第七章铰链四杆机构的演化
铰链四杆机构的演化及应用教学设计
铰链四杆机构的演化及应用教学设计铰链四杆机构的演化及应用教学设计作为一名教学工作者，通常会被要求编写教学设计，教学设计是一个系统化规划教学系统的过程。
那么优秀的教学设计是什么样的呢？以下是小编精心整理的铰链四杆机构的演化及应用教学设计，希望对大家有所帮助。
《平面连杆机构》是中等职业学校《机械基础》中的重要内容，《铰链四杆机构的演化及应用》是该章中的重点和难点。
铰链四杆机构是平面连杆机构中最为典型的机构，它可以演化为“曲柄滑块机构、导杆机构”，多年教学发现，学生的基础不同，虽然在学习“铰链四杆机构的演化过程及应用”知识时表现出的困难程度有差别，但由于缺乏直观经验，学生在学习过程中均会存在一定的难度！笔者针对现在所任教的单招学生教学对象，设计了一堂课堂教学并进行了实施，本文对教学中的成功与不足等方面进行教学反思，以在今后教学中有所借鉴，提高教学效果！教情、学情分析：任教学生为“单招班”学生，他们的文化基础与学习态度较不是太好。
本节课是一堂复习课，在第一轮新课教学中主要采取传统教学方法，因学生对“机构的应用”缺少感性认识，理解时表现出一定的难度。
本节课运用“多媒体”教学手段（更加直观）、采用“课堂自主—研究学习”的教学方法，力图使学生对本节内容的理解更加深入，掌握更加透彻！“教学目的”的制定：1、掌握铰链四杆机构的演化过程及演化机构的结构组成及运动原理（认知目标）；2、培养学生的观察能力、概括能力和自学能力，使他们能在实习或生产中解决相关的技术问题（能力目标）；3、激发学生学习兴趣，增进师生互动、交流、达到“教学相长”的效果，进行热爱专业的思想教育，培养学生理论联系实际地学习（情感目标）。
教学方法及手段的选择：本节课采取课堂自主——研究的教学方法，课前让学生先进行自学，课堂上教师对总的教学目标进行细化，在讲解每个知识点时，采用“引导教学法”代替传统的“填鸭式”，先示出引导问题，让每个学生通过思考解决问题，层层递进，逐个解决问题，然后教师对学生的思维进行总结、训练和拓展；为弥补学生想像能力的欠缺、增强学生学习的直观性，对铰链四杆机构的演化过程可采用flash软件制作课件，对演化机构的应用（结构组成和运动原理）可从Internet上搜索多种教学素材（录像、实物等），提高教学效果！教学过程如下：一、思维引入：1．铰链四杆机构三种基本类型及判断方式？2．急回特性判定及其应用意义？3．曲柄摇杆机构死点产生条件、位置、克服方法、应用？4．列举实际生产生活中三种典型铰链四杆机构的应用实例？还存在哪些其他形式的四杆机构？二、思维启发演绎：（一）曲柄滑块机构演化通过演示，让学生观察，分析曲柄滑块机构是曲柄摇杆机构的演化形式。
铰链四杆机构的基本型式及其演化
铰链四杆机构的基本型式及其演化作者：起雪梅来源：《科海故事博览·科教论坛》2011年第11期摘要：平面四杆机构属于连杆机构中的一种，应用极其广泛，而铰链四杆机构是平面连杆机构的基本形式。
本文主要对铰链四杆机构的三种基本形式及其演化形式进行介绍，阐述其各自的特点与应用。
关键字：曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构曲柄滑块机构导杆机构一、铰链四杆机构的基本型式构件间只有低副连接的机构称为连杆机构，也称为低副机构。
几个构件通过低副联接，且所有构件均做平行于某一平面的平面运动的机构称为平面连杆机构。
由四个构件（包括固定的机架）通过低副连接而成的平面连杆机构，则称为平面四杆机构。
它是组成多杆机构的基础，是平面连杆机构中最常见、最简单、应用最广泛的形式。
铰链四杆机构是所有运动副均为转动副的平面四杆机构，它是平面四杆机构最基本的形式，其它形式的平面四杆机构都是由它演化而来。
平面连杆机构具有润滑条件好、磨损较轻；构件结构简单，加工方便，工作可靠；由于组成运动副为低副，所以组成运动副的两构件之间为面接触，因而单位面积承受的压强小，可以承受较大载荷；根据不同的工作需要，能实现复杂的运动规律，获得多种运动轨迹；能方便的实现转动、摆动和移动等基本运动形式及之间的转换等优点。
但是也具有机构中各构件在运动时产生的惯性力不适用于高速的场合；低副中存在间隙会引起运动误差，设计计算比较复杂，整个机构存在较大的累积误差；累积误差又产生运动误差，不能准确反映机构运动要求，不能实现精确的运动规律等缺点。
这类机构常应用于各种机械、仪表和机电产品中。
如：搅拌机，电动刮水机，缝纫机踏板机构，机械筛，牛头刨床中的横向进给机构，汽车摇窗机，车门启闭机构等。
在铰链四杆机构中，它的组成非常简单，固定不动的杆称为机架，与机架相连的两杆称为连架杆，连接两连架杆的杆称为连杆。
若组成转动副的两构件能做整周相对转动，则称为整转副，否则成为摆动副。
若能作整周回转的连架杆（即与机架组成整转副的连架杆）称为曲柄，仅能做一定角度摆动的连架杆（既与机架组成摆动副的连架杆）称为摇杆。
铰链四杆机构的基本形式及演变
图6-4 插床六杆机构
机械设计基础
Machine Design Foundation
铰链四杆机机构构的的基组本成形式及演变
连杆与机架的长度相等、两个曲柄长度相等且转向相同 的双曲柄机构，称为平行四边形机构，如图6-5 （a），连 杆与机架的长度相等、两个曲柄长度相等但转向相反的双 曲柄机构，称为逆平行四边形机构，如图6-5（b）。常用 于多个平行轴间的传动，如图 含有一个移动副的四杆机构
1．曲柄滑块机构
图6-10中，构件3与机架4 用移动副相连、又与连杆2用转 动副相连，称为滑块。由曲柄、连杆、滑块和机架组成的 机构，称为曲柄滑块机构。滑块上转动副中心的移动方位 线通过曲柄转动中心的，见图6-10（c），称为对心曲柄滑
块机构；与曲柄转动中心有偏心距e的（图6-10d），称为 偏置曲柄滑块机构。H为滑块行程。
两个中心之间的距离称为偏心距，用e表示。
机械设计基础
Machine Design Foundation
铰链四杆机构的基本形式及演变
图6-16 偏心轮机构
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机械设计基础
图6-1 铰链四杆机构
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铰链四杆机构的基本形式及演变
1．曲柄摇杆机构 两连架杆分别为曲柄和摇杆的铰链四杆机构，称为曲 柄摇杆机构（图6-1）。它可将主动曲柄的连续转动，转 换为从动摇杆的往复摆动，如图6-2所示搅拌机机构的驱 动机构；也可将主动摇杆的往复摆动，转换为从动曲柄的 连续转动，如图6-3所示缝纫机的踏板机构。
机械设计基础
机械设计基础
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铰链四杆机构的基本形式及演变
1.1 铰链四杆机构的形式
四杆机构的基本型式及其演化w (1)
往复摆动 —— 摇杆
1、铰链四杆机构的基本型式
⑴.曲柄摇杆机构（以最短杆的邻边为机架）
①.特点：
☆ 两连架杆中一个为曲柄， 另一个为摇杆。
曲柄为主动件时， 曲柄的匀速转动
摇杆为主动件时， 摇杆变速往复摆动
摇杆变速往复摆动 曲柄的匀速转动
②.曲柄摇杆机构应用一——雷达天线俯仰机构 关键：以最短杆的邻边为机架
A
100
C
C 50 B
70 70
100
120
D A 60 D
50 C B
90
100
A
70
D
a）
b）
c）
d）
a) 40+110<70+90，又以最短杆为机架，则为双曲柄机构 b) 120+45<100+70,以最短杆邻边为机架，为曲柄摇杆机构 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，则为双摇杆机构
1.铰链四杆机构的优缺点
⑴优点： 磨损小，寿命长，传递动力大，制造简单， 制造精度较高。
原因：低副连接，面接触，压强小，便于润滑，磨损小，接触 面是圆柱面或平面，易制造，制造精度高
⑵缺点：运动累计误差大。
关键：低副连接(面接触)
第一节 平面机构的类型及其应用
一.铰链四杆机构
定义: 全由转动副构成的平面四杆机构 称为平面铰链四杆机构
关键：⑴ 对心曲柄滑块机构： ⑵ 偏置曲柄滑块机构：
e——偏距
2、导杆机构：
① L1＜ L2:机架短 曲柄转动导杆机构
② L1＞L2:机架短 曲柄摆动导杆机构
铰链四杆机构的演化
对心曲柄滑块机构
偏置曲柄滑块机构
e≠0,偏置曲柄滑块机构 e = 0,对心曲柄滑块机构
对心曲柄滑块机构 偏置曲柄滑块机构
曲柄摇杆机构
曲柄滑块机构
偏置曲柄滑块机构
对心曲柄滑块机构
曲柄滑块机构的应用——内燃机
曲柄滑块机构的应用 对心曲柄滑块机构 ——滚轮送料机
曲柄滑块机构的应用——冲压机
偏心轮机构
在曲柄滑块机构中,当曲柄较短时,往往用一个旋转中心 与几何中心不重合的偏心轮代替曲柄,
只能以曲柄为主动件
二、导杆机构
取曲柄滑块机构的原连架杆2为机架而得到的,原连杆3 为主动件,若l3 l2,导杆1作整（ZHOU）运动,称为转动导 杆机构；若l3 l2,导杆1作往复摆动,称为摆动导杆机构,
2
3
4
1
3 4
2
3
4
2 1
1
应用实例：回转式油泵 转动导杆机构 牛头刨床的主体机构 摆动导杆机构
曲柄导杆机构
转动导杆机构 摆动导杆机构 移动导杆机构 曲柄摇块机构
转动导杆机构: 应用:旋转式水泵
有急回特性,无死点
摆动导杆机构的应用——牛头刨床主运动机构 以曲柄为主动件有急回特性
移动导杆机构的应用——手动抽水机构 取曲柄滑块机构中的原滑块4为机架而得到的,当原曲柄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 或定块机构 ，
§5-3 铰链四杆机构的演化
• 演化的方法: 改变某些构件的形状、相对长度、选择
不同的构件作为机架
一、曲柄滑块机构： 当曲柄摇杆机构中的பைடு நூலகம்杆为无限长时,即为曲柄
滑块机构,具有一个移动副和三个转动副，
摇杆长 → ∞ → 直线 摇杆3 → 滑块
铰链四杆机构
2、图示：在机构简图中，小圆圈表示铰链，线段表示构件；带一组短斜线的线段或者两固定铰 链间的家乡连线，表示机构中固定不动的构件。
3、铰链四杆机构中各构件名称 机架：机构的固定构件，如杆4 。 连杆：不直接与机架连接的构件，如杆2。 连架杆：与机架用转动副相连接的构件，
机构两极限位置：
B1C1D C2B2A
双摇杆机构
由于曲柄是连架杆，整转副处于机架上，才能形成曲柄。所以，具有整转副的铰链四杆机构 是否存在曲柄，还应根据选择何杆为机架来判断。
铰链四杆机构类型的判断条件：
1 在满足杆长和的条件下： （1）取最短杆为机架时，机架上有两个整转副，该
机构为双曲柄机构。 （2）取最短杆的邻边为机架时，机架上只有一个整
转副，该机构为曲柄摇杆机构. （3）取最短杆的对边为机架时，机架上没有整转副，
该机构为双摇杆机构。
五、曲柄滑块机构及其演化形式 通过用移动副取代转动副、变更杆件长度，变更机架和扩大转动副等途径，可得到铰链四杆机构的其 它演化形式。
曲柄滑块机构： 改变构件的形状和运动副
双曲滑块机构的应用 内燃机气缸
平行双曲柄机构
反向双曲柄机构 连杆与机架的长度相等且两个曲柄长度相等，曲柄转向相反的双曲柄机构。
反向双曲柄机构
双曲柄机构的应用 惯性筛
天平
汽车车门启闭
火车驱动轮连动机构
三、双摇杆机构 两个连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。
B 1
2 C
3
A
D 4
铰链四杆机构中两连架杆均为摇杆。
铰链四杆机构
本节要点
1、铰链四杆机构的组成及基本形式。 2、曲柄摇杆机构 3、双曲柄机构 4、双摇杆机构
铰链四杆机构
• 曲柄滑块机构广泛应用于内燃机、 空压机 及冲床设备中 。
32
2.导杆机构
• 导杆机构可以看作是在曲柄滑块机构中选取不同 构件为机架演化而成 。
• 导杆——指在滑块中作相对移动的构件。 • 图1-28中，a：曲柄滑块机构
• 举例：雷达天线；缝纫机的踏板机构。
5
图1-17 雷达天线俯仰角调整机构
6
图1-18 缝纫机踏板机构
皮带轮
BA
C
踏板DBiblioteka 72. 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。
• 双曲柄机构的特点：能将等角速度转动变为周期 性变角速度转动 。 通常主动曲柄作等速转动，从 动曲柄作变速转动 。
课题二 常用设备的平面连杆机 构形式分析
一、铰链四杆机构的基本形式 二、 铰链四杆机构曲柄存在的条件 三、 铰链四杆机构的演化
1
一、铰链四杆机构的基本形式
• 全部由回转副组成的平面四杆机构称为铰 链四杆机构。
2
• 组成：
① 机架---机构的固定件 4 ； ② 连架杆--与机架用转动副相连接的杆 1 和杆 3 ； ③ 连杆---不与机架直接连接的杆 2 。
37
图 1-31 自卸卡车翻斗机构及其运动简图
38
4.定块机构
• 在图 1-28 （ a ） 所示曲柄滑块机构中，若 取杆 3 为固定件，即可得图 1-28 （ d ）所 示的固定滑块机构或称定块机构 。 这种机 构常用于如图 1-32 所示抽水唧筒等机构中 。
39
图 1-32 所示为抽水唧筒机构
铰链四杆机构的演化形式
包括机架、连杆、主动件和从动件。其中，机架是固定不动 的构件，连杆是连接主动件和从动件的构件，主动件是驱动 机构运动的构件，从动件是随主动件运动而运动的构件。
运动特性分析
01
02
03
运动形式
铰链四杆机构可实现多种 运动形式，如转动、摆动 、移动等。
运动规律
机构运动过程中，各构件 的角位移、角速度和角加 速度等运动参数遵循一定 的规律变化。
结构特点与工作原理
结构特点
复合铰链四杆机构由两个或两个以上的基本铰链四杆机构组合而成，通过共享一个或多个铰链点实现 联动。这种机构具有更高的复杂性和灵活性，能够实现更丰富的运动轨迹和输出特性。
工作原理
复合铰链四杆机构的工作原理与基本铰链四杆机构相似，都是基于铰链点的相对运动来实现力的传递 和运动的转换。但由于结构的复杂性，其运动学和动力学分析更为复杂，需要借助专业的设计软件进 行精确的计算和仿真。
设计复杂度高
复合铰链四杆机构的设计涉及多个基本机构的组合和优化，设计 过程相对复杂，需要较高的专业知识和经验。
制造成本高
由于结构的复杂性和高精度要求，复合铰链四杆机构的制造成本相 对较高。
运动学和动力学分析困难
复合铰链四杆机构的运动学和动力学分析涉及多个基本机构的相互 作用和影响，分析过程相对困难。
VS
工作原理
当主动摇杆绕固定铰链转动时，通过连杆 的传动作用，使从动摇杆也绕固定铰链作 相应转动。双摇杆机构具有急回特性，即 主动摇杆等速转动时，从动摇杆的角速度 在回程中比往程中快。
优缺点分析
优点
双摇杆机构具有结构紧凑、传动效率高、承载能力强等优点。同时，由于具有急回特性，因此适用于需要快速返 回的应用场合。
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（4）应用实例：
内燃机（以滑块为主动件）
（4）应用实例：
冲压机
二、改变构件的形状
1.偏心轮机构
在对心曲柄滑块机构中，如果需要滑 块行程H很短时，则曲柄长度相应也 要变短，为了便于制造，常使用偏心 轮的偏心距e来代替曲柄长度。这种 机构称为偏心轮机构。
观察图中的铰链四杆机构，若取AD为机架，
如果AB=40mm,BC=60mm，CD=50mm;
机架长度可以改变，则AD的取值范围和机
构类型？
解： 1.若AD为最短杆，则X+60≤40+50
60
C
∴ 0<X≤30mm
B
机构为双曲柄机构
2.若AD为最长杆，则X+40≤60+50
50
∴50mm≤X≤70mm
摇块机构应用——自动卸料机构
3、定块机构
定块机构（3滑块固定）----1往复 摆动，导杆往复移动
定块机构应用——抽水机来自1、铰链四杆机构的演化方法有哪些？
主要演化方法： （1）将转动副变成移动副 （2）变换机架
2、铰链四杆机构的演化种类有哪些？
曲柄滑块机构、导杆机构、摇块 机构、定块机构。
L1>L2，摆动导杆机构
导杆机构（1固定）----2主动，滑块 沿导杆移动
L1<L2，转动导杆机构
摆动导杆机构
摆动导杆机构应用——牛头刨床
牛头刨床演示.flv
摆动导杆机构应用——回转式油泵机构
转动导杆机构应用——小型刨床
2、摇块机构
摇块机构（2固定）-----1回转， 导杆相对滑块移动，滑块摇动
其工作原理与曲柄滑块机构相同，滑 块行程是偏心距的两倍，即H=2e。
注：一般情况下只能以偏心轮为主动件
偏心轮机构应用实例——破碎机
假如改变曲柄滑 块机构的机架，会变 成怎样呢？
三、选择不同构件作为机架
曲柄滑块机构取不同的构件为机架：
a）曲柄滑块机构（4导杆固定）----曲柄转动，滑块沿导杆移动 b）导杆机构（1固定）----2主动，滑块沿导杆移动，如回转式液压泵
机械基础
回顾上节课内容
曲柄摇杆机构
双摇杆机构
曲柄摇杆机构
曲柄摇杆机
双曲柄机构
§7－4 铰链四杆机构的演化
按照是否有曲柄存在,将铰链四杆机构分 为曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。 在生产实际中，除了这三种机构外，还广泛采用 其他形式的四杆机构，一般是通过改变铰链四杆 机构某些构件的形状、相对长度或选择不同的构 件作为机架等方式而成。这节课我们就一起来了 解一下铰链四杆机构的演化形式。
一、改变四杆机构的相对长度
曲柄摇杆→曲柄滑块的演变
一、改变四杆机构的相对长度
1.曲柄滑块机构
（1）由曲柄摇杆机构，将CD→无穷大，C点轨迹变成直线； （2）演化方法：将转动副→移动副；
摇杆变成沿 导轨往复移 动的滑块
（3）类型：
①对心曲柄滑块机构
②偏置曲柄滑块机构
图示的滑块中心移动轨迹通过曲柄 转动中心，称为对心曲柄滑块机构。 滑块行程是曲柄长度的两倍即H=2r； 机构无急回特性。
40
机构为曲柄摇杆机构
X
3.AD不是最短、最长杆，则40+60>X+50 A
D
∴30mm<X<50mm
机构为双摇杆机构
铰链四杆机构
一、改变四杆机构的相对长度
如果AB、BC的长度不变，而使摇杆的长度趋于 无穷大，则C点就不会再沿圆弧往复运动，而是 沿直线往复移动。
60 B
40 X
A
C 50 D
铰链四杆机构
c）摇块机构（2固定）-----1回转，导杆相对滑块移动，滑块摇动， 如自卸汽车 d）定块机构（3滑块固定）----1往复摆动，导杆往复移动，如抽水机
三、选择不同构件作为机架
1.导杆机构
导杆是机构中与另一运动构件组成移动副的构件。 连架杆中至少有一个构件为导杆的平面四杆机构称为导杆机构。 导杆机构可以看成是通过改变曲柄滑块机构中的固定件的位置演化 而来的。当曲柄滑块机构选取不同构件为机架时，会得到不同的导 杆类型。