简述平面连杆机构
第三章 平面连杆机构
第三章平面连杆机构平面连杆机构是由若干构件和低副组成的平面机构，又称平面低副机构。
这种机构可以实现预期的运动规律及位置、轨迹等要求。
平面连杆机构用于各种机械中，常与机器的工作部分相连，起执行和控制的作用，在工程实际中应用十分广泛。
平面连杆机构的主要优点有：1、低副为面接触，所以压强小，易润滑，磨损少，可以承受较大的载荷。
2、构件结构简单，便于加工，构件之间的接触是由构件本身的几何约束来保持的，故工作可靠。
3、在原动件等速连续运动的条件下，当各构件的相对长度不同时，可使从动件实现多种形式的运动，满足多种运动规律的要求。
其主要的缺点有：1、运动副中存在间隙，当构件数目较多时，从动件的运动累计误差较大。
2、不容易精确地实现复杂的运动规律，机构设计相对复杂。
3、连杆机构运动时产生的惯性力难以平衡，所以不适用于高速场合。
平面连杆机构是常用的低副机构，其中以由四个构件组成的平面四杆机构应用最广泛，而且是组成多杆机构的基础。
因此本章着重讨论平面四杆机构的基本形式及在实际中的应用，理解四杆机构的运动特性及设计平面四杆机构的基本设计方法。
3.1 平面连杆机构及其应用连杆机构有平面连杆机构和空间连杆机构。
其中，若各运动构件均在相互平行的平面内运动，则称为平面连杆机构。
若各运动构件不都在相互平行的平面内运动，则称为空间连杆机构。
平面连杆机构较空间连杆机构应用更为广泛，在平面连杆机构中，结构最简单的且应用最广泛的是由四个构件所组成的平面四杆机构，其它多杆机构可看成在此基础上依次增加杆件而组成。
故本章着重介绍平面四杆连杆机构。
3.1.1铰链四杆机构的类型所有运动副均为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构。
它是平面四杆机构的基本形式。
如图3-1所示。
图中固定不动的构件AD是机架；与机架相连的构件AB、CD称为连架杆；不与机架直接相连的构件BC称为连杆。
连架杆中，能作整周回转的构件称为曲柄，只能作往复摆动的构件称为摇杆。
图3-1 铰链四杆机构根据两连架杆中曲柄(或摇杆)的数目，铰链四杆机构可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种基本形式。
平面连杆机构
1.2 铰链四杆机构的类型及曲柄存在的 条件
图1.1 铰链四杆机构
图1.2 曲柄摇杆机构
图1.3 牛头刨床横向进刀机构
图1.4 缝纫机踏板机构 1.曲柄；2.连杆；3.踏板；4.支架
1.2 铰链四杆机构的类型及曲柄存在的 条件
2.双曲柄机构 两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构，如图1.5所示。在图
1.2 铰链四杆机构的类型及曲柄存在的 条件
1.2.1 铰链四杆机构的类型
平面连杆机构的类型很多，但最基本的是铰链四杆机构。铰链四杆机构由四 个构件用铰链连接而成，如图1.1所示。在此机构中固定不动的构件AD称为机 架，与机架相连的构件AB和CD称为连架杆，与机架相对的构件BC称为在某一角度（小于 360°）内摆动，称为摇杆。
图1.14 曲柄滑块机构
1.3 铰链四杆机构的演化
1.3.2 导杆机构
曲柄滑块机构各构件间具有不同的相对运动，因而当取不同的构件作机架时 ，机构呈现出不同的运动特点。 1.转动导杆机构和摆动导杆机构
在图1.15（a）所示的曲柄滑块机构中，当取杆1为机架时，则机构演化成 图1.15（b）所示的导杆机构。其中与滑块组成移动副的长杆4称为导杆。若杆 长l1l2，杆2整周回转时，杆4往复摆动，称此机构为摆动导杆机构。
在图1.12（a）所示的铰链四杆机构中，设各杆的长度分别为a、b、c、d。 先假定构件1为曲柄，则在其回转过程中杆1和杆4一定可实现拉直共线和重叠 共线两个特殊位置（摇杆处于左右极限位置），即构成△BCD[图1.12（b）、 （c）]。根据三角形任意两边之和必大于第三边的定理可得:
图1.12 铰链四杆机构的运动过程
铰链四杆机构根据其连架杆是否为曲柄，可以分为三种类型，即曲柄摇杆 机构、双曲柄机构和双摇杆机构。
平面连杆机构
图2-1 铰链四杆机构
一、铰链四杆机构的基本型式
3、铰链四杆机构的分类 根据连架杆运动形式的不同，可分为三种基 本形式：曲柄摇杆机构、双摇杆机构、双曲柄机 构 （1）曲柄摇杆机构：两连架杆，一为曲柄，另一 为曲柄摇杆。 （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。
一、曲柄摇杆机构
4Байду номын сангаас
2 B 1 A
自卸卡车举升机构
B 1 A
2
A 3 4
1
2 3
B
4 C 曲柄滑块机构 C A
A 4 4
1
2
B
定块机构
设计：潘存云
3 C
手摇唧筒
例：选择双滑块机构中的不同构件 作为机架可得不同的机构
2
2 1
1
3 4
3
4
椭圆仪机构 正弦机构 正切机构
三、曲柄滑快机构演化——偏心轮机构
曲柄长度较小时，一杆上不宜制两个转动副联接（两轴 直径较大而杆较短），此时可制成偏心轮机构，运动特 性不变，而增强刚度，改善受力。
摇杆为主动件时，且连杆与曲柄两次共线时有： 死点 极位夹角θ >0
3、压力角和传动角
（二）双曲柄机构 特征：两个曲柄 特点：将等速回转转变为等速或变速回转。 应用实例：如叶片泵、 惯性筛、 平行四边形 机构——火车车轮连动 机构等。
A B 1 D 2 设计：潘存云 C 3
6 C 设计：潘存云 2 3 B 4 D 1 A
也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等。
C D A A C
设计：潘存云
P
γ B =0
B
B 2 2 C
C γ=0 33
平面连杆机构
第3章平面连杆机构平面连杆机构是由若干个构件通过低副联接而成的机构,又称平面低副机构;由四个构件通过低副联接的平面连杆机构称为平面四杆机构,是平面连杆机构中最常见的形式;平面连杆机构广泛应用于各种机械和仪表中,具有许多优点：平面连杆机构中的运动副均为低副,组成运动副的两构件之间为低副联接,因而承受的压强小,便于润滑,磨损较轻,能承受较大的载荷；构件形状简单,加工方便,构件之间的接触是由构件本身的几何约束来保持的,所以工作平稳；在主动件等速连续运动的条件下,当各构件的相对长度不同时,可使从动件实现多种形式的运动；利用连杆可满足多种运动轨迹的要求;平面连杆机构的主要缺点：低副中存在间隙,会引起运动误差,不易精确地实现复杂的运动规律；连杆机构运动时产生的惯性力难以平衡,不适用于高速场合;平面连杆机构常以其所含的构件杆数来命名,如四杆机构、五杆机构……,常把五杆或五杆以上的平面连杆机构称为多杆机构;最基本、最简单的平面连杆机构是由四个构件组成的平面四杆机构;它不仅应用广泛,而且又是多杆机构的基础;平面四杆机构可分为铰链四杆机构和衍生平面四杆机构两大类,前者是平面四杆机构的基本形式,后者由前者演化而来;平面四杆机构的基本形式及演化平面四杆机构可分为两类：1. 运动副全为转动副的平面四杆机构,称为铰链四杆机构;图3-1 铰链四杆机构图3-1为铰链四杆机构示意图,其中AD杆是机架,与机架相对的BC杆称为连杆,与机架相连的AB杆和CD杆称为连架杆,其中能做整周回转运动的连架杆称为曲柄,只能在小于360°范围内摆动的连架杆称为摇杆;2. 运动副中既有转动副又有移动副的平面四杆机构,称为衍生平面四杆机构,如曲柄滑块机构如图3-2所示;3.1.1铰链四杆机构的基本类型图3-2 曲柄滑块机构1．曲柄摇杆机构两连架杆中一个为曲柄另一个为摇杆的铰链四杆机构,称为曲柄摇杆机构;曲柄摇杆机构中,当以曲柄为原动件时,可将曲柄的匀速转动变为从动件的摆动;如图3-3所示的雷达天线机构,当原动件曲柄1转动时,通过连杆2,使与摇杆3固结的抛物面天线作一定角度的摆动,以调整天线的俯仰角度;图3-4为汽车前窗的刮雨器,当主动曲柄AB回转时,从动摇杆作往复摆动,利用摇杆的延长部分实现刮雨动作;图3-3 雷达天线机构图3-4 汽车前窗刮雨器1-曲柄 2-连杆 3-摇杆天线 4-机架 1-机架 2-曲柄 3-连杆4-摇杆也有以摇杆为原动件、曲柄为从动件的情况;如图3-5所示缝纫机的脚踏机构,当脚踏板原动件上下摆动时,通过连杆使曲柄从动件连续转动,输出动力;图3-5 缝纫机2. 双曲柄机构在铰链四杆机构中,若两个连架杆均为曲柄,则称为双曲柄机构;如图3-6所示的惯性筛机构,工作时以曲柄2为主动件,做等角速连续转动；通过连杆3带动曲柄4,做周期性的变角速连续转动；再通过构件5使筛体做变速往复直线运动;图3-6 惯性筛双曲柄机构中,应用很广的是两曲柄长度相等、连杆与机架的长度也相等且彼此平行的平行四边形机构,也称为平行双曲柄机构;其特点是两个曲柄的运动规律完全相同,连杆3始终做平动;如图3-7所示的机车车轮机构;图3-7机车车轮机构平行四边形机构中,若对边杆彼此不平行,则称为反向双曲柄机构;其特点是原动件与其对边从动件做相反方向的转动,如图3-8所示的窗门启闭机构;3. 双摇杆机构两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构;图3-9a 所示为港口起重机,当CD 杆摆动时,连杆CB 上悬挂重物的点M 在近似水平直线上移动;图3-9b 所示的电风扇的摇头机构中,电机装在摇杆4上,铰链A 处装有一个与连杆1固结在一起的蜗轮;电机转动时,电机轴上的蜗杆带动蜗轮迫使连杆1绕A 点作整周转动,从而使连架杆2和4作往复摆动,达到风扇摇头的目的;图3-9图3-8窗门启闭机图3-10a、b所示的飞机起落架及汽车前轮的转向机构等也均为双摇杆机构的实际应用;汽车前轮的转向机构中,两摇杆的长度相等,称为等腰梯形机构,它能使与摇杆固联的两前轮轴转过的角度不同,使车轮转弯时,两前轮的轴线与后轮轴延长线上的某点P交于点,汽车四轮同时以P点为瞬时转动中心,各轮相对地面近似于纯滚动,保证了汽车转弯平稳并减少了轮胎磨损;图3-103.1.2 平面四杆机构的演化在实际机器中,还广泛地采用着其他多种型式的四杆机构;这些型式的四杆机构,可认为是通过改变某些构件的形状、改变构件的相对长度、改变某些运动副的尺寸、或者选择不同的构件作为机架等方法,由四杆机构的基本型式演化而成的;铰链四杆机构的演化,不仅是为了满足运动方面的要求,还往往是为了改善受力状况以及满足结构设计上的需要等;各种演化机构的外形虽然各不相同,但是它们的运动性质以及分析和设计方法却常常是相同或类似的,这就为连杆机构的研究提供了方便;ab图3-11 铰链四杆机构的演化1．曲柄滑块机构在如图3-11a 所示的曲柄摇杆机构中,当曲柄1绕轴A 回转时,铰链C 将沿圆弧ββ往复运动;现如图b 所示,设将摇杆3做成滑块形式,并使其沿圆弧导轨BB 往复运动,显然其运动性质并未发生改变;但此时铰链四杆机构已演化为曲线导轨的曲柄滑块机构;又如在图3-11a 所示的铰链四杆机构中,设将摇杆3的长度增至无穷大,则铰链C 运动的轨迹ββ将变为直线,而与之相应的图3-11b 中的曲线导轨将变为直线导轨,于是铰链四杆机构将演化成为常见的曲柄滑块机构,如图3-12所示;其中图3-12a 所示的为具有一偏距e 的偏置曲柄滑块机构；而图3-12b 所示的为没有偏距的对心曲柄滑块机构;曲柄滑块机构在冲床、内燃机、空气压缩机等各种机械中得到了广泛的应用;2．导杆机构如图3-13a 所示的曲柄滑块机构中,若改选构件AB 为机架,则构件4将绕轴A 转动,而构件3则将以构件4为导轨沿该构件相对移动;将构件4称为导杆,而由此演化成的四杆机构称为导杆机构如图3-13b 所示;ab图3-12曲柄滑块机构 a bcd图3-13导杆机构在导杆机构中,如果其导杆能作整周转动,则称其为回转导杆机构;如图3-14所示,为回转导杆机构在一小型刨床中的应用实例;在导杆机构中,如果导杆仅能在某一角度范围内往复摆动,则称为摆动导杆机构;如图3-15a 所示为一种牛头刨床的导杆机构;图3-15b 为图3-15a 所示牛头刨床的主机运动简图;3．摇块机构和定块机构同样,在如图3-12a 所示的曲柄滑块机构中,若改选构件BC 为机架,则将演化成为曲柄摇块机构如图3-12c 所示;其中滑块3仅能绕点O 摇摆,如图3-16所示的液压作动筒,即为此种机构的应用实例,液压作动筒的应用很广泛;如图3-17所示的自卸卡车的举升机构即为应用的又一实例;ab图3-19偏心轮机构 图3-14回转导杆机构图3-16液压作动筒 图3-17自卸卡车的举升机构液图3-15 牛头刨床的导杆机构在图3-12a 所示的曲柄滑块机构中,若改选滑块3为机架,称定块,则将演化成为定块机构如图3-12d 所示;如图3-18所示为定块机构用于抽水唧筒的实例;4．偏心轮机构在如图3-19a 所示的曲柄滑块机构中,当曲柄AB 的尺寸较小时,由于结构的需要常将曲柄改作成如图3-19b 所示的一个几何中心不与其回转中心相重合的圆盘,此圆盘称为偏心轮,其回转中心与几何中心间的距离称为偏心距它等于曲柄长,这种机构则称为偏心轮机构;显然,此偏心轮机构与图3-18a 所示的曲柄滑块机构的运动特性完全相同;而此偏心轮机构,则可认为是将图3-18a 所示的曲柄滑块机构中的转动副B 的半径扩大,使之超过曲柄的长度演化而成的;这种机构在各种机床和夹具中广为采用;5．双滑块机构在图3-19a 的曲柄滑块机构中,将摇杆BC 改为滑块时,则变为如图3-19b 所示的双滑块机构;双滑块机构一般用于仪表和计算装置中如印刷机械、机床、纺织机械等 ,如缝纫机中针杆机构图3-20a 、b,椭圆规图3-21; 图3-18抽水唧筒图3-19双滑块机构图3-20 缝纫机针杆机构 图3-21 椭圆规平面四杆机构的基本特性3.2.1铰链四杆机构的类型的判别1．存在一个曲柄的条件铰链四杆机构是否存在曲柄,取决于两个因素：各杆的相对长度以及选择哪一个构件作为机架;设图3-22所示的机构为曲柄摇杆机构,其中杆1为曲柄,杆3为摇杆;各杆长度分别用1l 、2l 、3l 、4l 表示;杆1是否能作整周转动,就看其是否能顺利通过与机架共线的两个位置AB ′和AB ″;当曲柄位于AB ′时机构折叠成三角形B ′C ′D,根据三角形任意两边之差小于极限状态等于第三边的条件可得2l -3l ≤4l -1l图3-22存在曲柄的条件1l +2l ≤3l +4l 3-1或 3l -2l ≤4l -1l即 1l +3l ≤2l +4l 3-2当曲柄位于AB ″时机构折叠成三角形B ″C ″D,根据三角形任意两边之和大于等于第三边的条件可得1l +4l ≤2l +3l 3-3将式3-1、3-2、3-3两两相加可得1l ≤2l ,1l ≤3l ,1l ≤4l 3-4由式3-1、3-2、3-3 、3-4可得构成曲柄摇杆机构的必要条件：1曲柄为最短杆；2最短杆与最长杆长度之和小于等于另外两杆长度之和;2．铰链四杆机构类型的判别通则上述分析得出了铰链四杆机构存在一个曲柄的条件,但铰链四杆机构三个基本类型的演化取决于“取不同的构件作为机架”;如图3-22a 所示曲柄摇杆机构中,杆AD 为机架,杆AB 为曲柄,杆AB 与杆AD 可作相对整周转动,以大于半圆的单箭头弧线表示;CD 为摇杆,与杆AD 只能作相对摆动,以小于半圆的双箭头弧线表示;若以杆BC 为机架,仍然满足构成曲柄摇杆机构的两个条件,因此,杆AB 为曲柄,杆AB 与杆BC 可作相对整周转动,以大于半圆的单箭头弧线表示;CD 为摇杆,与杆BC 只能作相对摆动,以小于半圆的双箭头弧线表示,如图3-22b 所示; 图3-22 机架变更对机构类型的影响当四杆机构中各杆的长度确定之后,构件与构件之间相对运动的范围即已确定,与选择哪一构件作为机架无关;若以杆AB 为机架,根据图3-22a 所示的关系,杆AD 、BC 相对于杆AB 之间均可作整周转动,成为双曲柄机构,如图3-22c 所示；若以杆CD 为机架,杆AD 、BC 相对于杆CD 之间都只能作摆动,成为双摇杆机构,如图3-22d 所示;根据以上分析可得铰链四杆机构类型的判别通则：1 若最短杆与最长杆长度之和大于另外两杆长度之和,无论以哪一个构件作为机架,均不存在曲柄,都只能是双摇杆机构;2 若最短杆与最长杆长度之和小于另外两杆长度之和,是否存在曲柄取决于哪一个构件作为机架：1 以最短杆邻边作为机架,构成曲柄摇杆机构,如图3-22a 、3-22b 所示；2 以最短杆作为机架,构成双曲柄机构,如图3-22c 所示；3 以最短杆对边作为机架,构成双摇杆机构,如图3-22d 所示;作为特例,平行四边形机构以任何一边作为机架,均构成双曲柄机构;3.2.2机构的急回特性如图3-22所示为曲柄摇杆机构,当曲柄AB 沿顺时针方向以等角速度ω从与BC 共线位置AB l 转到共线位置AB 2时,转过的角度为ϕ1180°+θ；摇杆CD 从左极限位置C 1D 摆到右极限位置C 2D,设所需时间为1t ,C 点平均速度为1ν；当曲柄AB 再继续转过角度ϕ2180°+θ,即从AB 2到AB l ,摇杆CD 自C 2D 摆回到C 1D,设所需时间为2t ,C 点的平均速度为2ν;由于ϕ1>ϕ2,则1t >2t ;又因摇杆CD 往返的摆角都是ψ,而所用的时间却不同,往返的平均速度也不相同,即1ν<2ν;由此可见,当曲柄等速转动时,摇杆来回摆动的平均速度是不同的,摇杆的这种运动特性称为急回运动特性;为了表明摇杆的急回运动特性的程度,通常用行程速比系数K 来衡量,K 与极位夹角θ的关系是：1212ωωνν==K =错误! = 错误!=错误!=错误! 3-5 图3-23 曲柄存在的条件图3-24 急回运动特性式中,θ称为极位夹角,即从动摇杆处于左、右两极限位置时,主动曲柄相应两位置所夹的锐角;由式3-5可知,行程速比系数与极位夹角θ有关,θ越大,K 越大;当θ=0时,K=1,说明机构无急回运动;由式3-5可得：︒⨯+-=18011K K θ 3-6 由式3-6可知如果要得到既定的行程速比系数,只要设计出相应的极位夹角θ即可; 除曲柄摇杆机构外,具有急回运动特性的四连杆机构还有偏置曲柄滑块机构和曲柄摆动导杆机构;在各种机器中,应用四连杆机构的急回运动特性,可以节省空回行程的时间,以提高生产效率;3.2.3压力角和传动角如图3-25所示为曲柄摇杆机构,主动曲柄通过连杆BC 传递到C 点上的力F 的方向与从动摇杆受力点C 的绝对速度c ν的方向之间所夹的锐角α,称为压力角;压力角α的余角γ,称为传动角;力F 可分解为沿C 点绝对速度c ν方向的分力Ft,及沿摇杆CD 方向的分力Fn,Fn 只能对摇杆CD 产生径向压力,而Ft 则是推动摇杆运动的有效分力;α越小,γ越大,有效分力Ft 越大,而Fn 越小,对机构传动越有利;在机构运动过程中,其传动角γ的大小是变化的,为保证机构传动良好,设计时通常要使︒≥40min γ,传动力矩较大时,则要使︒≥50min γ;3.2.4死点位置图3-26四连杆机构的死点位置图3-25压力角和传动角在如图3-26a 所示的曲柄摇杆机构中,若摇杆主动,则当摇杆处于两个极限位置即机构处于两个虚线位置时,连杆与曲柄共线,此时传动角︒=0γ;这时,主动件摇杆CD 通过连杆作用于从动曲柄AB 上的力,恰好通过曲柄的回转中心A,所以理论上不论用多大的力,都不能使曲柄转动,因而产生了“顶死”现象,机构的这种状态位置称为死点位置;例如,如图3-26b 所示的偏置曲柄滑块机构,当滑块主动并处于极限位置时；如图3-26c 所示曲柄摆动导杆机构,当导杆主动并处于极限位置时;为了使机构能顺利通过死点而连续正常运转,曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构可以安装飞轮,增大转动惯量如缝纫机、汽车发动机等；对曲柄摆动导杆机构和双摇杆机构,则通常是限制其主动构件的摆动角度;工程上,也常利用机构的死点位置来实现一定的工作要求;如图3-27所示为钻床夹紧机构,使机构处于死点位置来夹紧工件;如图3-28所示的飞机起落架也是利用双摇杆机构处于死点状态,来保证飞机安全起降的;平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计主要是根据给定的运动要求,确定各构件的几何参数;在设计中还应考虑结构条件如合适的杆长比和运动副结构与尺寸、动力条件如最大压力角限制、运动条件等;常用的设计方法有图解法、解析法和实验法;这里主要对图解法进行介绍;3.3.1已知连杆的位置设计四杆机构生产实践中,经常要求一个构件在运动过程中能达到某些特定的图3-29振实造型机翻台机构图3-27钻床夹紧机构 图3-28飞机起落架位置,如图3-29所示的造型机翻台机构,当翻台处于位置I 时,在砂箱内填砂造型；造型结束时,液压缸活塞杆驱动四杆机构AB l C l D,使翻台转至位置Ⅱ,这时托台上升,接下砂箱并起模;要求翻台能实现B 1C 1,B 2C 2两个位置;再如图3-30所示加热炉炉门启闭机构,要求加热工件时炉门关闭；加热后炉门开启,开启后炉门应放到水平位置并将G 面朝上,能作为一个平台使用为使炉门实现这两个位置,可将有一定位置要求的构件翻台和炉门视作该四杆机构中的连杆,此类问题可用作图法设计,具体设计方法如下;已知：连杆BC 的长度l BC 及其两个位置B lC l ,B 2C 2;分析：由图3-31可知,如能确定固定铰链A和D 的中心位置,便可确定各构件的长度;由于连杆上B,C 两点的轨迹分别在以A 和D 为圆心的圆周上,所以A,D 两点必然分别位于B 1B 2、C l C 2和中垂线b 12和c 12上;据此,可得设计方法和步骤如下：1选用比例尺1μ,按已知条件画出连杆的两个位置B 1C 1和B 2C 2;2分别连接B 1、B 2和C l 、C 2点;并作它的中垂线b 12和c 12;3在b 12上任取一点A,在c 12任取一点D,连接ABCD,则ABCD 即为所求的四杆机构;各杆长度11AB l AB μ=,D C l CD 11μ=,AD l AD 1μ=;在已知构件两个位置的情况下,由于A 、D 两点在b 12和c 12上是任取的,所以有无数解;若给出其他辅助条件,如机架长度AD l 及其位置等,就可得出唯一解;另外,如果给定连杆长度及其三个位置,则答案也是唯一的,如图3-32所示;给定连杆三个位置设计四杆机构步骤如下：图3-30加热炉炉门启闭机构 图3-31 按连杆位置来设计四杆机构图3-32 按给定连杆位置设计四杆机构连B 1B 2并作其垂直平分线,B 铰链中心运动轨迹的圆心A 必须在该垂直平分线上；连B 2B 3并作其垂直平分线,A 点也必定在该垂直平分线上,因而A 点必在这两条垂直平分线的交点上,由此可得铰链A 的位置;同理可得铰链D 的位置,从而作出四杆机构AB 1C 1D;3.3.2已知行程速比系数设计四杆机构知道了行程速比系数K,就知道了四杆机构急回运动的条件,从而可以计算出极位夹角θ；再根据其他一些限制条件及极位夹角θ,可用作图法方便地作出该四杆机构;1．曲柄摇杆机构设已知摇杆长度CD l 、摆角ψ和程速比系数K,请设计曲柄摇杆机构;分析 如图3-33所示,显然在已知CD l 、摆角ψ的情况下,只要能确定A 铰链的位置,则在量得1C A l 和2C A l 后,则可求得曲柄长度AB l 心和连杆长度BC l 212AC AC AB l l l -= 221AC AC BC l l l +=CD l 可直接量得;由于A 点是极位夹角的顶点,即∠C 1AC 2=θ,如过AC l C 2三点作辅助圆,由几何知识可知,在该圆上任取一点A 为顶点,其圆周角也是θ,且过辅助圆心O 的圆心角∠C 10C 2=2θ;显然,当求得极位夹角θ后,用作图法容易作出辅助圆并得到圆心O,则问题迎刃而解;作图步骤归纳如下：1计算：按式3-6求得θ ︒⨯+-=18011K K θ 2作摇杆的两极限位置：任选摇杆回转中心D 的位置,按一定的长度比例尺1μ,根据已知CD l 及摆角ψ作出摇杆的两个极限位置C l D 和C 2D 见图3-33b;图3-33 按行程速比系数设计四杆机构3作辅助圆：联接C 1、C 2,并且作与C l C 2成90θ-︒的两条直线,设它们交于O 点,则∠C 10C 2=2θ;以O 点为圆心,以OC 1或0C 2为半径作辅助圆;4在辅助圆上任取一点A 为铰链中心,并连接AC 1和AC 2,量得1AC l 和2AC l 的长度,据此可求出曲柄和连杆的长度5求其他杆件的长度：机架CD l 可直接量得,乘以比例尺1μ即为实际尺寸; 2121AC AC ABl l l -=μ 2211AC AC BC l l l +=μ由于A 点是在辅助圆上任选的一点,所以实际可有无穷多解;若能给定其他辅助条件,如曲柄长度AB l 、机架长AD l 或最小传动角min γ等,则可有唯一的解;实际设计时,多数都有相应的辅助条件,如果没有辅助条件,可以根据实际情况自行确定;若已知滑块行程s 、偏距e 和行程速比系数K的情况,则可设计偏置曲柄滑块机构;如果已知机架长度AC l 和行程速比系数K,由图3-34可以看出,摆动导杆机构的极位夹角θ与导杆的摆角ψ相等,则设计摆动导杆机构的实质,就是确定曲柄长度AB l ;设计方法和步骤：1计算θ：︒⨯+-=18011K K θ 2作导杆的两极限位置：任选一点为固定铰链C 点的中心,按ψ=θ作导杆的两极限位置C m 和C n ,使∠m C n =ψ;3确定A 点及曲柄长度：作摆角ψ的平分线,并在其上取CA=AC l ,得曲柄回转中心A 点的位置；过A 作C m 线C n 线的垂线AB 1AB 2,垂足为B 1、B 2,即得曲柄长度AB l =1μAB 1;画出滑块,则设计完成;2．曲柄滑块机构如图3-35所示,已知滑块行程H=50mm,偏心距e =10mm,行程速比系图3-34 摆动导杆机构图3-35 曲柄滑块机构数K=,试设计一偏置的曲柄滑块机构;解： 计算机构的极位夹角θ︒⨯+-=18011K K θ=° 1 选择作图比例1μ=2mm/mm,作滑块的极限位置C 1、C 2,使C 1C 2=H/1μ=25mm,如图3-36所示;2 作∠C 1C 2O=∠C 2C 1O =90θ-︒=°,直线C 1O 与C 2O 交于点O;以O 为圆心、C 1O 为半径画圆,则弦C 1C 2对应的加以角为2θ=°;3 作直线A A '∥21C C 并相距e ／1μ=5mm,与圆O 交于A 、A ',连接C 1A 与C 2A,圆周角∠C 2AC 1=θ；则C l A 与C 2A 即为滑块处于极限位置时曲柄与连杆对应的位置,A 点即为铰链A 的中心位置;4由C l A=BC-AB,C 2A=BC+AB,从图中量出线段C l A 与C 2A 的长度,可得212A C A C AB -=, 212A C A C BC += 杆的实际长度为：曲柄长度AB l ⨯=11μ=24mm,连杆长度BC l ⨯=12μ=48mm;由于点A 是圆O 与直线AA ′的交点,因而答案是唯一的取A ′为曲柄转动中心,所得杆长与取A 点时相同;本章小结通过对本章的学习,学生应理解平面四杆机构的概念,掌握铰链四杆机构基本类型及演化形式,平面四杆机构的基本特性;了解平面四杆机构常用的设计方法;图3-36 曲柄滑块机构设计图习题与思考题平面四杆机构的基本形式是什么它有哪些演化形式演化的方式有哪些什么是曲柄平面四杆机构中曲柄存在的条件是什么曲柄是否就是最短杆什么是行程速比系数、极位夹角、急回特性三者之间关系如何什么是机构的死点位置,用什么什么方法可以使机构通过死点位置在曲柄摇杆机构中,已知连杆长度BC=90mm,机架长度AD=100mm,摇杆长度CD=70mm,试确定曲柄长度AB的取值范围;在双曲柄机构中,已知连杆长度BC=130mm,两曲柄长度AB=100mm,CD=110mm,试确定机架长度AD的取值范围;在双摇杆机构中,已知连杆长度BC=200mm,摇杆长度AB=70mm,摇杆长度CD=120mm,试确定机架长度AD的取值范围;在曲柄摇杆机构中,已知曲柄长度AB=50mm,机架长度AD=120mm,摇杆长度CD=100mm,试确定连杆长度BC的取值范围;一曲柄滑块机构,知行程S=100mm,K=,偏距e=50mm;试设计该机构;。
平面连杆机构
C1
3
＝
c
F Ft
C
B2 A
B1
d 4
D
曲柄摇杆机构中,
如不考虑构件的重力、 摩擦力 和惯性力等,则连杆BC为二力杆, 曲柄驱动力通过 BC杆作用于摇杆CD上C点的力 F 是沿BC方向的, F可分解成两个分力Ft和Fn： Ft=F cosα=F sinγ (4 - 7) Fn=F sinα=F cosγ
（二）平面连杆机构的特点和应用
1、特点
优点：
(1)面接触低副，压强小，便于润滑，磨损轻，寿命长，传递动力大 (2)低副易于加工，可获得较高精度，成本低 (3)杆可较长，可用作实现远距离的操纵控制 (4)可利用连杆实现较复杂的运动规律和运动轨迹
缺点：
(1)低副中存在间隙，精度低 (2)不容易实现精确复杂的运动规律
小结（复习）
一、基本概念： 1、运动副及其分类：
两构件直接接触并能产生一定的相对运动的连接。
2、平面机构的自由度计算公式： F=3n-2PL-PH 3、复合铰链及其运动副数目的计算公式：
两个以上构件在同一处以转动副连接便构成复合 铰链，此处的运动副数目为K-1。
4、局部自由度（多余自由度）：
机构中与输出构件运动无关的自由度。
3. 若 50<AD<110 ， 若 存 在 曲 柄 ， 则 有 AB+AD ≤BC+CD ， 即 20+AD ≤50+40 ， 得 50 <AD ≤70， AB最短，为连架杆，为曲柄摇杆机构。 若不存在曲柄，则有 AB+AD ＞ BC+CD ，即 20+AD ＞ 50+40，得 70＜AD＜110 ，为双摇 杆机构。 综上所述得：
机械设计基础——平面连杆机构
B
A
C
B
曲柄滑块机构
A B
导杆机构
C
AB > AC
A
转动导杆机构
C A
AB < AC C B
摆动导杆机构
A
C
曲柄摇块机构
B
A
定块机构 (移动导杆机构) C
B
（1）导杆机构
演化过程：曲柄滑块机构
曲柄改为机架
导杆机构。
转动导杆机构的应用
简易刨床
摆动导杆机构的应用
牛头刨床机构
（2）曲柄摇块机构
M 相距 h F
。
（3）不含力偶的三力杆件：三个力汇交于一点。
（4）确定摩擦总反力 FRik 方位： 判断 F 指向 Rik
确定
ki转向
使 F 与摩擦圆相切， Rik
并
ki与转向相反
例. 已知：驱动力F，f, φ=arctanf, 各销钉半径r,
当量摩擦系数f0, ρ=r f0, 求：Mq
Fr
Fr
Fr 作用在契块上的力
Fr f 驱动力：F 2 Ff f Fr fV Fr sin sin
f fV 楔形槽面当量摩擦系数 sin
fV f
2 . 转动副中的摩擦力
已知：M、ω21 、Fr . 摩擦力矩：
21
M f FR 21 Fr
（2）当螺母沿轴向与Fa方向相同移动时
支持力（阻力）
' M tan( ) ' d ' M do tan
' Md 支持阻力力矩 ' M do 理想支持阻力矩
Fd'
平面四连杆机构
四、例题：
B 70
A
90
C
40 a）
110 D
B
45 A
100
120 b）
C 100
A
60
D
c）
50
C
B
90
100
A
70
D
d）
例： 根据曲柄存在条件，判断上图所示的铰链四杆机构的类型 解答：a)40+110<70+90，又以最短杆为机架，那么为双
及所属类型。
六、作业：
P156、图9-14判断铰链四杆机构的类型。
谢谢！
铰链四杆机构中，假设两连架杆均为曲柄，称为双曲柄机构。
③双摇杆机构
铰链四杆机构中，假设两连架杆均为摇杆，称为双摇杆机构。
三、曲柄存在的条件：
铰链四杆机构是否有曲柄，与机构中各杆的相对长度有关。存在条件如下： 〔1〕最短杆与最长杆长度之和应小于或等于其余两杆长度之和。 〔2〕连架杆与机架中至少有一个是最短杆。 在满足上述条件①的情况下，假设最短杆为机架，那么为双曲柄机构；假设最短杆的邻边为机架，
平面四连杆机构.
一、概念
平面连杆机构:由假设干个构件通过铰链，滑道等方式连接，且所有的构件在同一平面或互相平 行的平面内运动的机构。
平面四杆机构:由四个构件组成的最简单的平面连杆机构。它是平面连杆机构中最常见的形式， 也是组成多杆机构的根底。
铰链四杆机构: 有四个构件通过铰链连接而成的机构。
曲柄机构 b)120+45<100+70,以最短杆邻边为机架，为曲
柄摇杆机构〔AB为曲柄〕 c)50+100>60+70，无论如何都是双摇杆机构 d)50+100<90+70,但以最短杆BC对边为机架，
平面连杆机构
平面连杆机构第一节、平面连杆机构的特点平面连杆机构：由一些刚性构件用转动副和移动副相互连接而组成的，在同一平面内或相互平行的平面内运动的机构。
作用：实现某些较为复杂的平面运动，在生产和生活中广泛用于动力的传递或改变运动形式。
四杆机构：最常用的平面四杆机构，具有四个构件（包括机架）的低副机构。
平面铰链四杆机构——构件间用四个转动副相连接的平面四杆机构，简称铰链四杆机构。
第二节、铰链四杆机构的组成与分类四杆机构的组成：铰链四杆机构是由转动副联接起来的封闭系统。
其中被固定的杆4称为机架，不直接与机架相连的杆2称之为连杆，与机架相连的杆1和杆3称之为连架。
凡是能作整周回转的连架杆称之为曲柄，只能在小于360度的范围内作往复摆动的连架杆称之为摇杆。
四杆机构的类型：铰链四杆机构根据其两个连架杆的运动形式不同，可以分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种基本形式。
一、曲柄摇杆机构：在铰链四杆机构中的两连架杆，如果一个作为曲柄，另一个作为摇杆，那么该机构就称为曲柄摇杆机构，取曲柄AB为主动件，当曲柄AB做连续等速整周转动时，从动摇杆CD将在一定角度内作往复摆动。
由此可见，曲柄摇杆机构能将主动件的整周回转运动转换成从动件往复摆动。
剪刀机是通过原动机驱动曲柄转动，通过连杆带动摇杆往复运动，实现剪切工作。
用来调整雷达天线的仰角和俯角的曲柄摇杆机构。
汽车前窗的雨刮器，当主动曲柄AB回转时，从动件摇杆作往复摆动，利用摇杆的延长部分实现刮雨动作。
在曲柄摇杆机构中，当摇杆为主动件时，可将摇杆的往复摆动经连杆转为曲柄的连续旋转运动。
在生产中应用很广泛。
缝纫机的踏板机构，当脚踏板（相当于摇杆）作往复摆动时，通过连杆带动曲柄（相当于曲柄）作连续运动，使缝纫机实现缝纫工作。
二、双曲柄机构：在铰链四杆机构中，若两连架杆均为曲柄，则该机构成为双曲柄机构。
两曲柄则可分别为主动件。
贯性筛中，ABCD为双曲柄机构，工作时以曲柄AB伟主动件，并作等速转动，通过连杆BC带动从动曲柄的变速转动，使筛子做变速往复运动。
平面四杆机构
4.移动导杆机构 4.移动导杆机构 取曲柄滑块机构中的滑块4为机架而得到的。当曲柄2 转动时，导杆1可在固定滑块4中往复移动，故该机构 称为移动导杆机构 移动导杆机构（或定块机构 定块机构）。 移动导杆机构 定块机构
应用实例：手压抽水机、抽油泵等。 应用实例：手压抽水机、抽油泵等。
铰链四杆机构存在曲柄的条件
平面四杆机构的类型及应用
曲柄摇杆机构 平 面 四 杆 机 构 铰链四杆机构 双曲柄机构 全转动副) (全转动副) 双摇杆机构 曲柄滑块机构 含有移动副 的平面四杆 机构 曲柄导杆机构 曲柄摇块机构 移动导杆机构
铰链四杆机构
铰链四杆机构中， 固定不动的构件为机架 机架； 铰链四杆机构中 ， 固定不动的构件为 机架 ； 与机架相 连架杆， 联的构件为连架杆 连架杆中， 联的构件为 连架杆 ， 连架杆中 ， 能绕机架的固定铰链 作整周转动的称为曲柄 曲柄， 作整周转动的称为 曲柄 ， 仅能在一定角度范围内往复 摇杆； 摆动的称为摇杆 摆动的称为 摇杆 ； 联接两连架杆且不与机架直接相联 的构件称为连杆。 的构件称为连杆。 连杆
根据两个连架杆能否成为曲柄，铰链四杆机构可 根据两个连架杆能否成为曲柄， 分为三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和 分为三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双 摇杆机构。 摇杆机构。
特点是： 曲柄摇杆机构特点是：既能将曲柄的整周转动变 换为摇杆的往复摆动， 换为摇杆的往复摆动，又能将摇杆的往复摆动变换 为曲柄的连续回转运动。 为曲柄的连续回转运动。
2
4
3.曲柄摇块机构 3.曲柄摇块机构 取曲柄滑块机构中的连杆3为机架而得到的。当 曲柄2为原动件绕点转动时，滑块4绕机架3上的铰 链中心摆动，故称该机构为曲柄摇块机构 曲柄摇块机构或称为 曲柄摇块机构 摆动滑块机构。 摆动滑块机构 应用于各种摆动式 原动机和工作机中。 原动机和工作机中。 摆缸式液压泵、 摆缸式液压泵、卡 车车箱自动翻转卸 料机构 。
(完整版)平面连杆机构
机械基础一轮复习资料（平面连杆机构）【复习要求】1. 了解铰链四杆机构的三种基本类型、特点及应用;2. 掌握三种基本形式的判别条件；3. 了解四杆机构的演化形式及应用；4. 了解“死点”位置产生的原因、克服方法及应用;5. 了解急回运动特性及其应用。
【知识网络】【知识精讲】一、平面连杆机构由一些刚性构件用转动副和移动副相互联接而组成的在同一平面或相互平行的平面内运动的机构。
注当平面四杆机构中的运动副都是转动副时称为铰链器杆机构。
三、铰链四杆机构三种基本形式的组成条件（见表）四、铰链四杆机构的演化和应用（见表）注：四杆机构的演化形式都可以看作是改变四杆机构某些构件的形状、相对长度或选择不同构件作为机架而获得的。
五、铰链四杆机构的特性1. “死点”位置（以曲柄摇杆机构为例）（1）“死点”位置的产生：摇杆为主动件曲柄为从动件时，当摇杆处于两极限位置时，连杆与曲柄出现两次共线，此时曲柄上所受的力通过曲柄转动的中心，转动力矩为零，从动件不动，机构停顿。
（2）机构在“死点”位置时，将出现从动件转向不确定或卡死不动。
（3）克服“死点”位置的措施：利用自重、加飞轮、增设辅助机构或机构错列。
（4）“死点”位置出现的利与弊：对传动机构来说，“死点”位置的出现是不利的，应设法予以避免，而工程中某些工作要求（如连杆式夹具的夹紧）就是利用“死点”位置来实现的。
2. 急回运动特性（1）定义：机构空回行程的平均速度大于工作行程平均速度的性质。
（2）意义：利用急回运动特性可缩短空回行程时间，提高生产效率。
（3）行程速比系数（K）和极位夹角（9）行程速比系数是从动件空回行程平均速度与从动件工作行程平均速度的比值，其大小反应急回特性；极位夹角是主动曲柄与连杆两次共线位置时的夹角。
K=（180° +9）/（180 °-9）或9=180°（K -1）/（K+1）注K > 1或9>0°时机构具有急回特性；摆角（小是指摇杆两极限位置的夹角。
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简述平面连杆机构
李天琦
（沈阳工学院，机械与运载学院，辽宁抚顺113122）摘要：平面连杆机构是由一些刚性构件通过转动副或移动副相互连接而成的，在同一平面或相互平行的平面内运动的机构。
平面连杆机构是低副机构，压力低，磨损量小，而且构成运动服的表面为圆柱面或平面，制造方便，且易实现转动或移动及其转换。
其缺点是运动副磨损后的间隙不能自动补偿，容易积累运动误差，另外，它也不易实现复杂的运动规律。
平面连杆机构在生产中广泛用于动力的传递或改变运动形式。
在连杆结构的原动件运动规律保持不变的情况下，通过改变各个构件间的相对长度，就可以使连杆上点的轨迹曲线或从动件实现不同的运动规律要求。
关键词：组成；分类；运动特性
1.平面连杆机构的构成
平面连杆机构中最常见的是由四
个构件组成的机构。
在四杆机构
中，固定不动的构件称为机架；两
端都以活动铰链与其他构件连接
的是连杆，它在机构运动时作平面
复杂运动；有一端是以固定铰链与
机架连接的是连架杆。
如果连架杆
与机架连接的固定铰链是周转副，
则该连架杆称为曲柄；如果连架杆
与机架连接的固定铰链是摆动副，
则该连架杆称为摇杆（图1.1）
图1.1
曲柄的常见结构形式如图1.2所示。
图1.2
在组成移动副的两个构件中，习惯上将长度较短的构件称为滑块将，将较长的构件称为导杆或导槽（如图1.3）
图1.3
2.平面连杆机构的分类及运动特性
平面连杆机构中最常见的是由四个构件组成的四杆机构。
四杆机构分为铰链四杆机构（机构的运动副都是转动副——铰链）和滑块四杆机构（机构包含一个或两个移动副）两类。
2.1铰链四杆机构
铰链四杆机构有曲柄摇杆结构、双曲柄机构、和双摇杆机构等三中基本形式。
2.1.1曲柄摇杆机构
两个连架杆中，一个是曲柄、一个是摇杆的铰链四杆机构，称为曲柄摇杆机构。
当曲柄做主动件时，可以将曲柄的连续转动转化为要摇杆的往复摆动。
当摇杆作为主动件，通过连杆带动曲柄做转动。
2.1.2双曲柄机构
图示
运动特性
当曲柄长度不相等时主动曲柄做等速转动，从动曲柄随之做变速转动
两曲柄的长度相等且平行，两曲柄的旋转方向相同，角速度也相等
双曲柄机构对边都相等，但互不平行两曲柄的旋转方向相反，且角速度也不相等2.1.3双摇杆结构
两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构。
双摇杆机构中，两个连架杆只能在一个角度内摆动。
2.2滑块四杆机构
滑块四杆机构的运动副中包换移动副和转动副。
根据其中移动副的数量，分为单滑块四杆机构和双滑块四杆机构两类。
我们这里只介绍单滑块四杆机构
将曲柄摇杆机构转化为含一个移动副的四杆机构，即单滑块四杆机构。
在单滑块四杆结构中，组成移动副的两个构件的测量长度是不定的，而其余两个构件中的较短杆可以与相邻构件做整周转动。
因此单滑块四杆机构的最短杆上有两个周转副。
根据机架选取的不同，如果最短杆上有一个周转副是固定铰链，机构就有一个曲柄，是曲柄滑块机构、摇块机构或摆动导杆机构；如果有两个周转副是固定铰链，机构就有两个构
件可以做整周转动，是转动导杆机构；如果没有周转副是固定铰链，机构就没有做整周转动的构件，是移动导杆机构（也称为定块机构）。