四杆机构的演化
铰链四杆机构的演化及应用教学设计
铰链四杆机构的演化及应用教学设计铰链四杆机构的演化及应用教学设计作为一名教学工作者，通常会被要求编写教学设计，教学设计是一个系统化规划教学系统的过程。
那么优秀的教学设计是什么样的呢？以下是小编精心整理的铰链四杆机构的演化及应用教学设计，希望对大家有所帮助。
《平面连杆机构》是中等职业学校《机械基础》中的重要内容，《铰链四杆机构的演化及应用》是该章中的重点和难点。
铰链四杆机构是平面连杆机构中最为典型的机构，它可以演化为“曲柄滑块机构、导杆机构”，多年教学发现，学生的基础不同，虽然在学习“铰链四杆机构的演化过程及应用”知识时表现出的困难程度有差别，但由于缺乏直观经验，学生在学习过程中均会存在一定的难度！笔者针对现在所任教的单招学生教学对象，设计了一堂课堂教学并进行了实施，本文对教学中的成功与不足等方面进行教学反思，以在今后教学中有所借鉴，提高教学效果！教情、学情分析：任教学生为“单招班”学生，他们的文化基础与学习态度较不是太好。
本节课是一堂复习课，在第一轮新课教学中主要采取传统教学方法，因学生对“机构的应用”缺少感性认识，理解时表现出一定的难度。
本节课运用“多媒体”教学手段（更加直观）、采用“课堂自主—研究学习”的教学方法，力图使学生对本节内容的理解更加深入，掌握更加透彻！“教学目的”的制定：1、掌握铰链四杆机构的演化过程及演化机构的结构组成及运动原理（认知目标）；2、培养学生的观察能力、概括能力和自学能力，使他们能在实习或生产中解决相关的技术问题（能力目标）；3、激发学生学习兴趣，增进师生互动、交流、达到“教学相长”的效果，进行热爱专业的思想教育，培养学生理论联系实际地学习（情感目标）。
教学方法及手段的选择：本节课采取课堂自主——研究的教学方法，课前让学生先进行自学，课堂上教师对总的教学目标进行细化，在讲解每个知识点时，采用“引导教学法”代替传统的“填鸭式”，先示出引导问题，让每个学生通过思考解决问题，层层递进，逐个解决问题，然后教师对学生的思维进行总结、训练和拓展；为弥补学生想像能力的欠缺、增强学生学习的直观性，对铰链四杆机构的演化过程可采用flash软件制作课件，对演化机构的应用（结构组成和运动原理）可从Internet上搜索多种教学素材（录像、实物等），提高教学效果！教学过程如下：一、思维引入：1．铰链四杆机构三种基本类型及判断方式？2．急回特性判定及其应用意义？3．曲柄摇杆机构死点产生条件、位置、克服方法、应用？4．列举实际生产生活中三种典型铰链四杆机构的应用实例？还存在哪些其他形式的四杆机构？二、思维启发演绎：（一）曲柄滑块机构演化通过演示，让学生观察，分析曲柄滑块机构是曲柄摇杆机构的演化形式。
平面四杆机构
4.5 平面四杆机构的基本特性
4.5.2 死点
死点的位置
在从动曲柄与连杆共线的连个位置之一时，出 现机构的传动角g=0，压力角a=90的情况，这 时连杆对从动曲柄的作用里恰好通过其回转中 心，不能推动曲柄转动，机构的这种位置称为 死点位置。
死点位置的利弊
利：工程上利用死点进行工作。
弊：机构有死点，从动件将出现卡死或运动方向不确定现象，对传动机 构不利
度过死点的方法
增大从动件的质量、利用惯性度过死点位置。
采用机构错位排列的方法源自平面四杆机构4.1 概述
平面连杆机构是由若干个构件通过低副联接而成的机构，又称为平面低 副机构。
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。 平面连杆机构的优点 由于是低副，为面接触，所以承受压强小、便于润滑、磨损较轻，可 承受较大载荷 结构简单，加工方便，构件之间的接触是有构件本身的几何约束来保 持的，所以构件工作可靠 可使从动件实现多种形式的运动，满足多种运动规律的要求 利用平面连杆机构中的连杆可满足多种运动轨迹的要求 平面连杆机构的缺点 根据从动件所需要的运动规律或轨迹来设计连杆机构比较复杂，精度不高。
运动时产生的惯性难以平衡，不适用于高速场合。
4.4 四杆机构的基本形式及其演化
4.4.1 四杆机构的基本形式
根据连架杆运动形式的不同，可分为三种基本形式 1、曲柄摇杆机构 在两连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆。
运动特点：
一般曲柄主动， 将连续转动转换为摇 杆的摆动，也可摇杆 主动，曲柄从动。
应用举例：牛头刨床横向进给机构、搅面机、卫星天线、飞剪
双摇杆机构应用实例
风扇摇头
4.4 四杆机构的基本形式及其演化
平面四杆机构的基本形式及其演变
平面四杆机构的基本形式及其演变提问：请试举几个生活与工程中的四杆机构的实例基本类型：铰链四杆机构（均为转动副）一、铰链四杆机构的基本形式及应用1、组成：机架：固定不动的构件曲柄：相对机架可作整周旋转连架杆：与机架相连的构件摇杆：只能在某一角度内摆动连杆：不与机架相连的构件2、分类：曲柄摇杆机构特征：曲柄加摇杆功用：（1）将曲柄的转动转换为摇杆的摆动（曲柄为主动件）（2）将摇杆的摆动转换为曲柄的转动（摇杆为主动件）例：雷达天线、搅拌机、剪切机（1）；缝纫机踏板机构（2）双曲柄机构特征：两个曲柄功用：将等速转动变为不等速同向、等速同向或不等速反向等转动。
特例：A、平行四边形机构特征：两相对构件等长且平行，呈平行四边形；两曲柄同速同向运动，连杆做平动。
实例：摄影平台、火车轮、天平等注意：平行四边形机构在共线位置出现运动不确定，两曲柄有可能反向旋转，所以采用两组机构错开排列，如火车轮。
B、反平行四边形机构特征：两相对构件等长，但机架与连杆不平行；两曲柄做反向不等速转动。
实例：车门开闭机构例：惯性筛（变速）；旋转式叶片泵、平台升降机构（同向同速）；车门开关机构（等速反向）双摇杆机构特征：两个摇杆功用：将一种摆动转换为另一种摆动实例：造型翻箱、起重机变幅机构、飞机起落架、汽车转向机构*注意分析各类四杆机构的运动传递关系和各构件的动作二、铰链四杆机构的演化型式(1) 改变构件的形状和运动尺寸(2)改变运动副的尺寸偏心轮机构(3)选不同的构件为机架曲柄滑块机构导杆机构（摆动、转动）应用实例：压力机、内燃机应用实例：牛头刨床31 2B31 2B对心曲柄滑块机构双滑块机构正弦机构偏心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构曲柄摇块机构直动滑杆机构应用实例：货车自卸机构应用实例：手摇唧筒。
平面四杆机构的演化形式
平面四杆机构的演化形式一、引言平面四杆机构是一种常见的机械构件，用于将旋转运动转换为直线运动或者反之。
它由四个连接件（称为杆）组成，通过铰链或者滑动配合连接在一起。
平面四杆机构广泛应用于机械工程、自动化控制领域等。
本文将深入探讨平面四杆机构的演化形式，从最早的简单结构到如今的复杂应用。
二、早期平面四杆机构早期的平面四杆机构结构相对简单，常见的形态有曲柄摇杆机构、双曲柄机构等。
这些机构通常由一个旋转的曲柄（Crank）和三个连接杆组成。
其中一个杆被固定在机构的框架上，另外三个杆通过铰链连接在一起。
1. 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构是最早的平面四杆机构形式之一。
它由一个旋转的曲柄、一个摇杆和两个连接杆组成。
曲柄固定在机构的框架上，摇杆通过一个铰链连接在曲柄上，而两个连接杆分别连接在摇杆的另外两个端点上。
当曲柄旋转时，摇杆会做往复运动，将旋转运动转化为直线运动。
2. 双曲柄机构双曲柄机构是另一种常见的平面四杆机构形式。
与曲柄摇杆机构不同，双曲柄机构有两个旋转的曲柄，分别连接在两个摇杆上。
双曲柄机构具有更复杂的运动轨迹，可用于实现更多种类的运动转换。
三、现代平面四杆机构随着科技的进步和工程技术的发展，现代平面四杆机构的结构越来越复杂，应用领域也更加广泛。
1. 四杆机构的运动学分析现代平面四杆机构通常通过运动学分析来确定机构的运动特性。
运动学分析主要包括位置、速度和加速度的求解。
通过建立几何模型、运动学方程和约束方程，可以获得四杆机构各部分的运动规律。
2. 发展趋势：平面四杆机构的复杂化现代平面四杆机构的发展趋势是越来越复杂。
研究人员通过改变连接杆的长度、形状等参数，设计出更多种类的平面四杆机构，以满足不同的工程需求。
同时，运用计算机辅助设计和优化算法，优化机构的结构和性能，提高机构的工作效率和精度。
3. 平面四杆机构在机械工程中的应用平面四杆机构在机械工程中有着广泛的应用。
例如，它可以用于实现柔顺的运动传递、连杆机构的传动和控制等。
铰链四杆机构的演化形式
包括机架、连杆、主动件和从动件。其中，机架是固定不动 的构件，连杆是连接主动件和从动件的构件，主动件是驱动 机构运动的构件，从动件是随主动件运动而运动的构件。
运动特性分析
01
02
03
运动形式
铰链四杆机构可实现多种 运动形式，如转动、摆动 、移动等。
运动规律
机构运动过程中，各构件 的角位移、角速度和角加 速度等运动参数遵循一定 的规律变化。
结构特点与工作原理
结构特点
复合铰链四杆机构由两个或两个以上的基本铰链四杆机构组合而成，通过共享一个或多个铰链点实现 联动。这种机构具有更高的复杂性和灵活性，能够实现更丰富的运动轨迹和输出特性。
工作原理
复合铰链四杆机构的工作原理与基本铰链四杆机构相似，都是基于铰链点的相对运动来实现力的传递 和运动的转换。但由于结构的复杂性，其运动学和动力学分析更为复杂，需要借助专业的设计软件进 行精确的计算和仿真。
设计复杂度高
复合铰链四杆机构的设计涉及多个基本机构的组合和优化，设计 过程相对复杂，需要较高的专业知识和经验。
制造成本高
由于结构的复杂性和高精度要求，复合铰链四杆机构的制造成本相 对较高。
运动学和动力学分析困难
复合铰链四杆机构的运动学和动力学分析涉及多个基本机构的相互 作用和影响，分析过程相对困难。
VS
工作原理
当主动摇杆绕固定铰链转动时，通过连杆 的传动作用，使从动摇杆也绕固定铰链作 相应转动。双摇杆机构具有急回特性，即 主动摇杆等速转动时，从动摇杆的角速度 在回程中比往程中快。
优缺点分析
优点
双摇杆机构具有结构紧凑、传动效率高、承载能力强等优点。同时，由于具有急回特性，因此适用于需要快速返 回的应用场合。
铰链四杆机构的基本形式和特性
四、双滑块机构： 改变构件的形状和运动副
当摇杆为主动件，连杆和曲柄共线时，过铰链中心A的力，对A点不产生力矩，不能使曲柄转动，机构的这种位置称为死点位置 。 曲柄摇杆机构的最小传动角出现在曲柄与机架共线（ ＝0º或 ＝180º）的位置。 铰链四杆机构类型的判断条件：
（3）取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。
2）若不满足杆长和条件： 该机构只能是双摇杆机构。
注意： 铰链四杆机构必须满足四构件组成的
封闭多边形条件：最长杆的杆长<其余三杆
长度之和。
2
B
C
3
1
4
A
D
双曲柄机构
B 1
2 C
3
A
4
D
双摇杆机构
曲柄摇杆机构
§2—3 铰链四杆机构的演化
F2
C
γF α
δ F1 vc
D
F1 为有效分力 F1 = Fcosα , F1
在连杆设计中，为度量方便，习惯用传动角γ来判 断机构传力性能。 γ F1，机构传力性能越好，
反之，机构传力越费劲，传动效率越低。
机构运转时，传动角γ是变化的，为
了保证机构的正常工作，机构的传动角作出 如下规定（P23）
机构特性
雷达天线俯仰机构
曲柄摇杆机构的一些主要特性：
1、机构的急回运动特性：
铰链C的平均速度：
B
C1
θ
C C2
ψ 摆角
v1 =C⌒1C2/t1 v2 =C⌒1C2/t2
v1<v2
1
B2
它表明摇杆具
A
机械原理四连杆机构
双曲柄机构
双摇杆机构
一、 曲柄摇杆机构
在铰链四杆机构中，若两个连架杆， 一个为曲柄，另一个为摇杆，则此铰链 四杆机构称为曲柄摇杆机构。
图4-2所示为调整雷达天线俯仰角的 曲柄摇杆机构。曲柄1缓慢地匀速转动， 通过连杆2使摇杆3在一定的角度范围内 摇动，从而调整天线俯仰角的大小。
图4-2 雷达天线俯仰角调整机构
由上述分析可知：
最短杆和最长杆长度之和小于或等于其 余两杆长度之和是铰链四杆机构存在曲 柄的必要条件。
满足这个条件的机构究竟有一个曲柄、 两个曲柄或没有曲柄，还需根据取何杆 为机架来判断。
二、铰链四杆机构的演化
1．曲柄滑块机构
如图4-15a所示 的曲柄摇杆机构中， 摇杆3上C点的轨迹是以D为圆心，杆3的 长度L3为半径的圆弧mm。如将转动副D 扩大，使其半径等于L3，并在机架上按C 点的近似轨迹mm作成一弧形槽，摇杆3 作成与弧形槽相配的弧形块，如图4-14b 所示。
图4-6 利用死点夹紧工件的夹具
二、双曲柄机构 两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称
为双曲柄机构。
图4-7 插床双曲柄机构
双曲柄机构中，用得最多的是平行 双曲柄机构，或称平行四边形机构，它 的连杆与机架的长度相等，且两曲柄的 转向相同、长度也相等。由于这种机构 两曲柄的角速度始终保持相等。且连杆 始终作平动，故应用较广。
急回特性可用行程速比系数K表示，即
K
v2 v1
C1C2 / t2 C1C2 / t1
t1 t2
1 2
180 180
整理后，可得极位夹角的计算公式：
180 K 1
K 1
2．压力角和传动角
在生产实际中往往要求连杆机构不仅 能实现预期的运动规律，而且希望运转轻 便、效率高。图4-5所示的曲柄摇杆机构， 如不计各杆质量和运动副中的摩擦，则连 杆BC为二力杆，它作用于从动摇杆3上的 力P是沿BC方向的。作用在从动件上的驱 动力P 与该力作用点绝对速度vc之间所夹
机械设计基础--四杆机构资料
5.偏心轮机构
机械设计基础
偏心轮机构
第二节 平面四杆机构的基本特性
一、 铰链四杆机构存在曲柄的条件
1. 整转副的存在条件
在 AC' D 中 l4 (l2 l1) l3 l3 (l2 l1) l4
在 AC'' D 中
l1 l2 l3 l4
即 l1 l2 l1 l3 l1 l4
不同的轨迹要求。 • （5）能方便地实现转动、摆动和移动等基本运动形式及
相互转换
机械设计基础
• 平面连杆机构的缺点： ➢ 低副中存在间隙，容易产生累积误差，当构件数和运动 当构件数和运动副较多时，传动的精度和效率较低。 ➢不易精确实现复杂的运动规律，且设计较为复杂。
机械设计基础
2.2 铰链四杆机构
机械设计基础
•
若满足最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆
长度之和时，可得到以下三种结构；
• （1）连架杆是最短杆 为曲柄摇杆机构；
• （2）机架是最短杆 为双曲柄机构；
• （3）若最短杆是连杆，此机构为双摇杆机构。
•
若满足最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之
和时,为双摇杆机构。
机械设计基础
二、学习指导
是
否
lmax+lmin ≤ l余1+l余2
不存在曲柄
双摇杆机构
可能有曲柄 固定件
机械设计基础
最短构件 最短构件的邻边 最短构件的对边
图3-9
双曲柄机构 曲柄摇杆机构
双摇杆机构
二、 急回特性与行程速比系数 1. 摇杆摆角 摇杆在两极限位置的夹角
2. 极位夹角 对应摇杆两极限位置，曲柄两位置所夹的锐角。
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R
A
B
C D
R
A
B
C
A
B
C
R
A
B
C
A
B R
教学过程设计及知识点传授:
铰链四杆机构中一个转动副转化为移动副
曲柄摇杆机构中，摇杆3上C 点的轨迹是以D 为圆心，杆3的长度L 3为半径的圆弧mm.如将转动副D 扩大，使其半径等于L’3，并在机架上按C 点的近似轨迹mm 做成一弧形槽，摇
杆3做成与弧形槽相配的弧形块，此时虽然转动副D 的外形改变，但机构的运动特性并没有改变.若将弧形槽的半径增至无穷大，则转动副D 的中心移至无穷远处，弧形槽变为直槽，转动副D 则转化为移动副,构件3由摇杆变成了滑块，于是曲柄摇杆机构就演化为曲柄滑块机构，
（2）铰链四杆机构中二个转动副转化为移动副
两个移动副不相邻，如图所示。
这种机构从动件3的位移与原动件转角的正切成正比，故称为正切机构。
两个移动副相邻，且其中一个移动副与机架相关联，如图示。
这种机构从动件3的位移与原动件转角的正弦成正比，故称为正弦机构。
教法 学法
用自制的教具展示:
导杆机构可以看作是在曲柄滑块机构中选取不同构件为
机架演化而成.
判断：下图各属
于哪种机构？。