4平面连杆机构及其设计
《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
平面连杆机构及其设计习题及答案
04 平面连杆机构及其设计1.在 条件下，曲柄滑块机构具有急回特性。
2.机构中传动角γ和压力角α 之和等于 。
3.在铰链四杆机构中，当最短构件和最长构件的长度之和大于其他两构件长度之和时， 只能获得 机构。
4.平面连杆机构是由许多刚性构件用 联接而形成的机构。
5.在图示导杆机构中，AB 为主动件时，该机构传动角的值为 。
6.在摆动导杆机构中，导杆摆角ψ£=30o ，其行程速度变化系数K 的值为 。
7.在四杆机构中AB BC CD AD AD ====40406060,,,,为机架，该机构是 。
8.铰链四杆机构具有急回特性时其极位夹角θ值 ，对心曲柄滑块机构的θ值 ， 所以它 急回特性，摆动导杆机构 急回特性。
9.对心曲柄滑块机构曲柄长为a ，连杆长为b ，则最小传动角γmin 等于 ，它出现在 位置。
10.在四连杆机构中，能实现急回运动的机构有（1） ，(2) ，（3） 。
11.铰 链 四 杆 机 构 有 曲 柄 的 条 件 是 ，双 摇 杆机 构 存 在 的 条 件是 。
(用 文 字 说 明 ）12.图示运动链，当选择 杆为机架时为双曲柄机构；选择 杆为机架时为 双摇杆机构；选择 杆为机架时则为曲柄摇杆机构。
13.在曲柄滑块机构中，若以曲柄为主动件、滑块为从动件，则不会出现“死点位置”，因最小传动角γmin>，最大压力角αmax<；反之，若以滑块为主动件、曲柄为从动件，则在曲柄与连杆两次共线的位置，就是，因为该处γmin=，αmax=。
14.当铰链四杆机构各杆长为：a=50mm，b=60mm，c=70 mm，d=200mm。
则四杆机构就。
15.当四杆机构的压力角α=90︒时，传动角等于，该机构处于位置。
16.在曲柄摇杆机构中，最小传动角发生的位置在。
17.通常压力角α是指间所夹锐角。
18.铰链四杆机构曲柄、连杆、机架能同时共线的条件是。
19.一对心式曲柄滑块机构，若以滑块为机架，则将演化成机构。
平面连杆机构及其分析与设计
平面连杆机构及其分析与设计平面连杆机构是由连杆和连接点组成的机械结构，广泛应用于各种机械设备中。
它的功能是将输入的旋转运动转化为输出的直线运动或者将输入的直线运动转化为输出的旋转运动。
本文将对平面连杆机构的分析与设计进行介绍。
首先，对平面连杆机构进行分析。
平面连杆机构的主要组成部分是连杆和连接点。
连杆是连接点之间的刚性杆件，可以是直杆、曲杆或者具有其他特殊形状的杆件。
连接点是连杆的两个端点或者连杆与其他机构的连接点，可以是支点、铰链等。
平面连杆机构的运动可以分为三种基本类型：平动、转动和复动。
平动是指连杆的一端保持固定，另一端进行直线运动；转动是指连杆的一端保持固定，另一端进行旋转运动；复动是指连杆的一端进行直线运动，另一端同时进行旋转运动。
进行平面连杆机构的设计时，需要考虑以下几个要点。
首先，确定机构的类型和功能。
根据机构的动作要求和功能要求，选择适合的连杆类型和连接点类型。
其次，进行机构的运动分析。
根据机构的运动要求，确定连杆的长度和连接点的位置，使连杆能够实现所需的运动。
然后，进行机构的力学分析。
根据机构的受力情况，确定连杆的截面尺寸和材料，保证机构的刚度和强度。
最后，进行机构的优化设计。
考虑机构的性能要求和制造要求，对机构进行优化设计，提高机构的工作效率和使用寿命。
在平面连杆机构的设计中，还需要考虑机构的动力学问题。
机构的动力学分析包括静力学分析和动力学分析两个方面。
静力学分析是指在机构静止或静力平衡状态下，对机构受力和力矩进行分析。
动力学分析是指在机构进行运动时，对机构的加速度、速度和位移进行分析。
通过对机构的动力学分析，可以确定机构的惯性力和惯性矩，从而确定机构的动态特性和振动特性。
总之，平面连杆机构的分析与设计是一项复杂而重要的工作。
在进行分析与设计时，需要考虑机构的类型和功能，进行运动分析和力学分析，优化设计和动力学分析。
通过合理的分析与设计，可以使机构具有较好的工作性能和使用寿命，满足各种工程应用的要求。
常用机构(四连杆机构)1
机构演化方法
础
平 改变杆件长度，用移动副取代回转副
面 连 杆
扩大回转副 变更机架等
机
构
连架杆 B
连杆 2
C 连架杆
3
1
A
4
D
机 （1）改变杆件长度 —— 曲柄滑块机构
械
设 计
曲线导轨曲柄滑块机构
基
C
础
C
平
2
面
连
B
杆1
机
构A
4
对CD杆等效转化
B2
3
1
转动副变成移动副 A
4 D
lCD
3 D
e
b+c >a+d 、 b+d >a+c 、 c+d >a+b
B
a
A
并可得: a<b 、 a<c 、 a<d .
b f
d
C
c
D
曲柄存在的条件： (1)最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度和。 (2)曲柄是最短杆。
机 曲柄存在的条件：
械 设
(1)最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和
2
BD
b2
c2
2b c cosd
基 础
b
平 面
cosd
b2 c 2 2 a d cosj a 2 d 2
2bc
B
a
j
连 杆
分析
A
机
构 j =0 cos j =1 cos d d min
j =180° cos j = –1 cos d d max
C
d c
d
D
平面连杆机构及其设计
优点： ①连杆机构为低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力 大，耐冲击； ② 运动副元素的几何形状多为平面或圆柱面，便于加工制造； ③在原动件运动规律不变情况下，通过改变各构件的相对长度 可以使从动件得到不同的运动规律； ④可以连杆曲线可以满足不同运动轨迹的设计要求。 缺点： ①由于运动积累误差较大，因而影响传动精度； ②由于惯性力不好平衡而不适于高速传动； ③设计方法比较复杂。
——逆平行（反平行）四边形机构（两相对杆长相等但不平行的双曲柄机构）
3. 双摇杆机构 (Double-Rocker Mechanism)
——两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构
C
2
B
3
1
A
4
D
特例：等腰梯形机构— —两摇杆长度相等的双 摇杆机构
汽车前轮 转向机构
功能： 往复摆动
往复摆动
应用实例：
飞 机 起 落 架 机 构
——两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构
B
1
A
C
特例：若机构中相对两杆平行且相等，
则成为平面四边形机构。
2
3
4
D
平行四边 形机构特 性：
▲两曲柄 同速同向 转动
▲连杆作 平动
功能： 连续转动
连续转动
应用实例：
惯性筛机构
机车车轮联动机构
应用实例 播种机料斗机构
升降机构
升降车
台灯伸展机构
应用实例
车门开闭机构
§3-2 平面四杆机构的类型和应用
➢四杆机构各部分的名称：
构件
转动副
机架
连架杆
连杆
周转副 摆转副
曲柄
摇杆
整周 回转
机械原理第4章
LAB居中，则 LAD +LBC＞LCD + LAB ∴ LAB＜70mm
LAB最大，则 LAB+ LAD＞LCD + LBC ∴ LAB＞130mm 结果为50mm＜LAB＜70mm 或130mm＜LAB≤LBC+LCD +LAD=250mm。
第4章 平面连杆机构及其设计
(Chapter 4 Planar linkages and design of linkages)
B A
M F C
E
D
基本内容
1.连杆机构的基本概念 1)铰链四杆机构的基本形式、应用及演化； 2)平面四杆机构的特性。 2.平面连杆机构的设计
学习重点
1)连杆机构的特性； 2)图解法设计平面四杆机构。
CD
2
对心曲柄 滑块机构
偏心曲柄 滑块机构
(2)双滑块机构
当LBC→∞时， →直线。
B 1 1
2
A A 4
2
B 3
C 4
C
3
1
2
B
3
C
4
A
双滑块机构种类：
2 1 4 3
B 2
1
A 4
3 C
2.扩大转动副
B
1 A 1 4 4 B A
2
C
2
C3
3
将B点转动副扩大
3.取不同构件为机架
A
1 2 3 4
C
B A B
2 B 4 1
A
C
2
3
C
C
4
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。
第8章-平面连杆机构及其设计
B1
C1
B2
C2
min=00
min=00
B
A
C
B1
C１
min=00
C2
B2
min=00
F
v
死点位置——机构传动角γ=0 0 时的位置。
注意：曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构， 曲柄主动时无死点位置。
克服死点的措施：
1）利用从动件和飞轮的惯性；
2）对从动件施加额外的力；
3）错位排列；
G
G’
C
A
B
D
C1
C2
错位不连续
杆组装配模式应始终保持一致
错序不连续
C1
A
B3
D
C1
C2
B4
B1
B2
C3
例：已知连杆三位置，设计四杆机构。
B1
C1
B2
C2
C3
B3
A
D
出现运动错位不连续。
措施？
另选铰链B、C位置。
C1’
AB1
DC1
若AB主动：
AB2
DC2
AB3
DC3
AB1
DC1’
DC1
AB1
若DC主动：
D
a
b
c
d
2
1
C2
B2
C1
B1
最小传动角 出现在曲柄与机架共线时。
重叠共线时：
拉直共线时：
讨论：标出下列机构在图示位置的压力角α、传动角γ；及最小传动角γmin。
注意：曲柄滑块机构曲柄主动时，γmin在曲柄与导路垂直的位置（两位置之一）。
max
min
a
B
b
A
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B
1
2
直动导杆
C
3
定块
A
4
功能： 往 复 摆 动
往复移动
应用实例 手 动 抽 水 机 炉 门 送 料 装 置
B
1 2 4
C
3
A
三、含有两个移动副的四杆机构——演化型式II
对心曲柄滑块机构
变连杆 为滑块
双滑块机构
从动件3的位移与原 动件1的转角成正比：
连杆尺寸 为无穷大
s l AB sin
3. 双摇杆机构 (Double-Rocker Mechanism) ——两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构
C
2
B
1 4
3
A
D
特例：等腰梯形机构 — — 两摇杆长度相等的双 摇杆机构
汽车前轮 转向机构
功能： 往 复 摆 动
往复摆动
应用实例： 飞 机 起 落 架 机 构
图22M 重 型 轰 炸 机 前 起 落 架
移动副可认为是回 转中心在无穷远处 的转动副演化而来
正弦机构
1. 正弦机构
B 1 A 2 3 1 A B 3 2
从动件3的位移与原动件1的转角成正比
应用 实例 压缩机
s l AB sin
缝 纫机 进针 机构
2. 双滑块机构
2 1 3 3 A 2
B
B
1
A
应用实例
椭圆仪
B 1
3 2
( x y ctg )2 ( y x tg )2 a2
极 位 — — 输 出 构 件的 极 限 位置 摆角φ ——两极限位置所夹的锐角 极位夹角 ——当输出构件在两极位时，原动件所处两个位置
之间所夹的锐角。
2. 急回运动
原动件作匀速转动，从动件作往复
运动的机构，从动件正行程的平均速 度慢于反行程的平均速度的现象——
急回运动(Quick-return)
▴明确四杆机构曲柄存在条件 和机构急回运动及行程速比系 数等概念； ▴ 对传动角、死点、运动连续 性等有明确的概念；
难点： 1. 2. 3.
▴了解平面四杆机构设计的基 平面四杆机构最小传动角的确定； 本问题，掌握根据具体设计条 平面铰链四杆机构运动连续性的判断； 件和实际需要设计平面四杆机 根据已知条件设计平面四杆机构。 构的方法。
§8-2 平面四杆机构的类型和应用
四杆机构各部分的名称：
构件 机架 曲柄
相对 固定 整周 回转
转动副 连杆 摇杆
往复 摆动
连架杆
周转副
整周 回转
摆转副
往复 摆动
平面 运动
机构命名：原动件名 + 输出构件名
（也可以几何特点命名）
一、全转动副四杆机构（铰链四杆机构）——基本型式
1. 曲柄摇杆机构 (Crank-Rocker Mechanism)
若使AB能够整
周回转，必须 使得以圆上
B a A B2 b
C c
C2
C1 B1 d E E D F F
任一点为中心，
以杆长b为半 径所形成的圆
与圆有交点，
即：
BE b BF
max BE b min BF
max BE B1 E
min BF B2F
C
3
功能： 连 续 转 动
往复移动
应 用 实 例 ：
发 动 机
压 力 机
雨
伞
应用实例：
空
气
压
缩
机
车 门 开 闭 机 构
B
1 2车门 4
C
A
3汽缸
应用实例：
送 料 装 置
筛
分
机
2. 导杆机构 (Crank-Shaper Mechanism)
B
1 2 4
★摆动导杆
C
导杆
A
机构——
3
导杆只能在 一定的角度
双滑块机构
B
2
1 2 B
C
摇块
导杆
A
3
1
3
4
A
4
C
2、改变运动副的尺寸：曲柄偏心轮
2 B 1 A 4 C 3
扩大转 动副B 的半径
2 B 1 A 4
C 3 D
超过 曲柄 长
2 B A 1 4
C 3 D
D
转动 副B 的半 径扩 大超 过曲 柄长
曲柄滑块机构
偏心轮机构
3、选用不同构件为机架——倒置法 机构的倒置：选运动链中不同的构件作机架以获得不同机构的 演化方法称为机构的倒置。
亦即： B1E b B2F
B1、B2点为形成周转副的关键点。
在△B1C1D中
在△B2C2D中
a +d b +c (1)
B a B1
C b C1 d c
C2
d a b c d a c b
A
B2
D
若： d a，则有： a +c d +b (2)
90
F F cos F F cos
F F cos F F cos
机构常用传动角大 小及变化来衡量机 构传力性能的好坏。
() F 机构传动越有利
一般要求： min 40 ~ 50
C F
急回运动特性的应用
0， K1，有急回运动
三、四杆机构的压力角与传动角
1. 压力角与传动角
压力角 (Pressure angle)——不考虑摩擦时，机构输出构件 上作用的力F与该力作用点的绝对速度方向所夹的锐角。
F ,V
传动角 (Transmission angle)— —压力角的余角
★回转导杆机构—— 导杆能作整周转动
内摆动
功 能
连续转动
连续转动
连续转动
往复摆动
应用实例 牛 头 刨 床
早期的飞机发动机
回
转
柱
塞
泵
3. 曲柄摇块机构(Rock-Slider Mechanism)
B
1 2 4
摇块
C
3
A
功能： 连 续 转 动
往复摆动
应用实例
自 卸 车
4. 直动导杆机构 (Fixed-Slider Mechanism)
鹤式起重机
应用实例：
电风扇摇头机构 推 土 机 铲 斗 机 构
C
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2 3 1 4
C
2 3 1 4
C
B
1
B D A
B D
4
3
A
A
D
曲柄摇杆机构
双曲柄机构
双摇杆机构
构件4为机架——曲柄摇杆机构 构件2为机架——曲柄摇杆机构
构件1为机架——双曲柄机构 构件3为机架——双摇杆机构
低副运动的可逆性： 在低副机构中，取不同构件作为机架时，任意两个构件间 的相对运动关系不变。
急回运动机理
a)曲柄转过 1 180 摇杆上C点摆过： C1C2 所用时间：t1 1 180 1 1 b)曲柄转过 2 180
2 180 所用时间： t2 摇杆上C点摆过：C2C1 1 1 1 2 t1 t2 C1C2 C2C1 V ; V c)设两过程的平均速度为V1、V2： 1 2 t1 t2 t1 t2 V2 V1 回程速度大于正行程速度。
r e l
A
B1
B
r e
C1 B2
l
C C2 D
解2： AD 连线为机架方向，故 B1 、 B2 为 r 成为曲柄的关键点， 所以
思考：对心曲柄滑块机构 有曲柄的条件？
l r+e
l r-e
l r e
二、急回运动特性(Quick return property)
1. 概念
x y 1 a cos a sin
2 2
A
(x,y)
3. 双转块机构
2 1 3 3 A A 2 1 3 2
B
B
B
1
A
应用实例
十 字滑 块联 轴器
小
平面四杆机构的演化方式
结
1、改变构件的形状和相对尺寸：转动副移动副
对心曲柄滑块机构
变连杆 为滑块
注意！ 急回作用具有方向性,当原动件的回转方向改变时,急回的 行程也随之改变。
3. 行程速比系数K 为表明急回运动程度，用行程速度变化系数 K(time ratio) 来衡量，作为机构的基本运动特征参数。定义为反正行程速度 比，即
K v2 C1C2 / t2 t1 1 v1 C1C2 / t1 t2 2
铰链四杆机构中，若其两个连架杆一为曲柄，一为摇
杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。
C
2
B
1 4
3
A
D
功能： 连 续 转 动
往复摆动
应用实例：
雷达天线俯仰机构
飞 机 起 落 架 机 构
缝 纫 机 脚 踏 板 机 构
抽 油 机 机 构
应用实例： 搅拌机构
碎石机
拉胶片机构
剪板机
2. 双曲柄机构 (Double-Crank Mechanism) ——两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构
K
180 1 180
K 1 K 1
或： 180 讨论：
1) 当θ≠0时，机构具有急回运动特性； 2) θK ，急回运动特性愈显著。
例：曲柄滑块机构
对心曲柄滑块机构 0， K=1，无急回运动