平面连杆机构及其运动设计
《平面连杆机构》课件
减小机构的整体尺寸，使其更 加紧凑。
重量优化
降低机构的重量，以实现轻量 化设计。
成本优化
通过优化设计降低制造成本。
优化方法
数学建模
建立平面连杆机构的数学模型，以便进行数 值分析。
优化算法
采用遗传算法、粒子群算法等智能优化算法 对机构进行优化。
有限元分析
利用有限元方法对机构进行应力、应变和振 动分析。
实例二：搅拌机
总结词
搅拌机利用平面连杆机构实现搅拌叶片的周期性摆动，促进物料在容器内均匀混 合。
详细描述
搅拌机中的四连杆机构将原动件的运动传递到搅拌叶片，使叶片在容器内做周期 性的摆动，通过调整连杆的长度和角度，可以改变搅拌叶片的摆动幅度和频率， 以满足不同的搅拌需求。
实例三：飞机起落架
总结词
飞机起落架中的收放机构采用了平面连杆机构，通过连杆的 传动实现起落架的收放功能。
。
设计步骤
概念设计
根据需求，构思连杆机构的大 致结构。
仿真与优化
利用计算机仿真技术对设计进 行验证和优化。
需求分析
明确机构需要实现的功能，分 析输入和输出参数。
详细设计
对连杆机构进行详细的尺寸和 运动学分析，确定各部件的精 确尺寸。
制造与测试
制造出样机，进行实际测试， 根据测试结果进行必要的修改 。
实验验证
通过实验验证优化结果的可行性和有效性。
优化实例
曲柄摇杆机构优化
通过调整曲柄长度和摇杆摆角，实现 机构的优化设计。
双曲柄机构优化
通过改变双曲柄的相对长度和转动顺 序，提高机构的运动性能。
平面四杆机构优化
通过调整四根杆的长度和连接方式， 实现机构的轻量化和高性能。
平面连杆机构运动分析及设计
3选不同的构件为机架
3
1
4
A
2
B
C
直动滑杆机构
手摇唧筒
这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为：
机构的倒置
B
C
3
2
1
4
A
导杆机构
3
1
4
A
2
B
C
曲柄滑块机构
3
1
4
A
2
B
C
摇块机构
3
1
4
A
2
B
C
A
B
C
3
2
1
4
天津工业大学专用 作者： 潘存云教授
摆转副——只能作有限角度摆动的运动副;
曲柄
连杆
摇杆
§3－2 平面四杆机构的类型和应用
1 平面四杆机构的基本型式
天津工业大学专用 作者： 潘存云教授
第三章 平面连杆机构运动分析与设计
§3－1 连杆机构及其传动特点
§3－2 平面四杆机构的类型和应用
§3－3 平面四杆机构的基本知识
§3－6 平面四杆机构的设计
§3－4 运动分析——速度瞬心法
§3－5 运动分析——矢量方程图解法
天津工业大学专用 作者： 潘存云教授
作者：潘存云教授
1 改变构件的形状和运动尺寸
偏心曲柄滑块机构
对心曲柄滑块机构
曲柄摇杆机构
曲柄滑块机构
双滑块机构
正弦机构
s
=l sin φ
↓ ∞
→∞
φ
l
2 平面四杆机构的演化型式
天津工业大学专用 作者： 潘存云教授
第5章 平面连杆机构的运动分析
( xBi x A ) 2 ( y Bi y A ) 2 ( xB1 x A ) 2 ( y B1 y A ) 2 ( xCi xD ) 2 ( yCi y D ) 2 ( xC1 xD ) 2 ( yC1 y D ) 2 i 2,3
(a12 cos12 b12 sin 12 x A cos12 y A sin 12 x A ) x B1 (b12 cos12 a12 sin 12 x A sin 12 y A cos12 y A ) y B1 1 2 2 a12 x A b12 y A (a12 b12 ) 2 (a13 cos13 b13 sin 13 x A cos13 y A sin 13 x A ) x B1 (b13 cos13 a13 sin 13 x A sin 13 y A cos13 y A ) y B1 1 2 2 a13 x A b13 y A (a13 b13 ) 2
cos 1i D1i sin 1i 0
xBi xB1 y D y 1i B1 Bi 1 1
xCi xC1 y D y 1i C1 Ci 1 1
Qi Pi Bi
Q1
i P1
B1
1
Ci
C1
A
D
铰链四杆机构实现连杆的三个精确位置P1Q1,，
P2Q2，P3Q3 的设计图解方法
实现三个位置
机构不能可靠到位
曲柄摇杆机构
机构不能顺序到位
5.6.2 平面连杆机构运动设计的位移矩阵法
1.刚体运动位移矩阵 刚体运动→矢量运动
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’
平面连杆机构及其分析与设计
平面连杆机构及其分析与设计平面连杆机构是由连杆和连接点组成的机械结构，广泛应用于各种机械设备中。
它的功能是将输入的旋转运动转化为输出的直线运动或者将输入的直线运动转化为输出的旋转运动。
本文将对平面连杆机构的分析与设计进行介绍。
首先，对平面连杆机构进行分析。
平面连杆机构的主要组成部分是连杆和连接点。
连杆是连接点之间的刚性杆件，可以是直杆、曲杆或者具有其他特殊形状的杆件。
连接点是连杆的两个端点或者连杆与其他机构的连接点，可以是支点、铰链等。
平面连杆机构的运动可以分为三种基本类型：平动、转动和复动。
平动是指连杆的一端保持固定，另一端进行直线运动；转动是指连杆的一端保持固定，另一端进行旋转运动；复动是指连杆的一端进行直线运动，另一端同时进行旋转运动。
进行平面连杆机构的设计时，需要考虑以下几个要点。
首先，确定机构的类型和功能。
根据机构的动作要求和功能要求，选择适合的连杆类型和连接点类型。
其次，进行机构的运动分析。
根据机构的运动要求，确定连杆的长度和连接点的位置，使连杆能够实现所需的运动。
然后，进行机构的力学分析。
根据机构的受力情况，确定连杆的截面尺寸和材料，保证机构的刚度和强度。
最后，进行机构的优化设计。
考虑机构的性能要求和制造要求，对机构进行优化设计，提高机构的工作效率和使用寿命。
在平面连杆机构的设计中，还需要考虑机构的动力学问题。
机构的动力学分析包括静力学分析和动力学分析两个方面。
静力学分析是指在机构静止或静力平衡状态下，对机构受力和力矩进行分析。
动力学分析是指在机构进行运动时，对机构的加速度、速度和位移进行分析。
通过对机构的动力学分析，可以确定机构的惯性力和惯性矩，从而确定机构的动态特性和振动特性。
总之，平面连杆机构的分析与设计是一项复杂而重要的工作。
在进行分析与设计时，需要考虑机构的类型和功能，进行运动分析和力学分析，优化设计和动力学分析。
通过合理的分析与设计，可以使机构具有较好的工作性能和使用寿命，满足各种工程应用的要求。
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。
《平面连杆机构设计》课件
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特点
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结构简单，易于设计和制造。
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具有较大的传递力矩的能力。
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运动形式和运动轨迹相对固定，易于实现精确控制。
平面连杆机构的运动分析
运动分析的基本概念
平面连杆机构定义
平面连杆机构是由若干个刚性构件通 过低副（铰链或滑块）连接而成的机 构，构件之间的相对运动都在同一平 面或相互平行平面内。
运动分析目的
通过分析平面连杆机构的运动特性， 确定各构件之间的相对位置、相对速 度和相对加速度，为机构设计、优化 和性能评估提供依据。
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适用于多种类型的运动转换和传递，如转动、摆动、移动 等。
平面连杆机构的应用
农业机械
如收割机、拖拉机等，利用平面连杆机构实 现谷物、饲料的收割和运输。
轻工机械
如包装机、印刷机等，利用平面连杆机构实 现纸张、塑料薄膜等的传送和加工。
矿山机械
如挖掘机、装载机等，利用平面连杆机构实 现土石的挖掘、装载和运输。
发展趋势：随着科技的进步和应用需求 的多样化，平面连杆机构的设计和制造 技术也在不断发展和创新。
数字化设计和仿真技术的运用，提高了 设计效率和准确性。
PART 02
平面连杆机构的基本类型
曲柄摇杆机构
曲柄摇杆机构是一种常见的平面 连杆机构，由曲柄、摇杆和连杆
组成。
曲柄作为主动件，匀速转动，带 动连杆摆动，摇杆作为从动件，
运动分析的实例
四杆机构
以曲柄摇杆机构为例，通过解析 法分析曲柄的转速、摇杆的摆角 以及各构件之间的相对速度和加
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构处于死点位置。
24
❖摆动导杆机构
以摆杆3为原动件，当摆杆3与从动曲柄1垂直时，则
机构处于死点位置。 25
❖死点的克服
➢ 利用构件的惯性或对从动曲柄施加外力 实例：家用缝纫机。
26
死点的克服
➢用多套机构错位排列。 实例：蒸汽机车车轮联动机构
27
蒸汽机车车轮联动机构
28
❖死点的利用
夹紧工件的夹具
8
3.铰链四杆机构三种类型的倒置
❖ 倒置： 在机构学中将变换机架称为倒置。
❖ 对于铰链四杆机构，当杆长条件满足时，机构的三种 类型具有内在联系。
9
4 作
为1 机
曲柄摇杆
架
的 构
2
件
3
曲柄摇杆
双曲柄
双摇杆
10
4.曲柄滑块机构有曲柄的条件
▪ 偏置曲柄滑块机构有曲柄的条件
a+e≤ b,且最短杆为连架杆。 其中a为连架杆的长度、b为连杆的长度。
一系列给定的位置。
炉门的开闭机构
31
铸造造型机砂箱翻转机构
▪实现两连架杆给定的对应位置
要求所设计的机构的 主、从动连架杆的位 置（转角）满足预定 的对应关系。
F1 C1
F2 E1
B1
B2
E2 标线：构件上标志其位 C2 置的线段。
如：线段AF,DE。
32
▪实现给定的运动特性要求
33
问题二：实现给定的运动轨迹
▪ 对心曲柄滑块机构有曲柄的条件 a≤ b,且最短杆为连架杆 。
11返回Leabharlann 二、急回特性和行程速度变化系数
❖急回特性
当机构的原动件作连续 转动，而从动件作往复运动时， 从动件的回程速度大于工作行 程速度的特性。
❖行程速度变化系数
=回程平均速度／工作行程平均速度
12
在图示曲柄摇杆机构中，曲柄为原动件。 ▪摇杆的两极限位置
因传动角γ易于从机构位置图观察和测量， 故常 用γ衡量机构传力的性能。
19
▪α或γ是针对机构中的从 动连架杆而言，与主、从 动件的选取有关；
▪ α、γ随机构位置的变化而 变化。
▪为了保证机构传力性能良好，应使 min40º~50º。 20
❖最小传动角min出现的位置
max
min
max
min
之和。 2）组成该整转副的两杆中必有一杆为最短杆。
▪最短杆参与组成的转动副是整转副，其余的是摆动副。 3
2.铰链四杆机构三种类型的判据
❖当满足杆长条件时，
取最短杆的邻杆为机架,
则为曲柄摇杆机构；
▪最短杆参与组成的转动副是整转副，其余的是摆动副。
4
铰链四杆机构
❖当满足杆长条件时，
取最短杆为机架， 则为双曲柄机构；
▪ max为锐角 min= min
▪ max为钝角
1= min ，2= 180º max
min为1和2中的较小者。
对于曲柄摇杆机构， min出现在曲柄与机架共线的两
位置之一。
21
偏置曲柄滑块机构的min出现在主动曲柄的动铰链B
距导路最远的位置（主动曲柄与滑块导路方向垂直的位置 之一）。
摆动导杆机构（曲柄为原动件）的压力角恒为零，故
其传动角恒为90º
22
返回
五、死点
当作用在从动件（连架杆）上的力恰好通过其转 动中心时，从动件不能继续转动，出现“顶死”现 象，机构的这种位置称为“死点”。
• 死点位置： =0º（=90º）
23
❖曲柄摇杆机构
以摇杆3为原动件，连 杆2与从动曲柄1共线时，
则机构处于死点位置。
❖曲柄滑块机构
以滑块3为原动件，连杆2与从动曲柄1共线时，则机
有急回特性
对心曲柄滑块机构是否有急回特性？
没有急回特性
15
摆动导杆机构是否有急回特性？
有急回特性
16
返回
三、运动的连续性
❖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。
❖运动的可行域：
从动件运动范围。
▪从动件只能在某一可行域内运动，而不能从一个可行域 跨入另一个可行域。
平面连杆机构及其运动设计
平面四杆机构的基本知识 平面四杆机构的运动设计
1
平面四杆机构的基本知识
• 平面四杆机构有曲柄的条件 • 急回特性和行程速度变化系数 • 压力角和传动角 • 死点
2
返回
一、平面四杆机构有曲柄的条件
1. 有整转副的条件
铰链四杆机构具有整 转副的条件为：
1）满足杆长条件 最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他二杆长度
❖按连杆的给定位置设计四杆机构（刚体导引） ❖按给定两连架杆的对应位置设计四杆机构
❖按行程速度变化系数设计四杆机构
❖习题课
❖总结
35
返回 k例题
1.机构设计的倒置原理
▪ 同一运动链，取不同的构件为“机架”时，根据相对 运动原理，各构件间的相对运动关系并未改变（机构位置 图全等）。
要求在机构的运动过程中，连杆上某点的轨迹能 符合预定的轨迹要求。
❖设计方法：图解法、解析法和实验法.
34
二、实现给定运动规律的平面四杆机构运动设计 的图解法
用图解法进行设计就是利用各铰链之间相对运动的几 何关系，通过作图确定各铰链的位置(作出机构位置图）， 从而由“图”定出各构件的尺寸。 。
❖机构设计的倒置原理
飞机起落架机构
29
返回
平面四杆机构的运动设计
根据给定的要求选定机构的型式，确定各构件 的尺寸，同时满足运动条件（如存在曲柄等）， 动力条件（如传动角等）和运动连续条件等。
30
返回 图解法
一、平面四杆机构设计的基本问题
问题一：实现给定的运动规律
▪实现连杆给定位置（刚体导引） 要求所设计的机构能引导刚体（连杆）顺序通过
5
铰链四杆机构
❖当满足杆长条件时， 取最短杆的对杆为机架， 则为双摇杆机构；
❖当不满足杆长条件时，
不论取何杆为机架，均为双摇杆机构。
6
❖结论
机构类型 杆长条件 机架
曲柄摇杆 满足
最短杆的邻杆
双曲柄 满足
最短杆
双摇杆
满足
最短杆的对杆
不满足 任意杆
7
❖铰链四杆机构有曲柄的条件
1）满足杆长条件， 2）取最短杆或最短杆的邻杆为机架。
曲柄与连杆两次共线 时，从动摇杆CD分别处于 极限位置C1D和C2D。
▪行程速度变化系数
13
▪极位夹角
从动摇杆位于两极限位置时， 相应曲柄两位置所夹的锐角。
180 K 1
K 1
➢ 0 ，K1 ,机构有急回特性；
值越大，K值越大，急回特性越 显著。
➢若0 ，K1，机构无急回特性。
14
偏置曲柄滑块机构是否有急回特性？
17
返回
四、 压力角和传动角
❖ 压力角： 作用在从动件（连架
杆）上的力与该力作用点 的速度之间所夹的锐角。 记作α.
❖传动角：压力角的余角 (F与Fn所夹的锐角）。 记作γ。
不计惯性力、重力、摩擦力
，对机构的传力愈有利。
18
▪ 当∠BCD为锐角时， =∠BCD= ▪ 当∠BCD为钝角时， =180º