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
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’
平面连杆机构及其设计
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
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。
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）
机械原理课程教案—平面连杆机构及其分析与设计
机械原理课程教案一平面连杆机构及其分析与设计一、教学目标及基本要求1掌握平面连杆机构的基本类型，掌握其演化方法。
2,掌握平面连杆机构的运动特性，包括具有整转副和存在曲柄的条件、急回运动、机构的行程、极限位置、运动的连续性等；3.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换为可用计算机解决的问题。
4.掌握连杆机构的传力特性，包括压力角和传动角、死点位置、机械增益等；正确理解自锁的概念，掌握确定自锁条件的方法。
5,了解平面连杆机构设计的基本问题，掌握根据具体设计条件及实际需要，选择合适的机构型式；学会按2~3个刚体位置设计刚体导引机构、按2~3个连架杆对应位置设计函数生成机构及按K值设计四杆机构；对机构分析与设计的现代解析法有清楚的了解。
二、教学内容及学时分配第一节概述（2学时）第二节平面连杆机构的基本特性及运动分析（4.5学时）第三节平面连杆机构的运动学尺寸设计（3.5学时）三、教学内容的重点和难点重点：1.平面四杆机构的基本型式及其演化方法。
2.平面连杆机构的运动特性，包括存在整转副的条件、从动件的急回运动及运动的连续性；平面连杆机构的传力特性，包括压力角、传动角、死点位置、机械增益。
3.平面连杆机构运动分析的瞬心法、相对运动图解法和杆组法。
4.按给定2~3个位置设计刚体导引机构，按给定的2~3个对应位置设计函数生成机构，按K值设计四杆机构。
难点：1.平面连杆机构运动分析的相对运动图解法求机构的加速度。
2.按给定连架杆的2~3个对应位置设计函数生成机构。
四、教学内容的深化与拓宽平面连杆机构的优化设计。
五、教学方式与手段及教学过程中应注意的问题充分利用多媒体教学手段，围绕教学基本要求进行教学。
在教学中应注意要求学生对基本概念的掌握，如整转副、摆转副、连杆、连架杆、曲柄、摇杆、滑块、低副运动的可逆性、压力角、传动角、极位夹角、行程速度变化系数、死点、自锁、速度影像、加速度影像、装配模式等；基本理论和方法的应用，如影像法在机构的速度分析和加速度分析中的应用、连杆机构设计的刚化一反转法等。
平面连杆机构及其设计
平面连杆机构及其设计§8-1、连杆机构及其传动特点1、连杆机构及其组成。
本章主要介绍平面连杆机构（所有构件均在同一平面或在相互平行的平面内运动的机构）组成：由若干个‘杆’件通过低副连接而组成的机构。
又称为低副机构。
2、平面连杆机构的特点（首先让学生思考在实际生活中见到过哪些连杆机构：钳子、缝纫机、挖掘机、公共汽车门）1）运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击，易润滑，磨损小，寿命长；。
2）运动副元素简单（多为平面或圆柱面），制造比较容易；3）运动副元素靠本身的几何封闭来保证构件运动，具有运动可逆性，结构简单,工作可靠；4）可以实现多种运动规律和特定轨迹要求；（连架杆之间）匀速、不匀速主动件（匀速转动）→→→→→从动件连续、不连续（转动、移动）某种函数关系引导点实现某种轨迹曲线导引从动件（连杆导引功能）→→→→→引导刚体实现平面或空间系列位置5）还可以实现增力、扩大行程、锁紧。
连杆机构的缺点：1）由于连杆机构运动副之间有间隙，且运动必须经过中间构件进行传递，因而当使用长运动链（构件数较多）时，易产生较大的误差积累，同时也使机械效率降低。
2）连杆机构所产生的惯性力难于平衡，因而会增加机构的动载荷，所以连杆机构不宜用于高速运动。
3）难以精确地满足很复杂地运动规律（受杆数限制）4）综合方法较难，过程繁复；平面四杆机构的应用广泛，而且常是多杆机构的基础，本章重点讨论平面四杆机构的有关基本知识和设计问题。
§8-2、平面四杆机构的基本类型和应用（利用多媒体中的图形演示说明）1．铰链四杆机构的基本类型1）、曲柄摇杆机构曲柄：与机架相联并且作整周转动的构件；摇杆：与机架相联并且作往复摆动的构件；（还可以举例：破碎机、自行车（人骑上之后）等）2）、双曲柄机构铰链四杆机构的两连架杆均能作整周转动的机构。
还可以补充：平行四边形机构的丁子尺、工作台灯机构；火车驱动机构、摄影平台、播种料斗机构、关门机构等。
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
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点。 2）采用将两组以上的同样机构组合使用，且使各组机构的死
点位置相互错开排列的方法。
（2）死点的应用 例1 飞机起落架收放机构 例2 折叠式桌的折叠机构
5．连杆机构的运动连续性
§7-4 平面四杆机构的设计
1. 连杆机构设计的基本问题 连杆机构设计的基本问题是根据给定的要求选定机构的型式， 确定各构件的尺寸，同时还要满足结构条件、动力条件和运动连 续条件等。
平面四杆机构的设计(5/6)
求解条件讨论：
当N＝3时， 有唯一解； 当N＝2时， 有无穷多解； 当N＝4时， 可能有无穷多解； 当N＝5时， 可能有解或无解；
（2）按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构
1）已知两连架杆三对对应位置 2）已知两连架杆四对对应位置
平面四杆机构的设计(6/6)
（3）按给定的行程速比系数设计四杆机构 例1 曲柄摇杆机构 例2 曲柄滑块机构 例3 摆动导杆机构
平面连杆机构及其设计
§7-1 连杆机构及其传动特点
1.应用举例 契贝谢夫四足步行机构（图片、动画）
2.连杆机构 例 铰链四杆机构 曲柄滑块机构 摆动导杆机构
此类机构的共同特点： l机构的原动件1和从动件3的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。 l机构中的运动副一般均为低副。 故此类机构也称低副机构。 l连杆机构中的构件多呈现杆的形状， 故常称构件为杆。 连 杆机构常用其所含的杆数而命名，故有四杆机构、六杆机构等。
（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1 鹤式起重机 例2 搅拌机构 连杆机构的设计方法有：图解法、解析法和实验法。
2. 用解析法设计四杆机构 （1）按预定的运动规律设计
1）按预定的两连架杆对应的位置设计 例1 2）按期望函数设计四杆机构 例2 （2）按预定的连杆位置设计 （3）按预定的运动轨迹设计
结论 由于多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。
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；
多杆机构(2/3)
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。
结论 当机构存在极位夹角θ 时，机构便具有急回运动特性；
且θ 角越大，K值越大，机构的急回性质也越显著。
例1 导杆机构 例2 对心曲柄滑块机构 例3 偏置曲柄滑块机构 例4 牛头刨床机构
平面四杆机构的基本知识(4/5)
3．四杆机构的传动角 连杆BC与从动件CD之间所夹的锐角γ 称为四杆机构在此位置 的传动角。且 γ ＝90°－ α ≤90° 为了保证机构传力性能良好， 应使γmin≥40 ～°50°。 最小传动角的确定： 对于曲柄摇杆机构， γmin出现在主动件 曲柄与机架共线的两位置之一。
瓦特型
斯蒂芬森型 瓦特Ⅰ型 瓦特Ⅱ型
多杆机构(3/3)
2）斯蒂芬森（Stephenson）型，有Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三种。
斯蒂芬森Ⅰ型 斯蒂芬森Ⅱ型 （3）六杆机构的应用
斯蒂芬森Ⅲ型
平面四杆机构的设计(3/6)
3. 用作图法设计四杆机构
3.1 图解设计的基本原理
Ø图解设计问题——作图求解各铰链中心的位置问题。
Fi
Ei
Ci
B
i
A
D
i =1、2、···、N
Ø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
平面四杆机构的设计(4/6)
Ø机构的倒置原理 为了求活动铰链的位置，可将待求活动铰链所在的杆视作 新机架，而将其相对的杆视为新连杆。
连杆机构及其传动特点(2/2)
3.传动特点 优点：
① 运动副一般为低副； ② 构件多呈现杆的形状； ③ 可实现多种运动变换和运动规律； ④ 连杆曲线形状丰富，可满足各种轨迹要求。
缺点： ① 运动链长，累积误差大，效率低； ② 惯性力难以平衡，动载荷大，不宜用于高速运动； ③ 一般只能近似满足运动规律要求。
对心曲柄滑块机构有曲柄的条件： ① 连架杆长度≤连杆的长度； ② 连架杆为最短杆。
平面四杆机构的基本知识(3/5)
2.急回运动和行程速比系数 （1）急回运动 当主动件曲柄等速转动时，从动件摇杆摆回的平均速度大于 摆出的平均速度，摇杆的这种运动特性称为急回运动。
（2）行程速比系数K
K=
v2 v1
180°＋θ = 180°－θ
§7-2 平面四杆机构的类型和应用
1.四杆机构的类型 （1）基本型式
曲柄摇杆机构
铰链四杆机构
双曲柄机构
平行四边形机构 逆平行四边形机构
双摇杆机构 等腰梯形机构
（2）演化形式
其他型式的四杆机构可以认为是由基本型式的四杆机构演化 而来的，其演化方法有：
1）改变构件的形状及运动尺寸 2）改变运动副的尺寸
结论： 如果铰链四杆机构各杆长度满足杆长条件，当最短杆为连
架杆时，则机构为曲柄摇杆机构；当最短杆为机架时，则机构为 双曲柄机构；当最短杆的相对杆为机架时，机构为双摇杆机构。
如果各杆长度不满足杆长条件，则机构无周转副，此时不 论以何杆为机架，机构均为双摇杆机构。
例2 偏置曲柄滑块机构 偏置曲柄滑块机构有曲柄的条件： ① 连架杆长度＋偏距≤连杆的长度； ② 连架杆为最短杆。
（1）满足预定的运动规律的要求 例1 流量指示机构 例2 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。 （2）满足预定的连杆位置要求 即要求连杆能占据一系列预定位置（又称刚体导引问题）。 例1 小型电炉炉门的开闭机构
平面四杆机构的设计(2/6)
接下来，将原机构的各位置的构型均视为刚体，并向某一 选定位置相对移动，使新机架的各杆位置重合，便可得新连杆 相对于新机架的各个位置，即实现了机构的倒置。
这样，就将求活动铰链的位置问题转化为求固定铰链的位 置问题了。 这种方法又称为反转法。
3.2图解设计的具体方法 （1）按连杆预定的位置设计
已知活动铰链中心的位置
4. 用实验法设计四杆机构 （1）按两连架杆的多对对应位置设计 （2）按预定的轨迹设计
§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）实现特定要求下的平面导引
ห้องสมุดไป่ตู้
平面四杆机构的类型和应用(2/2)
3）选用不同的构件为机架（即机构的倒置） 例 铰链四杆机构的倒置 曲柄滑块机构的倒置 双滑块机构的倒置
2.四杆机构的应用 （1）基本型式四杆机构的应用 （2）演化型式四杆机构的应用
§7-3 有关四杆机构的一些基本知识
1.铰链四杆机构有曲柄的条件 （1）周转副的条件
① 最短杆长度＋最长杆长度≤其余两杆长度之和； ② 组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。 其中第一个条件称为杆长条件。 （2）铰链四杆机构有曲柄的条件 ① 各杆长度应满足杆长条件； ② 最短杆为连架杆或机架。 例1 铰链四杆机构 1）各杆长度满足杆长条件 2）各杆长度不满足杆长条件
平面四杆机构的基本知识(2/5)
4.死点
对于曲柄摇杆机构，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”。
例1 曲柄摇杆机构 例2 曲柄滑块机构 例3 摆动导杆机构
平面四杆机构的基本知识(5/5)