6连杆机构
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六连杆压力机优化设计和分析
六连杆压力机优化设计和分析1 绪论1.1 国内外压力机的发展概况机械压力机作为工程上广泛应用的一种锻压设备，在工业生产中的地位变的越来越重要[1]。
多连杆压力机的多连杆机构是现代机械压力内、外滑块普遍采用的工作机构。
多连杆驱动的出发点是：降低工作行程速度，加快空程速度，已达到提高生产率的目的。
使用多连杆驱动技术的机械压力机，不用改变压力机的工作行程速度，即可达到提高生产率、延长模具寿命并降低噪声的目的[2]。
目前国内的发展现状:进入21世纪以来，中国锻压机械行业通过技术引进，合作生产及合资等多种方式，已经快速地提高了我国的冲压设备整体水平，近年来设计制造的很多产品，其技术性能指标已经能够接近世界先进水平。
目前我国制造的多连杆压力机刚性好、精度高、具有良好的抗热变形能力和良好的平衡性，配备高速高精度的送料装置，采取良好的隔声降噪减振措施。
不仅能保证良好的性能、质量和可靠性，在设备的成套、生产线和数控化、自动化等方面也有了很大的发展，能开发、设计、制造大型精密高效的压力机。
近年来，随着电子技术、自动控制技术的发展和应用，我国多连杆压力机的自动化程度、安全性、可靠性、生产率、产品质量都得到了明显的改善，压力机的制造能力也不断提高。
但我国压力机的生产总体规模小，技术创新能力薄弱，数控化程度相对较差，管理水平落后，品总和规格不全，特别是大、高、精类还需国外的供应，另外，我国的锻压设备与发达国家相比结构陈旧，性能较差，机械化程度差。
因此，如何继续缩小与国外先进产品的距离仍是我国设备制造企业需要面对的挑战。
国外发展现状：国外的多连杆压力机的设计生产制造的专门化、自动化程度越来越高，朝着高速度、高精度的方向发展。
其产品的品种和规格齐全，结构新颖，性能，质量，机械化程度好，精度，可靠性高，各种设备的材料利用率、生产率都很高。
而且规模大，特别是数控化程度非常好，具有很高的创新水平。
加工时，实现了软接触和平稳成型，加工冲击小，故模具的寿命特别长，压力机的行程可以任意设定，曲轴的摆角可调，使其在某一需要的角度内摆动。
6连杆机构优化设计
2000t，行程 1100mm 的多连杆机构。为满足用户使用要求和最小化生产厂家变更引起费用，此机 构必须满足下列条件： 驱动臂 R＝250～280mm；支撑点变化范围 X＝1100～1300，Y＝150～350mm； 曲柄中心到下死点距离 2800～3150；公称压力 2400T，公称压力行程 30mm； 滑块拉伸行程为 400mm，拉伸行程内速度小于 21m/s，最大小于 23m/s，为保证冲压质量， 在拉伸行程内拉伸曲线要接近直线，如图 3 示； 连杆压力角小于 45 度； 摆杆与摇杆之间传动角大于 55 度； 连杆最大应力小于 60MPa。 对应的冲头的位移、速度、加速度曲线如图示：
1 机构性能设计
在机构设计中，用户最关心的整机性能设计，而目前机构运动分析的方法有图解法、解析法 和实测法等。图解法特点是形象直观、方法简单、但精度不高，且在对机构的一系列位置进行分 析时，需反复作图而显得繁琐，设计周期过于冗长。实测法以物理样机为基础，在设计多用于检 验和校核。解析法的特点是精度高、比较抽象，计算量大。随着电子计算机硬件资源和各种专业 软件的发展和普及而日益得到广泛应用。 其中代表的仿真软件 Recurdyn 等。 在机构详细设计阶段， 则利用有限元对具体的机构尺寸参数进行强度、刚度、稳定性校核，常用的校核工具有 Simulia 的 Abaqus 等软件，而进行网格划分使用 Abaqus CAE 等工具。
- 262 -
第六届中国 CAE 工程分析技术年会论文集
图 6：Isight 集成 Recurdyn、Abaqus 试验设计流程
粒子群算法(particle swarm optimization，PSO)由 Kennedy 和 Eberhart 在 1995 年提出，该算法 模拟鸟集群飞行觅食的行为，鸟之间通过集体的协作使群体达到最优目的，是一种基于 Swarm Intelligence 的优化方法。同遗传算法类似，也是一种基于群体叠代的，但并没有遗传算法用的交 叉以及变异，而是粒子在解空间追随最优的粒子进行搜索。PSO 的优势在于简单容易实现同时又 有深刻的智能背景，既适合科学研究，又特别适合工程应用，并且没有许多参数需要调整。目前， 已有的群智能理论和应用研究证明群智能方法是一种能够有效解决大多数优化问题的新方法，更 重要是,群智能潜在的并行性和分布式特点为处理大量的以数据库形式存在的数据提供了技术保 证。无论是从理论研究还是应用研究的角度分析,群智能理论及应用研究都是具有重要学术意义和 现实价值的。 粒子群算法(particle swarm optimization，PSO)搜索方向按照下式更新。
连杆机构
第二节 平面连杆机构的运动和动力特性
一、平面四杆机构存在曲柄的条件
平面四杆机构具有整转副 则可能存在曲柄
设l1 < l4，连架杆l1 若能整周
回转，必有两次与机架共线
由△B2C2D可得：
由△B1C1D可得：
l3≤(l4 –l1) + l2 l2≤(l4– l1) + l3
l1+l4≤ l2 + l3
第六章 连杆机构
§6－1 平面连杆机构的类型、特点和应用 §6－2 平面连杆机构的运动和动力特性 §6－3 平面连杆机构的综合概述和刚体位移矩阵 §6－4 平面刚体导引机构的综合 §6－5 平面函数生成机构的综合 §6－6 平面轨迹生成机构的综合 §6－7 按行程速比系数综合平面连杆机构
第一节 平面连杆机构的类型、特点和应用
二、平面连杆机构的类型和应用
1、平面四杆机构的基本型式和应用 几个概念： 机 架——固定不动的构件 连架杆——与机架相联的构件 摇 杆——只能作往复摆动的连架杆 曲 柄——能够绕机架作整周转动的连架杆 连 杆——连接两连架杆且作平面运动的构件
平面四杆机构在工程中应用的类型很多，但通过下面的分析可知，这些不同 类型的四杆机构，均可看作是由几种基本型式派生出来的。 对于铰链四杆机构，按两连架杆运动形式不同，可分为三种基本型式：
压力角：不计摩擦时,作用在从动件上的驱动力F与该力作 用点绝对速度Vc之间所夹的锐角α。
分析压力角对机构传动的影响：
有效分力: Ft＝Fcosα 即压力角 α↓→有效分力 Ft↑
机构的传动效率↑ 压力角是衡量连杆机构传动性能的标志
对连杆机构，也可用与压力角互余的角 γ，作为衡量机构传力性能的指标 ，更 形象直观，称之为传动角。
1.曲柄摇杆机构
平行四边形机构
带有辅助构件的平行四边形机构
一、平面连杆机构
对于两个曲柄转向相反的情况，即连杆与机架的长度相
等,两个曲柄长度相等所组成的转向相反的双曲柄机构称为 反平行四边形机构。
反平行四边形机构不具备
平行四边形机构前述两个运动
特征。 车门启闭机构就是反平行
反平行四边形机构
四边形机构的应用实例。
车门启闭机构
二、凸轮机构
连杆机构和凸轮机构对比：
平面连杆机构虽然应用广泛，但它只能近似地 实现给定的运动规律，且设计比较复杂。当从 动件须精确地按预定运动规律尤其是复杂运动 规律工作时，则常采用凸轮机构。
二、凸轮机构
分类
1. 按凸轮的形状分： 盘形、移动、圆柱
2. 按从动杆运动形式分: 移动（直动）、摆动
3. 按从动杆形状分： 尖顶、滚子、平底
第四章 常用机构
一、平面连杆机构
应用实例：
内燃机、鹤式吊、火车轮、牛头刨床、开窗户支撑、公共 汽车开关门、折叠伞、折叠床、 各种健身器材等。
定义：由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。 优点：
1.采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损。 2.构件接触面多为圆柱面或平面, 形状简单、易加工、容易获 得较高的制造精度。 3. 构件间接触自封闭, 不需外力保持构件间的接触。 4.改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。 5.连杆曲线丰富。可满足不同要求。
安装辅助连杆； 几组机构错位安装。
B2 A
vB
B1
FB
脚
D
C2 踏板
C1 缝纫机主运动机构
一、平面连杆机构
一、平面连杆机构
一、平面连杆机构
一、平面连杆机构
一、平面连杆机构
装载机反转六连杆机构的优化设计
文献 标 识码 ： Ｂ 文 章 编 号 ：０ ０ ０ ３ （０ ８ １ －０ ３ － ２ １ ０ － ３ Ｘ ２ ０ ）０ ０ ５ ０
中 图 分 类 号 ： １ ．１ Ｕ４ ５５
引言
装 载机 主 要 用来 铲 、 、 、 散 装物 料 ， 一 种 用途 十 装 卸 运 是
装 载 机 的 工 作 机 构
运 用 机 械 动 力 学 仿 真 软 件 （ ＡＭＳ 建 立 了 某 装 载 机 反 转 六 连 杆 机 构 的 动 力 学 模 型 ， 其 进 行 了 仿 真 研 究 ， ＡＤ ） 对 发 现 在 装 载 机 铲 装 作 业 过 程 中 ， 斗 的 最 大 转 动 角 度 达 ￣ ２ ．。 经 过 Ａ ＭＳ 化 设 计 后 ， 斗 的 最 大 转 动 角 度 降 ｆ ｆ 。 从 铲 ｆ ３９ ， Ｊ ＤＡ 优 铲 ￣ ］ ， ９
转 自缸
提 升过 程 中 ， 斗有 一 定程 度 的转 动 。 了在 装载 作 业 中减 铲 为
少 物料 的撤 落 ， 以下２ 办 法 。 有 种 （） 动 臂 提 升 过 程 中 ， 驶 员 不 停 地 调 整 转 斗 油 缸 的 １在 驾 位置 ． 持 铲 斗 的角度 不 变 ： 保 （） 过 优 化 设 计 的 方 法 使 反 转 六 连 杆 机 构 在 动 臂 举 ２ 通 升 过 程 中保 持 铲斗 的角 度 不 变 。 第 １ 方 法容 易使 驾 驶 员产 生 疲 劳 ， 此不 宜采 用 ： ２ 种 因 第 种 方 法 是 现 在 通 用 的 办 法 。 传 统 的 机 械 设 计 常 采 用 试 算 的
装载 机 的工 作 机构 主要 包 括 转 斗 油 缸 、 臂 、 臂 、 摇 动 铲
分 广 泛 的 工 程 机 械 ，轮 胎 式 装 载 机 由于 其 速 度 快 、 灵 活 机 斗 、 杆 和 动 臂 油 缸 ６ 部 件 ， 为 六 连 杆 机 构 。 因 为 转 斗 连 个 称 又 动 、 率 高 而 被 广 泛 使 用 Ｅ２ 某 型 装 载 机 在 装 载 物 料 过 程 油 缸 的 运 动 方 向 和 铲 斗 的 转 动 方 向 相 反 ．所 以称 为 反 转 六 效 ｌ］ －。 中经 常 出现 物料 撤 落 的情况 ， 重 影 响 了其 作 业效 率 。 严 经分 析后 认 为 ，物料 撤 落 的主 要原 因是 装载 机在 动 臂 连 杆 机 构 。 某 装 载 机 工 作 装 置 的 结 构 如 图 １ 示 ［。 所 ３ ］
中 图 分 类 号 ： １ ．１ Ｕ４ ５５
引言
装 载机 主 要 用来 铲 、 、 、 散 装物 料 ， 一 种 用途 十 装 卸 运 是
装 载 机 的 工 作 机 构
运 用 机 械 动 力 学 仿 真 软 件 （ ＡＭＳ 建 立 了 某 装 载 机 反 转 六 连 杆 机 构 的 动 力 学 模 型 ， 其 进 行 了 仿 真 研 究 ， ＡＤ ） 对 发 现 在 装 载 机 铲 装 作 业 过 程 中 ， 斗 的 最 大 转 动 角 度 达 ￣ ２ ．。 经 过 Ａ ＭＳ 化 设 计 后 ， 斗 的 最 大 转 动 角 度 降 ｆ ｆ 。 从 铲 ｆ ３９ ， Ｊ ＤＡ 优 铲 ￣ ］ ， ９
转 自缸
提 升过 程 中 ， 斗有 一 定程 度 的转 动 。 了在 装载 作 业 中减 铲 为
少 物料 的撤 落 ， 以下２ 办 法 。 有 种 （） 动 臂 提 升 过 程 中 ， 驶 员 不 停 地 调 整 转 斗 油 缸 的 １在 驾 位置 ． 持 铲 斗 的角度 不 变 ： 保 （） 过 优 化 设 计 的 方 法 使 反 转 六 连 杆 机 构 在 动 臂 举 ２ 通 升 过 程 中保 持 铲斗 的角 度 不 变 。 第 １ 方 法容 易使 驾 驶 员产 生 疲 劳 ， 此不 宜采 用 ： ２ 种 因 第 种 方 法 是 现 在 通 用 的 办 法 。 传 统 的 机 械 设 计 常 采 用 试 算 的
装载 机 的工 作 机构 主要 包 括 转 斗 油 缸 、 臂 、 臂 、 摇 动 铲
分 广 泛 的 工 程 机 械 ，轮 胎 式 装 载 机 由于 其 速 度 快 、 灵 活 机 斗 、 杆 和 动 臂 油 缸 ６ 部 件 ， 为 六 连 杆 机 构 。 因 为 转 斗 连 个 称 又 动 、 率 高 而 被 广 泛 使 用 Ｅ２ 某 型 装 载 机 在 装 载 物 料 过 程 油 缸 的 运 动 方 向 和 铲 斗 的 转 动 方 向 相 反 ．所 以称 为 反 转 六 效 ｌ］ －。 中经 常 出现 物料 撤 落 的情况 ， 重 影 响 了其 作 业效 率 。 严 经分 析后 认 为 ，物料 撤 落 的主 要原 因是 装载 机在 动 臂 连 杆 机 构 。 某 装 载 机 工 作 装 置 的 结 构 如 图 １ 示 ［。 所 ３ ］
6连杆机构解析
最短杆与最长杆长度之和小于其余两杆长度之和 杆长条件
铰链四杆机构有曲柄的条件
C1B1D中：
d＋a b＋c （1）
b c a d
DC2B2中：
d＋b a＋c （2） d＋c a＋b （3）
d a，d b，d c
最短杆是机架 满足杆长条件
（d < a)
铰链四杆机构有曲柄的条件
曲柄存在条件： 最短杆与最长杆之和小于或等于其它两杆长度之和——杆长条件 最短杆必须作为连架杆或机架 b b B c a d C a d c
偏置曲柄滑块机构有曲柄的条件是 a＋e b
小
结
铰链四杆机构有曲柄存在条件： 最短杆与最长杆之和小于或等于其它两杆长度之和——杆长条件 最短杆必须作为连架杆或机架 对于一个满足杆长条件的铰链四杆机构，是否有曲柄存在取决 于机架的选取：
1、选取最短杆邻边为机架，得两不同的曲柄摇杆机构。
2、选取最短杆为机架，得双曲柄机构。
B A
C B D C
A
B A
C
1. 改变构件的形状和运动尺寸
B
2 4
C
3
B
1
A
e
D A
C
1
1
B
2 A 4
2
C 3C E
偏置曲柄滑块机构
B
2 4
3
B
1 4
D A
1
A
2
对心曲柄滑块机构
C 3 E
2.取不同的构件为机架 低副运动可逆性---以低副相连接的两构件间的相对运动关系， 不因机架的不同而改变。
C2 B1
C
ψ
C1
θ
D
摇杆的摆角为ψ 。
机械传动基础和常用机构
一、机械传动概述
移动副的表示方法一、机械传动 Nhomakorabea述（2）高副 两构件通过点或线接触组成的运动副称为高
副。如轴与滚动轴承、凸轮机构和齿轮啮合 等。车轮与钢轨、凸轮与从动件、轮齿与轮 齿分别在接触处组成高副。组成平面高副二 构件间的相对运动是沿接触处切线t-t方向的 相对移动和在平面内的相对转动。 除上述平面运动副之外，机械中还经常见到 球面副和螺旋副。这些运动副两构件间的相 对运动是空间运动，故属于空间运动副。
这种使两构件直接接触并能产生一定相对运动的连接称为 运动副。（例如轴与轴承的连接、活塞与气缸的连接、传动齿轮两
个齿轮间的连接等都构成运动副）
构件组成运动副后，其独立运动受到约束，自由度便随之减少，两构 件组成的运动副，不外乎通过点、线或面的接触来实现。
按照接触特性，通常把运动副分为低副和高副两类。
=3×5 －2×7－0 =1
3、平面机构的自由度
计算机构自由度时应注意的事项 复合铰链：两个以上个构件在同一条轴线上形成的转动副。
由m个构件组成的复合铰链，共有(m-1)个转动副。
F 3n2pl ph 35 27 0 1
3、平面机构的自由度
机构具有确定运动的条件
原动件的数目＝机构的自由度数F（F＞0或F≥1）。
3.传动部分：把原动机的运动和动力传递给工作机。
4.控制部分：使机器的原动部分、传动部分、工作 部分按一定的顺序和规律运动，完成给定的工作循环。
一、机械传动概述
（二）机械传动的传动比和效率
传动比 i=n1/n2
机械效率
η=Po/Pi
一、机械传动概述
（三）机械传动的类型
摩擦传动
按
工
带传动、摩擦轮传动
打纬
打纬打纬机构的作用：１、以装在筘座上的钢筘把纬纱推向织口形成织物。
２、由走梭板和钢筘控制梭子飞行的方向，打纬时使梭子停留在筘座两端的梭箱中。
３、控制经纱的密度和织物的幅宽。
打纬机构的要求：１、在保证梭子顺利通过梭口的条件下，筘座的摆动幅度要尽量小，以减少对经纱的摩擦和织机的振动。
２、在具有足够的打纬力的条件下，应尽量减轻筘座的重量，以减少动力的消耗和织机的振动。
３、筘座的运动应当是平稳的，其速度变化是匀调的。
在打纬时筘座的速度应当是逐渐减小，到打纬终了时速度为零，平稳地把纬纱推向织口，而不是突然的冲击，以防止打纬时使经纱张力骤然增加。
４、投梭运动和开口运动应当与筘座运动配合协调，前者是为了保证梭子飞行稳定，正常通过梭口：后者则是织物形成时的一个重要条件，对所形成织物的内在质量和外观及织物结构都有很重要的影响。
５、打纬机构的构造应当简单坚固。
打纬机构的种类主要有四连杆打纬机构、六连杆打纬机构、共轭凸轮打纬机构、毛巾打纬机构、旋转式打纬机构等等。
曲柄连杆打纬机构（重点）一、四连杆打纬机构曲柄连杆筘座脚摇轴（机架）（一）四连杆打纬运动的数学解析（1）先画曲柄圆（O为圆心）（2）牵栓起，来两点A、A`（3）曲枥的前止点B。
（4）连接AoA`并延长，延长成交从O点引垂线交于C点，OC=e；（5）作OF//A，C交曲柄圆于F；（6）曲柄圆上任意找一点B，牵中检上对应一点A（以B为圆心，B1A0于A点）（7）自B点作OF垂线与AoC交于D，OF交于E；（8）定出γ、Q、Y以上述公式中可以看出牵中栓的S、V、a受下列影响：1、织机主轴回转角速度W2、r/γ值3、r/γ值不变时 r4、er/γ—偏心率，指筘座运动前后不对称的性质。
（二）偏心率r/γr/γ→0 长牵手r/γ<1/3 中牵手r/γ>1/3 短牵手r/γ越大，筘座的加速度和速度的峰值随之增加，同时运动的偏心性和不均匀性也随之增加。
r的长度决定牵手栓的动程此动程以容许梭子通过为限，一般为梭宽的3-3.5倍，高速织机r ↓Ｐ87，表2-1 图2-8P88 分析δ×100%若高，则织机运转不圆滑，将增加织机的振动和磨损。
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D
优点： ①连杆机构为低副机构，运动副为面接触，承载能力大； ② 运动副元素的几何形状简单，便于加工； ③在原动件运动规律不变情况下，通过改变各构件的相对长度可以
使从动件得到不同的运动规律； ④连杆曲线可以满足不同运动轨迹的设计要求； ⑤可以实现远距离传动等。
B
2
1 4
A
C 3
D
缺点： ①由于运动积累误差较大，因而影响传动精度； ②由于惯性力不好平衡而不适于高速传动； ③设计方法比较复杂。
AC1D中：
AC2D中： b－a＋cd
a＋b c＋d （1） a＋d b＋c （2）
a b，a c，a d
b－a＋d c a＋c d＋b （3）
最短杆是连架杆
最短杆与最长杆长度之和小于其余两杆长度之和 杆长条件
铰链四杆机构有曲柄的条件
b c
a d
C1B1D中： d＋a b＋c （1）
rmax rmin
C1 b
a C2
δ1
ψ1
δ2
C"
ψ2
C3 C'
小结
急回运动及行程速比系数 从动件的工作行程和空回行程的速度不一样的特性为急回特性。
极位夹角θ→行程速比系数K=（180º+ θ） /（180º- θ） 是否有极位
判断一个机构是否存在急回特性的方法 是否有极位夹角
运动连续性
错序不连续 错位不连续
《机械原理》
第六章 平面连杆机构及其设计 ——连杆机构的类型及应用
一、连杆机构及其运动特点 连杆机构：由若干构件通过低副连接组成的平面机构。 ——又称低副机构
B
2
1 4
A
C 3
D
2 1B
A 3
4
C
其特点是: 原动件1的运动要经过一个不直接与机架相联的中间构件2 才能传动从动件3。
B
2
1 4
A
C 3
《机械原理》
第六章 平面连杆机构及其设计 ——铰链四杆机构有曲柄的条件
铰链四杆机构有曲柄的条件
曲柄是能做整周转动的连架杆。 如图所示铰链四杆机构，要使AB成为曲柄，则AB杆应能占 据在整周回转中的任何位置：
b B
Aa d
（d > a)
C
c D
铰链四杆机构有曲柄的条件
B
C2
C C1
A
B1
D
B2
曲柄－a 连杆－b 连架杆－c 机架－d
B
A
D
F”
F
Cγ
α
v (F’)
压力角和传动角
当机构在运动过程中，传动角是变化的。 为保证机构具有良好的传力性能，设计时：
min40° (一般机械) min50° (大功率机械)
C B
γ α
A
D
压力角和传动角
最小传动角出现的位置： 在ABD和 BCD中
BD2 AB2 AD2 2AB ADCOS BC2 CD2 2BC CDCOS
急回运动及行程速比系数
180°＋θ
A
B2
B
C2
θ
B1
C C1
ψ
D
当曲柄以ω逆时针转过180°+θ(AB1→AB2)，摇杆从C1D摆到C2D。 所花时间为t1 , 平均速度为V1,那么有：
t1 (180 ) /
V1 C1C2 t1
急回运动及行程速比系数
C2
B
θ
A
B1
B2 180°-θ
小结
铰链四杆机构有曲柄存在条件： 最短杆与最长杆之和小于或等于其它两杆长度之和——杆长条件 最短杆必须作为连架杆或机架
对于一个满足杆长条件的铰链四杆机构，是否有曲柄存在取决 于机架的选取： 1、选取最短杆邻边为机架，得两不同的曲柄摇杆机构。 2、选取最短杆为机架，得双曲柄机构。 3、选最短杆对边为机架，则为双摇杆机构。
DC2B2中： d＋b a＋c （2）
d＋c a＋b （3）
d a，d b，d c
（d < a)
最短杆是机架 满足杆长条件
铰链四杆机构有曲柄的条件
曲柄存在条件： 最短杆与最长杆之和小于或等于其它两杆长度之和——杆长条件
最短杆必须作为连架杆或机架
b B
Aa d
b
C
c
c
a
D
d
铰链四杆机构有曲柄的条件
2C
3 D 4
二、平面四杆机构的基本形式
C
2
曲柄摇杆机构
B
3
铰链四杆机构的分类： 双曲柄机构 根据连架杆
1 4
双摇杆机构
A
D
2、双曲柄机构 两个连架杆均为曲柄
特殊双曲柄机构：平行四边形机构
B
1 A
2C
3 D 4
二、平面四杆机构的基本形式
铰链四杆机构的分类： 根据连架杆
曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构
不满足杆长条件的铰链四杆机构，只能是双摇杆机构
《机械原理》
第六章 平面连杆机构及其设计 ——急回运动及运动连续性
急回运动及行程速比系数
极位: 在曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于
左右两个极限位置。
极位夹角: 此两处曲柄之间的夹角θ 。
B
C2
θ
A
B1
B2
C C1
ψ
D
摇杆的摆角为ψ 。
C C1 ψ
D
当曲柄以ω逆时针转过180°-θ(AB2→AB1)，摇杆从C2D摆到C1D。 所花时间为t2, 平均速度为V2,那么有：
t2 (180 ) / V2 C1C2 t2
显然：t1 >t2 V2 > V1 摇杆的这种特性称为急回运动。
急回运动及行程速比系数
用行程速比系数K描述急回程度
摇杆：仅在某一角度内往复摆动
连杆
二、平面四杆机构的基本形式
平面四杆机构
铰链四杆机构 全部用转动副组成的平面四杆机构。 含移动副的四杆机构 铰链四杆机构的演化机构。
C
C
B
2
B
3
1 4
A
D
A
D
转动副
周转副 以转动副相连的两构件能作整周相对转动的转动 副。如 A、B。
摆转副 以转动副相连的两构件不能作整周相对转动的转 动副。如 C、D。
K V2 V1
= C1C2 t2
C1C2 t1
t1 t2
180 180
只要 θ ≠ 0 ， 就有 K>1
且θ越大，K值越大，急回性质越明显。
设计新机械时，往往先给定K值，于是:
180 K 1
K 1
问：如何判断一个机构是否有急回特性？ 从动件是否有极限位置； 对应主动件位置是否存在极位夹角
不因机架的不同而改变。
B2 1
4
A
2
B
1 4
A
C
3
D C
3
D
B
1 B 22
1
A
A
4
4
C
C3
3
E
D
2.取不同的构件为机架
曲柄滑块机构的演化——变更机架
曲柄滑块机构
转动导杆机构
摆动导杆机构
2.取不同的构件为机架
曲柄滑块机构的演化——变更机架
曲柄滑块机构
摇块机构
定块机构
通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法----机构的倒置
铰链四杆机构的分类： 根据连架杆
曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构
3、双摇杆机构 两个连架杆均为摇杆
特殊双摇杆机构：等腰梯形机构 特点：两连架杆长度相等
A
D
B
C
二、平面四杆机构的基本形式
铰链四杆机构的分类： 根据连架杆
曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构
3、双摇杆机构 两个连架杆均为摇杆
特殊双摇杆机构：等腰梯形机构 特点：两摇杆长度相等
由四个构件组成的平面连杆机构——四杆机构
C
2
B
3
本章重点：
1 4
四杆机构的基本类型、特性及常用设计方法。 A
D
二、平面四杆机构的基本形式
铰链四杆机构
全部用转动副组成的平面四杆机构。
平面四杆机构 含移动副的四杆机构 铰链四杆机构的演化机构。
B
2
C
B
3
1
23
1
4 机架 A
A D
4
C
连架杆 曲柄：整周回转
汽车转弯时，两前轮轴线
的交点应始终落在后轴线上， 即：两前轮的转角是不等的。
小结
连杆机构及其特点
特点: 原动件的运动要经过一个不直接与机架相联的中间构件才能 传动从动件。
平面四杆机构的基本型式——铰链四杆机构
1、曲柄摇杆机构 2、双曲柄机构
平行四边形机构 反平行四边形机构
3、双摇杆机构 ——等腰梯形机构
《机械原理》
第六章 平面连杆机构及其设计 ——四杆机构的演化
1. 改变构件的形状和运动尺寸
B
C
B
C
A
DA
B
C
A
1. 改变构件的形状和运动尺寸
2
B
1 4
A
C
3
B1 B 2
1
e
A2 4
C 3C
DA
E
偏置曲柄滑块机构
2
C
B
3
1 对心曲4柄滑块机构
B
1
2
4
A
DA
C3 E
2.取不同的构件为机架
低副运动可逆性---以低副相连接的两构件间的相对运动关系，
优点： ①连杆机构为低副机构，运动副为面接触，承载能力大； ② 运动副元素的几何形状简单，便于加工； ③在原动件运动规律不变情况下，通过改变各构件的相对长度可以
使从动件得到不同的运动规律； ④连杆曲线可以满足不同运动轨迹的设计要求； ⑤可以实现远距离传动等。
B
2
1 4
A
C 3
D
缺点： ①由于运动积累误差较大，因而影响传动精度； ②由于惯性力不好平衡而不适于高速传动； ③设计方法比较复杂。
AC1D中：
AC2D中： b－a＋cd
a＋b c＋d （1） a＋d b＋c （2）
a b，a c，a d
b－a＋d c a＋c d＋b （3）
最短杆是连架杆
最短杆与最长杆长度之和小于其余两杆长度之和 杆长条件
铰链四杆机构有曲柄的条件
b c
a d
C1B1D中： d＋a b＋c （1）
rmax rmin
C1 b
a C2
δ1
ψ1
δ2
C"
ψ2
C3 C'
小结
急回运动及行程速比系数 从动件的工作行程和空回行程的速度不一样的特性为急回特性。
极位夹角θ→行程速比系数K=（180º+ θ） /（180º- θ） 是否有极位
判断一个机构是否存在急回特性的方法 是否有极位夹角
运动连续性
错序不连续 错位不连续
《机械原理》
第六章 平面连杆机构及其设计 ——连杆机构的类型及应用
一、连杆机构及其运动特点 连杆机构：由若干构件通过低副连接组成的平面机构。 ——又称低副机构
B
2
1 4
A
C 3
D
2 1B
A 3
4
C
其特点是: 原动件1的运动要经过一个不直接与机架相联的中间构件2 才能传动从动件3。
B
2
1 4
A
C 3
《机械原理》
第六章 平面连杆机构及其设计 ——铰链四杆机构有曲柄的条件
铰链四杆机构有曲柄的条件
曲柄是能做整周转动的连架杆。 如图所示铰链四杆机构，要使AB成为曲柄，则AB杆应能占 据在整周回转中的任何位置：
b B
Aa d
（d > a)
C
c D
铰链四杆机构有曲柄的条件
B
C2
C C1
A
B1
D
B2
曲柄－a 连杆－b 连架杆－c 机架－d
B
A
D
F”
F
Cγ
α
v (F’)
压力角和传动角
当机构在运动过程中，传动角是变化的。 为保证机构具有良好的传力性能，设计时：
min40° (一般机械) min50° (大功率机械)
C B
γ α
A
D
压力角和传动角
最小传动角出现的位置： 在ABD和 BCD中
BD2 AB2 AD2 2AB ADCOS BC2 CD2 2BC CDCOS
急回运动及行程速比系数
180°＋θ
A
B2
B
C2
θ
B1
C C1
ψ
D
当曲柄以ω逆时针转过180°+θ(AB1→AB2)，摇杆从C1D摆到C2D。 所花时间为t1 , 平均速度为V1,那么有：
t1 (180 ) /
V1 C1C2 t1
急回运动及行程速比系数
C2
B
θ
A
B1
B2 180°-θ
小结
铰链四杆机构有曲柄存在条件： 最短杆与最长杆之和小于或等于其它两杆长度之和——杆长条件 最短杆必须作为连架杆或机架
对于一个满足杆长条件的铰链四杆机构，是否有曲柄存在取决 于机架的选取： 1、选取最短杆邻边为机架，得两不同的曲柄摇杆机构。 2、选取最短杆为机架，得双曲柄机构。 3、选最短杆对边为机架，则为双摇杆机构。
DC2B2中： d＋b a＋c （2）
d＋c a＋b （3）
d a，d b，d c
（d < a)
最短杆是机架 满足杆长条件
铰链四杆机构有曲柄的条件
曲柄存在条件： 最短杆与最长杆之和小于或等于其它两杆长度之和——杆长条件
最短杆必须作为连架杆或机架
b B
Aa d
b
C
c
c
a
D
d
铰链四杆机构有曲柄的条件
2C
3 D 4
二、平面四杆机构的基本形式
C
2
曲柄摇杆机构
B
3
铰链四杆机构的分类： 双曲柄机构 根据连架杆
1 4
双摇杆机构
A
D
2、双曲柄机构 两个连架杆均为曲柄
特殊双曲柄机构：平行四边形机构
B
1 A
2C
3 D 4
二、平面四杆机构的基本形式
铰链四杆机构的分类： 根据连架杆
曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构
不满足杆长条件的铰链四杆机构，只能是双摇杆机构
《机械原理》
第六章 平面连杆机构及其设计 ——急回运动及运动连续性
急回运动及行程速比系数
极位: 在曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于
左右两个极限位置。
极位夹角: 此两处曲柄之间的夹角θ 。
B
C2
θ
A
B1
B2
C C1
ψ
D
摇杆的摆角为ψ 。
C C1 ψ
D
当曲柄以ω逆时针转过180°-θ(AB2→AB1)，摇杆从C2D摆到C1D。 所花时间为t2, 平均速度为V2,那么有：
t2 (180 ) / V2 C1C2 t2
显然：t1 >t2 V2 > V1 摇杆的这种特性称为急回运动。
急回运动及行程速比系数
用行程速比系数K描述急回程度
摇杆：仅在某一角度内往复摆动
连杆
二、平面四杆机构的基本形式
平面四杆机构
铰链四杆机构 全部用转动副组成的平面四杆机构。 含移动副的四杆机构 铰链四杆机构的演化机构。
C
C
B
2
B
3
1 4
A
D
A
D
转动副
周转副 以转动副相连的两构件能作整周相对转动的转动 副。如 A、B。
摆转副 以转动副相连的两构件不能作整周相对转动的转 动副。如 C、D。
K V2 V1
= C1C2 t2
C1C2 t1
t1 t2
180 180
只要 θ ≠ 0 ， 就有 K>1
且θ越大，K值越大，急回性质越明显。
设计新机械时，往往先给定K值，于是:
180 K 1
K 1
问：如何判断一个机构是否有急回特性？ 从动件是否有极限位置； 对应主动件位置是否存在极位夹角
不因机架的不同而改变。
B2 1
4
A
2
B
1 4
A
C
3
D C
3
D
B
1 B 22
1
A
A
4
4
C
C3
3
E
D
2.取不同的构件为机架
曲柄滑块机构的演化——变更机架
曲柄滑块机构
转动导杆机构
摆动导杆机构
2.取不同的构件为机架
曲柄滑块机构的演化——变更机架
曲柄滑块机构
摇块机构
定块机构
通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法----机构的倒置
铰链四杆机构的分类： 根据连架杆
曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构
3、双摇杆机构 两个连架杆均为摇杆
特殊双摇杆机构：等腰梯形机构 特点：两连架杆长度相等
A
D
B
C
二、平面四杆机构的基本形式
铰链四杆机构的分类： 根据连架杆
曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构
3、双摇杆机构 两个连架杆均为摇杆
特殊双摇杆机构：等腰梯形机构 特点：两摇杆长度相等
由四个构件组成的平面连杆机构——四杆机构
C
2
B
3
本章重点：
1 4
四杆机构的基本类型、特性及常用设计方法。 A
D
二、平面四杆机构的基本形式
铰链四杆机构
全部用转动副组成的平面四杆机构。
平面四杆机构 含移动副的四杆机构 铰链四杆机构的演化机构。
B
2
C
B
3
1
23
1
4 机架 A
A D
4
C
连架杆 曲柄：整周回转
汽车转弯时，两前轮轴线
的交点应始终落在后轴线上， 即：两前轮的转角是不等的。
小结
连杆机构及其特点
特点: 原动件的运动要经过一个不直接与机架相联的中间构件才能 传动从动件。
平面四杆机构的基本型式——铰链四杆机构
1、曲柄摇杆机构 2、双曲柄机构
平行四边形机构 反平行四边形机构
3、双摇杆机构 ——等腰梯形机构
《机械原理》
第六章 平面连杆机构及其设计 ——四杆机构的演化
1. 改变构件的形状和运动尺寸
B
C
B
C
A
DA
B
C
A
1. 改变构件的形状和运动尺寸
2
B
1 4
A
C
3
B1 B 2
1
e
A2 4
C 3C
DA
E
偏置曲柄滑块机构
2
C
B
3
1 对心曲4柄滑块机构
B
1
2
4
A
DA
C3 E
2.取不同的构件为机架
低副运动可逆性---以低副相连接的两构件间的相对运动关系，