平面四杆机构的演化形式
孙恒《机械原理》(第八版)学习辅导书第8章 连杆机构及其设计【圣才出品】
第8章 连杆机构及其设计8.1 复习笔记本章主要介绍了平面四杆机构的类型及演化、基本知识和设计（作图法和解析法）。
学习时需要重点掌握不同条件下连杆机构的设计（作图法），常以分析作图题的形式考查。
除此之外，铰链四杆机构有曲柄的条件、急回运动、行程速度变化系数、传动角、死点等内容，常以选择题、填空题和判断题的形式考查，复习时需要把握其具体内容，重点记忆。
一、连杆机构及其传动特点（见表8-1-1）表8-1-1 连杆机构及其传动特点二、平面四杆机构的类型及应用1．四杆机构的基本形式（1）基本构架铰链四杆机构是平面四杆机构的基本形式，如图8-1-1所示。
台图8-1-1该机构各部分名称及含义见表8-1-2。
表8-1-2 铰链四杆机构（2）平面四杆机构的类型（见表8-1-3）表8-1-3 平面四杆机构的类型2．平面四杆机构的演化形式（1）改变构件的形状和运动尺寸如图8-1-2所示，曲柄摇杆机构中，将摇杆做成滑块形式，并将摇杆的长度增至无穷大，则演化成为曲柄滑块机构；曲柄滑块机构进一步演化为双滑块机构。
图8-1-2（2）改变运动副的尺寸通过改变运动副的尺寸，平面四杆机构可演化成具有其他特点功能的机构，如偏心轮机构。
将图8-1-3（a ）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AB 的长度，便得到如图8-1-3（b ）所示的偏心轮机构。
图8-1-3（a）图8-1-3（b）（3）选用不同的构件为机架机构的倒置指选择运动链中不同构件作为机架以获得不同机构的演化方法，如图8-1-4所示。
图8-1-4 曲柄滑块机构的倒置（4）运动副元素的逆换将移动副两元素的包容关系进行逆换，并不影响两构件之间的相对运动，但却能演化成不同的机构或机构结构形式。
三、平面四杆机构的基本知识1．铰链四杆机构有曲柄的条件（见表8-1-4）表8-1-4 铰链四杆机构有曲柄的条件2．铰链四杆机构的急回运动和行程速度变化系数（见表8-1-5）表8-1-5 铰链四杆机构的急回运动和行程速度变化系数图8-1-5 四杆机构的极位夹角3．铰链四杆机构的传动角和死点（见表8-1-6）表8-1-6 铰链四杆机构的传动角和死点。
机械基础(高职高专)第一章--常用机构
B2 C3
1 A
自用盘编号JJ321002
例题
2 1
复
7 3
56 4
局
F＝3n－2PL－PH ＝3 7－2 9 －1
＝2
F＝3n－2PL－PH ＝36－2 8－ 1
＝1
8
9
例题
6
7
5
局
8
4
3
2 1
第二节 平面连杆机构
平面连杆机构——由若干个构件通过平面低副(转动副和移 动副)联接而构成的平面机构，也叫平面低副机构。
解决方法：计算时应将构件3及其引入的 约束去掉来计算
同理，也可将构件4当作虚约束，将构件 4及其引入的约束去掉来计算，效果完全 一样
3
C(C2,C3)
2B
1
D
A 4
F＝3n－2PL－PH ＝3 3－2 －4 0 ＝1
平行四边形机构
b、 两构件某两点之间的距离在运动中保持不变 时
在这两个例子中，加与不加红色构件MN效果完全一样，为 虚约束
＝1
＝2
＝1
F=3n-2PL-PH
=32-23 -0 =0
三个构件通过三 个转动副相连, 相 当于一个构件。
4.机构(运动链)具有确定相对运动的条件
有一个机架 自由度大于零（F>0） 原动件数 =自由度数
（通常，原动件为含低副构件且与机架相连, 只有一个自由度。）
●
5.注意事项
（1）复合铰链 —计算在内 要正确计算运动副数目
平面运动的一个转动副或一个移动副引入两个约 束，保留一个自由度。
一个平面高副引入一个约束，保留两个自由度。 综上所述，平面机构中： 每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度； 每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度。
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
4四杆机构2
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特点：可以实现转动和往复移动的变换。
应用：活塞式内燃机、空气压缩机、冲床等机械等。
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）
为原动件绕点转动时，滑块
或称为摆动滑块机构。
应用：各种摆动式原动机和工作机中。
摆缸式液压泵、卡车车箱自动翻转卸料机构。
应用实例：手压抽水机、抽油泵等。
四杆机构存在曲柄的条件和几个基本概念
二、平面四杆机构的运动特性
1、平面四杆机构的极位
曲柄摇杆机构、摆动导杆机构和曲柄滑块机构中，当曲柄为原动件时，从动件往复摆动或往复移动，存在左、右两个极限位置，称为极位。
机构工作件返回行程速度大于工作行程的特性。
返回行程时：V2=C1C2/t2
为了表示工作件往复运动时的急回程度，用V2和V1的比值K来描述。
θ+0
180
在不计摩擦力、惯性力和重力时，从动件所受的力
t=Fcosa
r=Fsina a愈小，机构传动性能愈好。
连杆与从动件所夹的锐角γ。
γ=90°-a，γ越大，机构的传动性能越好，设计时°，对于高速大功率机械应使γ≥50。
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
§8—2平面四杆机构的类型及应用
图8-3
振动筛机构
在双曲柄机构中，有两种特例： 1）平行四边形机构：其相对两杆平行且相等，如图8-7a 所示。
其运动特性是：
①两曲柄作等速同向转动； ②连杆作平移运动。
图8-7a
应用实例： 图8-8所示的机车车轮的联动机构就利用了特性① ；
图8-8
如图所示的摄影平台升降机构和图8-9 b所示的播种 机料斗机构则是利用了特摇杆长度相等。 图8-12b所示的汽车、拖拉机前轮的转向机构。
图8-12b
二、平面四杆机构的演化型式
(Evolution of Planar Four-bar Linkage)
1、四杆机构演化的目的： 满足运动方面的要求、改善受力状况、满足结构设 计上的要求。 2、四杆机构的演化方法： 1）改变构件的形状和运动尺寸
在图8－14，b所示的曲柄滑块机构中，B点相对于C 点的运动轨迹是αα。
连杆2做成滑块
αα 做成导轨
图8－14 b）
曲柄滑块机构 演化
图8－15 a） 双滑块机构
连杆长→∞，
αα →直线
图8－15 b）
正弦机构s=LABsinψ
2）改变运动副的尺寸
扩大转动副B的半径
使之超过曲柄的长度
图8－16 a） 图8－16 b） 演化 偏心轮机构
摇杆3做成滑块 ββ做成导轨
具有曲线导 轨的曲柄滑 块机构
图8－13 a ）
图8－13 b ）
图8－13 a ）
摇杆长→∞, ββ →直线 摇杆3 →滑块， 转动副D →移动副 偏置(eccentric or e≠0
offset)
对心(in-line) e=0 图8－14 曲柄滑块机构
曲柄滑块机构(slider-crank mechanism)常用在冲床、 内燃机、空压机等机械中。
平面四杆机构的基本类型及应用-精品文档
图3－16b
图3－19
图3－20
• 若选用曲柄滑块机构中滑块3作机架（图316c），即演化成移动导杆机构（或称定块 机构）。 • 它应用于手摇卿筒（图3—21）和双作用式 水泵等机械中。
图3—21
图3-16c
（3）变化双移动副机构的机架
• 在图3-15和图3-22a所示的具有两个移动副的四杆机 构中，是选择滑块4作为机架的，称之为正弦机构， 这种机构在印刷机械、纺织机械、机床中均得到广 泛地应用，例如机床变速箱操纵机构、缝纫机中针 杆机构（图3—22d）；
铰链四杆机构可分为以下三种类型
1、曲柄摇杆机构
• 铰链四杆机构的两连架杆中一个能作整 周转动，另一个只能作往复摆动的机构。
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。
• 在双曲柄机构中，若相对两杆平行相 等，称为平行双曲柄机构（图3－9）。 这种机构的特点是其两曲柄能以相同 的角速度同时转动，而连杆作平行移 动。图3－10a所示机车车轮联动机构 和图3－10b所示的摄影平台升降机构 均为其应用实例。
图3-15
图3—22
• 若选取构件1为机架（图3－22b）， 则演化成双转块机构，它常应用 作两距离很小的平行轴的联轴器， 图3-22e所示的十字滑块联轴节为 其应用实例；
图3－22b
图3-22e
• 当选取构件3为机架（图3－22c）时， 演化成双滑块机构，常应用它作椭圆 仪（图3—22f）。
图3－22
图 3－11
3、双摇杆机构
双摇杆机构:铰链四杆机构中的两连架杆均不能作 整周转动的机构。
如 图 3 － 12 所 示 鹤 式 起 重 机 的 双 摇 杆 机 构 ABCD，它可使悬挂重物作近似水平直线移动， 避免不必要的升降而消耗能量。在双摇杆机构 中，若两摇杆的长度相等称等腰梯形机构，如 图3—13中的汽车前轮转向机构。
机械设计2-1分析平面四杆机构的运动特性
（2）当分别取构件AB、BC、CD为机架时，各将得到什么机构？
解：（1）当AD杆为机架时，最短杆 为连杆BC。最短杆并非是机架或连架 杆，所以该机构为双摇杆机构。
（2）由50+120>72+96，可知，此 机构不满足曲柄存在的杆长之和条件 。故，无论取何构件为机架，该机构 均为双摇杆机构。
搅拌机
雷达天线俯仰机构
天线
2C
3
1
BA
4
D
曲柄摇杆机构
1-曲柄、2-连杆、3-摇杆、4-机架
缝纫机脚踏机构
铰链四杆机构应用实例
(2)双曲柄机构
含义：两连架杆BC、AD均为曲柄
a) 一般双曲柄机构：BC≠AD 应用实例：惯性筛
2 3
1 4
双曲柄机构
铰链四杆机构应用实例
b)特例
平行四边形机构（反向平行四边形）BC=AD、AB=CD
3、图示铰链四杆机构中，已 知AB，BC,CD,AD 的长度如 图所标，单位为毫米，其中 AD为机架，试问，该四杆机 构有曲柄吗？如果存在，指出 是什么机构？
曲柄存在条件例子
解：由曲柄存在的条件可知， 若该四杆机构满足杆长之和条件，且有最短杆，那么该四杆 机构就有曲柄。故列以下式子： 最短杆+最长杆：200+450=650 其他两杆之和： 300+400=700 显然，该四杆机构满足杆长之和条件，故有曲柄。 若以AD为机架，则该机构为曲柄摇杆机构。
曲柄存在条件例子
1、图示铰链四杆机构中，已知各杆的长度如图所标，单 位为毫米，试问，该四杆机构有曲柄吗？如果存在，指出 是什么机构？
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平面四杆机构的演化形式
一、引言
平面四杆机构是一种常见的机械构件，用于将旋转运动转换为直线运动或者反之。
它由四个连接件（称为杆）组成，通过铰链或者滑动配合连接在一起。
平面四杆机构广泛应用于机械工程、自动化控制领域等。
本文将深入探讨平面四杆机构的演化形式，从最早的简单结构到如今的复杂应用。
二、早期平面四杆机构
早期的平面四杆机构结构相对简单，常见的形态有曲柄摇杆机构、双曲柄机构等。
这些机构通常由一个旋转的曲柄（Crank）和三个连接杆组成。
其中一个杆被固定
在机构的框架上，另外三个杆通过铰链连接在一起。
1. 曲柄摇杆机构
曲柄摇杆机构是最早的平面四杆机构形式之一。
它由一个旋转的曲柄、一个摇杆和两个连接杆组成。
曲柄固定在机构的框架上，摇杆通过一个铰链连接在曲柄上，而两个连接杆分别连接在摇杆的另外两个端点上。
当曲柄旋转时，摇杆会做往复运动，将旋转运动转化为直线运动。
2. 双曲柄机构
双曲柄机构是另一种常见的平面四杆机构形式。
与曲柄摇杆机构不同，双曲柄机构有两个旋转的曲柄，分别连接在两个摇杆上。
双曲柄机构具有更复杂的运动轨迹，可用于实现更多种类的运动转换。
三、现代平面四杆机构
随着科技的进步和工程技术的发展，现代平面四杆机构的结构越来越复杂，应用领域也更加广泛。
1. 四杆机构的运动学分析
现代平面四杆机构通常通过运动学分析来确定机构的运动特性。
运动学分析主要包括位置、速度和加速度的求解。
通过建立几何模型、运动学方程和约束方程，可以获得四杆机构各部分的运动规律。
2. 发展趋势：平面四杆机构的复杂化
现代平面四杆机构的发展趋势是越来越复杂。
研究人员通过改变连接杆的长度、形状等参数，设计出更多种类的平面四杆机构，以满足不同的工程需求。
同时，运用计算机辅助设计和优化算法，优化机构的结构和性能，提高机构的工作效率和精度。
3. 平面四杆机构在机械工程中的应用
平面四杆机构在机械工程中有着广泛的应用。
例如，它可以用于实现柔顺的运动传递、连杆机构的传动和控制等。
同时，它也被应用于机器人技术领域，用于实现机器人的运动和操作。
四、总结
平面四杆机构是一种重要的机械构件，它可以将旋转运动转换为直线运动，或者将直线运动转换为旋转运动。
早期的平面四杆机构结构相对简单，随着科技的进步，现代平面四杆机构的结构和应用变得越来越复杂。
通过运动学分析和优化设计，平面四杆机构的性能得到了大幅提升。
未来，随着科技的不断发展，平面四杆机构将在更多领域展现其优势和应用价值。