机构运动特性分析与四杆机构设计
液压支架四连杆机构设计及运动学分析
01 引言
03 参考内容
目录
02 机构设计
引言
液压支架是煤矿井下综采工作面的重要设备之一，用于支撑顶板和护帮，以 保证作业安全。四连杆机构是液压支架的重要组成部分，对支架的支撑力和稳定 性有着重要影响。本次演示将介绍液压支架四连杆机构的设计及运动学分析，旨 在为优化支架性能提供理论支持。
在仿生机器人的研究领域中，四足仿生马机器人是一种非常经典的案例。四 足动物，尤其是马，具有非常优异的运动性能和适应能力，因此模仿其运动特征 的机器人具有广泛的应用前景。本次演示将介绍一种凸轮连杆组合机构驱动的四 足仿生马机器人的构型设计与运动学建模分析。
该仿生马机器人主要由凸轮连杆组合机构、驱动装置和四肢关节等组成。其 中，凸轮连杆组合机构是机器人的核心组成部分，其作用是模拟马腿部的运动特 征，包括马腿的伸展和收缩。驱动装置则是控制凸轮连杆组合机构运动的关键部 件，其作用是提供动力，使机器人可以自主运动。四肢关节则是连接凸轮连杆组 合机构和驱动装置的枢纽，其作用是传递运动和动力。
1、降低摩擦损失：减少活塞、连杆和曲轴之间的摩擦是提高内燃机效率的 重要途径。我们可以采用低摩擦材料和润滑技术来降低摩擦损失。
2、优化结构布局：通过改变活塞、连杆和曲轴的结构布局，可以改善力的 传递路径，提高机构的稳定性和效率。例如，可以改变活塞形状、连杆长度和曲 轴半径等参数来优化结构布局。
3、精确控制燃烧过程：燃烧过程是内燃机工作的核心过程之一。通过精确 控制燃烧过程，可以优化燃烧效率，减少废气排放。例如，可以通过精确控制燃 油喷射、点火时间和进气流量等参数来优化燃烧过程。
4、优化冷却系统：内燃机的冷却系统对于保证其正常运行和延长使用寿命 具有重要意义。通过优化冷却系统的设计，可以降低内燃机的温度，减少热损失， 提高效率。例如，可以通过优化散热器、冷却风扇和循环管道等部件的设计来优 化冷却系统。
四杆机构实验报告
四杆机构实验报告四杆机构实验报告引言四杆机构是一种常见的机械结构，由四个连杆组成，通过铰链相连。
在工程学中，四杆机构被广泛应用于各种机械设备中，如发动机、机械手臂和运动机构等。
本实验旨在通过对四杆机构的研究和实验，深入了解其运动特性和应用。
一、实验目的本实验的主要目的是通过实验观察和测量四杆机构的运动规律，深入了解四杆机构的结构和工作原理。
具体目标包括：1. 理解四杆机构的基本构造和运动方式；2. 掌握四杆机构的运动规律和特性；3. 分析四杆机构的应用领域和优缺点。
二、实验装置和方法1. 实验装置：本实验使用由四个连杆和铰链组成的四杆机构模型，以及相应的测量仪器和工具。
2. 实验方法：a. 调整四个连杆的长度和角度，使其满足四杆机构的运动要求；b. 使用测量仪器测量和记录四个连杆的长度和角度的变化；c. 分析测量数据，绘制运动曲线和角度变化图表；d. 观察和记录四杆机构的运动规律和特点。
三、实验过程和结果1. 实验过程a. 调整四杆机构的连杆长度和角度，使其形成一个闭合的四边形；b. 使用测量工具测量和记录四个连杆的长度和角度的变化；c. 通过改变连杆长度和角度，观察和记录四杆机构的运动规律；d. 根据测量数据和观察结果，分析四杆机构的运动特性和应用。
2. 实验结果a. 通过测量仪器记录的数据，绘制了四个连杆的长度和角度的变化图表；b. 观察和记录了四杆机构的运动规律，如连杆的旋转和平移运动；c. 分析了四杆机构的运动特性和应用，如转动和传动功能。
四、实验分析和讨论1. 实验分析通过实验观察和测量，我们可以清楚地看到四杆机构的运动规律和特性。
连杆的长度和角度的变化直接影响着四杆机构的运动方式和速度。
通过改变连杆的长度和角度，我们可以实现不同的运动效果，如旋转、平移和传动等。
2. 实验讨论四杆机构具有广泛的应用领域和优点。
它可以用于实现复杂的运动和动力传递，如发动机和机械手臂。
同时，四杆机构的结构简单，易于制造和维护。
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。
四杆机构的设计步骤和方法
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四杆机构的设计步骤和方法（大纲）一、四杆机构概述1.1四杆机构简介1.2四杆机构的应用领域二、四杆机构设计步骤2.1确定设计目标2.2分析四杆机构类型2.3确定机构参数2.4选择合适的材料2.5计算运动与动力参数2.6进行仿真分析与优化三、四杆机构设计方法3.1几何法3.1.1尺度法3.1.2位置法3.2解析法3.2.1矩阵法3.2.2微分方程法3.3计算机辅助设计方法3.3.1CAD软件3.3.2仿真软件四、四杆机构设计实例4.1曲柄摇杆机构设计实例4.2双曲柄机构设计实例4.3双摇杆机构设计实例五、四杆机构设计注意事项5.1运动副间隙的考虑5.2刚度与强度的校核5.3疲劳寿命分析5.4安全系数的选择六、四杆机构设计总结与展望6.1设计成果总结6.2存在问题与改进方向6.3未来发展趋势与应用前景一、四杆机构概述以下是对四杆机构设计步骤和方法中的四杆机构概述部分的撰写：1.1 四杆机构简介四杆机构是由四个杆件组成的机械系统，它们通过关节连接在一起。
这四个杆件分别是：曲柄、连杆、摇杆和机架。
四杆机构根据其结构特点和运动特性，可以分为多种类型，如直动四杆机构、摆动四杆机构、转动四杆机构等。
四杆机构在工程应用中具有广泛的应用前景，其设计和研究在机械工程领域具有重要意义。
铰链四杆机构类型判断的方式
铰链四杆机构类型判断的方式
铰链四杆机构是一种常见的机械结构，用于转动或平移运动。
要判断铰链四杆机构的类型，可以从几个方面进行分析：
1. 运动副的类型，铰链四杆机构通常由铰链连接的四个杆件组成，通过观察各个连接处的运动副类型，可以判断机构的类型。
例如，如果存在旋转副和铰链副，那么这个四杆机构就是旋转-转动铰链机构；如果存在滑动副和铰链副，那么这个四杆机构就是平移-转动铰链机构。
2. 杆件的排列方式，观察四个杆件的排列方式，可以帮助判断铰链四杆机构的类型。
如果四个杆件呈矩形排列，两对对角杆件平行，这是典型的平行四杆机构；如果四个杆件呈菱形排列，这是典型的菱形四杆机构。
3. 运动特性，观察铰链四杆机构的运动特性也可以帮助判断其类型。
通过对机构进行手动模拟或进行运动学分析，可以得出机构的运动规律，从而确定其类型。
综上所述，判断铰链四杆机构的类型需要结合运动副类型、杆件排列方式和运动特性进行综合分析，以得出准确的结论。
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。
铰链四杆机构的运动特性分析
若 铰链 四杆机构两个连架杆都是 曲柄 ， 则称为双 曲柄机构。
当主动曲柄作匀速转动时 ， 从动曲柄 作周期性 的 向圆弧箭头表示。曲柄 以整转副 ， 摇杆以摆动副分别与机架 、 连 其运动特点是 ： 变 速运 动 ， 以满 足 机 器 的 要求 。 杆 联接 。
２ 铰 链 四杆 机 构 的 类 型及 应 用 、
ｐ ｌ ｏ ｎ ａ ｉｎ ｏ ｒ ａ ｉａｉｎ，ｌ ｙａ ｓ ｅ ｔａ ｏ ｎ ｔｏ ｏ ｔ ｄ ｆｔ ｅｏ ｇ ｎｚ ｔ ｎ ｓ ｃ ｓｃ ｍ ｔｔ ｅｓ ｍｅｔｍｅ ｏ ｅｆｕ ｄ ｔ ｆｏ ｇ ｎ ｚ ｔｏ ｏ ａ ｎ ｅ ｓ ｎ ｉｌｆｕ ｄａｉｎ ｆ ｒｔ ｓｕ ｙｏ ｒ ａ ｉａ ｉ ｕ ｈ ａ ａ ａ ｈ ａ ｉ ． ｈｅ ｈ ｏ Ｓ ｏ，ｗｅｗｉｌ ｎ ｅ ｓａ ｄ，ａ ｌｙ ｅｆ ｕ ｖ ｍｅ ｔ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｓｉ ｒ ａ ｉａｉｎ ｏ ｉ ｇ ． ｌ ｕ ｄ ｒｔ ｎ ｎａ ｚ ｏ ｒｍｏ ｅ ｎ ａ ａ ｔｒｓｉ ｎ ｏ ｇ ｎ ｚ ｔｏ ｆｈ ｎ ｅ ｃ ｃ
行机构 。
转动 中将 出现两个 死点位置 。
平 行四边形机构在运动过程 中，会出现曲柄 与机架共线 时
对于传动机构 ， 死点位置会使 机构 的从动件 出现“ 顶死 ” 或
四个铰链 中心处 于同一直线 的问题 ，此位置会产生运 动的不确 运动不确定现象 ， 应消除死点位置的影 响， 设法避免 或顺利通过
Ｐａ ｅ ｎＷ ｎ
（ ａｇａｇＰ ｌｔ ｈ ｉ Ｃ ｌｇ Ｈｕｎ ａｇ ４８ ０ ） Ｈｕｎ ｇｎ ｏｙｅ ｎｃ ｏｌ ｅ ｃ ｅ ａｇｎ ３ ０ ２
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四杆机构运动分析
四杆机构运动分析四杆机构是一种常见的机械结构，由四根杆件组成，通过铰链连接。
四杆机构的运动分析是机械工程中重要的一环，可以帮助我们理解机构的运动特性和用途。
四杆机构有多种形式，如平行四连杆机构、交叉四连杆机构等。
在运动分析过程中，我们通常关注机构的连杆长度、铰链位置和运动轨迹等方面。
首先，我们可以通过连杆长度关系来确定机构的运动特性。
根据连杆长度的不同，四杆机构可以实现直线运动、旋转运动、摇杆运动等。
连杆长度决定了机构的运动范围和速度，可以通过运动学分析方法进行计算和模拟。
其次，铰链位置对机构运动有很大的影响。
铰链的位置决定了杆件之间的相对运动方式，如平行四连杆机构中的对外运动、交叉四连杆机构中的对内运动。
通过确定铰链位置，我们可以进一步分析机构的运动规律和应用。
另外，机构的运动轨迹也是运动分析的重点之一、运动轨迹描述了机构任意一点在运动过程中的位置变化。
通过分析运动轨迹，我们可以得出机构的最大行程、最大速度、加速度等参数，并且可以根据运动轨迹来优化机构的设计，满足特定的工程要求。
在进行四杆机构运动分析时，我们可以利用运动学分析方法，如广义坐标法、矢量法、逆运动学法等。
通过建立运动方程和约束方程，可以得出机构的运动规律和参数。
此外，计算机辅助设计软件和仿真系统也可以帮助我们进行四杆机构的运动分析。
通过输入机构的参数和初始条件，可以模拟机构的运动过程，观察各个杆件的位置、速度和加速度等变化情况。
四杆机构的运动分析对于机械设计和工程实践都具有重要的意义。
它可以帮助我们了解机构的运动特性，优化机构的设计，提高机械系统的性能和效率。
同时，运动分析也是机械工程师在机构设计和动力传动中常用的工具，通过运动分析可以得到有效的设计参数和工作条件。
四杆机构的运动分析是机械工程师必备的技术之一，也是机械工程教育中的重要内容。
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模块六机构运动特性分析与四杆机构设计
【能力目标】具备平面机构运动特性和传力特性的分析能力及一般平面连杆机构的设计能力【课程内容】
1.机构的运动特性分析方法，
2.平面四杆机构的基本设计方法，
3.计算机辅助图解设计法。
【教学方法】观察机构，分析机构运动特性、传力特性及机构间运动的协调，观察运动副的结构。
【教学手段】课堂演示与现场教学相结合
【教学地点】多媒体教室、创新实训室
【教学重点】四杆机构的构成要素，基本特性分析
【教学难点】四杆机构的协调运动设计
【实践内容】图解法设计平面四杆机构
【教学课时】理论3课时实践2课时
【理论授课内容】
6.1 铰链四杆机构及其演化
一、铰链四杆机构的基本形式
1.基本概念：
铰链四杆机构：所有低副均为转动副的四杆机构。
机架：机构中的固定构件。
连杆：与机架相对的杆。
连架杆：与机架相连的杆。
曲柄：能作360°回转的连架杆。
摇杆：只能在小于360°范围内摆动
的连架杆
2.铰链四杆机构的基本形式：
曲柄摇杆机构：在两连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆。
双曲柄机构：两连杆架均为曲柄的四杆机构。
双摇杆机构：两连杆架均为摇杆的四杆机构。
二、铰链四杆机构的演化
所有的四杆机构都是由四杆机构的基本形式演化来得。
1.扩大转动副，使转动副变成移动副
得到曲柄滑块机构
（1）e≠0时，为偏置曲柄滑块机构
（2）e＝0时，为对心曲柄滑块机构
曲柄滑快机构演化：扩大运动副，可将转动副的尺寸扩大到超过曲柄长度，演化成偏心轮机构
2.取不同的构件为机架
1）铰链四杆机构的演化
a:曲柄摇杆机构b双曲柄机构
c双摇杆机构d曲柄摇杆机构
2）曲柄滑块机构的演化
如果两个移动副代替铰链四杆机构中的两个转动副，便可得到三种不同形式的四杆机构：
✧ 曲柄移动导杆机构（正弦机构）：缝纫机针运动机构 ✧ 双转块机构：十字滑块联轴器 ✧ 双滑块机构：椭圆规
4.1.5 平面四杆机构的基本特性
3. 铰链四杆机构有曲柄的条件
设a ＜d ，则当AB 杆能绕轴A 相对于AD 杆作整周转动时，AB 杆必须占据与AD 杆共线的两个位置
在△B ″C ″D 中
b ≤(d-a)+
c 即 a+b ≤d+c c ≤(d-a)+b 即 a+c ≤d+b 在△B ′C ′D 中 a+
d ≤b+c
将上面三式两两相加，可得
a ≤ d ， a ≤
b ， a ≤ c
即AB 杆为最短杆
结论：铰链四杆机构有曲柄的条件是：
（1）最短杆与最长杆的长度之和应小于或等于其具有的几种基本形式： （2）最短杆或其邻杆应为机架。
根据铰链四杆机构有曲柄的条件，我们可以判别出其具有的几种基本形式： 当铰链四杆机构满足构件长度和条件时： （1）最短杆为连架杆时 为曲柄摇杆机构。
（2）最短杆为机架时 为双曲柄机构。
（3）最短杆为连杆时 为双曲柄机构。
4. 急回特性 1. 基本概念：
✧ 急回特性：机构工作返回行程速度大于工作行程的特性。
极位１ 极位２
✧ 极位角θ：从动件处在两个极限位置时，，曲柄所在直线之间所夹的锐角θ。
✧ 行程速比系数K ：从动件回程平均速度与从动件的工作平均速度之比称为行程速比系数，即
1
2
V V K ＝
从动件工作平均速度从动件回程平均速度
2.存在急回特性的条件：
机构有无急回特性，取决于该机构极位夹角θ是否大于零，θ越大，急回特性越显著。
5.压力角与传动角：
1.基本概念
✧压力角：从动件所受的力F与受力点速度V c所夹的锐角
✧传动角：压力角的余角（也是连杆与从动件所夹的锐角），，越大，机构的传动性能越好，设计时一般应使min≥40°，对于高速大功率机械应使min ≥50°。
2.最小传动角
✧铰链四杆机构在曲柄与机架共线的两位置出现最小传动角。
✧对于曲柄滑块机构，当曲柄为主动件时，最小传动角出现在曲柄与机架垂直的位置。
✧对于摆动导杆机构由于在任何位置时主动曲柄通过滑块传给从动杆的力的方向，与从动杆上受力点的速度方向始终一致，所以传动角等于90度。
6. 死点位置
1.
位置时，出现机构的传动角g=0a=90的情况，动，机构的这种位置称为死点位置。
2. 死点的利弊
✧ 利：工程上利用死点进行工作
✧ ✧ 度过死点的方法：
◆ ◆ 采用机构错位排列的方法：车轮联动机构
【实践授课内容】
图解法设计平面四杆机构
按两连架杆的预定位置设计四杆机构 1、 设计方法
根据机构的倒置理论，通过取不同构件为机架（如将图a中以AD为机架转化为图b中以CD为机架），将按连架杆预定位置设计四杆机构转化为按连杆预定位置设计四杆机构的方法称为机构转化法或反转法。
反转法过程: 将以AD为机架的两连架杆的两组对应位置转化为以CD为机架的，AB为连杆的相应位置。
2、给定连架杆的两个对应位置设计四杆机构。
设计要求：已知机架长度d，要求原动件顺时针转过α12角时，从动件相应的顺时针转过φ12，试设计四杆机构。
3、给定连架杆的3个对应位置设计四杆机构。
设计要求：已知机架长度d，要求原动件顺时针转过α12、α13角时，从动件相应的顺时针转过φ12、φ13，试设计四杆机构。
4、给定连架杆的4个对应位置设计四杆机构。
设计要求：已知机架长度d，要求原动件顺时针转过α12、α13、α14角时，从动件相应的顺时针转过φ12、φ13、φ14，试设计四杆机构。