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1、第第8 8章章 平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计 8.1 连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点8.2 平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用8.3 平面四杆机构的基本知识平面四杆机构的基本知识8.4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计8.5 多杆机构简介（自学）多杆机构简介（自学）机械原理沈阳航空工业学院 连杆机构常用其所含的杆数而命名，故此类机构统称为连杆机构。8.1 8.1 连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点连杆机构连杆机构曲柄滑块机构摆动导杆机构此类机构的共同特点：l机构的原动件1和从动件3的运动都需要经过连杆2来传动。l机构中的运动副一般均为低副。故此类机

2、构也称低副机构。l连杆机构中的构件多呈现杆的形状，故有四杆机构、六杆机构等。铰链四杆机构 故常称构件为杆。连杆（连杆（coupler)：不直接与机架相联的中间构件：不直接与机架相联的中间构件机械原理沈阳航空工业学院 构件多呈现杆的形状；可实现多种运动变换和运动规律；连杆曲线形状丰富，可满足各种轨迹要求。缺点：运动链长，累积误差大，效率低；惯性力难以平衡，动载荷大，不宜用于高速运动；一般只能近似满足运动规律要求。传动特点传动特点 运动副一般为低副；优点：机械原理沈阳航空工业学院8.2 平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用1.1.四杆机构的类型四杆机构的类型（1）基本型式铰链四杆机构等

3、腰梯形机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构平行四边形机构逆平行四边形机构机架机架:4连架杆：曲柄连架杆：曲柄1 摇杆摇杆3连杆连杆:2周转副：周转副：A B 摆转副摆转副:C D曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构(crank-rocker mechanism)机械原理沈阳航空工业学院双曲柄机构双曲柄机构(double crank mechanism)铰链四杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构平行四边形机构反平行四边形机构机械原理沈阳航空工业学院反平行四边形机构反平行四边形机构机械原理沈阳航空工业学院铰链四杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构(double rocker mecha

4、nism)等腰梯形机构等腰梯形机构机械原理沈阳航空工业学院8.2 平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用1.1.四杆机构的类型四杆机构的类型（1）基本型式铰链四杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构（2）演化形式 其他型式的四杆机构可以认为是由基本型式的四杆机构演化而来的，其演化方法有：1）改变构件的形状及运动尺寸机械原理沈阳航空工业学院（2）演化形式1）改变构件的形状及运动尺寸机械原理沈阳航空工业学院曲柄滑曲柄滑块机构块机构偏心轮偏心轮机构机构2）改变运动副的尺寸（2）演化形式1）改变构件的形状及运动尺寸偏心轮机构双偏心轮机构滑块内置式偏滑块内置式偏心轮机构心轮机构曲柄摇杆机构机械

5、原理沈阳航空工业学院铰链四杆机构的倒置曲柄滑块机构的倒置3）选用不同的构件为机架（即机构的倒置）曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构曲柄滑块机构ABC为回转导杆机构为回转导杆机构ABC为摆动导杆机构为摆动导杆机构机械原理沈阳航空工业学院曲柄滑块机构机械原理沈阳航空工业学院曲柄滑块机构机械原理沈阳航空工业学院铰链四杆机构的倒置曲柄滑块机构的倒置双滑块机构的倒置3）选用不同的构件为机架（即机构的倒置）正弦机构双滑块机构双转块机构以构件2或4为机架机械原理沈阳航空工业学院4）运动副元素的逆换2.2.四杆机构的应用四杆机构的应用（1）基本型式四杆机构的应用（2）演化型式四杆机构的应用3）选用不

6、同的构件为机架（即机构的倒置）（2）演化形式1）改变构件的形状及运动尺寸2）改变运动副的尺寸a)构件构件2包容包容3b)构件构件3包容包容2机械原理沈阳航空工业学院8.3 平面四杆机构的基本知识平面四杆机构的基本知识1.1.铰链四杆机构有曲柄的条件铰链四杆机构有曲柄的条件 最短杆长度最长杆长度其余两杆长度之和；组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。（1）周转副的条件其中第一个条件称为杆长条件。机械原理沈阳航空工业学院1.1.铰链四杆机构有曲柄的条件铰链四杆机构有曲柄的条件（2）铰链四杆机构有曲柄的条件 最短杆为连架杆或机架。例:铰链四杆机构（1）周转副的条件1）各杆长度满足杆长条件 各杆长度应

7、满足杆长条件；2）各杆长度不满足杆长条件结论：如果铰链四杆机构各杆长度满足杆长条件，当最短杆为连架杆时，则机构为曲柄摇杆机构；当最短杆为机架时，则机构为双曲柄机构；当最短杆的相对杆为机架时，机构为双摇杆机构。如果各杆长度不满足杆长条件，则机构无周转副，此时不论以何杆为机架，机构均为双摇杆机构。机械原理沈阳航空工业学院例:偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构有曲柄的条件：连架杆长度偏距连杆的长度；连架杆为最短杆。对心曲柄滑块机构有曲柄的条件：连架杆长度连杆的长度；连架杆为最短杆。机械原理沈阳航空工业学院2.2.急回运动和行程速度变化系数急回运动和行程速度变化系数（1）急回运动 当主动件曲柄等速转动时

8、，从动件摇杆摆回的平均速度大于摆出的平均速度，摇杆的这种运动特性称为急回运动。（2）行程速度变化系数Kv2v1K=180 180=结论且 角越大，K值越大，机构的急回性质也越显著。小型刨床机构当机构存在极位夹角 时，机构便具有急回运动特性；对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构11180 kk 机械原理沈阳航空工业学院 连杆BC与从动件CD之间所夹的锐角 称为四杆机构在此位置的传动角,且 90 90 最小传动角的确定：对于曲柄摇杆机构，min出现在主动件曲柄与机架共线的两位置之一。为了保证机构传力性能良好，应使min40 50。3 3四杆机构的传动角四杆机构的传动角Transmission angl

9、e of four-bar linkages 对于曲柄摇杆机构，以摇杆CD为主动件，则当连杆与从动件曲柄共线时，机构的传动角0，这时主动件CD 通过连杆作用于从动件AB上的力恰好通过其回转中心，出现了不能使构件AB 转动的“顶死”现象，机构的这种位置称为“死点”。4.4.死点死点曲柄滑块机构摆动导杆机构曲柄摇杆机构机械原理沈阳航空工业学院（1）克服死点的方法 1）利用安装飞轮加大惯性的方法，借惯性作用使机构闯过死点。2）采用将两组以上的同样机构组合使用，且使各组机构的死点位置相互错开排列的方法。（2）死点的应用飞机起落架收放机构折叠式桌的折叠机构夹具夹具机械原理沈阳航空工业学院5.铰链四杆机构

10、的连杆曲线铰链四杆机构的连杆曲线 在四杆机构运动时，其连杆平面上的每一点均描绘出一条在四杆机构运动时，其连杆平面上的每一点均描绘出一条曲线，称为连杆曲线曲线，称为连杆曲线(coupler curves)B型型水滴型水滴型面包型面包型瘦长型瘦长型伪椭圆型伪椭圆型三角型三角型单直线型单直线型机械原理沈阳航空工业学院6连杆机构的运动连续性连杆机构的运动连续性 机械原理沈阳航空工业学院8.4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计1.连杆机构设计的基本问题连杆机构设计的基本问题流量指示机构牛头刨床机构（2）满足预定的连杆位置要求 连杆机构设计的基本问题是根据给定的要求选定机构的型式，确定各构件的尺寸，同

11、时还要满足结构条件、动力条件和运动连续条件等。（1）满足预定的运动规律的要求即满足两连架杆预定的对应位置要求（又称实现函数的问题)；即要求连杆能占据一系列预定位置小型电炉炉门的开闭机构满足给定行程速比系数K的要求等。（又称刚体导引问题）。机械原理沈阳航空工业学院（3）满足预定的轨迹要求 图解法、解析法和实验法。即要求在机构的运动过程中，连杆上某些点的轨迹能满足预定的轨迹要求。鹤式起重机搅拌机构连杆机构的设计方法有：2.用解析法设计四杆机构用解析法设计四杆机构（1）按预定的运动规律设计1）按预定的两连架杆对应的位置设计2）按期望函数设计四杆机构（2）按预定的连杆位置设计（3）按预定的运动轨迹设计

12、例1 例2机械原理沈阳航空工业学院3、作图法设计四杆机构、作图法设计四杆机构(3)(2)(1)按连杆预定位置设计四杆机构按连杆预定位置设计四杆机构(1)按连杆预定位置设计四杆机构按连杆预定位置设计四杆机构b）已知连杆三个预定位置）已知连杆三个预定位置1)假设活动铰链假设活动铰链B、C已知，求固定铰链已知，求固定铰链A、Da）已知连杆两个预定位置）已知连杆两个预定位置c）已知连杆四个预定位置已知连杆四个预定位置机械原理沈阳航空工业学院2）假设固定铰链）假设固定铰链A、D已知，求活动铰链已知，求活动铰链B、C a）已知连杆两个预定位置）已知连杆两个预定位置1)假设活动铰链假设活动铰链B、C已知，求

13、固定铰链已知，求固定铰链A、D机械原理沈阳航空工业学院b）已知连杆三个预定位置已知连杆三个预定位置a）已知连杆二个预定位置）已知连杆二个预定位置1)假设活动铰链假设活动铰链B、C已知，求固定铰链已知，求固定铰链A、D2）假设固定铰链）假设固定铰链A、D已知，求活动铰链已知，求活动铰链B、C(1)按连杆预定位置设计四杆机构按连杆预定位置设计四杆机构机构倒置机构倒置：转换机架法：转换机架法机械原理沈阳航空工业学院1）按两连架杆两组对应位置设计四杆机构）按两连架杆两组对应位置设计四杆机构 基本方法基本方法:反转法？反转法？已知机架长度、两连架杆两组对应转角，若已知机架长度、两连架杆两组对应转角，若A

14、B的长度已知，的长度已知，CD的长度未知，设计的长度未知，设计此四杆机构。此四杆机构。取CD为新机架（以为新机架（以C1D 为机架），为机架），AB为新连杆，将此设计问题转化为已知连杆位置为新连杆，将此设计问题转化为已知连杆位置设计四杆机构问题。设计四杆机构问题。机构倒置机构倒置机械原理沈阳航空工业学院1）按两连架杆两组对应位置设计四杆机构）按两连架杆两组对应位置设计四杆机构 a）已知机架长度、两连架杆两组对应转）已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构角，设计四杆机构(以以C1D为新机架为新机架)。所设计的机构是AB1C1D机械原理沈阳航空工业学院b）已知机架长度、两连架杆两组对应转

15、角，设计四杆机构）已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构(以以C2D为新机架为新机架)。1）按两连架杆两组对应位置设计四杆机构）按两连架杆两组对应位置设计四杆机构 a）已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构）已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构(以以C1D为新机架为新机架)。所设计的机构是AB2C2D机械原理沈阳航空工业学院c）已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构（以已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构（以AB2为新机架）为新机架）a）已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构(以以C

16、1D为新机架为新机架)。b）已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构）已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构(以以C2D为新机架为新机架)。所设计的机构AB2C2D机械原理沈阳航空工业学院d）已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构（以已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构（以AB1为新机架）。为新机架）。a）已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构(以以C1D为新机架为新机架)。b）已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构）已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构(以以C2D为新机架为

17、新机架)。c）已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构（以）已知机架长度、两连架杆两组对应转角，设计四杆机构（以AB2为新机架）。为新机架）。课下思考：如何设计？3 3、作图法设计四杆机构、作图法设计四杆机构1）按两连架杆两组对应位置设计四杆机构）按两连架杆两组对应位置设计四杆机构机械原理沈阳航空工业学院2）按两连架杆三组对应位）按两连架杆三组对应位置设计四杆机构置设计四杆机构已知机架长度、两连架杆三组对应已知机架长度、两连架杆三组对应转角，设计四杆机构（以转角，设计四杆机构（以C1D为为新机架）。新机架）。所设计的机构是AB1C1D机械原理沈阳航空工业学院(3)按给定的行程速比系数设

18、计四杆机按给定的行程速比系数设计四杆机构构曲柄摇杆机构(1)(1)按连杆预定位置设计四杆机构按连杆预定位置设计四杆机构机械原理沈阳航空工业学院(3)按给定的行程速比系数设计四杆机构按给定的行程速比系数设计四杆机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构机械原理沈阳航空工业学院(3)按给定的行程速比系数设计四杆机构按给定的行程速比系数设计四杆机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构摆动导杆机构AD=d机械原理沈阳航空工业学院l1 1连杆机构：具有连杆的低副机构。连杆机构：具有连杆的低副机构。l连杆：不直接与机架相联的中间构件。连杆：不直接与机架相联的中间构件。l2 2平面四杆机构的基本型式：平面四杆机构的基本型式：l 铰链

19、四杆机构，它包含：铰链四杆机构，它包含：l 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构l 双曲柄机构双曲柄机构l 双摇杆机构双摇杆机构l3 3平面四杆机构的演化方法：平面四杆机构的演化方法：l（1 1）改变构件的形状和相对尺寸；）改变构件的形状和相对尺寸；l（2 2）改变运动副的尺寸；）改变运动副的尺寸；l（3 3）选不同的构件为机架；）选不同的构件为机架；l（4 4）运动副元素的逆换。）运动副元素的逆换。机械原理沈阳航空工业学院l4 4平面四杆机构有曲柄的条件：平面四杆机构有曲柄的条件：l（1 1）各杆长满足杆长条件：最短杆与最长杆的长度之和）各杆长满足杆长条件：最短杆与最长杆的长度之和应小于或等于其余两杆长

20、度之和；应小于或等于其余两杆长度之和；l（2 2）最短杆为连架杆或机架。）最短杆为连架杆或机架。l5 5急回运动及行程速度变化系数：急回运动及行程速度变化系数：l（1 1）急回运动：急回运动：l当连杆机构的主动件为等速回转时，从动件空回行程的当连杆机构的主动件为等速回转时，从动件空回行程的平均速度平均速度v v2 2大于从动件工作行程的平均速度大于从动件工作行程的平均速度v v1 1，这种运动，这种运动性质称谓急回运动。性质称谓急回运动。l急回运动的程度用行程速度变化系数急回运动的程度用行程速度变化系数K K来衡量。来衡量。l（2 2）行程速度变化系数：行程速度变化系数：l是从动件空回行程的平

21、均速度是从动件空回行程的平均速度v v2 2与从动件工作行程的平与从动件工作行程的平均速度均速度v v1 1的比值。的比值。)180()180(12vvK机械原理沈阳航空工业学院l(3)(3)极位夹角极位夹角 ：l当机构从动件处于两极限位置时，主动件曲柄在相应两位置当机构从动件处于两极限位置时，主动件曲柄在相应两位置所夹的角。所夹的角。l(4)(4)判断机构是否有急回运动：判断机构是否有急回运动：l 根据机构是否有极位夹角，若极位夹角不等于零，表明根据机构是否有极位夹角，若极位夹角不等于零，表明机构有急回运动，且极位夹角愈大，机构的急回运动愈显著。机构有急回运动，且极位夹角愈大，机构的急回运动

22、愈显著。机械原理沈阳航空工业学院l6 6 机构的传动角与死点：机构的传动角与死点：l（1 1）压力角：在不计摩擦时，主动件通过连杆作用于从动压力角：在不计摩擦时，主动件通过连杆作用于从动件上的力件上的力P P的作用线与其作用点速度方向所夹的锐角，称谓机的作用线与其作用点速度方向所夹的锐角，称谓机构在此位置的压力角。构在此位置的压力角。l（2 2）传动角：机构压力角的余角，称谓机构在此位置的传传动角：机构压力角的余角，称谓机构在此位置的传动角。传动角常用来衡量机构的传动性能：机构传动角愈大，动角。传动角常用来衡量机构的传动性能：机构传动角愈大，压力角愈小，力压力角愈小，力P P的有效分力的有效分

23、力P Pt t愈大，机构的传动效率愈高。愈大，机构的传动效率愈高。多数机构运动中传动角是变化的，为了使机构传动质量良好，多数机构运动中传动角是变化的，为了使机构传动质量良好，一般规定机构的最小传动角应大于某值。一般规定机构的最小传动角应大于某值。l（3 3）当机构以曲柄为主动件时，机构的最小传动角出现曲当机构以曲柄为主动件时，机构的最小传动角出现曲柄与机架共线的两位置之一。柄与机架共线的两位置之一。l (4)(4)死点：当机构出现传动角等于零时，主动件通过连杆死点：当机构出现传动角等于零时，主动件通过连杆作用于从动件上的力作用于从动件上的力P P恰好通过其回转中心，而不能使从动件恰好通过其回转

24、中心，而不能使从动件转动，出现顶死现象。机构的这种位置称谓死点。机构必须转动，出现顶死现象。机构的这种位置称谓死点。机构必须克服死点才能正常运转。克服死点可借助构件惯性或采取相克服死点才能正常运转。克服死点可借助构件惯性或采取相同机构错位排列的方法。工程上也常利用死点来工作。同机构错位排列的方法。工程上也常利用死点来工作。机械原理沈阳航空工业学院l7 7运动连续性：是指机构在运动过程中能否连续实现给定的运动连续性：是指机构在运动过程中能否连续实现给定的各个位置。各个位置。l 机构有错位不连续和错序不连续问题。在设计新机构时，机构有错位不连续和错序不连续问题。在设计新机构时，应检验机构是否有运动

25、不连续问题。应检验机构是否有运动不连续问题。l8 8平面四杆机构的设计：平面四杆机构的设计：l（1 1）连杆机构设计的基本问题）连杆机构设计的基本问题:l 实现预定的运动规律要求实现预定的运动规律要求-函数综合问题函数综合问题l 实现预定的连杆位置要求实现预定的连杆位置要求-刚体导引问题刚体导引问题l 实现预定的轨迹要求实现预定的轨迹要求-轨迹综合问题轨迹综合问题l(2)(2)连杆机构设计的基本方法连杆机构设计的基本方法:l 图解法图解法l 解析法解析法l 实验法实验法 机械原理沈阳航空工业学院l(3)(3)用图解法设计连杆机构用图解法设计连杆机构:1)1)按连杆预定位置设计四杆机构按连杆预定

26、位置设计四杆机构l假设活动铰链已知假设活动铰链已知,求固定铰链求固定铰链(已知两个、三个位置已知两个、三个位置)；l假设固定铰链已知假设固定铰链已知,求活动铰链求活动铰链(已知两个、三个位置已知两个、三个位置)。2)2)按两连架杆预定位置设计四杆机构（已知两组、三组）按两连架杆预定位置设计四杆机构（已知两组、三组）3)3)按给定的行程速比系数设计四杆机构按给定的行程速比系数设计四杆机构l 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构l 曲柄滑块机构曲柄滑块机构l 导杆机构导杆机构 （4）用解析法设计连杆机构：封闭矢量法建立方程式用解析法设计连杆机构：封闭矢量法建立方程式机械原理沈阳航空工业学院l平面四杆机构的基本

27、型式及演化型式平面四杆机构的基本型式及演化型式l有关四杆机构的一些基本知识有关四杆机构的一些基本知识l 铰链四杆机构有曲柄的条件铰链四杆机构有曲柄的条件l 急回运动及行程速比系数急回运动及行程速比系数l 传动角及死点传动角及死点l平面四杆机构的设计（图解法）平面四杆机构的设计（图解法）机械原理沈阳航空工业学院 8-1 曲柄摇杆机构存在的条件是什么曲柄摇杆机构存在的条件是什么?双曲柄机构存在的条件是什么双曲柄机构存在的条件是什么?双摇杆双摇杆机构存在的条件是什么机构存在的条件是什么?8-2 在什么条件下，曲柄滑块机构具有急回特性？在什么条件下，曲柄滑块机构具有急回特性？8-3 在四杆机构中，能实

28、现急回特性的机构有哪几种？在四杆机构中，能实现急回特性的机构有哪几种？8-4 在曲柄摇杆机构中，以曲柄为主动件时，一定具有急回特性吗？在曲柄摇杆机构中，以曲柄为主动件时，一定具有急回特性吗？8-5 何谓机构的传动角？它与压力角的关系？传动角大小对四杆机构的工作何谓机构的传动角？它与压力角的关系？传动角大小对四杆机构的工作有什么影响？有什么影响？8-6 在曲柄摇杆机构中，以曲柄为主动件时，最小传动角将出现在何位置？在曲柄摇杆机构中，以曲柄为主动件时，最小传动角将出现在何位置？8-7 铰链四杆机构在死点位置时，驱动力任意增加也不能使机构产生运动，铰链四杆机构在死点位置时，驱动力任意增加也不能使机构

29、产生运动，这与机构的自锁现象是否相同？为什么？这与机构的自锁现象是否相同？为什么？8-8 双摇杆机构会不会出现死点位置？双曲柄机构会不会出现死点位置？双摇杆机构会不会出现死点位置？双曲柄机构会不会出现死点位置？机械原理沈阳航空工业学院机械原理沈阳航空工业学院例例1 1 在图示铰链四杆机构中，各杆的长度在图示铰链四杆机构中，各杆的长度如图表示如图表示(单位为单位为mm),mm),其中其中a a为机架。为机架。试求：试求：(1)(1)当此机构设计成双曲柄机构时当此机构设计成双曲柄机构时a a值的范围；值的范围；(2)(2)当设计成曲柄摇杆机构时当设计成曲柄摇杆机构时 a a 值的范围。值的范围。解

30、：（1 1）当为双曲柄机构时，则）当为双曲柄机构时，则a a应为最短杆，由曲柄存在条件，则：应为最短杆，由曲柄存在条件，则：（2 2）当为曲柄摇杆机构时，有两种情况，令）当为曲柄摇杆机构时，有两种情况，令a a为最长杆，此时为最长杆，此时d d必为最短杆，由曲柄存在条件，则：必为最短杆，由曲柄存在条件，则：令令b b为最长杆，此时为最长杆，此时d d必为最短杆必为最短杆,由曲柄存在条件，则：由曲柄存在条件，则：a+bc+d，a+15080+120，故故a50a+db+c，a+80150+120，故故a190b+da+c，a b+d-c，故故a 110故a值的范围：110mma190mm机械原理沈阳航空工业学院例例2 用图解法设计一摇杆滑块机用图解法设计一摇杆滑块机构。已知摇杆构。已知摇杆ABAB上某标线的上某标线的两个位置两个位置AEAE1 1和和AEAE2 2，以及，以及滑块滑块C C的两个对应位置的两个对应位置C C1 1和和C C2 2（见图）。试确定摇杆上（见图）。试确定摇杆上铰链铰链B B的位置，并要求摇杆的位置，并要求摇杆的长度为最短（直接在题图的长度为最短（直接在题图上作图）上作图）所设计的机构是AB1C1。所设计的机构是AB2C2。机械原理沈阳航空工业学院l8-5l8-7l8-15l8-18