曲柄摇杆机构运动特性
四连杆机运动学分析报告
栏杆机四杆机构运动学分析1 四杆机构运动学分析1.1 机构运动分析的任务、目的和方法曲柄摇杆机构是平面连杆机构中最基本的由转动副组成的四杆机构，它可以用来实现转动和摆动之间运动形式的转换或传递动力。
对四杆机构进行运动分析的意义是：在机构尺寸参数已知的情况下，假定主动件（曲柄）做匀速转动，撇开力的作用，仅从运动几何关系上分析从动件（连杆、摇杆）的角位移、角速度、角加速度等运动参数的变化情况。
还可以根据机构闭环矢量方程计算从动件的位移偏差。
上述这些内容，无论是设计新的机械，还是为了了解现有机械的运动性能，都是十分必要的，而且它还是研究机械运动性能和动力性能提供必要的依据。
机构运动分析的方法很多，主要有图解法和解析法。
当需要简捷直观地了解机构的某个或某几个位置的运动特性时，采用图解法比较方便，而且精度也能满足实际问题的要求。
而当需要精确地知道或要了解机构在整个运动循环过程中的运动特性时，采用解析法并借助计算机，不仅可获得很高的计算精度及一系列位置的分析结果，并能绘制机构相应的运动线图，同时还可以把机构分析和机构综合问题联系起来，以便于机构的优化设计。
1.2 机构的工作原理在平面四杆机构中，其具有曲柄的条件为：a.各杆的长度应满足杆长条件，即：最短杆长度+最长杆长度≤其余两杆长度之和。
b.组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆，且其最短杆为连架杆或机架（当最短杆为连架杆时，四杆机构为曲柄摇杆机构；当最短杆为机架时，则为双曲柄机构）。
三台设备测绘数据分别如下：第一组(2代一套)四杆机构L1=125.36mm，L2=73.4mm， L3=103.4mm，L4=103.52mm最短杆长度+最长杆长度(125.36+73.4) <其余两杆长度之和(103.4+103.52)最短杆为连架杆，四杆机构为曲柄摇杆机构图1-1 II-1型栏杆机机构测绘及其运动位置图第二组(2代二套)四杆机构L1=125.36mm，L2=50.1mm，L3=109.8mm，L4=72.85mm最短杆长度+最长杆长度(125.36+50.1) <其余两杆长度之和(109.8+72.85)最短杆为连架杆，四杆机构为曲柄摇杆机构图1-2 II-2型栏杆机机构测绘及其运动位置图第三组(3代)四杆机构L1=163.2mm，L2=64.25mm，L3=150mm，L4=90.1mm最短杆长度+最长杆长度(163.2+64.25) <其余两杆长度之和(150+90.1)最短杆为连架杆，四杆机构为曲柄摇杆机构图1-3 III型栏杆机机构测绘及其运动位置图在如下图1所示的曲柄摇杆机构中，构件AB为曲柄，则B点应能通过曲柄与连杆两次共线的位置。
曲柄滑块机构的运动分析及应用解读
机械原理课程机构设计实验报告题目：曲柄滑块机构的运动分析及应用小组成员与学号：刘泽陆(********)陈柯宇(11071177)熊宇飞(11071174)张保开(11071183)班级：1107172013年6月10日摘要 (3)曲柄滑块机构简介 (4)曲柄滑块机构定义 (4)曲柄滑块机构的特性及应用 (4)曲柄滑块机构的分类 (8)偏心轮机构简介 (9)曲柄滑块的动力学特性 (10)曲柄滑块的运动学特性 (11)曲柄滑块机构运行中的振动与平衡 (14)参考文献 (15)组员分工 (15)摘要本文着重介绍了曲柄滑块机构的结构，分类，用途，并进行了曲柄滑块机构的动力学和运动学分析，曲柄滑块机构的运动学特性分析，得出了机构压力表达式，曲柄滑块机构的运动特性分析，得出了滑块的位移、速度和加速度的运动表达式。
最后，对曲柄滑块机构运动中振动、平衡稳定性等进行了总结。
关键字：曲柄滑块动力与运动分析振动与平稳性ABSTRACTThe paper describes the composition of planar linkage, focusing on the structure, classification, use of a slider-crank mechanism and making the dynamic and kinematic analysis, kinematics characteristics of the crank slider mechanism analysis for a slider-crank mechanism, on one hand , we obtain the drive pressure of the slider-crank mechanism ,on the other hand,we obtain the expression of displacement, velocity and acceleration of movement. Finally, the movement of the vibration and balance stability of the crank slider mechanism are summarized.曲柄滑块机构简介曲柄滑块机构定义曲柄滑块机构是铰链四杆机构的演化形式,由若干刚性构件用低副(回转副、移动副)联接而成的一种机构。
6-1-2 《平面连杆机构》练习题(二)
☼ 6-1-2《平面连杆机构》练习题（二）☼班级姓名学号一、填空题：1、曲柄摇杆机构能将主动件的运动转换成摇杆的。
2、曲柄摇杆机构也能将摇杆的转换为曲柄的运动。
3、曲柄摇杆机构中，以曲柄为主动件的实例有、、和，以摇杆为主动件的实例有。
4、双曲柄机构是当主动曲柄作转动时，从动曲柄随之作转动。
5、当两曲柄的长度相等而且平行时，称为双曲柄机构，两曲柄的旋转方向，角速度也。
6、双曲柄机构如果对边杆长度都相等，但互不平行，则称为双曲柄机构，两曲柄的旋转方向，且角速度。
7、两个构件之间以面接触的运动副称为,其中如果两构件间只能作相对转动时,称为。
8、曲柄摇杆机构产生“死点”位置的条件是：摇杆为件，曲柄为件或者是把运动转换成运动。
9、曲柄摇杆机构出现急回运动特性的条件是：摇杆为件，曲柄为件或者是把运动转换成运动。
10、曲柄摇杆机构的不等于00，则急回特性系数，机构就具有急回特性。
11、连杆机构的“死点”位置，将使机构在传动中出现或发生运动方向等现象。
12、在实际生产中，常常利用急回运动这个特性，来缩短的时间，从而提高机械的。
13、曲柄摇杆机构的摇杆作主动件时，将与从动件的位置称为曲柄的“死点”位置。
14、曲柄摇杆机构只有当为主动件时，机构才会出现“死点”。
若以为主动件时，则无“死点”。
二、判断题：（）1、当机构的极位夹角θ=00时，机构无急回特性。
（）2、在有曲柄的平面连杆机构中，曲柄的极位夹角θ，可以等于00，也可以大于00。
（）3、机构是否存在死点位置与机构取那个构件为原动件无关。
（）4、曲柄的极位夹角θ越大，机构的急回特性系数K也越大，机构的急回特性也越显著。
（）5、对曲柄摇杆机构，当取摇杆为主动件时，机构有死点位置。
（）6、极位夹角是衡量机构急回特性的重要指标。
极位夹角越大，则机构的急回特性越明显。
（）7、在曲柄摇杆机构中，曲柄和连杆共线，就是“死点”位置。
（）8、在平面连杆机构中，只要曲柄和连杆共线，这个位置就是曲柄的“死点”位置。
机械基础——四杆机构的运动特性
曲柄滑块机构的 位置：滑块为从动件，曲柄为原动件时，当曲柄与滑块的导路相垂直时，压力角最大。但对于偏置式曲柄滑块机构， 出现在曲柄位于偏置方向相反一侧的位置。
摆动导杆机构中，若以曲柄为原动件，则其压力角恒等于 ，即传动角 恒等于 ，说明以曲柄为原动件时，机构具有最好的传力性能。
（2）死点位置如曲柄摇杆机构中，若以摇杆为原动件，而曲柄为从动件，则当摇杆摆到两极限位置时，连杆与曲柄共线，此时机构的压力角 ＝ ＝ ，因此有效驱动力矩为零，无论作用力多大，不能使从动件曲柄转动。此位置称为死点位置。机构处于死点位置时，会出现停顿或运动不确定现象。
作业
1、画出下列机构图示位置的压力角，并指出该机构最大压力角的位置。
急回特性可用行程速度变化系数K表示
K＝ ＝
如果已知K，可以求出极位夹角
＝
3、四杆机构的传力特性
（1）压力角 和传动角 作用在从动件上的力F与力作用点的速度方向之间所夹的锐角，称为机构在此位置时的夹角，用 表示。压力角可以作为判断机构传力特性的标志。在连杆机构中，为了度量方便，常用压力角的余角 来判断机构的传力性能， 称为传动角。
课题
四杆机构的运动特性
教学目的
熟练掌握平面四杆机构的运动特性
教学安排
组织教学ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
讲述新课
五、四杆机构的运动特性
（1）四杆机构的极限位置在曲柄摇杆机构、摆动导杆机构和曲柄滑块机构中，当曲柄为原动件时，从动件作往复摆动或往复移动时，存在左、右两个极限位置。极限位置可以用几何作图法作出。
（2）极位夹角θ和行程速度变化系数K在曲柄摇杆机构中，当从动件摇杆处于两个极限位置时，曲柄对应两位置所夹的锐角θ称为极位夹角。两个极限位置之间的夹角ψ，称为摆角。对于摆动导杆机构，θ＝ψ。
机械原理第3章作业解析
也可直接用sin(ψ/2)=AC/l4得出结果。
3-4 如下图，设计一脚踏轧棉机的曲柄摇杆机构。要求踏
板CD在水平位置上下各摆10°，且lCD=500mm， lAD=1000mm，试用图解法求曲柄AB和连杆BC的长度。
解：根据已知条件画出A、D、C、C1、C2。 画出两个极限位置AC1、AC2。 由图可知， AC1=BC-AB，AC2=BC+AB， 即：AB=（AC2-AC1）/2 可由图上直接量取AC1、AC2长度 后按上式算出连杆和曲柄的长度。
以D点为圆心，DC1为半径作圆弧，与前述直线交于C2。 参照题5-2，列式计算或作图得出曲柄和摇杆的长度。
设计结果：lAB=38.65mm，lBC=98.2mm。 注意：若C1D顺时针画弧，所得交点C2不可用。
θ 180 k 1 180 1.5 1 36
k1
1.5 1
任取D点，作水平线DA，使lDA=80， 过D点，作直线DC1，长 度为lDC=75，位置为与 DA成45°。 过AC1两点的直线为连杆 与曲柄共线的位置之一。 过A点，作一直线与AC1成 θ=36°，此直线为连杆与曲柄 共线的位置之二。
5、工程上常用 行程速比系数K 表示机构的急回
性质，其大小可由计算式 K (180) /(180) 求
出。
6、曲柄摇杆机构中，最小传动角出现的位置是 曲柄与机架两次共线的位置 。
7、曲柄摇杆机构可演化成偏心轮机构，其演化 途径为 扩大转动副 。
二、判断题
1、曲柄摇杆机构的行程速比系数K不可能等于1。
第3章 连 杆 机 构
一、填空题 1、在四杆机构中，取与 最短杆 相对的杆为机 架，则可得到双摇杆机构。
速度瞬心第二章曲柄摇杆机构
例：计算图1-14机构的自由度。 解：n=7， A、B、C、D是复合 铰链，E、F是单个铰链。 所以 PL =4×2＋2=10 由式(1-1) F=3×7－2×10=1
2、 局部自由度
机构中出现的一 种与输出构件运动无 关的自由度，称为局 部自由度（或多余自 由度）。在计算机构 自由度时应予排除。
(1 - 4)
过P13作导路的垂线 代表P13和P23之间的连线， 它与法线nn 的交点就是 P12。P12是构件1 和构件 ２的同速点，其速度vP12 可通过构件1 和构件２ 寻求。 由构件１可得 vP12 ＝ ω1lP13P12 由构件２可得 vP12 ＝v2（构件２为平动构 件，其上各点速度都等于v2）。
二、瞬心的确定（数量、位置的确定） 因为两个构件之间就有一个瞬心，所以由 K 个构件(含机架)组成的机构，其瞬心总数N为
N=K(K-1)／2
1、直接观察法 直接以运动副相联的两构件间的 瞬心，可用直接观察法确定。
a）以转动副相联的构件1、2转 动副中心即为瞬心P12。
（1-2）
瞬心的确定，有直接观察法和三心定理法。
例: 计算上图a所示滚子从动件凸轮机构的自由度。
解：原动件—凸轮1 从动件—滚子3、推杆2 由于滚子3的自身转动不影响其他构件的运 动，是局部自由度，所以
F=3×2－2×2－1=1
3、虚约束
运动副引入的约束，对机构的运 动实际上不起约束作用，这类约束称 为虚约束。计算机构自由度时应当除 去不计。虚约束经常发生的场合： 1） 两个构件之间组成多个导路平 行的移动副时，只有一个移动副起 作用，其余都是虚约束。图a） 2） 两个构件之间组成多个轴线重 合的转动副时，只有一个转动副起 作用，其余都是虚约束。图b) 3） 机构中传递运动不起独立作用 的对称部分。右图
曲柄摇杆机构运动特性
2020/3/20
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四、教学过程
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四、教学过程
机构顺利通过死点位置的方法 方法一
依靠惯性力
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四、教学过程
6、课后延伸
请同学们思考一下，双摇杆机构 和双曲柄机构存在急回特性和死点 吗？
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四、教学过程
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四、教学过程
急回特性在实践中的意义
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四、教学过程
5、总结提炼
对比法
1、急回特性的条件 2、死点产生的条件
（1）曲柄为主动件 （1）摇杆为主动件
（2）极为夹角θ>0 （2）从动件与连杆共线
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四、教学过程
知识条款
曲柄摇杆是基型，机构条件细分清； 曲柄主动有急回，曲柄从动死点停； 急回特性有条件，极位夹角相对应； 死点位置很特殊，从动连杆把线共。
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《曲柄摇杆机构》运动特性说课
达到的教学目标。
教学内容与方法
02
详细阐述了课程的教学内容、教学方法以及教学手段，包括理
论讲解、案例分析、实验操作等。
教学效果与评估
03
对本次课程的教学效果进行了总结，介绍了学生的反馈情况以
及评估结果。
学生在本课程中应掌握的核心知识点和技能点
曲柄摇杆机构的基本概念和原理
学生应掌握曲柄摇杆机构的基本定义、组成要素以及工 作原理。
柔性多体动力学模型
考虑机构的弹性变形和摩擦，采用柔性多体动力学方法建立更精确 的动力学模型。
混合动力学模型
结合刚体动力学和柔性多体动力学的优点，建立既能反映机构整体运 动又能考虑局部变形的混合动力学模型。
动力学参数计算
01
02
03
质量矩阵计算
根据机构的三维模型和材 料属性，计算各构件的质 量矩阵。
Part
02
曲柄摇杆机构基本概念
定义及组成
定义
曲柄摇杆机构是一种将连续旋转 运动转换为往复摆动或直线运动 的机械装置。
组成
主要由曲柄、连杆、摇杆等构件 组成。其中，曲柄作为主动件， 通过连杆带动摇杆进行摆动或直 线运动。
工作原理与运动特点
工作原理
当曲柄绕固定点作连续旋转运动时，通过连杆的传递，使摇杆产生往复摆动或直线运动。
根据机构动力学原理，建立加速 度方程，求解各构件的瞬时加速
度。
加速度特性分析
通过加速度方程，分析机构在不 同位置时的加速度特性，如加速 度波动、加速度峰值等。同时， 探讨加速度对机构运动性能的影
响。
Part
04
动力学特性探讨
动力学模型建立
刚体动力学模型
将曲柄摇杆机构视为刚体系统，忽略变形和摩擦，建立基于牛顿欧拉方程的动力学模型。
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曲柄、摇杆 动作时间
空回行程
结论
摇杆平均速度
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四、教学过程
项 工作行程
空回行程
结论
第目
四 内容
步
曲柄转动位置
B1→B2
B1→B2
（角度）变化 (φ1=180°+θ )
(φ1=180°+θ )
φ1>φ2
摇杆摆动位置 （角度）变化 C1→C2(ψ )
四、教学过程
难点归纳总结 什么是急回特性？
从动件回程速度比进程速度快。这个性 质称为机构的急回特性。
★
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四、教学过程 难点1
内
容
机构的急回特性用急回特性系数K表示，Ｋ越
急
大，急回特性越显著。
回
特 性 系 数
K v2 t1 180o v1 t2 180o
C2→C1(ψ )
ψ=ψ
曲柄、摇杆 动作时间
t1=φ1∕ω= （180°+θ）
∕ω
t2=φ2∕ω= （180°-θ）
∕ω
t1>t2
摇杆平均速度 v1=ψ∕t1
v2=ψ∕t2
v2> v1
师生共同填表
φ1> φ2
匀速转动
t 1＞t 2 ψ 1 =ψ 2
v 1 <v 2
推出急回特性的原因
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四、教学过程
归纳总 结
新课讲解
内
容
（知识点一） 。
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四、教学过程
课堂练 习
（知识点一）
根据图中 的选择题， 判断各铰 链四杆机 构的类型。 并给出答 案。
内
容
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四、教学过程
复习提问
3、曲柄摇杆机 构的特点是什么？
展示图片
曲柄——绕该转动副旋转的构件。 摇杆——绕该转动副摆动的构件。
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四、教学过程
新课导入
内
容
展示取不同构件作机架可以得到三种基本类型 第一种 曲柄摇杆机构
第二种 双曲柄机构
第三种 双摇杆机构
四、教学过程
难点2归纳总结
死点位置的概念 铰链四杆机构中，当连杆与从动件（曲柄）处于
共线位置时，驱动力对从动件的回转力矩为零，使得 机构转不动或出现运动不确定现象，机构所处的这种 位置称为死点位置。 教师强调：对于曲柄摇杆机构，当曲柄为原动件时， 连杆与从动摇杆不可能共线，故不存在死点位置；
思考：在实际生活中死点怎样排除呢？
3、学生观察并回答
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四、教学过程
难点1
内
容
提问
1、当曲柄等速转运一周时，曲柄和
探索研究
连杆有几次共线位置呢？ 2、在共线位置时，摇杆处于什么位
1、继续演示机构
置呢？
2、提出共线问题
3、学生观察并回答
第二步
★
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式中θ称为极位夹角，即摇杆在极限位置时， 曲柄两位置之间所夹锐角。θ表示了急回程度的 大小，θ越大（θ>0，K>1）急回程度越强，θ=0
（K=1），机构无急回特性。
★
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四、教学过程
急回特性在实践中的意义
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（死点）2、图片展示 难点 结论：摇杆为主动件时 ，只要曲柄和连杆共线，从 分析 动曲柄所受力矩为零，无论驱动力矩有多大都不会推
动曲柄回转而出现死点。
1
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四、教学过程
★
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任务书一
问题一：图中曲柄摇杆机构的运动中你能发现什么？
问题二、第一次共线时：构成一个三角形为
，利用三角形两边
之和大于第三边来推导有两边之和大于第三边。
问题三、第二次共线时：构成一个三角形为
，利用三角形两
边之和大于第三边来推导有两边之和大于第三边。
问题四、考虑到两次共线正好四杆都重合成一直线，则有：
问题五、分析思考以上三式两两等式相加得出结论：
平面四杆机构的工作特性
四、教学过程
复习提 问
1、找出右
图中有六样 东西使用到 了平面四杆 机构，你能 全部找出来 吗？
图片
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四、教学过程
复习提问
2、平面四杆机 构的组成及分类？
展示图片
连架杆
连杆
机架
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教师提问
1、都是铰链四杆 机构为什么有的有 曲柄，有的没有;
2、同一个运动链， 若选用不同构件作 为机架，则有的有 曲柄有的没有，为 什么？
★
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四、教学过程
★
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四、教学过程
四、教学过程 难点2
观看图片
探索研 究
学生思考
你踩过缝纫机吗？如果 操作不当，往往会碰到 踩不动或使缝纫机飞轮 反转的情况，这是为什 么？
现象：卡死
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四、教学过程
难点2
内
容
知识点 1、以摇杆为主动件时在图位置时曲柄AB会如何运动
呢？
四、教学过程
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四、教学过程
难点1
内
容
探索研究
第三步
师生活动
1、展示图片 2、根据任务书二 学生分组讨论与交 流 3、师生共填表
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四、教学过程
下达任务书二
项 工作行程 目 内容 曲柄转动位置 （角度）变化
四、教学过程
新课导入
观看图片
设定任务 刨刀的切削加工过程和返回过程速度是否一致？
学生思考
请学生说出 牛头刨床横 向进给机构 的运动特点。
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四、教学过程
难点1
探索研 究
第一步
图片
提问
1、演示机构 2、提出问题
曲柄等速转运时， 摇杆往复运动速度 是否一致？