
A
连杆为最短杆，则得双摇杆机构（存在周转副）
机械原理-平面连杆机构及设计
平面连杆机构的运动分析
1
位置分析
通过几何和三角学的方法，确定各个连
速度分析
2
杆和转轴的位置。
计算各个部件的速度，了解机构的运动
特性。
3
加速度分析
研究连杆的加速度，对机械系统的稳定 性和性能影响重大。
平面连杆机构的设计原则
力学平衡Biblioteka 确保各个连杆和转轴保持力学平衡，避免不必 要的应力。
优化尺寸
选择合适的尺寸和比例，以提高系统的性能和 耐久性。
机械原理-平面连杆机构及设计
探索机械原理中的平面连杆机构，深入了解其组成部分、运动分析、设计原 则、类型和应用领域。
什么是平面连杆机构
平面连杆机构是由连杆和旋转副组成的机械装置，用于转换直线运动和旋转运动。它被广泛应用在各种机械设 备和工具中。
平面连杆机构的组成部分
• 连接杆：用于连接各个部件并传递力和运动。 • 转轴：提供连杆的旋转运动。 • 摩擦面或球面：减小连杆关节的摩擦。 • 约束物：限制连杆的自由运动。
减小摩擦
使用适当的润滑和设计摩擦减小装置，提高效 率。
动态平衡
通过合理设计和调整质量分布，减少系统的振 动。
常见的平面连杆机构类型
滑块曲柄机构
由连接杆、连杆、中心轴和滑块 组成，广泛应用在汽车和机床。
钟摆式机构
采用钟摆原理，具有稳定的运动 轨迹，用于摆锤和钟表。
平行连杆机构
通过平行排列的连杆传递运动和 力，在工程和自动化领域有广泛 应用。
平面连杆机构的应用领域
1 工业生产设备
机械加工、装配线和工厂自动化。
3 家庭用具
打印机、洗衣机和电动工具。
2 交通运输工具
汽车、火车和航空器。
机械原理平面连杆机构及设计
机械原理平面连杆机构及设计平面连杆机构是一种最为基本的机械结构，由于其结构简单、运动可靠等特点，被广泛应用于各种机械设备中。
本文将对平面连杆机构进行介绍，并探讨其设计原理。
平面连杆机构是由至少一个定点和至少三个连杆组成的机构。
定点为固定参考点，连杆是由铰链连接的刚性杆件。
连杆可以分为连杆和曲柄，连杆连接在定点上，曲柄则旋转。
平面连杆机构的运动由这些连杆的位置和相互连接方式决定。
平面连杆机构的设计原理基于以下几个方面：1.运动分析：在设计平面连杆机构之前，首先需要进行运动分析，确定所需的运动类型。
运动类型可以是旋转、平移、摆动、滑动等。
通过运动分析，可以确定连杆的长度和相互连接的方式。
2.运动性能：平面连杆机构的优点是运动可靠，但运动性能也是需要考虑的重要因素。
例如，设计中需要考虑速度、加速度、力和力矩等参数，以满足机构的运动要求。
3.静力学分析：平面连杆机构在工作过程中可能会受到外力的作用，因此需要进行静力学分析。
静力学分析可以确定机构的力矩和应力，从而确定设计的合理性。
4.运动合成：在进行平面连杆机构的设计过程中，需要进行连杆的运动合成。
运动合成是指通过选择适当的连杆长度和连接方式，实现所需的运动类型。
5.运动分解：运动分解是指将合成的运动分解为各个连杆的运动。
通过运动分解，可以确定每个连杆的运动规律，从而进行设计。
当以上原理得到了充分的了解和运用后，可以进行平面连杆机构的具体设计。
具体的设计包括以下几个步骤：1.确定所需的运动类型：根据机械设备的需求，确定所需的运动类型，例如旋转、平移、摆动等。
2.运动分析：对机构进行运动分析，确定连杆的位置和连接方式。
根据机构的运动要求和外力作用，确定连杆的长度。
3.动力学分析：进行动力学分析，确定机构运动时的力学参数，如速度、加速度、力和力矩等。
4.运动合成与分解：根据所需的运动类型，进行运动合成和分解，确定连杆的运动规律。
5.结构设计：根据上述分析和计算结果，进行结构设计。
机械原理第三章平面连杆机构及其设计
b12
C1
B
B2
B1
b. 设计 b12
c12
A
B2
C1
C2
B1
A点所在线
A
D点所在线
D
C C2
D
★ 已知连杆两位置
c23
——无穷解。要唯一解需另加条件 ★ 已知连杆三位置
b23 B3
c23
——唯一解 ★ 已知连杆四位置
——无解 B3
b12 B2 B1
C1 C2
C3
AD
B2 B1
分析图3-20
C2 C1 B4
反平行四边形
车门开闭机构
3)、双摇杆机构
若铰链四杆机构的两连架杆均为摇杆， 则此四杆机构称为双摇杆机构。
双摇杆机构
双摇杆机构的应用 鹤式起重机机构
鹤式起重机
倒置机构：通过更换机架而得到的机构称为原机构的倒置机构。
变化铰链四杆机构的机架
C
B
整转副
2
(<360°)
(0~360°)
3
1
(0~360°)
（1）、取最短构件为机架时，得双曲柄机构。 （2） 、取最短构件的任一相邻构件为机架时，均得曲柄
摇杆机构。 （3）、取最短构件的对面构件为机架时，得双摇杆机构。
判断：所有铰链四杆机构取不同构件为机架时，都能演化成带 曲柄的机构。
例：图示机构尺寸满足杆长条件，当取不同构件为机架时 各得什么机构？
取最短杆相 邻的构件为 机架得曲柄 摇杆机构
最短杆为 机架得双 曲柄机构
取最短杆对 边为机架得 双摇杆机构
特殊情况：
如果铰链四杆机构中两个构件长度相等且均为最短杆 1、若另两个构件长度不相等，则不存在整转副。 2、若另两个构件长度也相等， （1）当两最短构件相邻时，有三个整转副。 （2）当两最短构件相对时，有四个整转副。
《机械原理》-第八章--平面连杆机构及其设计
§ 8-5 多杆机构
1.多杆机构的功用 （1）取得有利的传动角
（2）获得较大的机械利益 （3）改变从动件的运动特性 （4）实现从动件带停歇的运动 （5）扩大机构从动件的行程 （6）使机构从动件的行程可调 （7）实现特定要求下平面导引 结论 由于导杆机构的尺度参数较多，因此它可以满足更为 复杂的或实现更加精确的运动规律要求和轨迹要求。但其设计也 较困难。
c f
A
D
b c f max b c f min c b f min
平面四杆机构的基本知识
假设:
b c fmax a d d>a b c f min d a c b f d a min
a d b c a b c d a c b d
' B'C' D
b2 c 2 (d a)2 arccos 2bc
2 2 2 b c ( d a ) or " 1800 arccos 2bc
平面四杆机构的基本知识
Fr C B
F Ft V C V B F C B
A
B
D
A
D
a e
A
b
B'
α
γ
a
C VC F
多杆机构
2.多杆机构的类型 （1）多杆机构的分类 1）按杆数分 五杆、六杆、八杆机构等； 2）按自由度分 单自由度、两自由度和三自由度多杆机构。 （2）六杆机构的分类 1）瓦特（Watt）型，有Ⅰ型、Ⅱ型两种。
a) 瓦特型
b) 斯蒂芬森型
a) 瓦特Ⅰ型
b) 瓦特Ⅱ型
多杆机构
2）斯蒂芬森（Stephenson）型，有Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三种。
第二章 平面连杆机构及其设计
搅拌机
抓片机构
输送机
10/49
§2—1 铰链四杆机构的基本型式和特性
2）摇杆为原动件，曲柄为从动件时： 摇杆的往复摆动 曲柄的连续转动。 3 2
如图所示的缝纫机踏板机构。
3 2 1 4 摇杆主动
4 1
缝纫机踏板机构
11/49
§2—1 铰链四杆机构的基本型式和特性
二、双曲柄机构
双曲柄机构：两个连架杆都是曲柄。 传动特点： 主动曲柄连续等速转动时，从动 曲柄一般作变速转动。
冲床机构
如图所示的旋转式水泵和如上图所示的冲床机构。
A
1 D C 3 A B 2 4 D
1 B
2 C 3
旋转式叶片泵
振动筛机构
12/49
§2—1 铰链四杆机构的基本型式和特性
三、双摇杆机构
两个连架杆都是摇杆，则称为双摇杆机构。 其运动特性是：两摇杆都作摆动，但两 摇杆的摆角大小不同。 应用实例： 图2-6所示的工件夹紧机构、图2-11的飞机起落架机 构 ；
优 点：
图c
图d
3/49
2、缺点：
1）低副中存在间隙，会引起运动误差，使效率降低；
2）动平衡较困难，所以一般不宜用于高速传动；
3）设计比较复杂，不易精确地实现复杂的运动规律。
应 用:
连杆机构广泛地应用在各种机械和仪器中。 如雷 达调整机构（图2-3）、缝纫机踏板机构（图2-5） 、 鹤式起重机、机车驱动轮联动机构（图2-10）、牛头刨 床、椭圆仪（图2-22） 、机器人等。
1、在满足杆长条件下，即Lmin+Lmax≤Li+Lj ： 1)取Lmin为机架时，机架上有两个整转副，该机构为 双曲柄机构（2个曲柄）。 2)取Lmin为连架杆（即最短杆的邻边为机架）时，机 架上只有一个整转副，该机构为曲柄摇杆机构(1 个曲柄)。 3)取Lmin为连杆（即最短杆的对边为机架）时，机架 上没有整转副，该机构为双摇杆机构（无曲柄)。
第8章 平面连杆机构及其设计讲解
应用实例： 内燃机、鹤式吊、火车轮、手动冲床、牛头刨床、椭圆 仪、机械 手爪、开窗户支撑、开关门机构、折叠伞、 折叠床、 制动操作机构等。 定义：由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。 特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。 • 一、平面四杆机构的基本类型及应用 • 基本型式－铰链四杆机构：全部运动副为转动副的 四杆机构称为铰链四杆机构。 • 其他四杆机构都是其演化型式。
t1 (180 ) / V1 C1C2 t1 C1C2 /(180 )
当曲柄以ω继续转过180°-θ时，摇杆从C2D位置摆 到C1D，所花时间为t2 ,平均速度为V2 ,那么有： C1 C2 t2 (180 ) /
V2 C1C2 t2
C1C2 /(180 )
a、b、c、d
Y N
ad bc
双摇杆机构
以最短杆相邻杆为机架 以与最短杆相对的杆为机架
曲柄摇杆机构 双摇杆机构
以最短杆为机架
双曲柄机构
如果四杆机构两相邻杆两两相等，则为泛菱形机构 p117
泛菱形机构有三个周转副，一个摆转副 泛菱形机构当以短杆为机架时，为双曲柄机构 泛菱形机构当以长杆为机架时，为曲柄摇杆机构 泛菱形机构当相邻两杆重合时，为二杆机构 例：折叠架
C' B' B C
设计：潘存云
C C 电机
A
D
蜗轮 B B B A A 设计：潘存云 A D 蜗杆 蜗杆
D
设计：潘存云
A E E B
C
风扇座
梯形转向机构
转向条件: 所有车轮形成一个转动中心.
转向时汽车各轮纯 滚动的条件：
1. 内、外导向轮的 转速：ｎ外>ｎ内。 2. 内外驱动轮的转 速：ｎ外>ｎ内。 （靠差速器保证） L
t1 (180 ) / V1 C1C2 t1 C1C2 /(180 )
当曲柄以ω继续转过180°-θ时，摇杆从C2D位置摆 到C1D，所花时间为t2 ,平均速度为V2 ,那么有： C1 C2 t2 (180 ) /
V2 C1C2 t2
C1C2 /(180 )
a、b、c、d
Y N
ad bc
双摇杆机构
以最短杆相邻杆为机架 以与最短杆相对的杆为机架
曲柄摇杆机构 双摇杆机构
以最短杆为机架
双曲柄机构
如果四杆机构两相邻杆两两相等，则为泛菱形机构 p117
泛菱形机构有三个周转副，一个摆转副 泛菱形机构当以短杆为机架时，为双曲柄机构 泛菱形机构当以长杆为机架时，为曲柄摇杆机构 泛菱形机构当相邻两杆重合时，为二杆机构 例：折叠架
C' B' B C
设计：潘存云
C C 电机
A
D
蜗轮 B B B A A 设计：潘存云 A D 蜗杆 蜗杆
D
设计：潘存云
A E E B
C
风扇座
梯形转向机构
转向条件: 所有车轮形成一个转动中心.
转向时汽车各轮纯 滚动的条件：
1. 内、外导向轮的 转速：ｎ外>ｎ内。 2. 内外驱动轮的转 速：ｎ外>ｎ内。 （靠差速器保证） L
平面连杆机构及其设计
铰链四杆机构的演变— 变换机架
6. 定块机构
A 4
1
2 3
B
C
铰链四杆机构的演变— 变换机架
7. 摇块机构
B 1 A B 1 A
2 4 2 3
3 C
应用实例
A A 1 11 4 φ 4 A 1 4 A A 1 B 2 2 34 3 CC 3
4 C 摇块机构
自卸卡车举升机构
应用实例
自 卸 车
§8-3 平面四杆机构的基本知识
平面连杆机构的类型很多，一般的多杆机构可以看成 是由几个四杆机构所组成。平面四杆机构不仅应用广泛， 而且是多杆机构的基础。
§ 8-2
平面四杆机构的类型和应用
概念
由四个构件通过低副联接而成的平面连杆机构，称为四杆机构。 如果所有低副均为转动副，这种四杆机构就称为铰链四杆机构。
平面四杆机构的基本型式
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
（2）满足预定的运动规律的要求 流量指示机构 牛头刨床机构 即满足两连架杆预定的对应位置要求 （又称实现函数的问题)；
满足给定行程速比系数K的要求等。
平面四杆机构的设计(2/6)
（3）满足预定的轨迹要求 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。 例8-16 鹤式起重机 例8-17 搅拌机构
连杆机构的设计方法有：图解法、解析法和实验法。
平面四杆机构的设计(3/6)
1. 用作图法设计四杆机构 1.1 图解设计的基本原理 图解设计问题——作图求解各铰链中心的位置问题。
Ei
B
i
Fi
Ci
A
各铰链间的运动关系： 固定铰链 A、D ： 圆心 活动铰链 B、C ： 圆或圆弧
第三章平面连杆机构的及其设计
3-2 平面四杆机构的基本型式及其演化 • 铰链四杆机构 所有运动副均为转动副的四杆机构称 为铰链四杆机构。它是平面四杆机构的基本型式。 此机构中，包括以下几部分：
连杆
2 C 3
连架杆
B 1 A 4
连架杆
D
机架 曲柄: 能做整周回转的连架杆； 摇杆 :仅能在某一角度范围内往复摆动的连架杆 整转副:能作3600相对回转的运动副 摆动副 :只能作有限角度摆动的运动副 铰链四杆机构分为3种基本型式。
§3-1 平面连杆机构的特点及其设计的基本问题 一、什么是连杆机构？ 全部由低副连接构件而成的机构。
二、连杆机构的优缺点 1、优点
（1）面接触压强小，便于润滑制造简单，靠本身的几何封闭保持接触。 （2）改变构件尺寸可得到从动件各种不同的运动规律。 （3）运用连杆曲线，可以得到各种不同的运动轨迹
2、缺点
（经常用γ衡量机构的传动质量）
3、许用压力角
一般： 40
4、压力角的计算
90,
90 , 180
压力角和传动角示例：
V
F
1800
传动不利，设计时规定 4050
Ⅱ型曲柄滑块机构
K 1(q 00 ) a 2 d 2 c 2 b2
Ⅲ型曲柄滑块机构
K 1(q 00 ) a d c b
2 2 2 2
曲柄滑块机构
180º q
q
慢行程
180º q
快行程
q — 极位夹角
e0
e0
偏心曲柄滑块机构
对心曲柄滑块机构
有急回特性
可分以下三种情况讨论： ① δ≤ 90o时， min=δmin ；
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。
第八章 平面连杆机构及其设计
组成转动副的两个构件不能作整周转动
三种基本型式：
曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构
铰链四杆机构 曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构
应用实例
双曲柄机构
反平行四边形机构
曲柄摇杆机构
平行四边形机构
双摇杆机构
还有含一个移动副的四杆机构 ……，型式多样。 直 动 滑 杆 机 构 各种型式的四 杆机构相互之 间有无关系？
应用
连杆式快速夹具
飞机起落架
三 铰链四杆机构的运动连续性
错位不连续
C C1 B φ A D A B1 C1' D B2 B4 C1 C2
错序不连续
C2 C3 C4
B3
C2 '
小 结 1、平面四杆机构的基本型式 三种 曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构 2、平面四杆机构的演化型式
1）改变构件的形状和运动尺寸 2）改变运动副的尺寸 3）选取不同的构件为机架 4）运动副元素的逆换
低副运动的可逆性： 由低副连接的两个构件，其相对运动关 系不因其中哪个构件是固定件而改变
4、铰链四杆机构类型的判断方法：
a) 满足杆长条件 (i) 机架与最短杆相邻——曲柄摇杆机构 (ii) 机架是最短杆——双曲柄机构 (iii) 机架与最短杆相对——双摇杆机构
b) 不满足杆长条件 ——双摇杆机构
不论取哪个构件为机架都是双曲柄机构
2.急回运动和行程速比系数
C B
（以曲柄摇杆机构为例）
C
C1 C2
b c
A
D B
q
a
A α2
B2
摇杆处于两个极限位 置时, 曲柄两相应位 置所夹锐角θ .—— 极位夹角
曲柄
α1
平面连杆机构及其设计
设计的主要任务：确定固定铰链点A、D的位置。 设计步骤 (1)连接B1、B2和B2、B3， 再分别作这两条线段的中 垂线a12和a23，
其交点即为固定铰链中心A。 （2）连接C1C2、 C2C3。 再分别作这两条线段的中垂线 a12和a23，其交点即为固定铰链中心D。 （3）则AB1C1D即为所求四杆机构在第一个位置时的机 构运动简图
力 F 可分解为两个分力：沿着受力点C的速度υc方向的分 力Ft和垂直于υc方向的分力Fn。设力F与着力点的速度υc 方向之间所夹的锐角为，则
小，对机构的传动越有利。因此，在连杆机构中，常用传动角 的大小及其变化情况来衡量一机构传力性能的优劣。 因此，对于传动机构，应使其角尽可能小（γ 尽可能大）。 连杆机构的压力角（或传动角）在机构运动过程中是不断变 化的。从动件处于不同位置时有不同的值，在从动件的一个 运动循环中，角存在一个最大值max。在设计连杆机构时， 应注意使max小于等于[]。
首先来分析机构的运动情况 设已有四杆机构ABCD，当主动连架杆AB 运动时，连杆上铰链 B相对于另一连架杆CD 的运动，是绕铰链点C的转动。因此， 以C 为圆心，以BC长为半径的圆弧即为连杆上已知铰链点B 相 对于铰链点C 的运动轨迹。如果能找到铰链B 的这种轨迹，则 铰链C 的位置就不难确定了。
由于在铰链四杆机构中，两连架杆均作定轴转动或摆动，只 有连杆作平面一般运动，故能够实现上述运动要求的刚体必 是机构中的连杆。设计问题为实现连杆给定位置的设计。 首先根据刚体的具体结构，在其上选择活动铰链点B，C 的位 置。一旦确定了B，C 的位置，对应于刚体3个位置时活动铰 链的位置B1C1，B2C2，B3C3也就确定了。
平行四边形机构
惯性筛机构
位置不确定问题 平行四边形机构有一个 位置不确定问题，如图示。
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平面连杆机构及设计
§3-1 平面连杆机构的特点 及其设计的基本问题
平面连杆机构及设计
一、平面连杆机构的特点
1、连杆机构中构件间以低副相连，低副两元素为面 接触，在承受同样载荷的条件下压强较低，因而 可用来传递较大的动力。又由于低副元素的几何 形状比较简单（如平面、圆柱面），故容易加工。
2、 构件运动形式具有多样性。连杆机构中既有绕 定轴转动的曲柄、绕定轴往复摆动的摇杆，又有 作平面一般运动的连杆、作往复直线运动的滑块 等，利用连杆机构可以获得各种形式的运动，这 在工程实际中具有重要价值。
二、平面连杆机构的作用
b. 实现从动件运动形式 及运动特性的改变
图示为单侧停歇曲线槽 导杆机构，当原动件 曲柄1连续转动至左侧 时，将带动滚子2进入 曲线槽的圆弧部分， 此时从动导杆3将处于 停歇状态，从而实现 了从动件的间歇摆动 。
平面连杆机构及设计
二、平面连杆机构的作用
c. 实现较远距离的传动 如自行车的手闸，锻压机
械中的离合器控制。 d. 调节、扩大从动件行
程 图示为可变行程滑块机构，
通过调节导槽与水平线 的倾角，可方便地改变 滑块的行程
平面连杆机构及设计
二、平面连杆机构的作用
e. 获得较大的机械增益 目的——达到增力。 图示为杠杆机构的示意
图。利用该机构也可 以获得较大的机构增 益。
平面连杆机构及设计
三、设计的基本问题
平面连杆机构及设计
三、设计的基本问题
2、实现已知运动规律 （函数生成机构设计 ） 即要求主、从动件满足已知的若干组对应位置
关系，包括满足一定的急回特性要，或者在主 动件运动规律一定时，从动件能精确或近似地 按给定规律运动。（如车门开闭机构 ） 3、实现已知运动轨迹（轨迹生成机构设计） 即要求连杆机构中作平面运动的构件上某一点 精确或近似地沿着给定的轨迹运动。
平面连杆机构及设计
教学内容
§3-1 平面连杆机构的特点及其设计的基本问题 §3-2 平面四杆机构的基本型式及其演化 §3-3 平面四杆机构的主要工作特性 §3-4 实现连杆给定位置的平面四杆机构运动设计 §3-5 实现已知运动规律的平面四杆机构运动设计 §3-6 实现已知运动轨迹的平面四杆机构运动设计
在平面四杆机构中最基本的是铰链四杆机构， 它可以演化成其它形式的四杆机构
铰链四杆机构： 所有运动副均为转动副的四 杆机构称为铰链四杆机构
平面连杆机构及设计
1、组成
机架--构件4；连架杆--直接与 机架相连的构件1，3；连 杆--不直接与机架相连的构 件2
其中：曲柄—连架杆1（能做 整周回转的连架杆）
摇杆—连架杆3为（ 仅能 在某一角度范围内往复摆动 的连架杆）。
整转副：以转动副相连的两构件能 作整周相对转动的转动副。
转动副A、B为整转副，转动副C、 摆动副：以转动副相连的两构件不
D为摆动副。
能作整周相对转动的转动副。
平面连杆机构及设计
类型： （1）曲柄摇杆机构 定义 在铰链四杆机构中，若两
设计时选用哪种方法，应视具体情况来决定
平面连杆机构及设计
实验法
实验法通常用 于设计运动要 求比较复杂的 连杆机构，或 者用于对机构 进行初步设计。
平面连杆机构及设计
§3-2 平面四杆机构的基本型 式及其演化平面ຫໍສະໝຸດ 杆机构及设计一、铰链四杆机构
在平面连杆机构中，结构最简单的且应用最 广泛的是由4个构件所组成的平面四杆机构， 其它多杆机构可看成在此基础上依次增加 杆组而组成。
平面连杆机构及设计
三、设计的基本问题
如：鹤式起重机 工作要求连杆上吊钩滑轮中心E点的轨迹为一
直线，以避免被吊运的物体作上下起伏 。 这类设计问题通常称为轨迹生成机构的设计 设计方法： 大致可分为图解法、解析法、实验法三类
平面连杆机构及设计
图解法
解析法
直观性强、简单易 解析法精度较 行。对于某些设计 高，但计算量 往往比解析法方便 大，目前由于 有效，它是连杆机 计算机及数值 构设计的一种基本 计算方法的迅 方法。设计精度低，速发展，解析 不同的设计要求， 法已得到广泛 图解的方法各异。 应用。 对于较复杂的设计 要求，图解法很难 解决。
平面连杆机构及设计
三、设计的基本问题
1、实现构件给定位置(刚 体导引机构设计 )
要求所设计的机构能引导 一个刚体顺序通过一系 列给定的位置。该刚体 一般是机构的连杆。 图示的铸造造型机砂箱 翻转机构，砂箱固结在
连杆BC上，要求所设计的机构中的连杆能依次通过位置Ⅰ， Ⅱ，以便引导砂箱实现造型振实和拔模两个动作。
第三章 平面连杆机构及其 设计
平面连杆机构及设计
基本要求:
1.了解平面四杆机构的基本型式，掌握其演化方法。 2.掌握平面四杆机构的工作特性。 3.了解连杆机构传动的特点及其功能。 4.掌握平面连杆机构运动分析的方法，学会将复杂的
平面连杆机构的运动分析问题转化为可用计算机解 决的问题。 5.了解平面连杆机构设计的基本问题，熟练掌握根据 具体设计条件及实际需要，选择合适的机构型式和 合理的设计方法，解决具体设计问题。
平面连杆机构及设计
一、平面连杆机构的特点
缺点： 1、不能满足高精度运动要求。（累积误差大） 2、不适宜高速场合。（运动复杂，惯性力难
以平衡）
平面连杆机构及设计
二、平面连杆机构的作用
a.实现有轨迹、 位置或运动规 律要求的运动
图示的四杆机构 为圆轨迹复制 机构，利用该 机构能实现预 定的圆形轨迹
平面连杆机构及设计
平面连杆机构设计通常包括选型和运动尺寸设计 两个方面 。
▪ 选型：是确定连杆机构的结构组成，包括构件
数目以及运动副的类型和数目。
▪ 运动尺寸设计：是确定机构运动简图的参数，
包括转动副中心之间的距离、移动副位置尺寸 以及描绘连杆曲线的点的位置尺寸等。
▪ 运动尺寸设计是本章主要研究内容，它一般可
归 纳为以下三类基本问题：
平面连杆机构及设计
一、平面连杆机构的特点
3、在主动件运动规律不变的情况下，只要改 变连杆机构各构件的相对尺寸，就可以使 从动件实现不同的运动规律和运动要求。
4、连杆曲线具有多样性。连杆机构中的连杆， 可以看作是在所有方向上无限扩展的一个 平面，该平面称为连杆平面。在机构的运 动过程中，固接在连杆平面上的各点，将 描绘出各种不同形状的曲线，这些曲线称 为连杆曲线。
§3-1 平面连杆机构的特点 及其设计的基本问题
平面连杆机构及设计
一、平面连杆机构的特点
1、连杆机构中构件间以低副相连，低副两元素为面 接触，在承受同样载荷的条件下压强较低，因而 可用来传递较大的动力。又由于低副元素的几何 形状比较简单（如平面、圆柱面），故容易加工。
2、 构件运动形式具有多样性。连杆机构中既有绕 定轴转动的曲柄、绕定轴往复摆动的摇杆，又有 作平面一般运动的连杆、作往复直线运动的滑块 等，利用连杆机构可以获得各种形式的运动，这 在工程实际中具有重要价值。
二、平面连杆机构的作用
b. 实现从动件运动形式 及运动特性的改变
图示为单侧停歇曲线槽 导杆机构，当原动件 曲柄1连续转动至左侧 时，将带动滚子2进入 曲线槽的圆弧部分， 此时从动导杆3将处于 停歇状态，从而实现 了从动件的间歇摆动 。
平面连杆机构及设计
二、平面连杆机构的作用
c. 实现较远距离的传动 如自行车的手闸，锻压机
械中的离合器控制。 d. 调节、扩大从动件行
程 图示为可变行程滑块机构，
通过调节导槽与水平线 的倾角，可方便地改变 滑块的行程
平面连杆机构及设计
二、平面连杆机构的作用
e. 获得较大的机械增益 目的——达到增力。 图示为杠杆机构的示意
图。利用该机构也可 以获得较大的机构增 益。
平面连杆机构及设计
三、设计的基本问题
平面连杆机构及设计
三、设计的基本问题
2、实现已知运动规律 （函数生成机构设计 ） 即要求主、从动件满足已知的若干组对应位置
关系，包括满足一定的急回特性要，或者在主 动件运动规律一定时，从动件能精确或近似地 按给定规律运动。（如车门开闭机构 ） 3、实现已知运动轨迹（轨迹生成机构设计） 即要求连杆机构中作平面运动的构件上某一点 精确或近似地沿着给定的轨迹运动。
平面连杆机构及设计
教学内容
§3-1 平面连杆机构的特点及其设计的基本问题 §3-2 平面四杆机构的基本型式及其演化 §3-3 平面四杆机构的主要工作特性 §3-4 实现连杆给定位置的平面四杆机构运动设计 §3-5 实现已知运动规律的平面四杆机构运动设计 §3-6 实现已知运动轨迹的平面四杆机构运动设计
在平面四杆机构中最基本的是铰链四杆机构， 它可以演化成其它形式的四杆机构
铰链四杆机构： 所有运动副均为转动副的四 杆机构称为铰链四杆机构
平面连杆机构及设计
1、组成
机架--构件4；连架杆--直接与 机架相连的构件1，3；连 杆--不直接与机架相连的构 件2
其中：曲柄—连架杆1（能做 整周回转的连架杆）
摇杆—连架杆3为（ 仅能 在某一角度范围内往复摆动 的连架杆）。
整转副：以转动副相连的两构件能 作整周相对转动的转动副。
转动副A、B为整转副，转动副C、 摆动副：以转动副相连的两构件不
D为摆动副。
能作整周相对转动的转动副。
平面连杆机构及设计
类型： （1）曲柄摇杆机构 定义 在铰链四杆机构中，若两
设计时选用哪种方法，应视具体情况来决定
平面连杆机构及设计
实验法
实验法通常用 于设计运动要 求比较复杂的 连杆机构，或 者用于对机构 进行初步设计。
平面连杆机构及设计
§3-2 平面四杆机构的基本型 式及其演化平面ຫໍສະໝຸດ 杆机构及设计一、铰链四杆机构
在平面连杆机构中，结构最简单的且应用最 广泛的是由4个构件所组成的平面四杆机构， 其它多杆机构可看成在此基础上依次增加 杆组而组成。
平面连杆机构及设计
三、设计的基本问题
如：鹤式起重机 工作要求连杆上吊钩滑轮中心E点的轨迹为一
直线，以避免被吊运的物体作上下起伏 。 这类设计问题通常称为轨迹生成机构的设计 设计方法： 大致可分为图解法、解析法、实验法三类
平面连杆机构及设计
图解法
解析法
直观性强、简单易 解析法精度较 行。对于某些设计 高，但计算量 往往比解析法方便 大，目前由于 有效，它是连杆机 计算机及数值 构设计的一种基本 计算方法的迅 方法。设计精度低，速发展，解析 不同的设计要求， 法已得到广泛 图解的方法各异。 应用。 对于较复杂的设计 要求，图解法很难 解决。
平面连杆机构及设计
三、设计的基本问题
1、实现构件给定位置(刚 体导引机构设计 )
要求所设计的机构能引导 一个刚体顺序通过一系 列给定的位置。该刚体 一般是机构的连杆。 图示的铸造造型机砂箱 翻转机构，砂箱固结在
连杆BC上，要求所设计的机构中的连杆能依次通过位置Ⅰ， Ⅱ，以便引导砂箱实现造型振实和拔模两个动作。
第三章 平面连杆机构及其 设计
平面连杆机构及设计
基本要求:
1.了解平面四杆机构的基本型式，掌握其演化方法。 2.掌握平面四杆机构的工作特性。 3.了解连杆机构传动的特点及其功能。 4.掌握平面连杆机构运动分析的方法，学会将复杂的
平面连杆机构的运动分析问题转化为可用计算机解 决的问题。 5.了解平面连杆机构设计的基本问题，熟练掌握根据 具体设计条件及实际需要，选择合适的机构型式和 合理的设计方法，解决具体设计问题。
平面连杆机构及设计
一、平面连杆机构的特点
缺点： 1、不能满足高精度运动要求。（累积误差大） 2、不适宜高速场合。（运动复杂，惯性力难
以平衡）
平面连杆机构及设计
二、平面连杆机构的作用
a.实现有轨迹、 位置或运动规 律要求的运动
图示的四杆机构 为圆轨迹复制 机构，利用该 机构能实现预 定的圆形轨迹
平面连杆机构及设计
平面连杆机构设计通常包括选型和运动尺寸设计 两个方面 。
▪ 选型：是确定连杆机构的结构组成，包括构件
数目以及运动副的类型和数目。
▪ 运动尺寸设计：是确定机构运动简图的参数，
包括转动副中心之间的距离、移动副位置尺寸 以及描绘连杆曲线的点的位置尺寸等。
▪ 运动尺寸设计是本章主要研究内容，它一般可
归 纳为以下三类基本问题：
平面连杆机构及设计
一、平面连杆机构的特点
3、在主动件运动规律不变的情况下，只要改 变连杆机构各构件的相对尺寸，就可以使 从动件实现不同的运动规律和运动要求。
4、连杆曲线具有多样性。连杆机构中的连杆， 可以看作是在所有方向上无限扩展的一个 平面，该平面称为连杆平面。在机构的运 动过程中，固接在连杆平面上的各点，将 描绘出各种不同形状的曲线，这些曲线称 为连杆曲线。