机械原理高级篇5章_连杆机构分析与综合
机械原理课件第5章 连杆机构设计
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1）低副便于加工、润滑；构件间压强小、磨损小、承载能力大、寿长；2）连杆机构型式多样，可实现转动、移动、摆动、平面复合运动等运动形式间的转换。
如：锻压机肘杆机构，单侧曲线槽导杆机构，汽车空气泵，可变行程滑块机构，等。
一、平面连杆机构的优点和应用平面连杆机构:各构件全部用低副联接而成的平面机构（低副机构）.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。
曲柄滑块机构摆动导杆机构常见平面连杆机构：铰链四杆机构（雷达天线，飞剪，搅拌机）锻压机肘杆机构可变行程滑块机构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。
本章介绍四杆机构的分析和设计。
六杆机构及六杆机构的实际应用一、 铰链四杆机构的基本型式和应用铰链四杆机构：全部用回转副联接而成的四杆机构。
连架杆——与机架相联的构件；周转副——组成转动副的两个构件作整周相对转动的转动副；曲柄1——作整周定轴回转的构件；摇杆3——作定轴摆动的构件；转动副摆转副（C、D）周转副（A、B）铰链四杆机构分为：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。
1.曲柄摇杆机构铰链四杆机构中，若两连架杆中有一个为曲柄，另一个为摇杆，则称为曲柄摇杆机构。
实现转动和摆动的转换。
雷达天线俯仰机构缝纫机踏板机构应用（动画演示）：雷达天线俯仰角调整机构，飞剪机构，搅拌机构，摄影机抓片机构、缝纫机踏板机构等。
机械原理平面连杆机构分析与设计PPT教案
DD
曲柄：转过180°+θ，摇杆：C1D C2D， 时间：t1 , 平均速度：V1 ，则有：
t1 (180 ) / V1 C1C2 t1 C1C2 /(180 )
第20页/共87页
曲柄：转过180°-θ，摇杆：C2D C1D， 时间：t2 , 平均速度：V2 ，则有：
t2 (180 ) / 因曲柄转角不同，故摇杆来回摆动 的时间不一样，平均速度也不等。
b≤(d – a)+ c
a+ b ≤ c + d
将以上三式两两相加得：
a≤ b
a≤c
a≤d
b C’ b c
AB为最短杆 若设a>d，同理有：
d≤a, d≤b, d≤c
B’
a
Aa
B” d
d+a
作者：潘存云教授
d -a
AD为最短杆 连架杆a或机架d中必有一个是最短杆
第17页/共87页
C”
c
D
曲柄存在的条件：
方向：p b 方向：a b
第32页/共87页
C
vB
B
a
p b
2) 加速度关系
设已知角速度ω，A点加速度和aB的方向
A B两点间加速度之间的关系有：
大小： 方向：
aB＝aA + anBA+ atBA
? √ ω2lAB ? √ √ BA ⊥BA
选加速度比例尺: μa m/s2/mm， 在任意点p’作图使 aA＝μap’a’
B
A C
D
第31页/共87页
1.同一构件上两点速度和加速度之间的关系 1) 速度之间的关系
VB＝VA+VBA
设已知大小：
连杆机构分析PPT课件
四、轨迹生成机构设计：实现预期轨迹 解析法：9个精确点位置 实验法：增加自由度或者减少约束，增加设计灵活度
第48页/共56页
有关平面连杆机构设计的参考资料
1. 张世民. 平面连杆机构设计. 高等教育出版社，1983：书中介绍了 平面连杆机构的设计方法，及给出了应用实例。
第3周作业(用图解法） 1. 习题2.13 －－刚体导引机构设计 2. 习题2.16 ——急回机构设计 3. 习题2.19 －－ 设计与分析题
第54页/共56页
第2周布置必修实验：
实验一：典型机构的运动与应用实例展示：开放性实验 （1学时） 开放时间：第3周周一、周二、周三
实验二：机构运动简图绘制（2学时） 实验时间：第5、6周。
2. 最短杆两端的转动副为整转副。
3. 此时，若以最短杆或其相邻杆作机架， 机构都存在曲柄。
4. 不满足杆长条件则没有整转副，不存在 曲柄，则是双摇杆机构。 以上为格拉霍夫定理
第9页/共56页
铰链四杆机构
以最短杆AB相邻构 件AD为机架
曲柄摇杆机构
以最短杆AB为机架
双曲柄机构
平行四杆机构
以最短杆AB对面构
第 2 章 连杆机构
。 若干刚性构件通过低副联接而成的机构，称为连杆机构
平面连杆机构：各运动构件均 在相互平行的平面内运动
空间连杆机构
第1页/共56页
2.1 平面连杆机构的类型
平面四杆机构的基本形式
C
机架： AD
连架杆： AB、CD 定轴转动
B
连杆： BC 平面一般运动
A
D
整转副： A、B 摆转副： C、D
机械原理-平面连杆机构的运动分析和设计
平面连杆机构的设计流程和方法
在这个部分中，我们将深入探讨平面连杆机构的设计，介绍流程和方法，提供实际案例分析，帮助您了解如何设 计成功的机械。
1.
需求分析
将客户的需求转化为机械设计
目标。
2.
构思和设计
基于机械原理构思和设计机械
装备支撑结构，并采用 CAD 软
件实施初始的草图或模型。
3.
材料选择
选择合适的材料和工艺，确保
结构和类型
平面连杆机构通常由零件精细制 造而成，以满足工业和商业目的 的要求。
工程应用
机械工程师们可以使用平面连杆 机构来完成各种复杂的任务，如 发动机和自动化流水线等。
日常应用
平面连杆机构可以进一步应用在 日常用品中，如钟表、洗衣机和 自动售货机等。
平面连杆机构的运动分析方法
在这个部分中，我们将探索平面连杆机构的运动学和动力学，介绍运动方程和速度方程，以及如何用数学 公式计算不同零件的运动和速度。
1 平衡条件
平衡是指物理系统中所有力和运动之间所需达到的状态，这是机械工程师需要考虑的重 要问题。
2 稳定性
稳定性是一个重要的物理学概念，涉及动量、速度和质量，能够帮助工程师在设计平面 连杆机构时考虑不同零件的状态和取向。
3 应用场景
平面连杆机构无处不在，具有开发良好设计的潜力，是自动化流水线的核心，也是钟表、 汽车和机器人的重要部分。
1
运动学
运动学研究物体运动的规律和运动参数，如位移、速度、加速度等。
2
动力学
动力学研究物体的运动状态和运动参数之间的关系，如动量、力和功等。
3
数值模拟
数字计算能够预测机械零件的运动，利用计算机模拟机械过程，提高设计效率。
机械原理+阶段练习二及答案(5-6)
华东理工大学网络教育学院机械原理课程阶段练习二（第5-6章）第五章平面连杆机构及其设计一：选择题1、铰链四杆机构存在曲柄的必要条件是最短杆与最长杆长度之和( A )其他两杆长度之和。
A <=；B >=；C > 。
2、当行程速度变化系数k B时，机构就具有急回特性。
A <1；B >1；C =1。
3、当四杆机构处于死点位置时,机构的压力角( B ).A.为0o;B.为90o;C.与构件尺寸有关.4、对于双摇杆机构,最短构件与最长构件长度之和( A )大于其余两构件长度之和.A.一定;B.不一定;C.一定不.5、若将一曲柄摇杆机构转化为双曲柄机构,可将( B ).A.原机构曲柄为机构;B.原机构连杆为机架;C.原机构摇杆为机架.6、曲柄摇杆机构处于死点位置时( B )等于零度.A.压力角;B.传动角;C.极位角.7、偏置曲柄滑动机构中,从动件滑动的行程速度变化系数K( A )1.A.大于;B.小于;C.等于.8、曲柄为原动件的曲柄摇杆机构, 若知摇杆的行程速比系数K=1.5,那么极位角等于( C ).A.18;B.-18;C.36;D.72.9、曲柄滑块机构的死点只能发生在( B ).A.曲柄主动时;B.滑块主动时;C.连杆与曲柄共线时.10、当曲柄为主动件时,曲柄摇杆机构的最小传动角 min总是出现在( C ).A.连杆与曲柄成一条直线;B.连杆与机架成一条直线时;C.曲柄与机架成一条直线.11、四杆机构的急回特性是针对主动件作( A )而言的.A.等速运动;B.等速移动;C.与构件尺寸有关.12、平面连杆机构的行程速比系数K值的可能取值范围是( C ).A 0≤ K≤1B 0≤ K≤2C 1≤ K≤3D 1≤ K≤213、摆动导杆机构,当导杆处于极限位置时,导杆( A )与曲柄垂直.A.一定;B.不一定;C.一定不.14、曲柄为原动件的偏置曲柄滑动机构,当滑块上的传动角最小时,则( B ).A.曲柄与导路平行;B.曲柄与导路垂直;C.曲柄与连杆共线;D.曲柄与连杆垂直.15、在曲柄摇杆机构中,若增大曲柄长度,则摇杆摆角将( A )A.加大;B.减小;C.不变;D.加大或不变.16、铰链四杆机构有曲柄存在的必要条件是（ A ）A.最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和B.最短杆与最长杆长度之和大于其他两杆长度之和C.以最短杆为机架或以最短杆相邻的杆为机架二：填空题1、平面四杆机构有无急回特性取决于极位夹角θ的大小.2、曲柄滑快机构，当以滑块为原动件时，可能出现死点。
连杆机构运动分析可编辑全文
同一构件上两点的加速度关系为： aB
aA
a
n BA
a
BA
a
n BA
为点B对点A的相对法向加速度
a
BA
为点B对点A的相对切向加速度
大小
a
n BA
2lAB
VB2A l AB
方向：沿着AB直线的方向，由
大小
aBA lAB
方向：垂直AB直线的方向，与
B点指向A点
瞬时的方向一致
机械原理
例1：如图所示，铰链四杆机构中，已知各构件的长度及构件1的位置、
机械原理
§3-8 平面机构的运动分析
§3-8-1 机构运动分析的目的和方法
1. 机构运动分析 是指对机构的位移、速度、和加速度进行分析。
机构分析的目的：设计新的机械，了解现有机械的运动性能 2. （1）机构进行位移分析或轨迹分析
（2）对机构进行速度分析 （3）对机构进行加速度分析 3、方法
研究平面运动分析的方法有：图解法、解析法、实验法
Vs2s1 s
2
P12 1
Vs3s1 3 31
P13
机械原理
反证法：假设构件2、3的瞬心 不在P12 、P13的连线上，而是位于 其它任一点S处，则根据相对
21
Vs2s1 s
2
速度瞬心定义：
Vs3s1 3 31
VS 2 VS3; 又VS 2 VS1 VS 2S1 VS3 VS1 VS3S1 则VS1 VS 2S1 VS1 VS3S1
1
A
2 2
1
2
E
C
3 3 3
D
b’c’e’与BCE相似， bce是BCE的加速 度影像
4
特点是：bce与BCE的转向相同
机械原理高级篇章连杆机构分析与综合
y 1
C
2
0.5x
C1
0.866y C1 1
（得4）到将（由n步-2）骤个(2)设求计得方的程xC。i、yCi （i=3,...,n)代入上式， （5）求解上述（n-2）个设计方程，即可求得未知量。
注意：共有2个未知量：xC1 、yC1 n=4（给定连杆4个位置）时可得一组确定解。
滑块的导路方向线与x轴的正向夹角为
tgδ y C2 y C1 xC2 xC1
1
cos θ1i sin θ1i 0 R1i
0
D1i sin θ1i cos θ1i
1
1 0 x Pi - x P1
D1i 0
1
y Pi
-
y P1
0 0 1
平移矩阵
xQi
xQ1
y Qi
D1i
y
Q1
1
1
(5—3)
旋转矩阵
二 刚体导引机构的运动设计
B的位移约束方程——定长方程为
(xBi-xA)2+(yBi-yA)2=(xB1-xA)2+(yB1-yA)2 (i=2,3,…n)
B1(xB1,yB1) 1
2
B2
12 i
1i
Bi
y
O
x
A(xA,yA)
R-R连架杆（导引杆）的设计步骤
（1）由连杆上给定的P点的位置xPi、yPi（i=1,2,...,n)和 1i=i - 1(i=2,3,…,n),求刚体(连杆)位移矩阵D1i。
2）实现已知轨迹问题 主要指设计轨迹生成机构的问题
2、设计方法 1）实验法
2）几何法 3）解析法
5—1 平面连杆机构解析综合
刚体导引机构的运动设计 轨迹生成机构的运动设计 函数生成机构的运动设计 平面多杆机构的设计
机械原理习题及答案：第5章--连杆
B
31 1
2
32
θ
B1 1 1 4
A
12
ω
B2
2
21
2
C
(b)
5-12 如图为开槽机上用的急回机构。原动件 BC 匀速转动，已知 a = 80mm ， b = 200mm ，
l AD = 100mm ， l DF = 400mm 。
（1） 确定滑块 F 的上、下极限位置； （2） 确定机构的极位夹角； （3） 欲使极位夹角增大，杆长 BC 应当如何调整？
5-21 设计一个偏心曲柄滑块机构。已知滑块两极限位置之间的距离 C1C 2 =50 ㎜，导路的偏 距 e=20 ㎜，机构的行程速比系数 K=1.5。试确定曲柄和连杆的长度 l AB , l BC 。
B A C2 C1
题图 5-21 解：行程速比系数 K=1.5，则机构的极位夹角为
e
θ = 180°
C B A D
5-10 图中的四杆闭运动链中，已知 a = 150mm ， b = 500mm ， c = 300mm ， d = 400mm 。欲设计一个铰链四杆机构，机构的输入运动为单向连续转动，确定在下列 情况下，应取哪一个构件为机架？①输出运动为往复摆动；②输出运动也为单向连续转动。
解：① 当输出运动为往复摆动时，机构应为曲柄摇杆机构，此时应取四杆中最短杆的相邻 杆，即 b 或 d 作为机架。 ② 当输出运动也为单向连续转动时， 机构应为双曲柄机构， 此时应取四杆中的最短杆， 即 a 作为机架。 5-11 在图 a、b 中， （1） 说明如何从一个曲柄摇杆机构演化为图 a 的曲柄滑块机构、再演化为图 b 的摆 动导杆机构； （2） 确定构件 AB 为曲柄的条件； （3） 当图 a 为偏置曲柄滑块机构，而图 b 为摆动导杆机构时，画出构件 3 的极限位
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
B
S1 P1 Pi
i
D
x
C
（一）、刚体导引机构运动设计
1、 R-R连架杆（导引杆）的位移约束方程 B的位移约束方程——定长方程为 (xBi-xA)2+(yBi-yA)2=(xB1-xA)2+(yB1-yA)2 (i=2,3,…n)
2、设计方法 1）实验法
2）几何法
3）解析法
5—1 平面连杆机构解析综合
刚体导引机构的运动设计 轨迹生成机构的运动设计 函数生成机构的运动设计
平面多杆机构的设计
一 刚体的位移矩阵
x Pi x P 1 cos θ 1 i y P 1 sin θ 1 i x O i y Pi x P 1 sin θ 1 i y P 1 cos θ 1 i y O i
（i=2,3,...,n)
而
x Bi y Bi 1
x B1 D 1i y B 1 1
x Ci y Ci 1
x C1 D 1i y C1 1
B2
B3
求(xC2 ,yC2)和(xC3 ,yC3)与(xC1 ,yC1)的关系
xC 2 xC1 y C 2 D 12 y C 1 1 1 xC 3 xC1 y C 3 D 13 y C 1 1 1
T
y C1
1 0 . 5791
T
2 . 4671
1
T
从而，滑块的导路方向线与x轴的正向夹角为
tan δ 3 . 3830 δ 73 . 53
tg
y C 2 y C1 x C 2 x C1
2、导引曲柄（R-R）设计
x B2 2 ( x Bi x A ) y B2 1
第五章 连杆机构的分析与综合
平面连杆机构运动设计的基本问题与方法
1、基本问题
尺度综合
平面连杆机构运动设计：在型综合的基础上，根据机构所 要完成的功能而提出的设计条件（运动条件，几何条件和传力 条件等），确定机构的运动学尺寸，画出机构运动简图。
1）实现已知运动规律问题 如实现刚体导引及函数生成功能， 或要求输出件具有急回特性等。 2）实现已知轨迹问题 主要指设计轨迹生成机构的问题
0 .5 0 . 866 0 1 . 366 1 1 . 634
0 . 866 0 .5 D 13 0 . 866 0 .5 0 0 B1
P1
P3
D 12
0 . 866 0 .5 0
P2 x A3 . 366
0 . 634 1
x Bi y Bi 1 x B1 D 1i y B1 1
P2 12 P1
Pi 1i
B2
Bi
B1(xB1,yB1)
（i=2,3,...,n)
y
O
x
A(xA,yA)
（3）根据导引杆的定长条件，得到导引杆的（n-1）个 约束方程为
（2）、讨论解 平面铰链四杆机构最多可 实现轨迹上9个给定点。
O
x
P-R连架杆（导引杆）的设计步骤
（1）由连杆上给定的P点的位置xPi、yPi（i=1,2,...,n)和 1i=i - 1(i=2,3,…,n),求刚体(连杆)位移矩阵D1i。
（2）求xCi、yCi （i=2,3,...,n)和xC1、yC1,之间的关系式为
x Ci y Ci 1 x C1 D y 1i C1 1
ห้องสมุดไป่ตู้
x C 2 0 . 866 x C 1 0 . 5 y C 1 1 . 634 y 0 . 5 x 0 . 866 y 1 . 366 C2 C1 C1 1 1
x C 3 0 . 5 x C 1 0 . 866 y C 1 3 . 366 y 0 . 866 x 0 . 5 y 0 . 634 C3 C1 C1 1 1
Pi Pi
三
要求设计四杆机构。 1、平面铰链四杆轨迹生成机构
（1）、根据定长条件，建立 一组约束方程：
B1
Bi
A
D
O
x
2 2 2 2 ( x Bi x A ) ( y Bi y A ) ( x B 1 x A ) ( y B 1 y A ) 2 2 2 2 ( x Ci x D ) ( y Ci y D ) ( x C 1 x D ) ( y C 1 y D )
2、P-R连架杆（导引杆）的位移约束方程 C点的位移约束方程——定斜率方程为：
y Cj y C 1 x Cj x C 1 yC 2 yC 1 xC 2 xC1 ( j 3 , 4 ,..., n )
Pj B1 A P1 S1 P2 S2 C2
12
Sj Cj
1j
y
C1(xC1,yC1)
x Qi y Qi 1 x Q1 D 1i y Q 1 1
(5—3)
刚体位 移矩阵
cos θ 1 i sin θ 1 i D 1 i sin θ 1 i cos θ 1 i 0 0
x pi x p 1 cos θ 1 i y p 1 sin θ 1 i y pi x p 1 sin θ 1 i y p 1 cos θ 1 i 1
x B3 0 . 5 x B 1 0 . 866 y B 1 3 . 366 y 0 . 866 x 0 . 5 y B 1 0 . 634 B3 B1 1 1
取曲柄固定铰链中心A=[0,-2.4]T
1 . 9320 x B 1 2 . 3216 y B 1 1 . 0104 4 . 310 x B 1 3 . 7980 y B 1 7 . 3876
D1i
cos θ 1 i sin θ 1 i 0
sin θ 1 i 0 R 1 i cos θ 1 i 0 0 1 0
0
0 0 1
旋转矩阵
D 1i
1 0 x Pi - x P1 0 1 y Pi - y P1 0 0 1
2
12
B1(xB1,yB1) 1
B2
i
1i
Bi
y
O
x
A(xA,yA)
R-R连架杆（导引杆）的设计步骤
（1）由连杆上给定的P点的位置xPi、yPi（i=1,2,...,n)和 1i=i - 1(i=2,3,…,n),求刚体(连杆)位移矩阵D1i。 （2）求xBi、yBi （i=2,3,...,n)和xB1、yB1,之间的关系式为
( x Bi x A ) ( y Bi y A ) ( x B 1 x A ) ( y B 1 y A )
2 2 2 2
（i=2,3,...,n)
（4）将由步骤(2)求得的xBi、yBi （i=2,3,...,n)代入上式， 得到（n-1）个设计方程。 （5）求解上述（n-1）个设计方程，即可求得未知量。 注意：共有4个未知量：xA、yA、 xB1 、yB1 n=5（给定连杆五个位置）时可得一组确定解。
x B 1 7 . 8630 y B 1 6 . 9877
y
由上述计算结果可计算出各构件相对尺寸为： C1 2 2 C3 l BC ( x B 1 x C 1 ) ( y B 1 y C 1 ) 13 . 8527 P1 P3 C2
l AB (x B1 x A1 ) (y B1 y A1 )
（i=2,3,...,n)
（3）根据定斜率条件得到（n-2）个约束方程为
y Ci y C 1 x Ci x C 1 yC 2 yC 1 xC 2 xC1
（i=3,4,...,n)
（4）将由步骤(2)求得的xCi、yCi （i=3,...,n)代入上式， 得到（n-2）个设计方程。
D 1i
C cos θ 1 i sin θ 1 i x pi x p 1 cos θ 1 i y p 1 sin θ 1 i 1 C3 sin θ 1 i cos θ 1 i y pi x p 1 sin θ 1 i y p 1 cos θCi 1 2 0 0 1
θ θ i θ
1i
1
1i逆时针方向为正！
x O i x Pi x P 1 cos θ 1 i y P 1 sin θ 1 i y O i y Pi x P 1 sin θ 1 i y P 1 cos θ 1 i
(a)
x Qi x Q 1 cos θ 1 i y Q 1 sin θ 1 i x O i y Qi x Q 1 sin θ 1 i y Q 1 cos θ 1 i y O i
（5）求解上述（n-2）个设计方程，即可求得未知量。 注意：共有2个未知量：xC1 、yC1 n=4（给定连杆4个位置）时可得一组确定解。
滑块的导路方向线与x轴的正向夹角为
tg δ y C 2 y C1 x C 2 x C1
例1 设计一曲柄滑块机构，要求能导引连杆平面通过以 下三个位置：P1(1.0,1.0); P2(2.0, 0); P3(3.0, 2.0), 12=30°， 13=60°。 y 解 1、导引滑块（P-R导引杆）设计 根据已知条件, 求刚体位移矩阵D12，D13: