机械设计基础第二章平面连杆机构解读
第2章 平面连杆机构解读
定义：全部用转动副相连的平面四杆机构。
机架
组成: 连架杆
连杆
分类:
整转副 机架 曲柄
摆动副
摇杆
三种基本型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、 双摇杆机构
3
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第2章 平面连杆机构
§2-1 平面四杆机构的基本类型及其应用 1. 曲柄摇杆机构
定义：在两连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆。
运动特点：
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两个特性 ：
①两曲柄同速同向转动；
②连杆作平动。
12
第2章 平面连杆机构
§2-1 平面四杆机构的基本类型及其应用
反平行四边形机构—两个曲柄 反向回转。
应用实例：车门启闭机构
反平行四边形机构
平行四边形机构在四杆
(或铰链)共线位置出现运
动不确定。
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第2章 平面连杆机构
风扇摇头机构
汽车转向机构
B’ C’
B
C
A
D
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C 电机
蜗轮 BBA
D D
A
D 蜗杆
C C
风扇座
第2章 平面连杆机构
A A E E B B
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§2-1 平面四杆机构的基本类型及其应用 铰链四杆机构的演化
演化常用的方式: ①改变运动副类型； ②选不同构件作机架； ③改变相对杆长。
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第2章 平面连杆机构
24
§2-1 平面四杆机构的基本类型及其应用
② 双滑块机构：椭圆仪机构(延长点的运动轨迹为椭圆)
2 1 4
3
椭圆仪机构
机械设计基础第二章--常用机构介绍
4—机架 1，3—连架杆→定轴转动 2—连杆→平面运动 整转副：二构件相对运动为
整周转动。
摆动副：二构件相对运动不 为整周转动。
曲柄：作整周转动的连架杆
摇杆：非整周转动的连架杆
C
2
B
3
1
A
D
4
二、平面四杆机构的常用形式
1、曲柄摇杆机构
（构件4为机架、构件2为机架）
2、双曲柄机构
}全回转副四杆机构
(二)曲柄为最短杆。 ▲铰链四杆机构存在曲柄的条件是：
(一)最短杆与最长杆长度之和小于或等于其 余两杆长度之和。
(二)机架或连架杆为最短杆。
4、曲柄滑块机构 二、平面四杆机构的内部演化:
第二节 凸轮机构
一、凸轮机构的组成与分类： 运动方式：将主动凸轮的连续转动或
移动转换成为从动件的移动或摆动。 分类：1、形状
①盘形凸轮机构——平面凸轮 机构
②移动凸轮机构——平面凸轮 机构
③圆柱凸轮机构——空间凸轮 机构
2、运动形式
按从动件的运动型式：
①尖底从动件：用于 低速；
②滚子从动件：应用 最普遍；
③平底从动件：用于 高速
O
r0
1 2 3
4
5
6 7 8
二、从动件的常用运动规律
从动件的运动规律——从动件在工作过程中， 其位移（角位移）、速度（角速度）和加 速度（角加速度）随时间（或凸轮转角） 变化的规律。
长 几何形状简单——便于加工，成本低。 3、缺点： ①只能近似实现给定的运动规律； ②设计复杂；
③只用于速度较低的场合。
由转动副联接四个构
件而形成的机构，称为铰 链四杆机构，如图所示。 图中固定不动的构件是机 架；与机架相连的构件称 为连架杆；不与机架直接 相连的构件称为连杆。连 架杆中，能作整周回转的 称为曲柄，只能作往复摆 动的称为摇杆。根据两连 架杆中曲柄(或摇杆)的数 目，铰链四杆机构可分为 曲柄摇杆机构、双曲柄机 构和双摇杆机构。
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。
机械设计基础第2章连杆机构(第六版)
1. 全转动副的铰链四杆机构
1）曲柄摇杆机构
四杆机构的基本形式
运动特点：曲柄等速转动，摇杆往复摆动
应用特别广泛
牛头刨床横向自动进给机构
车前玻璃窗
刮 雨 器
三、平面四杆机构的基本类型及应用 1. 全转动副的铰链四杆机构 1）曲柄摇杆机构 2）双曲柄机构 运动特点：主动曲柄作等速转动，
从动曲柄作周期性变速转动。
b-a e
a+b e
b-a e
*曲柄滑块机构的有曲柄条件： b e+a
B1 e
a A
B B2 C1 b
C C2
§2-2 平面四杆机构的基本特性
一、铰链四杆机构有整转副的条件 二、急回特性
当曲柄AB为原动件时,从动件摇杆在空回行程时产生急回。 极位夹角θ 行程速比系数 K
急回运动
极位夹角θ
行程速度变化系数K
C
B
A
d
D
C
B
A
d
D
C
B
A
d
D
C
B
A
d
D
C
B
A
d
D
C
B
A
d
D
C
B
A
d
D
C
B
A
d
D
C
B
A
d
D
C
B
A
d
D
C
B
A
d
D
C
B
A
d
D
C
b
B
c
a
A
d
D
C
B
A
d
D
C
机械设计基础第二章-平面连杆机构
正反连杆机构及其应用举例
剪刀
活塞机构
剪刀是一种常见的正反连杆机构， 通过剪刀双臂的交叉运动实现剪 切动作。
内燃机的活塞机构是一种重要的 反连杆机构，将旋转运动转化为 直线运动。
打印机机械结构
打印机中的传纸机构和墨盒移动 机构都是正反连杆机构。
连杆机构热点应用领域
1 汽车工业
连杆机构在发动机、悬挂系统和转向系统中起关键作用。
复杂运动
结合各种连杆的长度和连接方 式实现。
平面连杆机构的分类与特点
1
四杆机构
具有四个连杆的机构，常见的有平行四杆机构和准平行四杆机构。
2
三杆机构
具有三个连杆的机构，例如三角形连杆机构。
3
排杆机构
包含多个连杆，可以实现复杂的运动。
平面连杆机构静力学分析
静力学分析通过力学原理分析连杆机构在静力平衡状态下的力学性质。常用 的方法包括力平衡法、力矩平衡法和虚功原理。
2 航空航天
连杆机构用于飞机和导弹的着陆装置，以及控制舵面关节传动和运动控制。
构成要素及代表元件
连杆
连接机构中的各个部分，可以是刚性杆件或弹性 杆件。
曲柄
通过旋转运动带动连杆的机构元件。
铰链
实现连杆之间的约束，使其相对运动只能在特定 轴向上发生。
摇杆
与曲柄相似，但其转动轴不经过曲柄轴。
运动类型与分析
直线运动
通过连杆长度或曲柄的定义来 实现。
旋转运动
通过曲柄、摇杆、或曲柄摇杆 组合来实现。
机械设计基础第二章-平 面连杆机构
欢迎来到机械设计基础的第二章！今天我们将一起探讨平面连杆机构的各个 方面，包括定义、构成要素、运动类型和分析、分类与特点、静力学分析等。
机械设计基础第二章
第2章平面连杆机构2.1平面连杆机构的特点和应用连杆机构是由若干刚性构件用低副连接组成的机构，又称为低副机构。
在连杆机构中，若各运动构件均在相互平行的平面内运动，称为平面连杆机构；若各运动构件不都在相互平行的平面内运动，则称为空间连杆机构。
平面连杆机构被广泛应用在各类机械中，之所以广泛应用，是因为它有较显著的优点：（1）平面连杆机构中的运动副都是低副，其构件间为面接触，传动时压强较小，便于润滑，因而磨损较轻，可承受较大载荷。
（2）平面连杆机构中的运动副中的构件几何形状简单（圆柱面或平面），易于加工。
且构件间的接触是靠本身的几何约束来保持的，所以构件工作可靠。
（3）平面连杆机构中的连杆曲线丰富，改变各构件的相对长度，便可使从动件满足不同运动规律的要求。
另外可实现远距离传动。
平面连杆机构也存在一定的局限性，其主要缺点如下：（1）根据从动件所需要的运动规律或轨迹设计连杆机构比较复杂，精度不高。
（2）运动时产生的惯性力难以平衡，不适用于高速的场合。
（3）机构中具有较多的构件和运动副，则运动副的间隙和各构件的尺寸误差使机构存在累积误差，影响机构的运动精度，机械效率降低。
所以不能用于高速精密的场合。
平面连杆机构具有上述特点，所以广泛应用于机床、动力机械、工程机械等各种机械和仪表中。
如鹤式起重机传动机构（图2-1），摇头风扇传动机构（图2-2）以及缝纫机、颚式破碎机、拖拉机等机器设备中的传动、操纵机构等都采用连杆机构。
图2-1鹤式起重机图2-2 摇头风扇传动机构2.2平面连杆机构的类型及其演化2.2.1 平面四杆机构的基本形式全部用转动副组成的平面四杆机构称为铰链四杆机构，如图2-3所示。
机构的固定件4称为机架；与机架相联接的杆1和杆3称为连架杆；不与机架直接联接的杆2称为连杆。
能作整周转动的连架杆，称为曲柄。
仅能在某一角度摆动的连架杆，称为摇杆。
按照连架杆的运动形式，将铰链四杆机构分为三种基本型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。
《机械设计基础》第2章_平面连杆机构解析
由上式可知，机构的急回程度取决于极位夹
角θ的大小。θ角越大，K值越大，机构的急回程
度也越高，但机构运动的平稳性就越差。反之反 然。 一般机械中1≤K≤2。
5.连杆机构具有急回特性的条件
⑴ 输入件等速整周转动；
⑵ 输出件往复运动；
⑶ 极位夹角
。 0
6.常见具有急回特性的四杆机构
二、平面连杆机构的特点及应用
1.平面连杆机构的特点
⑴寿命长 低副联接，接触表面为平面或圆柱面，
压力小；便于润滑，磨损较小。
⑵易于制造 连杆机构以杆件为主，结构简单。 ⑶可实现远距离操纵控制 因连杆易于作成较长
的构件。
⑷可实现比较复杂的运动规律 ⑸设计计算较繁复，当机构复杂时累计误差较大，
2、双曲柄机构
具有两个曲柄的铰链四杆机构。
⑴平行四边形机构：连杆与机架的长度相等，且曲
柄的转向相同长度也相等的双曲柄机构。 这种机构两曲柄的角速度始终保持相等，且连杆 始终做平动，故应用较广。
运动的不确定性
有辅助构件的重复机构
有辅助构件的错列机构
⑵逆平行四边形机构：连杆与机架的长度相等，两
含有两个移动副的四杆机构应用实例
2.3 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
设 AB 为曲柄,
由 △BCD :
且 a <d .
b+c>f 、 b+f >c 、 c+f >b
以 fmax = a + d ， fmin = d - a b+c >a+d 、 b+d >a+c 、 c+d >a+b 化简后得: a<b 、 a<c 、 a< d 若 d <a d<a、d<b、d<c 代入并整理得：
机械设计基础第四版第2章
例题:
例题 1）如果该机构能成为曲柄摇杆机构，且AB是曲柄，求AB的取值 范围；
2）如果该机构能成为双曲柄机构，求AB的最小值；
3）如果该机构能成为双摇杆机构，求AB的取值范围。
50
C
(1) AB为最短
B
35
l AB
l AB 50
30 35 30
l AB
15
(2) AAD为30最短 D
(lAB )max 15mm
503030lABl
AB
50 35
45
l AB
50
或
lAB
l AB 30
50 50
35
50
l AB
55
lAB 50 30 35 115mm
(lAB )min 45mm
(3)只能考虑不满足杆长和条件下的机构
AB为最短
lAB
l AB 50
30 35
50
C
35
A 30
D
§2-2 铰链四杆机构的演化
一、曲柄滑块机构 广泛用与内燃机、冲床等，将回转 运动转变为直线运动或反之。
e=0 时，对心；e≠0时，偏置。
对心没急回特性, 滑块为原动件时有死点，
铰链四杆机构的演化
二、曲柄滑块机构的演化（取不同构件为机架或改变杆长）
1.导杆机构
小型刨床应用实例
t1 / t2
180 180
2）压力角与传动角 压力角——从动件受力方向与受力 点绝对速度方向的夹角
铰链四杆机构
Psin----有害分力
P
Pcos-----有效分力
希望小好，不便度量，用其余角来度量， 称为传动角， 所以大，传力性能好. 是变化的， min≧ 40°
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2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
8
整转副(Fully rotating pair)—联接的两 构件能相对作整周转动的运动副。
摆 转 副 (Partially rotating pair)—联 接的两构件不能相对 作整周转动的运动 副。
整转副 整转副
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第2章 平面连杆机构
双摇杆机构 等腰梯形机构
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
11
1、曲柄摇杆机构
应用实例一
2020年11月16日星期一
雷达天线俯仰角调整机构
第2章 平面连杆机构
12
实例二
搅拌机构
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
13
实例三、四
脚踏砂轮机构
2020年11月16日星期一
缝纫机踏板机构
B C
A
取滑块作机架，定块机构
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
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三、含两个移动副的四杆机构（双滑块机构）
改变运动副类型 转动副变成移动副
∞
改变构件相 对尺寸
2020年11月16日星期一
双滑块机构（正弦）
第2章 平面连杆机构
26
1、正弦机构
φ 3
φ
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第2章 平面连杆机构
第2章 平面连杆机构
18
销控机构
摄影升降机构
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
20
应用实例
双曲柄插床
3、双摇杆机构
应用实例一
鹤式起重机
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第2章 平面连杆机构
22
二、含一个移动副的四杆机构
1、曲柄滑块机构
C
C
B A
B
∞
D
A
D
C B
e
B
C
A
A
偏置曲柄滑块机构
平面四杆机构的类型
◆ 铰链四杆机构 ◆ 含一个移动副的四杆机构 ◆ 含两个移动副的四杆机构 ◆ 其他演化型式
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第2章 平面连杆机构
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一、铰链四杆机构
铰链四杆机构：全部由转动副相连的平面四杆机构。
连杆 连架杆
连架杆 摇杆
曲柄
机架
铰链四杆机构基本型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机 构、双摇杆机构。
第2章 平面连杆机构
37
讨论:
(1)若极位夹角θ=0º，则行程速比系数K=1, 机构无急回运动。
(2)若θ>0，则K>1，θ角越大，K值也越大， 机构的急回运动性质越明显。
(3)急回作用具有方向性,当原动件的回转方 向改变时,急回的行程也跟着变。
(4)偏置曲柄滑块机构也有急回运动特性， 其极位夹角θ如图。
② 连杆的惯性力不好平衡，动载荷大，不适合用于高速； ③ 设计较复杂，不易精确实现复杂运动规律等。
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
5
注： 由N个构件组成的平面连杆机构称为平面N
杆机构，如平面四杆机构、平面六杆机构等等。
最简单的平面连杆机构是由四个构件组成，即 平面四杆机构。
§2-1 平面四杆机构的基本类型和应用
第2章 平面连杆机构
14
2、双曲柄机构
应用实例一：
惯性筛机构
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
15
平行四边形机构
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
16
逆(反)平行四边形机构
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
17
应用实例二
火车车轮的联动机构
2020年11月16日星期一
对心曲柄滑块机构
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
23
2、导杆机构
B
取曲柄AB作机架
C A
若lBC≥lAB，转动导杆机构 若lBC<lAB，摆动导杆机构
应用：牛头刨床、插床、 回转式水泵
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
24
3、摇块机构和定块 机构
取连杆BC作机架，摇块机构
27
2、正切机构
φ
φ
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
28
3、滑块联轴器
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
29
4、椭圆仪
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
30
四、其他演化型式
1、偏心轮机构
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第2章 平面连杆机构
31
2、天平机构
第2章 平面连杆机构
35
一、急回特性
摇杆摆角ψ ：摇杆在两极限位置时的夹角
极位夹角θ ：摇杆在两极限位置时主动曲柄 之间所夹的锐角
C2
2
曲柄运动夹角φ1和φ2 φ2 <φ1
t1
1 1
t2
2 1
C1C2 C2C1
B 1
φ1 A φ2
θ B1
4
v1
C1C 2 t1
v2
C2C1 t2
2020年11月16日星期一
B2
第2章 平面连杆机构
C
C1
3 ψ
D
36
行程速度变化系数K：
K
v2 v1
C1C2 / t2 C1C2 / t1
1 2
180 180
极位夹角θ： 180 K 1
K 1
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。
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摆转副
摆转副
9
铰链四杆机构的基本型式：
摇杆
机架
曲柄
摇杆
机架
曲柄摇杆机构 (Crank-rocker)
摇杆
双摇杆机构 (Double-rocker)
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
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双曲柄机构(Double-crank)
曲柄
曲柄
铰链四杆机构
曲柄摇杆机构
双曲柄机构
平行四ห้องสมุดไป่ตู้形机构 逆平行四边形机构
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第2章 平面连杆机构
2
连杆机构的优点 • 面接触，耐磨损
• 制造方便，易获得较高 的制造精度
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第2章 平面连杆机构
3
• 实现多种运动规律和轨迹要求
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
4
连杆机构的缺点
① 低副中存在间隙，如构件与运动副数目较多时，运动 传递的累积误差大；
第2章 平面连杆机构 （Planar link）
§2-1 平面四杆机构及其传动特点 §2-2 平面四杆机构的基本类型和应用 §2-3 平面四杆机构的基本特性 §2-4 平面四杆机构的设计
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
1
§2-1 平面四杆机构及其传动特点
平面连杆机构：构件用低副（转动 副和移动副）连接组成的平面机构。
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
32
3、牛头刨床机构
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
33
2020年11月16日星期一
第2章 平面连杆机构
34
§2-2 平面四杆机构的基本特性
◆ 急回特性 ◆ 压力角和传动角 ◆ 死点位置 ◆ 铰链四杆机构有整转副的条件
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