机械设计原理连杆机构
机械原理第8章 连杆机构及其传动特点
机械原理第8章连杆机构及其传动特点●考纲●1.铰链四杆机构的基本类型，演化和应用●2.曲柄存在条件、行程速比系数、传动角、压力角、死点●2.图解法设计四杆机构●笔记●8.1连杆机构及其传动特点●连杆机构的共同特点是其主动件的运动都要经过一个不与机架直接相连的称之为连杆（coupler)的中间构件，才能传动至从动件，故而称其为连杆机构（linkage mechanism)。
●连杆机构的传动特点●连杆机构具有以下一些传动特点：●1)连杆机构中的运动副一般均为低副（故又称其为低副机构，lower pairmechanism)。
其运动副元素为面接触，压强较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠性较为有利。
●2)在连杆机构中，在主动件的运动规律不变的条件下，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。
●3)在连杆机构中，连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线（称为连杆曲线，coupler-point curve),其形状随着各构件相对长度的改变而改变，故连杆曲线的形式多样，可用来满足一些特定工作的需要。
●此外连杆机构还可以很方便的达到改变运动的传递方向，扩大行程，实现增力和远距离传动等目的。
●连杆机构也存在如下一些缺点：●1)由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传动路线较长，易产生较的误差累积，同时也使机械效率降低。
●2)在连杆机构运动中，连杆及滑块所产生的惯性力难以用一般平衡方法加以消除而连杆机构不宜用于高速运动。
●8.2平面四杆机构的基本类型及应用●1.铰链四杆机构的类型及应用●(1)铰链四杆运动链周转副存在的条件平面饺链四杆机构中曲柄存在的前提是其运动副中必有周转副存在●转动副为周转副的条件是：●1）最短杆长度＋最长杆长度≤其他两杆长度之和 (杆长条件)l_{min}＋l_{max}≤l_i＋l_j●2）组成该周转副的两杆中必有一个为最短杆(最短杆两端最易产生周转副)●此外，为了使四个杆能够装配成封闭的运动链，最长杆长度必须小于其他三个杆长度之和●I_{max} < l _{m in}＋l_i+ l_j●(2)较链四杆机构的基本类型●满足杆长条件l_{min}＋l_{max}≤l_i＋l_j●1）.l_{min}＋l_{max}＜l_i＋l_j●①最短杆为连架杆，曲柄摇杆机构●②最短杆为机架，双曲柄机构●③最短杆为连杆，双摇杆机构●2）.l_{min}＋l_{max}＝l_i＋l_j●①两两相邻杆长度相等，泛菱形结构●长杆为机架，曲柄摇杆机构●短杆为机架，双曲柄机构●两相邻杆重叠时，一二杆机构●②两两相对杆长度相等时，双曲柄机构●两两相对杆平行，平行四边形结构●平行四边形结构三个特点●①两曲柄以相同角速度同向转动；●②连杆作平动；●③连杆上的任一点的轨迹均是以曲柄长度为半径的圆。
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一种最为基本的机械结构，由于其结构简单、运动可靠等特点，被广泛应用于各种机械设备中。
本文将对平面连杆机构进行介绍，并探讨其设计原理。
平面连杆机构是由至少一个定点和至少三个连杆组成的机构。
定点为固定参考点，连杆是由铰链连接的刚性杆件。
连杆可以分为连杆和曲柄，连杆连接在定点上，曲柄则旋转。
平面连杆机构的运动由这些连杆的位置和相互连接方式决定。
平面连杆机构的设计原理基于以下几个方面：1.运动分析：在设计平面连杆机构之前，首先需要进行运动分析，确定所需的运动类型。
运动类型可以是旋转、平移、摆动、滑动等。
通过运动分析，可以确定连杆的长度和相互连接的方式。
2.运动性能：平面连杆机构的优点是运动可靠，但运动性能也是需要考虑的重要因素。
例如，设计中需要考虑速度、加速度、力和力矩等参数，以满足机构的运动要求。
3.静力学分析：平面连杆机构在工作过程中可能会受到外力的作用，因此需要进行静力学分析。
静力学分析可以确定机构的力矩和应力，从而确定设计的合理性。
4.运动合成：在进行平面连杆机构的设计过程中，需要进行连杆的运动合成。
运动合成是指通过选择适当的连杆长度和连接方式，实现所需的运动类型。
5.运动分解：运动分解是指将合成的运动分解为各个连杆的运动。
通过运动分解，可以确定每个连杆的运动规律，从而进行设计。
当以上原理得到了充分的了解和运用后，可以进行平面连杆机构的具体设计。
具体的设计包括以下几个步骤：1.确定所需的运动类型：根据机械设备的需求，确定所需的运动类型，例如旋转、平移、摆动等。
2.运动分析：对机构进行运动分析，确定连杆的位置和连接方式。
根据机构的运动要求和外力作用，确定连杆的长度。
3.动力学分析：进行动力学分析，确定机构运动时的力学参数，如速度、加速度、力和力矩等。
4.运动合成与分解：根据所需的运动类型，进行运动合成和分解，确定连杆的运动规律。
5.结构设计：根据上述分析和计算结果，进行结构设计。
机械原理 第03章 连杆机构
平面四杆机构具有急回特性的条件： （1）原动件作等速整周转动；
（2）输出件作往复运动；
（3）
0
B2
2.曲柄滑块机构中，原动件AB以 1等速转动 B 2 b B 1 C2 C3 a b 2 1 1 1 a B1 C2 C 3 C1 B1 H A
A
C1
4
4
H
B2
偏置曲柄滑块机构
对心曲柄滑块机构 H=2a, 0 ,无急回特性。
一.平面四杆机构的功能及应用
1 .刚体导引功能 2.函数生成功能 3.轨迹生成功能 轨迹生成功能 是指连杆上某点通过某一 预先给定轨迹 的功能。 连杆
§2-4 平面四杆机构运动设计的基本问题与方法
一.平面四杆机构的功能及应用
1 .刚体导引功能 3.轨迹生成功能 2.函数生成功能 4.综合功能 O1 D1 上剪刀 D2 下剪刀
(b>c) (2b)
'
B
1
a
A
b
c
d
4
D r 3
C b 3 c
a-d
B2
r2
d c a b （2a ）
d b a c (2b')
由(1)及（2a' ）(2b')可得
d+a
d a , d b, d c
铰链四杆机构的类型与尺寸之间的关系：
在铰链四杆机构中： （1）如果最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其它两杆 长度之和 ——满足杆长和条件 且： 1 以最短杆的相邻构件为机架，则此机构为以最短杆 为曲柄的曲柄摇杆机构； 2 以最短杆为机架，则此机构为双曲柄机构；
2 4
摆动导杆 机构
导杆:
C 3
机械原理第三章平面连杆机构及其设计
b12
C1
B
B2
B1
b. 设计 b12
c12
A
B2
C1
C2
B1
A点所在线
A
D点所在线
D
C C2
D
★ 已知连杆两位置
c23
——无穷解。要唯一解需另加条件 ★ 已知连杆三位置
b23 B3
c23
——唯一解 ★ 已知连杆四位置
——无解 B3
b12 B2 B1
C1 C2
C3
AD
B2 B1
分析图3-20
C2 C1 B4
反平行四边形
车门开闭机构
3)、双摇杆机构
若铰链四杆机构的两连架杆均为摇杆， 则此四杆机构称为双摇杆机构。
双摇杆机构
双摇杆机构的应用 鹤式起重机机构
鹤式起重机
倒置机构：通过更换机架而得到的机构称为原机构的倒置机构。
变化铰链四杆机构的机架
C
B
整转副
2
(<360°)
(0~360°)
3
1
(0~360°)
（1）、取最短构件为机架时，得双曲柄机构。 （2） 、取最短构件的任一相邻构件为机架时，均得曲柄
摇杆机构。 （3）、取最短构件的对面构件为机架时，得双摇杆机构。
判断：所有铰链四杆机构取不同构件为机架时，都能演化成带 曲柄的机构。
例：图示机构尺寸满足杆长条件，当取不同构件为机架时 各得什么机构？
取最短杆相 邻的构件为 机架得曲柄 摇杆机构
最短杆为 机架得双 曲柄机构
取最短杆对 边为机架得 双摇杆机构
特殊情况：
如果铰链四杆机构中两个构件长度相等且均为最短杆 1、若另两个构件长度不相等，则不存在整转副。 2、若另两个构件长度也相等， （1）当两最短构件相邻时，有三个整转副。 （2）当两最短构件相对时，有四个整转副。
《机械原理》-第八章--平面连杆机构及其设计
§ 8-5 多杆机构
1.多杆机构的功用 （1）取得有利的传动角
（2）获得较大的机械利益 （3）改变从动件的运动特性 （4）实现从动件带停歇的运动 （5）扩大机构从动件的行程 （6）使机构从动件的行程可调 （7）实现特定要求下平面导引 结论 由于导杆机构的尺度参数较多，因此它可以满足更为 复杂的或实现更加精确的运动规律要求和轨迹要求。但其设计也 较困难。
c f
A
D
b c f max b c f min c b f min
平面四杆机构的基本知识
假设:
b c fmax a d d>a b c f min d a c b f d a min
a d b c a b c d a c b d
' B'C' D
b2 c 2 (d a)2 arccos 2bc
2 2 2 b c ( d a ) or " 1800 arccos 2bc
平面四杆机构的基本知识
Fr C B
F Ft V C V B F C B
A
B
D
A
D
a e
A
b
B'
α
γ
a
C VC F
多杆机构
2.多杆机构的类型 （1）多杆机构的分类 1）按杆数分 五杆、六杆、八杆机构等； 2）按自由度分 单自由度、两自由度和三自由度多杆机构。 （2）六杆机构的分类 1）瓦特（Watt）型，有Ⅰ型、Ⅱ型两种。
a) 瓦特型
b) 斯蒂芬森型
a) 瓦特Ⅰ型
b) 瓦特Ⅱ型
多杆机构
2）斯蒂芬森（Stephenson）型，有Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三种。
机械设计中的曲柄连杆机构设计
机械设计中的曲柄连杆机构设计1. 概述在机械设计中，曲柄连杆机构是常用的传动机构之一。
它由曲柄和连杆组成，常用于转动运动转换为往复运动的转换装置。
本文将针对曲柄连杆机构的设计进行讨论和探究。
2. 曲柄连杆机构的基本原理曲柄连杆机构基于几何原理，通过曲柄的旋转将往复运动转化为旋转运动或者将旋转运动转化为往复运动。
其基本组成部分包括曲柄、连杆和活塞。
曲柄是一个旋转的轴，连杆通过连接曲柄和活塞来实现往复运动。
3. 曲柄连杆机构设计的要点在进行曲柄连杆机构设计时，有几个重要的要点需要考虑：3.1 运动要求首先需要明确机构所承载的运动要求。
例如，机构所需的往复运动频率、行程大小、运动轨迹的形状等。
这些要求将直接影响到曲柄连杆机构的设计参数。
3.2 曲柄结构设计曲柄的结构设计需要考虑曲柄的强度和刚度。
曲柄的形状和长度会直接影响到机构的运动特性。
一般情况下，曲柄的结构设计会采用一定的经验公式或者有限元分析等方法来确定。
3.3 连杆设计连杆的设计也是曲柄连杆机构中的重要环节。
连杆的长度、剖面形状和材料选择都需要进行合理的设计。
连杆的设计需要满足强度和刚度要求，同时还需要考虑质量和制造难度等因素。
3.4 活塞设计活塞在曲柄连杆机构中起到连接曲柄和连杆的作用，其设计也需要考虑密封性能和轻质化要求。
活塞的几何形状和材料选择都会对机构的性能产生影响。
4. 曲柄连杆机构设计的优化在进行曲柄连杆机构设计时，可以利用一些优化方法来提高机构的性能。
比如遗传算法、神经网络等可以用来寻找最优的设计参数组合。
优化设计可以使曲柄连杆机构在满足运动要求的同时，具备更好的性能指标，如减小能耗、提高传动效率等。
5. 曲柄连杆机构设计的案例分析为了更好地理解曲柄连杆机构设计的实际应用，下面以某某机械设备中的曲柄连杆机构设计为例进行分析。
包括对设计要求的分析、曲柄连杆机构参数的计算和优化等。
6. 结论曲柄连杆机构作为一种常用的传动机构，在机械设计中具有广泛的应用。
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k
v2 v1
c1c2 /t2 c1c2 /t1
t1 t2
1 2
180 180－
或：
＝180 k 1
k 1
结论：当θ≠0时，机构具有急回运动特性，θ角愈 大，K值愈大，急回运动特性愈显著。
3.运动连续性 1、运动连续性：当主动件连续运动时，从动件也能连续占据预定 的各个位置，称为机构具有运动的连续性。
2 . 急回运动特性
在曲柄等速回转情况下，由于α1=180°+θ，α2=180°-θ， 所以t1>t2,摇杆往复摆动的平均速度为V2>V1.把摇杆的这种往 复摆动快慢不同的运动称为急回运动。 急回运动的程度可以用行程速比系数K来衡量：
C C1
C2
l2
B
l3
ψ
φ1
l1 θ
B1
l4
A
D
φ2
B2
行程速比系数
在下图所示曲柄摇杆机构中，若以摇杆为主动件，则当连 杆与曲柄共线，机构的传动角为零，机构此位置就称为死 点。而对于图示的曲柄滑块机构，当以滑块为主动件，机 构也处于死点位置。
4.2.1 运动特性 1.转动副为整转副的条件-----铰链四杆机构有曲柄的条件
C2
B
l2
C C1 l3
l1
B2 A
l4
B1
D
C2
B
l2
C C1 l3
l1
B2 A
l4
B1
D
在ΔB1C1D中，根据三角形任意两边之差必
l3l2 l4 l1
小于等于第三边，可得：
l2 l3 l4 l1
(1)
移项可得：
l1l3 l4l2
(4 )
满足上述条件时，取不同的构件为机架时，可 得三种不同性质的铰链四杆机构
取最短杆的邻杆为机架 －－－曲柄摇杆机构
取最短杆的对杆为机架 －－－双摇杆机构
取最短杆为机架 －－－双曲柄机构 图10
“最短构件与最长构件的长度之和 小于或等于其余两构件长度之和” 是必要条件， 如果不满足此条件， 无论取那个构件作为机架，都不存 在曲柄。
最大值。
2C
B
1 1
vc
F
3
maCx 2
A
4
D B2
A
D
视频1
机构的死点位置
1．死点
图示曲柄摇杆机构，摇杆 CD为主动件，当机构处于连杆 与从动曲柄共线的两个位置时， 出现了传动角γ＝o。的情况。 这时主动件CD通过连杆作用于 从动件AB上的力恰好通过其回 转中心，所以不能使构件AB转 动而出现“顶死”现象。机构的 此种位置称为死点。
铰链四杆机构的三种基本型式 曲柄摇杆机构：指两连架杆一为曲柄，一为摇杆的铰链四杆机构。
双曲柄机构：指两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构。若机构中相对两杆平行 且相等，则成为平面四边形机构。
惯性筛
双摇杆机构：指两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构。
4.1.2 平面四杆机构的演化
由四杆机构的基本型式通过演化可以得到其它多种 结构型式。 常用的演化方法有 1、转动副变移动副 曲柄摇杆机构→曲柄滑块机构→双滑块机构
4.2.2 传力特性
1、压力角α
在不计重力、 摩擦力、惯性力的 条件下，机构中输 出件所受主动力的 方向线与该受力点 的绝对速度方向线 所夹的锐角。
B
2பைடு நூலகம்
1 1 A
4
F2
C
F
F1
3
V
D
2、传动角γ
压力角的余角，
γ=900-α。
min
α越小， γ越大，则机构传力性能越好。
常用传动角的大小和变化来衡量机构传力 性能的好坏。设计时通常要求γmin≥40°， 对于高速和大功率的传动机械， γmin≥50°。
B
1 1 a A
F2
2b
C
F
f
c
3
F1vc
4d D
A
C1 D
视频1
BC cD o 1b2 sc2a2d22acdo s
2bc
2）当∠BCD >900时，γ =1800-∠BCD，则γmin =
1800-∠BCDmax ，由公式可知，当φ = 1800时，
有∠BCDmax 。即曲柄与机架拉值共线时，机构将出现
最小传动角的确定
图示铰链四杆机构中，原动件为
AB。各杆长度为：a、b、c、d。
由图可见，γ 与
机构的∠BCD有关。 在ΔABD和ΔBCD中，
B
1 1 a A
F2
2b
C
F
c
F1vc
3
4d D
由余弦定理得：
B2D a 2 d2 2 a d co s
B2D b 2 c2 2 b c co B s CD
4.1.1平面四杆机构的基本型式
全部运动副为转动副的四杆机构称为铰链四杆 机构
连杆
视频:2
连架杆 机架
平面四杆机构的基本型式 曲柄——作整周运动的构件 摇杆——作摆动的构件。
铰链四杆机构根据连架杆的运动形式不同分为：
○ 曲柄摇杆机构（视频1） ○ 双曲柄机构（视频2） ○ 双摇杆机构（视频3）
l1l2 l4l3
(2)
C2
B
l2
C C1 l3
l1
B2 A
l4
B1
D
l1l3 l4l2
l1l2 l4l3
在ΔB2C2D中，根据三角形任意两边之和必大于等于 第三边，可得：
l1 l4 l2 l3
(2)
(3 )
以上三式两两相加并化简可得： l1 l2 l1 l3 l1 l4
铰链四杆机构曲柄存在条件： 1、曲柄为最短杆； 2、最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和
4 扩大移动副的尺寸
曲柄摇杆机构
偏心盘机构
（视频8） 機械原理視頻 连杆（1-2）.avi
4.2 平面连杆机构的工作特性
平面连杆机构具有传递和变换运动，实现力 的传递和变换功能，前者称为平面连杆机构的运 动特性，后者称为平面连杆机构的传力特性。
了解了这些特征，对于正确选择连杆机构的 类型，进而进行机构设计具有重要指导意义。
视频11
①
曲柄摇杆机构 双曲柄机构 曲柄摇杆机构 双摇杆机构
②
曲柄滑块机构 导杆机构
摇块机构
定块机构 (直动滑杆机构)
3. 变换构件形态 两个移动副的四杆机构 ①若选择构件2或4为机架时，就 是正弦机构； ②若改取构件3为机架,则为双滑块 机构; ③当取构件1为机架时，便演化为 双转块机构。
视频13
则
BC cD o 1b2 sc2a2d22 ac dos
2 bc
BC cD o 1b2 sc2a2d22acdo s
2bc
1）当∠BCD <900时，γ =∠BCD，则γmin =∠BCDmin ，
由公式可知，当φ = 00时，有∠BCDmin 。即曲柄与机架重
合共线时，机构将出现最小值。
机械设计原理连杆机构
连杆机构：由若干个构件通过低副连接而组 成，又称为低副机构。
平面连杆机构：所有构件均在相互平行的平 面内运动的连杆机构。
空间连杆机构：所有构件不全在相互平行的 平面内运动的连杆机构。
由于平面连杆机构不仅应用广泛，而且还往 往是多杆机构的基础；所以这里重点介绍平 面连杆机构.
4.1 平面连杆机构的类型