机械原理课程设计图解法设计平面连杆机构
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(清华) 3连杆机构
双曲柄机构
以最短杆AB相邻构件AD为机架
曲柄摇杆机构
以最短杆AB相邻构件BC为机架
曲柄摇杆机构
以最短杆AB对面构件CD为机架
双摇杆机构
杆长条件不成立时
双摇杆机构
a+e<b
急回特性：表示回程所用时间小于工作行程所用时间
行程速比系数 K
极位夹角 q（锐角）
t1 1 180 q K t 2 2 180 q
2.1.2 平面四杆机构的演化
转动副转化为移动副
取不同构件作机架
低副可逆性
B A
C D
曲柄摇杆机构
双曲柄机构
曲柄摇杆机构
双摇杆机构
2.1.2 平面四杆机构的演化
转动副转化为移动副
取不同构件作机架
曲柄摇杆机构
曲柄摇块机构
摆动导杆机构
2.1.2 平面四杆机构的演化
转动副转化为移动副
取不同构件作机架
2.5.3 函数生成机构的设计
已知固定铰链点A、D，设计四杆机构，使得两个连 架杆可以实现三组对应关系
函数生成机构
？
刚体导引机构
d
刚化反转法
以CD杆为机架时看到的四杆机构ABCD的位置相当 于把以AD为机架时观察到的ABCD的位置刚化，以D 轴为中心转过 1 2 得到的。
低副可逆性； 机构在某一瞬时，各构 件相对位置固定不变， 相当于一个刚体，其形 状不会随着参考坐标系 不同而改变。
连杆机构中构件并非一条线，而是代表一个面 刚化反转法一定要理解，熟练使用
机械优化设计方法
设计目标： min [ f( x1, x2,…… ) ] 设计变量： x1, x2,……
约束条件： F1 (x1, x2,…… ) ≤ 0 F2 (x1, x2,…… ) ≤ 0
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
机械原理教案 平面连杆机构及其设计
第八章平面连杆机构及其设计§8-1、连杆机构及其传动特点1、连杆机构及其组成。
本章主要介绍平面连杆机构（所有构件均在同一平面或在相互平行的平面内运动的机构）组成：由若干个‘杆’件通过低副连接而组成的机构。
又称为低副机构。
2、平面连杆机构的特点（首先让学生思考在实际生活中见到过哪些连杆机构：钳子、缝纫机、挖掘机、公共汽车门）1）运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击，易润滑，磨损小，寿命长；。
2）运动副元素简单（多为平面或圆柱面），制造比较容易；3）运动副元素靠本身的几何封闭来保证构件运动，具有运动可逆性，结构简单,工作可靠；4）可以实现多种运动规律和特定轨迹要求；（连架杆之间）匀速、不匀速主动件（匀速转动）→→→→→从动件连续、不连续（转动、移动）某种函数关系引导点实现某种轨迹曲线导引从动件（连杆导引功能）→→→→→引导刚体实现平面或空间系列位置5）还可以实现增力、扩大行程、锁紧。
连杆机构的缺点：1）由于连杆机构运动副之间有间隙，且运动必须经过中间构件进行传递，因而当使用长运动链（构件数较多）时，易产生较大的误差积累，同时也使机械效率降低。
2）连杆机构所产生的惯性力难于平衡，因而会增加机构的动载荷，所以连杆机构不宜用于高速运动。
3）难以精确地满足很复杂地运动规律（受杆数限制）4）综合方法较难，过程繁复；平面四杆机构的应用广泛，而且常是多杆机构的基础，本章重点讨论平面四杆机构的有关基本知识和设计问题。
§8-2、平面四杆机构的基本类型和应用（利用多媒体中的图形演示说明）1．铰链四杆机构的基本类型1）、曲柄摇杆机构曲柄：与机架相联并且作整周转动的构件；摇杆：与机架相联并且作往复摆动的构件；（还可以举例：破碎机、自行车（人骑上之后）等）2）、双曲柄机构铰链四杆机构的两连架杆均能作整周转动的机构。
还可以补充：平行四边形机构的丁子尺、工作台灯机构；火车驱动机构、摄影平台、播种料斗机构、关门机构等。
机械原理第三章
1 . (角)位移分析
写成复向量形式：
l1 l2 l4 l3
l1 cos 1 l2 cos 2 l3 cos 3 l4 0 l1 sin 1 l2 sin 2 l3 sin 3 0
A A2 B 2 C 2 ) 消去2后得： 3 2arctg ( B C
第四节
平面连杆机构的运动分析
l2 C
l3 3 D 4 l4 3 x
二、用解析法对平面连杆机构进行运动分析
（一）铰链四杆机构 已知：各杆长 l , l , l
求：
2 , 3 , 2 , 3 , 2 , 3 .
1
2
3
, l4及 ,
1
y 1 A
i 3
1
2 B l1 1 1
2
图 图 图 图
• 机构具有运动的连续性：当主动件连续运 动时，从动件也能连续地占据预定的各个 位置。 图
二、平面四杆机构的传力特性 1、压力角和传动角 图 压力角a：从动件所受的力与力作用点的速度方向 之间所夹的锐角。 传动角 g：压力角的余角。可以直接从图中量出。 a愈小， g 愈大，对传动愈有利。
g 设计时限制最小传动角： min 40 g min
最小传动角 g min的位置：
（一般） 50 （高速、重载）
（1）曲柄摇杆机构：曲柄与机架共线。
图
1）当主动件与机架重叠共线时
b 2 c 2 (d a) 2 g arccos 2bc
2）当主动件与机架拉直共线时：
b 2 c 2 (d a) 2 g 180 arccos 2bc
一、速度分析的瞬心法及其应用
1、速度瞬心的概念和类型
机械原理课程教案—平面连杆机构及其分析与设计
机械原理课程教案一平面连杆机构及其分析与设计一、教学目标及基本要求1掌握平面连杆机构的基本类型，掌握其演化方法。
2,掌握平面连杆机构的运动特性，包括具有整转副和存在曲柄的条件、急回运动、机构的行程、极限位置、运动的连续性等；3.掌握平面连杆机构运动分析的方法，学会将复杂的平面连杆机构的运动分析问题转换为可用计算机解决的问题。
4.掌握连杆机构的传力特性，包括压力角和传动角、死点位置、机械增益等；正确理解自锁的概念，掌握确定自锁条件的方法。
5,了解平面连杆机构设计的基本问题，掌握根据具体设计条件及实际需要，选择合适的机构型式；学会按2~3个刚体位置设计刚体导引机构、按2~3个连架杆对应位置设计函数生成机构及按K值设计四杆机构；对机构分析与设计的现代解析法有清楚的了解。
二、教学内容及学时分配第一节概述（2学时）第二节平面连杆机构的基本特性及运动分析（4.5学时）第三节平面连杆机构的运动学尺寸设计（3.5学时）三、教学内容的重点和难点重点：1.平面四杆机构的基本型式及其演化方法。
2.平面连杆机构的运动特性，包括存在整转副的条件、从动件的急回运动及运动的连续性；平面连杆机构的传力特性，包括压力角、传动角、死点位置、机械增益。
3.平面连杆机构运动分析的瞬心法、相对运动图解法和杆组法。
4.按给定2~3个位置设计刚体导引机构，按给定的2~3个对应位置设计函数生成机构，按K值设计四杆机构。
难点：1.平面连杆机构运动分析的相对运动图解法求机构的加速度。
2.按给定连架杆的2~3个对应位置设计函数生成机构。
四、教学内容的深化与拓宽平面连杆机构的优化设计。
五、教学方式与手段及教学过程中应注意的问题充分利用多媒体教学手段，围绕教学基本要求进行教学。
在教学中应注意要求学生对基本概念的掌握，如整转副、摆转副、连杆、连架杆、曲柄、摇杆、滑块、低副运动的可逆性、压力角、传动角、极位夹角、行程速度变化系数、死点、自锁、速度影像、加速度影像、装配模式等；基本理论和方法的应用，如影像法在机构的速度分析和加速度分析中的应用、连杆机构设计的刚化一反转法等。
机械原理-第02章 平面连杆机构及其设计 - 平面连杆机构的力分析
件惯性力对机械性能的影响。
G′
2020年4月23日星期四
5
§2-5 平面连杆机构的力分析
WHUT
3、机构力分析的方法
静力分析和动态静力分析。
由于最初设计时，各构件的结构尺寸、形状、材料、质量及 转动惯量未知，因而惯性力（矩）无法确定。此时，一般先 对机构作静强度计算，初步确定各构件尺寸，然后再对构件 进行动态静力分析及强度计算，并以此为依据对各构件作必 要的修正。一般不考虑摩擦力的影响。
(2) 绕定轴转动的构件
a. 回转轴线通过构件质心
S
Pi = 0 Mi = -Js ε ( ε = 0 或 ε ≠0 ) b. 回转轴线不通过质心
Pi = -mas Mi = - Jsε
其中：h=Mi/Pi
2020年4月23日星期四
WHUT
Pi＇ Pi
h S
Mεi
8
§2-5 平面连杆机构的力分析
(3) 作平面复合运动的构件
2020年4月23日星期四
21
WHUT
(2) 判定构件间的相对转向
F
R12
R12
ω21
v
1
2
R23ω23
3Q
ω14
4
R41
R32R32
R43
(3) 判定作用力在摩擦圆上切点位置
Q R23
R21
F
R43 R41
(4) 依据力平衡条件求解
对构件3：Q + R23 + R43 = 0 对构件1：R21 + R41+ F = 0
2020年4月23日星期四
3
§2-5 平面连杆机构的力分析
2、机构力分析的任务和目的
(全)机械原理课程设计题目
题目2：机械系统运动方案设计1、工作原理及工艺动作过程一机械系统的输入构件１在转动副Ａ中做等速回转，转速n1 =60 r/min 。
执行构件绕转动副Ｎ摆动，要求执行构件在15秒内自位置Ⅰ经位置Ⅱ摆至位置Ⅲ；停顿15秒；接着在10秒内由位置Ⅲ摆回至位置Ⅰ；然后停顿20秒。
已知执行构件摆角Ψ＝120°，且摆动时的运动规律不限。
根据实际工况条件，各固定铰链点（包括可选用的铰链点）之间的相对位置关系如附图1所示，执行构件上的生产阻力曲线如附图2 所示，试设计这一机械系统运动方案。
设计时要求该机械系统的运动链尽可能短，并且结构紧凑。
图1 各固定铰链点之间的相对位置，图2 执行构件上的生产阻力曲线2、课程设计任务及要求根据设计题目中的运动要求，进行该机械系统的总体运动方案设计。
即按照机械的用途、功能及工况条件等提出的要求和系统中构件的运动位置要求等进行机构的选型、尺度综合及主要参数优选等，从而绘出该机械系统的总体运动方案的机械运动简图，并对系统中某些机构进行分析与设计。
在设计中要求积极主动查找、收集和钻研有关参考资料，并灵活应用所学知识，积极构思、发挥聪明才智与创新精神，设计出至少两种以上机械系统传动方案，进行分析比较后，选择出较佳方案。
题目3：蜂窝煤成型机1、工作原理及工艺动作过程冲压式蜂窝煤成型机是我国城镇蜂窝煤（通常又称煤饼，在圆柱形饼状煤中冲出若干通孔）生产厂的主要生产设备，它将煤粉加入转盘上的模筒内，经冲头冲压成蜂窝煤。
为了实现蜂窝煤冲压成型，冲压式蜂窝煤成型机必须完成以下几个动作：1）煤粉加料；2）.3）冲头将蜂窝煤压制成型；4）清除冲头和出煤盘的积屑的扫屑运动；5）将在模筒内的冲压后的蜂窝煤脱模；6）将冲压成型的蜂窝煤输送装箱。
2、原始数据及设计要求1）蜂窝煤成型机的生产能力：30次/min；2）驱动电机：Y180L－8、功率N＝11 kW、转速n＝730 r/min；3）冲压成型时的生产阻力达到50000N；【4）为改善蜂窝煤成型机的质量，希望在冲压后有一短暂的保压时间；5）由于冲头要产生较大压力，希望冲压机构具有增力功能，以增大有效力作用，减小原动机的功率。
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工程技术学院
课程设计
题目：图解法设计平面连杆机构
摘要
设计内容：设计曲柄摇杆机构。
已知摇杆长度
l，摆角ψ，摇杆
3
的行程速比系数K，要求摇杆CD靠近曲柄回转中心A一侧的极限位置与机架间的夹角为∠CDA，试用图解法设计其余三杆的长度，并计算机构的最小传动角γ。
设计方法：在设计时首先需计算极位夹角θ，再绘制机架位置线及摇杆的两个极限位置，然后确定曲柄回转中心和各杆长度最后验算
最小传动角 。
最后根据已知数据和所计算的数据进行图解，画出平面四杆机构图。
平面连杆机构是由若干构件用平面低副（转动副和移动副）联接而成的平面机构，用以实现运动的传递、变换和传送动力。
平面连杆机构的使用很广泛，它被广泛地使用在各种机器、仪表及操纵装置中。
例如内燃机、牛头刨、钢窗启闭机构、碎石机等等，这些机构都有一个共同的特点：其机构都是通过低副连接而成，故此这些机构又称低副机构低副机构低副机构低副机构。
关键词：机械设计基础机械设计基础课程设计平面四杆机构图解法极位夹角
云南农业大学工程技术学院
目录
1题目 (3)
1.1原始数据及要求 (3)
1.2 工作量 (3)
1.3 制图说明 (3)
1.4 设计计算说明书包括的内容 (3)
2 设计方案的讨论 (4)
3 设计过程 (5)
3.1 各杆长度的确定 (5)
3.2 盐酸最小传动角 (6)
4 小结 (7)
5 参考文献 (8)
1、题目
1.1原始数据及要求：设计曲柄摇杆机构。
已知摇杆长度
l，摆角ψ，
3
摇杆的行程速比系数K，要求摇杆CD靠近曲柄回转中心A一侧的极限位置与机架间的夹角为∠CDA，试用图解法设计其余三杆的长度，并计算机构的最小传动角γ。
1.2工作量：
1.平面连杆机构图解法设计图纸一张。
2.计算说明书一份。
1.3制图说明：
1.用3号图纸作图。
2.标注尺寸。
3.辅助线用细实线。
4.杆的一个极限位置用粗实线，另一个极限位置用虚线。
1.4设计计算说明书包括的内容：
1.设计任务书
2.目录
3.设计过程
3.1.计算极位夹角θ
3.2.绘制机架位置线及摇杆的两个极限位置
3.3.确定曲柄回转中心
3.4.确定各杆长度
3.5.验算最小传动角γ
参考文献
2、设计方案的讨论
平面连杆机构是将各构件用转动副或移动副联接而成的平面机构。
最简单的平面连杆机构是由四个构件组成的，简称平面四杆机构。
它的应用非常广泛，而且是组成多杆机构的基础。
全部用回转副组成的平面四杆机构称为铰链四杆机构。
机构的固定件称为机架；与机架用回转副相联接的两杆称为连架杆；不与机架直接联接的杆称为连杆。
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。
对于铰链四杆机构来说，机架和连杆总是存在的，因此可按照连架杆是曲柄还是摇杆，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。
在铰链四杆机构中，若两个连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆，则此铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。
曲柄摇杆机构具有急回运动特性。
急回运动特性是指摇杆与机架的连接点在空回行程的速度大于工作行程时的速度的特性。
生产中常利用这种工作性质，使设计的机械具有快速的空回行程，可缩短生产中的辅助时间，以提高生产效率。
平面四杆机构的设计主要是根据给定的运动条件，确定机构运动简图的尺寸参数。
生产实践中的要求是多种多样的，给定的条件也各不相同，常碰到的有两类问题，第一是按照给定从动件的运动规律（如位置、急回特性、速度）设计四杆机构；第二是按照给定的轨迹设计四杆机构。
设计机构的方法有解析法、图解法和实验法。
设计时采用哪
种方法，取决于所给定的条件和机构的实际工作要求。
在这次设计中我们采用的是图解法。
用图解法设计四杆机构主要有两种一是按给定的行程速比系数设计曲柄摇杆机构，二是按给定的连杆位置设计曲柄摇杆机构。
设计具有急回运动的四杆机构，一般是根据工作要求，先给定行程速度变化系数K 的值，然后由机构在极限位置处的几何关系，结合其它辅助条件，确定机构运动简图的尺寸参数。
题目中已经给出了四杆机构的摇杆长度3l 、摆角ψ和行程速度变化系数K 。
所以
设计就根据已知条件要求出曲柄的长度、机架的长度和连杆的长度。
3、设计过程
3.1、各杆长度的确定
（1）计算极位夹角θ
根据设计要求及原始数据，k=1.2 按公式1
1180+-︒
=K K θ计算极位夹角
︒=+-︒=71.2512.112.1180θ （2）任选固定铰链中心D 的位置，并用摇杆长度3l 和摆角ψ，
作出摇杆的两个极限D C 1位置和D C 2。
（3）连接1C 点和2C 点，并通过1C 点作21C C 的垂线M C 1和过点2C 作与21C C 成θ-︒=∠9021N C C 的直线N C 2，得交点P 。
由三角形的内角之和等于︒180可知，21PC C ∆中的θ=∠21PC C 。
（4）作21PC C ∆的外接圆，根据∠CDA=︒50在弧21PC C 上确定点A
作为曲柄与固定件组成的固定铰链中心，并分别与1C 、2C 相连，得21AC C ∠。
因同一圆弧的圆周角相等，故θ=∠=∠2121PC C AC C 。
（5）由机构在极限位置处的曲柄和连杆共线的关系可知：231l l AC -=，
232l l AC +=，从而得曲柄长度AB AC AC l =-=2
122.再以A 点位圆心，2l 为半径作圆，交A C 1的延长线和A C 2于1B 和2B ，从而得出42211l C B C B ==及1l AD =。
由上述步骤测量和计算可得曲柄长度2l =14.5mm,连杆长度
4l =68mm ，机架长度1l =50mm 。
3.2、验算最小传动角
（1）曲柄摇杆机构的最小传动角min γ出现在曲柄与机架贡献的
位置处（即当︒=0ϕ或︒=180ϕ时）。
因为曲柄处于这两个位置时，BCD ∆的边长达到最小或最大，此时BCD ∠分别出现最小值或最大值。
传动角γ是用锐角来表示的。
当BCD ∠为锐角时，γ=BCD ∠，BCD ∠最小值即为min γ；但当︒=180ϕ时，BCD ∠可能为钝角，传动角γ=︒180-BCD ∠，因而BCD ∠的最大值也可能对应着min γ。
在这次课程设计中最小传动角
出现在曲柄位于'AB 处，min γ=D B C ''∠=︒30。
（2）根据以上所确定的各杆的长度长度和传动角最小时各杆所在位置，用余弦定理验算最小传动角。
cos min γ=D C C B D B D C C B '''2'2'2''2⨯⨯-+=342212
3242)(l l l l l l ⨯⨯--+=78.6254.1578.6222⨯⨯--+）（=0.868
︒≈30688.0arccos
计算出的最小传动角约等于测量所得的最小传动角。
4、小结
此次课程设计我们做的主要是用图解法设计平面连杆机构。
平面连杆机构是由若干构件用平面低副（转动副和移动副）联接而成的平面机构，用以实现运动的传递、变换和传送动力。
平面连杆机构的使用很广泛，它被广泛地使用在各种机器、仪表及操纵装置中。
例如内燃机、牛头刨、钢窗启闭机构、碎石机等等，这些机构都有一个共同的特点：其机构都是通过低副连接而成，故此这些机构又称低副机构低副机构低副机构低副机构。
这次连杆机构的设计中，我们计算的最小传动角为30.2°，而判断连杆机构是否具有良好的传力性能，是以压力角的大小作为标志的。
在实际应用中，常以压力角的余角γ（即连杆与从动摇杆之间所夹的锐角）来判断连杆机构的传力性能，γ称为传动角。
传动角γ愈大，机构的传动性能愈好，一般应使最小传动角min γ≥40°，才能保证机构具有较好的传力性能。
然而在该连杆机构设计中我们的最小传动角仅为30.2°，所以该连杆机构不能有较好的传力性能。
在此过程中，我们还学到了很多，不仅加深了对平面连杆机构知识的了解，还让我们解决了平日里不懂的问题，有了一定解决实际问题的能力，能做到理论联系实际，把书面知识运用于现实生活中。
不同的杆长条件和极位夹角都能让四杆机构不同，若无极位夹角则四杆
机构还会产生死点问题。
在这次课程设计过程中，我们看到了团队精神，看到了团队的力量。
并且在这个过程中，我们深刻认识到，细心是很关键的，无论是作图还是计算，都需要细心和认真，否则即便只是一点点的失误也会使结果完全不同，然而图也会不一样。
5、参考文献
[1]汪信远，奚鹰.机械设计基础.4版.北京：高等教育出版社，2010.
[2]郑文纬，吴克坚.机械原理.7版.北京：高等教育出版社，1997.
[3]周静卿，张淑娟等.机械制图与计算机绘图.7版.北京：中国农业大学出版社，2007.。