机械原理 平面连杆机构及设计
《机械原理》第四章 平面连杆机构及其设计
2. 急回特性和行程速比系数
判断下列机构是否具有急回特性：
双曲柄机构和对心曲柄滑块机构适 当组合后，也可能产生急回特性。
机械原理
小结：
第四章 平面连杆机构及其设计
2. 急回特性和行程速比系数
1）急回特性的作用：节省空回行程的时间，提高劳动生产 率。 2）急回特性具有方向性，当原动件的回转方向改变时，急 回的行程也跟着改变。 3）对于有急回运动要求的机械，先确定K，再求θ。
∆DB1C1 中 : a + d ≤ b + c ∆DB2C 2 中 : b ≤ (d-a ) + c
(a ) 即 a+b≤c+d 即 a+c ≤ b+d
c ≤ (d-a ) + b (a ) + (b )，得 a ≤ c (a ) + (c )，得 a ≤ b
(b ) + (c )，得 a ≤ d
手摇唧筒
固定滑块3成为唧筒外壳，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。
机械原理
2 . 平面四杆机构的演化形式 ( ) 运动副元素的逆换 4
第四章 平面连杆机构及其设计
将移动副两元素的包容关系进行逆换，并不影响两构件 之间的相对运动，但却能演化成不同的机构。
构件2 包容 构件3 导杆机构
4-2
平面四杆机构的类型和应用
1. 平面四杆机构的基本形式 2. 平面四杆机构的演化形式
机械原理
第四章 平面连杆机构及其设计
铰链四杆机构 1. 平面四杆机构的基本形式：
机架：固定不动的构件，如AD 杆 连杆：不直接与机架相连的构件，如BC杆 连架杆：直接与机架相连的构件，如AB、CD 杆 曲柄：能作整周转动的连架杆，如AB 杆 摇杆：不能作整周转动的连架杆，如CD 杆
机械原理 平面连杆机构及设计
机械原理平面连杆机构及设计平面连杆机构是机械原理中最经典也是最重要的一种机构类型之一。
这种机构由多个刚性杆件组成，每个杆件都能在平面内移动，它们通过连接点（铰链/球头）相互连接。
平面连杆机构在机械工程领域中有着广泛的应用，能够实现很多不同的机械运动和工作原理。
平面连杆机构中最重要的构件是连杆，也就是连接各个零件的关键杆件，如果连杆设计不合适可能导致机构性能的下降。
因此，平面连杆机构的设计要受到重视，需要考虑以下几个因素。
一、长度比例连杆不同长度比例的设置，对整个机构的运动特性和反应速度有着很大的影响。
在设计平面连杆机构时，需要根据机构所要完成的任务，选择恰当的连杆长度比例，保证机构的平衡性和可靠性，以及使机构的工作效率更高。
二、铰链/球头的位置铰链/球头是平面连杆机构中的关键组成部分。
在设计平面连杆机构时，需要合理选择铰链/球头的位置，以达到机构所要完成的特定任务。
如果铰链/球头设置不当，或者位置过分集中，会使机构不平衡或失效。
因此，设计者需要考虑连杆的长度、位置、形状和角度等因素。
三、材质选择平面连杆机构的设计材料非常重要，它将直接影响到机构的质量和强度。
不同材料的连接部分，对于平面连杆机构的工作效率和稳定性有着非凡的意义。
因此，在设计时，应本着安全、可靠、实用的原则，选用优质、耐用的材料，确保机构长期稳定、可靠的工作。
以汽车减震器为例，汽车减震器中使用的是多连杆机构原理，作为一种基于平面连杆机构的机构类型，它通过几个连杆的特定结构和布局，使得整个减震器能够更好地适应路况，缓解车辆的震动和冲击。
汽车减震器的设计考虑了多个因素，包括结构的稳定性和可靠性，杆件的材质和尺寸比例等。
总结来说，平面连杆机构是机械原理中非常重要的一种机构类型，广泛应用于机械和工程领域，需要经过仔细的设计和考虑，才能达到最好的运转效果。
设计者需要从多个维度进行考虑，包括长度比例、铰链/球头的位置、材质选择等等。
这些因素的合理应用，能够使平面连杆机构能够更好地适应不同的任务需求，达到最高的技术性能和质量水平。
机械原理课件8平面连杆机构与设计说明
切向分力:
法向分力:
FFco sFsin FFcos
n
▲切向分力F ′越大,机构的传力
性能越好,法向分力 F″越大,机
构的传力性能越差
B
结论：
A
为保证机构的传力
F″
t
C γα F
F′ t
F ″ T′
D
F′
性能，压力角α不能
过大，传动角γ不能过小。
设计时要求:γmin≥50°
γmin出现的位置：
当 最小或最大时，都有可能出现
§8－2平面四杆机构的类型和应用
一. 平面四杆机构的基本形式 铰链四杆机构
双曲柄机构
曲柄摇杆机构
双摇杆机构
各铰部链名四称杆及机运构动形式 机是构架平的面基固四本定杆形的机式构件 连架杆 直接与机架相连接的杆件
连杆
B
铰曲链柄曲四柄能杆摇整机杆周构机转的构动三的种构基件本形式连为架：杆
A
摇杆 只双能曲做柄非机整构周摆动的连架杆
A
4
B
A1
2 3 C 导杆机构,动画
4
转动导杆机构 摆动导杆机构
曲柄滑块机构演化实例
B 1
A
2 3
4
C
曲柄摇块机构〔连杆作机架
B 1 A
4
2
C 3
DC
B A
自卸卡车举升机构
移动导杆机构
B BBB 11 1
222
A AA A
3333 CCC 444
B 1
A
2 3
4
C
曲柄滑块机构
B 1
A
手摇唧筒
2 3
F’ E’
C’
D’
G’
机械原理 第三章 平面连杆机构及其设计
2
二、连杆机构的特点 优点：
• 承受载荷大，便于润滑
• 制造方便，易获得较高的精度 • 两构件之间的接触靠几何封闭实现 • 实现多种运动规律和轨迹要求
y B a A Φ b β c ψ ψ0 C B φ A D M3
3
连杆曲线
M
M1
M2
连杆
φ0
d
D
x
缺点：
• 不易精确实现各种运动规律和轨迹要求；
27
55
20
40
70
80 (b)
例2：若要求该机构为曲 柄摇杆机构，问AB杆尺寸 应为多少？
解：1.设AB为最短杆
即 LAB+110≤60+70 2.设AB为最长杆 即 LAB+60≤110+70 3.设AB为中间杆 即 110+60≤LAB+70 100≤LAB LAB≤120 A
70
C
60
B
110
FB
D
36
2、最小传动角出现的位置
C b
F VC
B
c
A
d
D
当 为锐角时，传动角 = 当为钝角时，传动角 = 180º - 在三角形ABD中：BD² =a² +d² -2adcos 在三角形BCD中：BD² =b² +c² -2bccos (1) (2)
37
由（1）=（2）得：
b2 c 2 a 2 d 2 2ad cos cos 2bc
1）当 = 0º 时，即曲柄与机架重叠共线，cos =+1， 取最小值。
min
b c (d a ) arccos 2bc
机械原理第二章连杆机构(杨家军版)
3、平面连杆机构的应用
机械手
汽车中那些部位用到连杆机构
起重装置
§3-2 平面四杆机构的基本类型及应用
一、平面四杆机构的基本形式 1. 构件及运动副名称 构件名称：
连架杆——与机架连接的构件 曲柄——作整周回转的连架杆 摇杆——作来回摆动的连架杆 连杆——未与机架连接的构件 机架——固定不动的构件
α1 180° +θ t1 V2 ω = α = = = 180° -θ V1 2 t2 ω
连杆机构输出件具有急回特性的条件： 1）原动件等角速整周转动； 2）输出件具有正、反行程的往复运动； 3）极位夹角θ >0。
分析： 180° +θ K= 180° -θ
K≥1,K=1时无急回特性
设计具有急回特性的机构时，一般先根据使用要求给 定K值，则有 (K-1) θ=180° (K+1) θ＝ 0 θ≠0 θ↑,K↑,急回运动越明显，一般取K＜2
●导杆机构（曲柄为主动件） ●导杆机构（摇杆为主动件）
α B2 ≡0°
3 2 1 3 A B VB2 D 4 FB2 1 2 FB3 B D VB2 FB2 FB1
机构压力角:在不计摩擦力、惯性力和重力的条件下， 机构中驱使输出件运动的力的方向线与输出件上受 力点的速度方向间所夹的锐角，称为机构压力角， 通常用α 表示。P50
传动角：压力角的余角。 通常用γ 表示.
F2 C
B
A
δ
D
γ F α
F1
vc
机构的传动角和压力角作出如下规定： γ min≥[γ ]；[γ ]= 3060°； α max≤[α ]。 [γ ]、[α ]分别为许用传动角和许用压力角。
C
(2) 推广到导杆机构 结论：有急回特性，且极位夹角等于摆杆摆角，即
机械原理第五章 连杆机构设计
4. 曲柄滑块机构存在曲柄的条件
根据曲柄摇杆机构的演化过程及曲柄摇杆机构曲柄存在的 条件，机架为无穷大+偏距e，则有： 偏置曲柄滑块机构有曲柄的条件：
a
b
① a＋e≤b； ② a为最短杆。
若偏距=0，则得对心曲柄滑块机构有曲柄的条件：
① a≤b； ② a为最短杆。
例5-1 图示铰链四杆机构，lBC=50mm，lCD=35mm， lAD=30mm，AD为机架，若为曲柄摇杆机构， 试讨论lAB的取值范围。
机械原理 第五章 平面连杆机构及其设计
§5-1 平面连杆机构的应用及传动特点
§5-2 平面四杆机构的类型和应用
§5-3 平面四杆机构的一些共性问题 §5-4 平面四杆机构的设计
§5-1 平面连杆机构的应用及传动特点
应用举例 如：四足机器人（图片、动画）、内燃机中的曲柄滑块机构、 汽车刮水器、缝纫机踏板机构、仪表指示机构等。
锻压机肘杆机构
可变行程滑块机构
汽车空气泵
单侧曲线槽导杆机构
3）可用于远距离操纵、重载机构，如：自行车手闸机构，挖掘 机等。 4）连杆曲线丰富，可实现特定的轨迹要求，如：搅拌机构， 鹤式起重机等。
挖掘机
搅拌机构
鹤式起重机
二、平面连杆机构的缺点 1）运动副中的间隙会造成较大累积误差，运动精度较低。 2）多杆机构设计复杂，效率低。 3）多数构件作变速运动，其惯性力难以平衡，不适用于高速。 多杆机构大都是四杆机构组合或扩展的结果。 六杆机构及六杆机构的实际应用 本章介绍四杆机构的分析和设计。
1）最短杆长度＋最长杆长度≤其余两杆长度之和；（杆长条件） 2）组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。 2. 铰链四杆机构存在曲柄的条件
1）各杆长度应满足杆长条件； 2）最短杆为连架杆或机架。
机械原理课件第5章 连杆机构设计
第五章 平面连杆机构及其设计 §5-1平面连杆机构的应用及传动特点§5-2平面四杆机构的类型和应用§5-3平面四杆机构的一些共性问题§5-4 平面四杆机构的设计1）低副便于加工、润滑；构件间压强小、磨损小、承载能力大、寿长；2）连杆机构型式多样，可实现转动、移动、摆动、平面复合运动等运动形式间的转换。
如：锻压机肘杆机构，单侧曲线槽导杆机构，汽车空气泵，可变行程滑块机构，等。
一、平面连杆机构的优点和应用平面连杆机构:各构件全部用低副联接而成的平面机构（低副机构）.例如：四足机器人（图片、动画）、内燃机中的曲柄滑块机构、汽车刮水器、缝纫机踏板机构、仪表指示机构等。
曲柄滑块机构摆动导杆机构常见平面连杆机构：铰链四杆机构（雷达天线，飞剪，搅拌机）锻压机肘杆机构可变行程滑块机构3）可用于远距离操纵、重载机构，如：自行车手闸机构，挖掘机等。
4）连杆曲线丰富，可实现特定的轨迹要求，如：搅拌机构，鹤式起重机等。
挖掘机搅拌机构鹤式起重机二、平面连杆机构的缺点1）运动副中的间隙会造成较大累积误差，运动精度较低。
2）多杆机构设计复杂，效率低。
3）多数构件作变速运动，其惯性力难以平衡，不适用于高速。
多杆机构大都是四杆机构组合或扩展的结果。
本章介绍四杆机构的分析和设计。
六杆机构及六杆机构的实际应用一、 铰链四杆机构的基本型式和应用铰链四杆机构：全部用回转副联接而成的四杆机构。
连架杆——与机架相联的构件；周转副——组成转动副的两个构件作整周相对转动的转动副；曲柄1——作整周定轴回转的构件；摇杆3——作定轴摆动的构件；转动副摆转副（C、D）周转副（A、B）铰链四杆机构分为：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。
1.曲柄摇杆机构铰链四杆机构中，若两连架杆中有一个为曲柄，另一个为摇杆，则称为曲柄摇杆机构。
实现转动和摆动的转换。
雷达天线俯仰机构缝纫机踏板机构应用（动画演示）：雷达天线俯仰角调整机构，飞剪机构，搅拌机构，摄影机抓片机构、缝纫机踏板机构等。
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。
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机械原理 平面连杆机构及设计
主要内容
2.1 平面四杆机构基本形式、演变及其应用 2.2 平面四杆机构设计中的共性问题 2.3 平面四杆机构的设计
机械原理 平面连杆机构及设计
一、 连杆机构
若干个构件全用低副联接而成的机构，也 称之为低副机构。
机械原理 平面连杆机构及设计
C3
2、取不同构件为机架（机构倒置）
1）铰链四杆机构的倒置
机械原理 平面连杆机构及设计
机械原理 平面连杆机构及设计
2）单滑块机构的倒置
曲柄滑块机构
曲柄转动导杆机构
曲柄摇块机构
直动滑杆机构
（定块机构） 机械原理 平面连杆机构及设计
摇块机构广泛应用于摆动式内燃机和液压驱动装置内。 如图所示自卸卡车翻斗机构及其运动简图。在该机构中，因 为液压油缸3绕铰链C摆动，故称为摇块。
1=180°+θ, 2=180°-θ
CD左行耗时: t2 = 2 / 机械原理 平面连杆显机构然及：设计若θ≠0，则：t1 > t2
行程速度变化系数
输出件空回行程的平均速度
k = —输—出—件—工—作—行—程—的—平—均—速—度—
E
e ≤ d-a 机械原理 平面连杆机构及设计
d-a d
转动导杆机构有曲柄的条件
B a A
CE
d+e ≤ a 机械原理 平面连杆机构及设计
d+e d
二、平面四杆机构输出件的急回特性
C C2
C1
极位夹角
ψ
B
θ
问: 是否 存在无急 回特性的 四杆机构?
B2
1
A
2
摆角
D
B1
CD右行耗时: t1 = 1 /
汽车中那些部位用到连杆机构
机械原理 平面连杆机构及设计
机械原理 平面连杆机构及设计
飞机起落架
火车头
机械原理 平面连杆机构及设计
内燃机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
起重装置
机械原理 平面连杆机构及设计
矿山颚式碎矿机 将大石头压成小石头
机械原理 平面连杆机构及设计
机器马
机械原理 平面连杆机构及设计
§2-1 平面四杆机构的基本形式、演变及其应用
机械原理 平面连杆机构及设计
§2-2 平面四杆机构设计中的共性问题
一、平面四杆机构有曲柄的条件 二、平面四杆机构输出件的急回特性 三、平面机构的压力角和传动角、死点 四、运动的连续性
机械原理 平面连杆机构及设计
一、平面四杆机构有曲柄的条件
B 1a
2C bc 3
F
d
A 4D
B2
E
B1 C
A
E’ F’ D b+c
易于制造，易于保证所要求的制造精度 能够实现多种运动轨迹曲线和运动规律，工程上常用来
作为直接完成某种轨迹要求的执行机构 不足之处： 不宜于传递高速运动 可能产生较大的运动累积误差
机械原理 平面连杆机构及设计
四、平面连杆机构的应用
机械手
机械原理 平面连杆机构及设计
举升
机械原理 平面连杆机构及设计
1、若满足杆长和条件：
以最短杆的相邻构件为机架，则最短杆为曲柄，另一连 架杆为摇杆，即该机构为曲柄摇杆机构；
以最短杆为机架，则两连架杆为曲柄，该机构为双曲柄 机构；
以最短杆的对边构件为机架，则无曲柄存在，即该机构 为双摇杆机构。
2、若不满足杆长和条件，该机构是双摇杆机构。
注意：铰链四杆机构必须满足四构件组成的封闭多边形条件：
一、平面四杆机构的基本形式
连杆 2
连架杆 1
4 机架
连架杆 3
在连架杆中，能绕其 轴线回转360°者称为曲 柄；仅能绕其轴线往复 摆动者称为摇杆。
1）曲柄摇杆机构：一个连架杆为曲柄，另一个为摇杆。 2）双曲柄机构：两连架杆均为曲柄。 3）双摇杆机构：两连架杆均为摇杆。
机械原理 平面连杆机构及设计
二、平面四杆机构的演变
1、转动副转化为移动副
2
1
3
曲柄滑块机构
4 铰链四杆机构
2
1
3
4
机械原理 平面连杆机构及设计
曲柄滑块机构
1) 偏置曲柄滑块机构
B2 1 A
C3 e
2) 对心曲柄滑块机构
B
1
2
A
机械原理 平面连杆机构及设计
C3
曲柄移动导杆机构
2 B
1
A
B2 1
3 A
s
正弦机构
sl sin AB 机械原理 平面连杆机构及设计
二、连杆机构的分类
1、根据构件之间的相对运动分为： • 平面连杆机构 • 空间连杆机构
机械原理 平面连杆机构及设计
2、根据机构中构件数目分
四杆机构、五杆机构、六杆机构、…
四杆机构
六杆机构
机械原理 平面连杆机构及设计
三、平面连杆机构的特点
适用于传递较大的动力，常用于动力机械 依靠运动副元素的几何形面保持构件间的相互接触，且
自卸卡车翻斗机构及其运动简图
机械原理 平面连杆机构及设计
直动滑杆机构 抽水唧筒机构
机械原理 平面连杆机构及设计
曲柄摆动导杆机构及应用
机械原理 平面连杆机构及设计
3）其他机构的倒置…
机械原理 平面连杆机构及设计
3、扩大转动副
将转动副B加大，直至把 转动副A包括进去，成为 几何中心是B，转动中心 为A的偏心圆盘。
(2) 若d≤a 则可得
ddbabacc dcab
(bc) (c b)
d d
a b
d c
结论（平面铰链四杆机构有曲柄的条件）： 1）连架杆与机架中必有一杆为四杆机构中的最短杆； 2）最短杆与最长杆之和应 ≤ 其余两杆的杆长之和。 （杆长和条件）
机械原理 平面连杆机构及设计
铰链四杆机构类型的判断条件
最长杆的杆长 < 其余三杆长度之和。
机械原理 平面连杆机构及设计
曲柄滑块机构有曲柄的条件
B
a
b
C’
C
e
A
b a
B’
显然，需满足:
a+e ≤ b
机械原理 平面连杆机构及设计
B a
b C”
e
B’
B”
A
C C’
机械原理 平面连杆机构及设计
导杆机构有曲柄的条件
摆动导杆机构有曲柄的条件
aB A
B’ C E’
G’
|b-c|
|d-a| G
为什么关注有 曲柄条件？
d+a
机械原理 平面连杆机构及设计
欲使连架杆AB成为曲柄，则必须使AB通过与 机架共线的两个位置，
机械原理 平面连杆机构及设计
三角形 任意两边之和必大于第三边
任意两边之差小于第三边
即必须满足
a+d ≤ b+c
(2-1)
|d-a| ≥ |b-c|
(2-2)
机械原理 平面连杆机构及设计
欲使连架杆AB成为曲柄，则必须使AB通过与 机架共线的两个位置，即必须满足
a+d≤b+c
(1)
|d-a|≥|b-c|
(2)
(1) 若d≥a，则可得
a+b≤c+d (若b>c) a+c≤b+d (若c>b) a+d≤b+c
a≤b
从而可得
a≤c a≤d
机械原理 平面连杆机构及设计