第七章平面连杆机构
机械设计基础平面连杆机构
机械设计基础平面连杆机构1. 介绍平面连杆机构是机械设计中常见的一种机械结构，由若干杆件组成并通过铰链连接。
这种机构广泛应用于各种机械装置和系统中，如发动机、机械手等。
平面连杆机构的设计目标是通过合理配置连杆的长度和铰链位置来实现特定的运动，使它能够完成所需的工作。
在设计过程中，需要考虑机构的稳定性、刚度、运动路径等因素，以确保机构能够正常运行并满足设计要求。
本文将介绍平面连杆机构的基本原理、设计要点和常见应用实例。
2. 基本原理平面连杆机构的基本原理是利用杆件的长度和铰链的位置，通过特定的连杆结构来实现机构的运动。
2.1 连杆连杆是平面连杆机构中的主要组成部分，通常由刚性材料制成。
连杆通过铰链连接在一起，形成一个闭合的结构。
连杆的长度和形状对机构的运动特性有重要影响。
常见的连杆形状有直杆、曲杆和弧杆等。
在设计时，需要根据具体的运动要求和空间限制选择适当的连杆形状和长度。
2.2 铰链铰链是连杆机构中的连接件，用于连接连杆并允许相对运动。
铰链通常由轴和轴承组成，能够实现转动或滑动运动。
铰链的位置对机构的运动轨迹和运动范围有决定性影响。
在设计时，需要合理选择铰链的位置和类型，以满足设计要求。
3. 设计要点3.1 运动要求在设计平面连杆机构时，首先需要明确机构的运动要求。
例如，需要确定机构的运动类型（旋转、直线、滑动等）、运动范围、速度和加速度等。
这些要求将指导后续的连杆和铰链的设计。
3.2 连杆长度连杆的长度直接决定机构的运动幅度和工作空间。
在设计时，需要根据运动要求和空间限制选择合适的连杆长度。
较短的连杆长度可提高机构的刚度和稳定性，但限制了运动范围；较长的连杆长度可以实现更大的运动幅度，但可能会导致机构不稳定。
3.3 铰链位置铰链的位置是机构设计中的关键因素之一，它直接影响机构的运动轨迹和运动范围。
在选择铰链位置时，需要考虑到机构的运动要求、连杆长度以及其他约束条件，以实现所需的运动轨迹。
3.4 负载和刚度在设计平面连杆机构时，需要考虑机构受到的负载和所需的刚度。
平面连杆机构
本章教学目标 ◆了解平面连杆机构的组成及其主要优缺点; 了解平面连杆机构的组成及其主要优缺点 ◆了解平面连杆机构的基本形式及其演化和应用； 了解平面连杆机构的基本形式及其演化和应用； ◆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； 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； ◆ 对传动角、死点、运动连续性等有明确的概念； ◆了解平面四杆机构设计的基本问题，掌握根据具 了解平面四杆机构设计的基本问题， 体设计条件和实际需要设计平面四杆机构的方法。 体设计条件和实际需要设计平面四杆机构的方法。
二、急回运动和行程速比系数(续) 急回运动和行程速比系数 续
4. 行程速比系数 行程速比系数K 为表明急回运动程度，用反正行程速比系数K来衡量 来衡量： 为表明急回运动程度，用反正行程速比系数 来衡量：
v2 C1C2 / t2 t1 α1 1800 +θ K= = = = = v1 C1C2 / t1 t2 α2 1800 −θ
例：图示机构尺寸满足杆长条件，当取不同构件为机架时 图示机构尺寸满足杆长条件， 各得什么机构？ 各得什么机构？ 最短杆为 机架得双 曲柄机构 取最短杆相 邻的构件为 机架得曲柄 摇杆机构
取最短杆对 边为机架得 双摇杆机构
一、平面四杆机构有曲柄的条件(续) 平面四杆机构有曲柄的条件 续
满足满足杆长条件的双 摇杆机构的应用实例： 摇杆机构的应用实例：
值愈大， θ角愈大，K值愈大，急 角愈大， 值愈大 回运动性质愈显著。 回运动性质愈显著。 对心曲柄滑块机构=0， 对心曲柄滑块机构=0， 没有急回运动 偏置曲柄滑块机构 0， 0，有急回运动
二、急回运动和行程速比系数(续) 急回运动和行程速比系数 续
机械基础 第七章 平面连杆机构
① 机构停在死点位置，不能起动。运转时，靠惯性 冲过死点。
缝纫机踏板机构
② 利用死点实例
工件夹紧机构
思考题：
曲柄摇杆机构是否一定具有急回特性？ 是否肯定有死点位置？
1.曲柄为原动件，当机构有极位夹角时，就有急回特 性； =0、K=1时，无急回特性。
特例：平行双曲柄机构，其相对两杆平行且相等。
1、曲柄1为原动件，作等角速转动；从动件曲柄3也以相 同角速度转动。 2、当四个铰链中心处于同一直线上时，将出现运动不确 定状态。 B C
2
B1
1
2 3
C1
C3''
1
3
A B'1
B'
D
C' C1
A
B2 D B3
C2
C3'
B1 C' 1
为了消除这种运动不确定状态,可在主、从动曲 柄上错开一定角度再安装一组平行四边形机构。
在铰链四杆机构中，按连架杆的运动形式不 同，可将铰链四杆机构分为： 一、曲柄摇杆机构 二、双曲柄机构 三、双摇杆机构
B
曲柄
连杆
C
摇杆 摇杆
B
连杆
连杆
B
曲柄
C
摇 杆
C
曲柄
A
机架
D
A
机架
D
A
机架
D
曲柄摇杆机构
双摇杆机构
双曲柄机构
一、曲柄摇杆机构
两个连架杆中，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。 曲柄1为原动件，作匀速转动；摇杆3为从动件， 作变速往复摆动。
以最短杆相邻杆为机架 以与最短杆相对的杆为机架 以最短杆为机架
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。
第7章 平面连杆机构
7.2.1 铰链四杆机构的演化
在实际机械中，机 构的基础上发展和演化而成。
（a）
（b）
7-9 平行四边形机构
图7-10 机车驱动轮联动机构
7.1.3 双摇杆机构
两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双 摇杆机构。图7-11所示为鹤式起重机机构，当 摇杆CD摇动时，连杆BC上悬挂重物的E点作 近似的水平直线移动，从而避免了重物平移时 因不必要的升降而发生事故和损耗能量。
图7-11 鹤式起重机构
（a） (b) 图7-2 雷达天线俯仰角调整机构
图7-3（b）所示为缝纫机的踏板机构，图（a） 为其机构运动简图。摇杆1（原动件）往复摆动， 通过连杆2驱动曲柄3（从动件）作整周转动，再 经过带传动使机头主轴转动。
（a）
（b）
图7-3 缝纫机的踏板机构
曲柄摇杆机构的主要特性： 1．急回运动
如图7-4所示为一曲柄摇杆机构，其曲柄 AB在转动一周的过程中，有两次与连杆BC 共线。在这两个位置，铰链中心A与C之间的 距离AC1和AC2分别为最短和最长，因而摇 杆CD的位置C1D和C2D分别为其两个极限位 置。摇杆在两极限位置间的夹角称为摇杆 的摆角。
图7-13 曲柄存在的条件分析
当曲柄处于AB’的位置时，形成△B’C’D。根 据三角形两边之和必大于（极限情况下等于）第 三边的定律，可得 （7-4） ad bc
当曲柄处于AB”位置时，形成△B”C”D。可写 出以下关系式 （7-5） b (d a) c 即 a b d c （7-6） c (d a) b 即 a c d b 将式(7-4)、(7-5)、(7-6)分别两两相加，可得
3．死点位置 对于图7-4所示的曲柄摇杆机构，如以摇杆3为 原动件，而曲柄1为从动件，则当摇杆摆到极限位 置C1D和C2D时，连杆2与曲柄1共线，若不计各杆 的质量，则这时连杆加给曲柄的力将通过铰链中心 A，即机构处于压力角=90（传力角=0），此时 驱动力的有效力为0。此力对 A点不产生力矩，因 此不能使曲柄转动。机构的这种位置称为死点位置。 死点位置会使机构的从动件出现卡死或运动不确定 的现象。出现死点对传动机构来说是一种缺陷，这 种缺陷可以利用回转机构的惯性或添加辅助机构来 克服。如图7-3所示的家用缝纫机的脚踏机构，就 是利用皮带轮的惯性作用使机构能通过死点位置。
机械设计基础-平面连杆机构
平面连杆机构的运动分析
运动分析是设计平面连杆机构中的重要步骤，通过分析各部件的运动规律和 约束关系，可以确定机构的性能和工作范围。
实例与案例分析
案例一
设计一个机械手臂，使其能够在不同位置和角度进 行精确定位。
案例二
设计一个车门开闭机构，使其能够平稳地打开和关 闭。
机械设计基础-平面连杆机构
这个幻灯片将介绍平面连杆机构的基本知识，包括组成、作用、种类、设计 要点、运动分析以及实例与案例分析。
平面连杆机构简介
平面连杆机构是一种常见而重要的机械传动机构，它由连杆、铰链和机构连接件组成，用于将旋转运动转化为 直线运动或相反。
平面连杆机构的组成
连杆
起支撑作用，将旋转运动转化为直线运动。
由滑块和曲杆组成，常用于发动 机的活塞连杆传动。
四连杆机构
由四个连杆组成，常见于机械手 臂和门的开闭机构。
平面伸缩杆机构
通过类似电车接触网的结构实现 伸缩变形。
平面连杆机构的设计要点
1
连杆比例设计
确定连杆的比例关系以实现所需的运动。
铰链选型
2
选择合适的铰链类型和尺寸以满足设计
要求。
3
机构连接方式
选择适当的机构连接件和连接方式以保 证机构的稳定性。
铰链
连接连杆和机构连接件，使其能够相对运动。
机构连接件
固定在机构上，用于连接铰链和机构化为直线运动或相反。
2 传递力量
通过连杆将动力从一个地方传递到另一个地方。
3 控制位置
通过调整连杆的长度和角度来控制机构的位置。
平面连杆机构的种类
滑块曲杆机构
第七章 平面连杆机构
图7－1
、根据其两个连架杆的运动形式不同，可以分为
图7－3
图7－4
ABCD中，当主动曲柄AB与从动曲柄
图7－5 图7－6
对于两个曲柄转向相反的情况，即连杆与机架的长度相等，两个曲柄长
图7－7 图7－8
可将铰链四杆机构曲柄存在的条件概括为：
以摇杆作为主动件的曲柄摇杆机构。
在从动曲柄与连
它能把回转运动转换为往复直线运动，或作相反的转变。
当导路过曲柄转动轴心时，称为对心式曲柄滑块机构；
当导路不过转动轴心时，称为偏置式曲柄滑块机构。
a 曲柄摇杆机构
b 导杆机构
c 摆动滑块机构
d 固定滑块机构。
机械基础第七章平面连杆机构课件
机械基础
2. 曲柄滑块机构具有整转副的条件
图7-19(a)所示为一偏置曲柄滑块机构（e≠0）。如果构件1为曲柄，则 B点应能通过曲柄与连杆两次共线的位置：即当曲柄位于AB1时，它与连杆 重叠共线。此时在直角三角形AC1E中， 得AC1＞AE，即
b-a＞e b＞a+e
机械基础
【例7-1】在图3-18所示四铰链机构中，已知：b＝50mm，c＝35 mm，d＝ 30mm，AD为固定件。
(1) 如果能成为曲柄摇杆机构，且AB是曲柄，求a的极限值。 (2) 如果能成为双曲柄机构，求a的取值范围。 (3) 如果能成为双摇杆机构，求a的取值范围。 解： (1) 若能成为曲柄摇杆机构，则机构必须满足“杆长之和的条件”，且AB应为 最短杆。
机械基础
图7-12 刨床中的摆动导杆机构
机械基础
7.2.4 如果把曲柄滑块机构中的滑块作为机架，如图7-13(a)所
示， 则得到移动导杆4在固定滑块3中往复移动的定块机构。在 图7-13(b)中，固定滑块3成为唧筒外壳，移动导杆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。
机械基础
机械基础
机械基础
1 曲柄摇杆机构
图3-2 曲柄摇杆机构的应用
机械基础
2 曲柄摇杆机构
图7-3 双曲柄机构及其应用
机械基础
图7-4 天平中的平行四边形机构
机械基础
图7-5 反平行四边形机构及其应用
机械基础
3 双摇杆机构
图7-6 双摇杆机构及其在鹤式起重机中的应用
机械基础
7.2 铰链四杆机构的演化
机械基础
② a＞50mm时，AB为最长杆，