(完整版)平面四杆机构的基本类型及其演化
机械原理第三章精选全文完整版
第三节 四杆机构的设计
一、四杆机构的设计的基本问题
平面连杆机构的功能：
（1）传动功能 图
（2）引导功能
图
四杆机构的设计的基本问题：
（1）实现预定的连杆位置问题； （1）实现已知运动规律问题； （2）实现已知轨迹问题。
设计方法：（1）图解法；（2）解析法；
ψ
θ
a AC2 AC1 2
a EC1 / 2
90 -θ
ψ
θ
θ
（2）曲柄滑块机构
已知： H , K,e ，求机构其它构件尺寸.
步骤：
180 (k
1)
k 1
取 l 作图
AB=(AC1-AC2)/2 BC=AC1-AB
H
c2
c1
90
A
lAB l AB
O
Hale Waihona Puke lBC l BCM
（3）导杆机构
已知： lAD , K
根据 3 ，则得
2
arcsin
l3
sin
3 l1 sin
l2
1
第四节 平面连杆机构的运动分析（8）
2.速度分析
将式（l1ei1 l2ei2 l4 l3ei3 对时间求导，得到
l ie 指数函数求导
i1
11
l22iei2
l33iei3
e 将式中的每项乘 i2，并取实部消去 2 ，解得：
3)以平面高副联接的两构件, 若高副元素之间为纯 滚动时, 接触点即为两构件的瞬心；若高副元素 之间既滚动又滑动, 则瞬心在高副接触点处的公 法线上。 图
（2）不直接相联的两构件的瞬心——三心定理
三心定理: 三个彼此作平面运动的构件共有三个瞬 心，且必定位于同一直线上。 图
四杆机构的基本型式及其演化w (1)
往复摆动 —— 摇杆
1、铰链四杆机构的基本型式
⑴.曲柄摇杆机构（以最短杆的邻边为机架）
①.特点：
☆ 两连架杆中一个为曲柄， 另一个为摇杆。
曲柄为主动件时， 曲柄的匀速转动
摇杆为主动件时， 摇杆变速往复摆动
摇杆变速往复摆动 曲柄的匀速转动
②.曲柄摇杆机构应用一——雷达天线俯仰机构 关键：以最短杆的邻边为机架
A
100
C
C 50 B
70 70
100
120
D A 60 D
50 C B
90
100
A
70
D
a）
b）
c）
d）
a) 40+110<70+90，又以最短杆为机架，则为双曲柄机构 b) 120+45<100+70,以最短杆邻边为机架，为曲柄摇杆机构 c)50+100>60+70，无论如何都是双摇杆机构 d)50+100<90+70,但以最短杆BC对边为机架，则为双摇杆机构
1.铰链四杆机构的优缺点
⑴优点： 磨损小，寿命长，传递动力大，制造简单， 制造精度较高。
原因：低副连接，面接触，压强小，便于润滑，磨损小，接触 面是圆柱面或平面，易制造，制造精度高
⑵缺点：运动累计误差大。
关键：低副连接(面接触)
第一节 平面机构的类型及其应用
一.铰链四杆机构
定义: 全由转动副构成的平面四杆机构 称为平面铰链四杆机构
关键：⑴ 对心曲柄滑块机构： ⑵ 偏置曲柄滑块机构：
e——偏距
2、导杆机构：
① L1＜ L2:机架短 曲柄转动导杆机构
② L1＞L2:机架短 曲柄摆动导杆机构
(完整版)平面四杆机构的基本类型及其演化
第三讲课题：§3-1 平面四杆机构的基本类型及其演化教学目的：理解平面四杆机构的各种类型及其应用。
教学重点: 铰链四杆机构类型及其演化，理解曲柄存在条件。
教学难点：导杆机构教学方法：课堂演示、多媒体教学互动：每个知识点后提问或讨论。
教学安排：§3-1 平面四杆机构的基本类型及其演化复习旧课：机构组成，运动副，运动简图等。
平面连杆机构是常用的低副机构，其中以由四个构件组成的四杆机构应用最广泛，而且是组成多杆机构的基础。
因此本章着重讨论四杆机构的基本类型、性质及常用设计方法。
一、四杆机构的类型1．曲柄摇杆机构两连架杆一为曲柄，一为摇杆。
功能：将等速转动转换为变速摆动或将摆动转换为连续转动。
应用：雷达天线机构、缝纫机踏板机构。
2．双曲柄机构两连架杆都为曲柄功能：将等速转动转换为等速同向、不等速同向、不等速反向转动。
应用：惯性筛机构若两曲柄的长度相等，连杆与机架的长度也相等，则该机构称为平行双曲柄机构。
如铲斗机构还有反平行四边形机构，例：公共汽车车门启闭机构3．双摇杆机构两连架杆都为摇杆功能：一种摆动转换为另一种摆动。
应用：鹤式起重机、飞机起落架二、铰链四杆机构的曲柄存在条件证明：结论：铰链四杆机构存在一个曲柄的条件是：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．曲柄为最短杆。
铰链四杆机构存在曲柄的条件是：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．机架或连架杆为最短杆。
三、四杆机构类型判别否Lmax+Lmin< L' +L"是不可能有曲柄可能有曲柄最短杆对边最短杆最短杆邻边双摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构四、铰链四杆机构的演化1．曲柄滑块机构2．偏心轮机构3．导杆机构①摆动导杆机构（牛头刨床）②转动导杆机构③移动导杆机构4．摇块机构小结：本次课主要熟悉四杆机构的各种类型，了解它们的应用作业：预习下次课内容。
平面四杆机构的基本类型及应用-精品文档
图3－16b
图3－19
图3－20
• 若选用曲柄滑块机构中滑块3作机架（图316c），即演化成移动导杆机构（或称定块 机构）。 • 它应用于手摇卿筒（图3—21）和双作用式 水泵等机械中。
图3—21
图3-16c
（3）变化双移动副机构的机架
• 在图3-15和图3-22a所示的具有两个移动副的四杆机 构中，是选择滑块4作为机架的，称之为正弦机构， 这种机构在印刷机械、纺织机械、机床中均得到广 泛地应用，例如机床变速箱操纵机构、缝纫机中针 杆机构（图3—22d）；
铰链四杆机构可分为以下三种类型
1、曲柄摇杆机构
• 铰链四杆机构的两连架杆中一个能作整 周转动，另一个只能作往复摆动的机构。
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。
• 在双曲柄机构中，若相对两杆平行相 等，称为平行双曲柄机构（图3－9）。 这种机构的特点是其两曲柄能以相同 的角速度同时转动，而连杆作平行移 动。图3－10a所示机车车轮联动机构 和图3－10b所示的摄影平台升降机构 均为其应用实例。
图3-15
图3—22
• 若选取构件1为机架（图3－22b）， 则演化成双转块机构，它常应用 作两距离很小的平行轴的联轴器， 图3-22e所示的十字滑块联轴节为 其应用实例；
图3－22b
图3-22e
• 当选取构件3为机架（图3－22c）时， 演化成双滑块机构，常应用它作椭圆 仪（图3—22f）。
图3－22
图 3－11
3、双摇杆机构
双摇杆机构:铰链四杆机构中的两连架杆均不能作 整周转动的机构。
如 图 3 － 12 所 示 鹤 式 起 重 机 的 双 摇 杆 机 构 ABCD，它可使悬挂重物作近似水平直线移动， 避免不必要的升降而消耗能量。在双摇杆机构 中，若两摇杆的长度相等称等腰梯形机构，如 图3—13中的汽车前轮转向机构。
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传动角： =90°－ 压力角越小(即传动角越大)，有用的分力越大。
所以传动角是衡量机构受力大小的一个重要参数。
死点： = 90°
四、死点
如图所示的曲柄摇杆机构中，如果以摇杆CD为主动件，曲柄AB为从 动件，当摇杆位于两极限位置时，连杆与曲柄共线重合，此时，机构的转 动角γ=0°,压力角α=90°,使曲柄不能转动,整个机构处于静止状态，这种 位置称为机构的死点位置。
(1)按给的某些机构的位置设计连杆机构，即位置设计； (2) 按给定点的轨迹设计连杆机构，即轨迹设计。
设计连杆的主要方法有： 图解法，解析法和实验法。（这里着重介绍图解法）
一、图解法 1、实现给定行程速比系数K的设计方法 例：如图所示，已知曲柄摇杆机构的行程 速比系数K，摇杆长度CD和摇杆摆角ψ，要 求设计此机构。 要点：该机构的设计问题是确定铰链中心A 的位置和其余三杆的长度，且关键是确定 铰链中心A的位置。其设计步骤如下：
铰链四杆机构的演化是指在不改变构件间相对运动的条件下，通过改 变某些构件的形状、长度、扩大转动副的半径或选取不同的构件为机架等 方法，以得到四杆机构的其它一些演化机构。
1、曲柄滑块机构 2、导杆机构 3、摇块机构 4、定块机构 5、偏心轮机构
§4-2 平面四杆机构的工作特性
一、四杆机构曲柄存在的条件 二、急回特征 三、传动角与压力角 四、死点
连架杆 B
组成： 机架、连杆、连架杆
摇杆(摆杆) (摆转副)
1
A
曲柄 (周转副)
连杆 2
C 连架杆
3
4
D
机架
机架：固定不动的构件——AD 连架杆：直接与机架相连的构件——AB、CD 连杆：不与机架相连的构件—BC 曲柄：能作整周转动的连架杆 摇杆：不能作整周转动的连架杆
机械原理NO[1].12 8-3 平面四杆机构的基本知识--2
![机械原理NO[1].12 8-3 平面四杆机构的基本知识--2](https://img.taocdn.com/s3/m/f4a7b4b6e87101f69f319596.png)
工程上也常利用死点来工作。
夹具
机械原理
第8章 平面连杆机构及其设计
四、铰链四杆机构的连杆曲线 Coupler-curve of four-bar linkages
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)
B型
水滴型
面包型
瘦长型
伪椭圆型
三角型
机构尺寸： 各运动副之间的相对位置尺寸（或
角度）以及描绘连杆上某点（该点实现 给定运动轨迹）的位置参数等。
平面连杆机构设计的基本要求：
1。要求从动件满足预定的运动规律要求（函数生成问题）； 2。满足预定的连杆位置要求（刚体导引问题）； 3。满足预定的轨迹要求（轨迹生成问题）。
机械原理
第8章 平面连杆机构及其设计
最多能解五个精确位置，多于五个位置只能近似求解，少于五个位置可有无穷解。
机械原理
第8章 平面连杆机构及其设计
2。按预定的运动规律设计四杆机构（函数综合）
1）按预定的两连架杆对应位置设计四杆机构：
要求: 3i f (1i ) ， i =1、2、…、k
（已知条件）
取杆长的相对变量 a/a=1 , b/a=l, c/a=m , d/a=n 为设计参数，不影响各构件的相对 转角关系，故杆长的设计变量为ｌ、ｍ、 ｎ ，再加上0 、0共５个设计变量。
• （2）改变运动副的尺寸；
• （3）选不同的构件为机架；
• （4）运动副元素的逆换。
机械原理
第8章 平面连杆机构及其设计
• 4．平面四杆机构有曲柄的条件： • （1）各杆长满足杆长条件：最短杆与最长杆的长度之和
应小于或等于其余两杆长度之和； • （2）最短杆为连架杆或机架。 • 5．急回运动及行程速度变化系数： • （1） 急回运动： • 当连机构的主动件为等速回转时，从动件空回行程的平
平面四杆机构的基本类型及应用
图3-15
图3—22
• 若选取构件1为机架（图3－22b）， 则演化成双转块机构，它常应用 作两距离很小的平行轴的联轴器， 图3-22e所示的十字滑块联轴节为 其应用实例；
图3－22b
图3-22e
• 当选取构件3为机架（图3－22c）时， 演化成双滑块机构，常应用它作椭圆 仪（图3—22f）。
图3－22
图3－9
图3－10
• 在图3－11a所示双曲柄机构中，虽然其对应边长度 也相等，但BC杆与AD杆并不平行，两曲柄AB和 CD转动方向也相反，故称其为反平行四边形机构。 • 图 3－11b所示的车门开闭机构即为其应用实例， 它是利用反平行四边形机构运动时，两曲柄转向相 反的特性，达到两扇车门同时敞开或关闭的目的。
• 一、平面四杆机构的基本类型及应用
• 全部运动副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最基本型式（如图3-4a所示）
图3-4a
a—曲柄： 与机架相联并且作整周转动的构件； b—连杆：不与机架相联作平面运动的构件； c—摇杆：与机架相联并且作往复摆动的构件； d—机架： a、c—连架杆。
图 3－11
3、双摇杆机构
双摇杆机构:铰链四杆机构中的两连架杆均不能作 整周转动的机构。
如 图 3 － 12 所 示 鹤 式 起 重 机 的 双 摇 杆 机 构 ABCD，它可使悬挂重物作近似水平直线移动， 避免不必要的升降而消耗能量。在双摇杆机构 中，若两摇杆的长度相等称等腰梯形机构，如 图3—13中的汽车前轮转向机构。
转动导杆机构
摆动导杆机构
• 它可用于回转式油泵、牛头刨床及插床 等机器中。图3－17所示小型刨床和图3— 18 中的牛头刨床，分别是转动导杆机构 和摆动导杆机构的应用实例。
平面连杆机构
曲柄——能绕机架上的转动副作整周 回转的连架杆。
摇 杆 —— 只 能 在 某 一 角 度 范 围 ( 小 于
360°)内摆动的连架杆。
一、铰链四杆机构的基本型式
铰链四杆机构按照连架杆是曲柄还是 摇杆分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构、 双摇杆机构三种基本型式 。
（一）、转动副转化成移动副
1、铰链四杆机构中一个转动副转化为移 动副
对心曲柄滑块机构 偏置曲柄滑块机构
曲柄存在条件： 对心曲柄滑块机构：L1<L2 行程 S=2L1 偏置曲柄滑块机构：L1+e<L2
2、铰链四杆机构中两个转动副转化为移动副
由于此机构当主 动件1等速回转时， 从动到导杆3的位 移为y=Labsinα ， 故又称正弦机构
第2章 平面连杆机构
§2-1 平 面 四 杆 机 构 的 基 本 型 式 和 特 征 §2-2 铰 链 四 杆 机 构 有 整 转 副 的 条 件 §2-3 铰链四杆机构的演化 §2-4 平面四杆机构的设计
§2-1 平 面 四 杆 机 构 的 基本型式和特征
平面连杆机构——由若干个构件通过平 面低副(转动副和移动副)联接而构成的平 面机构，也叫平面低副机构。
曲柄是连架杆，只有整转副处于机架
上才能形成曲柄。当铰链四杆机构满足
整转副条件时，机构中最短杆的两端转
动副一定为整转副。 因此可以得出铰链四杆机构存在曲柄
的条件： ⑴最短杆与最长杆长度之和小于或
等于其余两杆长度 之和； ⑵连架杆和机架中，必有一个是最
短杆。
结论： 若铰链四杆机构满足上述整转副条件，
缝纫机
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第三讲
课题：§3-1 平面四杆机构的基本类型及其演化
教学目的：理解平面四杆机构的各种类型及其应用。
教学重点:铰链四杆机构类型及其演化，理解曲柄存在条件。
教学难点：导杆机构
教学方法：课堂演示、多媒体
教学互动：每个知识点后提问或讨论。
教学安排：
§3-1 平面四杆机构的基本类型及其演化
复习旧课：机构组成，运动副，运动简图等。
平面连杆机构是常用的低副机构，其中以由四个构件组成的四杆机构应用最广泛，而且是组成多杆机构的基础。
因此本章着重讨论四杆机构的基本类型、性质及常用设计方法。
一、四杆机构的类型
1．曲柄摇杆机构
两连架杆一为曲柄，一为摇杆。
功能：将等速转动转换为变速摆动或将摆动转换为连续转动。
应用：雷达天线机构、缝纫机踏板机构。
2．双曲柄机构
两连架杆都为曲柄
功能：将等速转动转换为等速同向、不等速同向、不等速反向转动。
应用：惯性筛机构
若两曲柄的长度相等，连杆与机架的长度也相等，则该机构称为平行双曲柄机构。
如铲斗机构
还有反平行四边形机构，例：公共汽车车门启闭机构。
3．双摇杆机构
两连架杆都为摇杆
功能：一种摆动转换为另一种摆动。
应用：鹤式起重机、飞机起落架
二、铰链四杆机构的曲柄存在条件
证明：
结论：铰链四杆机构存在一个曲柄的条件是：
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．曲柄为最短杆。
铰链四杆机构存在曲柄的条件是：
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．机架或连架杆为最短杆。
三、四杆机构类型判别
否Lmax+Lmin≤L′+L″是
不可能有曲柄可能有曲柄
最短杆对边最短杆
最短杆邻边
双摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构
四、铰链四杆机构的演化
1．曲柄滑块机构
2．偏心轮机构
3．导杆机构
①摆动导杆机构（牛头刨床）
②转动导杆机构
③移动导杆机构
4．摇块机构
小结：本次课主要熟悉四杆机构的各种类型，了解它们的应用。
作业：预习下次课内容。