机械原理 课件 第4章 连杆机构及其设计

机械原理主讲：XXXX

机电工程学院

机械原理第4章连杆机构及其设计——§引言认知：连杆机构的类型（知识点1）、特点（知识点2）及应用（知识点3）本章的主要内容分析：连杆机构的工作特性分析设计：连杆机构的设计认知：连杆机构的类型（知识点1）、特点（知识点2）及应用（知识点3）分析：连杆机构的工作特性分析运动特性传力特性曲柄存在条件（知识点4）急回特性（知识点5）设计：连杆机构的设计本章的主要内容认知：连杆机构的类型（知识点1）、特点（知识点2）及应用（知识点3）分析：连杆机构的工作特性分析运动特性传力特性曲柄存在条件（知识点4）急回特性（知识点5）传力特性的衡量（知识点6）死点位置（知识点7）设计：连杆机构的设计本章的主要内容认知：连杆机构的类型（知识点1）、特点（知识点2）及应用（知识点3）分析：连杆机构的工作特性分析设计：连杆机构的设计运动特性传力特性图解法设计（知识点9）曲柄存在条件（知识点4）急回特性（知识点5）传力特性的衡量（知识点6）死点位置（知识点7）行程机构急回机构引导机构函数机构（知识点8）难点重点重点重点重点重点重点难点难点形成一种思维逻辑本章的主要内容

机械原理第4章连杆机构及其设计——§4.1连杆机构及其传动特点什么是连杆机构？原动件的运动都需要经过一个不与机架直接相连的称之为连杆的中间构件，才能传动从动件，故称之为连杆机构。铰链四杆机构、曲柄滑块机构思考生活中你见到过哪些连杆机构？思考雷达天线俯仰角调整机构连杆机构应用举例飞机起落架机构连杆机构应用举例连杆机构型步行机械腿机构连杆机构应用举例由此可见，无论是日常生活还是高端科技，都离不开机械原理。应用举例优点1：机构中的运动副一般均为低副，故又称之为低副机构。低副面接触，承载力大，容易加工。连杆机构的特点优点2：可以实现不同的运动规律和运动要求。连杆机构的特点连杆曲线连杆机构的特点优点3：连杆曲线形式多样，可用来满足不同轨迹的设计要求。连杆机构的特点缺点:惯性力和惯性力矩不易平衡，因此不适用于高速传动。连杆机构以其鲜明的特点，在航天、航空、工程机械及日常生活中都得到广泛的应用。

连杆机构是本课程要研究的主要机构之一。连杆机构的特点与应用

机械原理第8章连杆机构及其设计——§4.2平面四杆机构的基本类型和应用

平面四杆机构在平面连杆机构中最为常用。铰链四杆机构铰链四杆机构又被认为是平面四杆机构的基本形式。平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构机架连架杆连架杆连杆曲柄摇杆(整周转)(非整周转)曲柄摇杆机构平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构铰链四杆机构是平面四杆机构的基本形式，其它类型的平面四杆机构可以看成是由铰链四杆机构其演化而来。摆动导杆机构曲柄滑块机构演化平面四杆机构的类型（演化）偏心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构1.转动副转化为移动副正弦机构ABC14234曲柄滑块机构导杆机构AB14243C→∞平面四杆机构的类型（演化）

4为机架

曲柄滑块机构

2.选取不同的构件为机架平面四杆机构的类型（演化）

4为机架

1为机架

曲柄滑块机构

回转导杆机构2.选取不同的构件为机架平面四杆机构的类型（演化）

4为机架

1为机架

2为机架

曲柄滑块机构

回转导杆机构

摇块机构2.选取不同的构件为机架平面四杆机构的类型（演化）

4为机架

1为机架

2为机架

3为机架

曲柄滑块机构

回转导杆机构

摇块机构

移动导杆机构

2.选取不同的构件为机架平面四杆机构的类型（演化）3.扩大转动副的尺寸平面四杆机构的类型（演化）摆动导杆机构铰链四杆机构曲柄滑块机构本章的主要研究对象：铰链四杆机构，曲柄滑块机构，摆动导杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇块机构如何区分？平面四杆机构的类型（演化）研究曲柄存在的意义什么是曲柄？

机架连架杆连架杆连杆曲柄摇杆(整周转)(非整周转)曲柄：能做整周转动的连架杆。周转副摆转副电机曲柄作为原动件，可由电机直接驱动。无须转换机构，降低成本。驱动存在曲柄的意义？曲柄存在的条件曲柄存在要满足的条件？曲柄存在的条件AB杆能成为曲柄吗？铰链B无法到达距离D最远和最近两个位置。铰链B无法到达距离D最近位置。AB杆不能成为曲柄！AB杆不能成为曲柄！曲柄存在的条件AB杆能成为曲柄吗？离D最远位置离D最近位置铰链B可到达AB杆能成为曲柄！铰链B可以到达固定铰链A和D连线上的两个位置杆长a,b,c,d应满足的关系曲柄存在的条件曲柄存在的条件

B2C2D中

B1C1D中最长杆与最短杆的长度之和小于或等于其他两杆长度之和最短杆是连架杆（情形1：d>a）三角形任意一边长度小于或等于其他两边长度之和。AB杆能成为曲柄的条件曲柄存在的条件

B2C2D中

B1C1D中最长杆与最短杆的长度之和小于或等于其他两杆长度之和最短杆是机架曲柄存在的条件AB杆能成为曲柄的条件（情形2：d>a）★最长杆与最短杆的长度之和小于或等于其他两杆长度之和。Grashof定理机架AD最短连架杆AB最短★组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。曲柄存在的条件周转副：两构件相对能整周转动的转动副。摆转副：两构件相对不能整周转动的转动副。转动副A周转副转动副B周转副转动副C摆转副转动副D摆转副周转副的定义满足杆长条件下，最短杆两端的两个转动副为周转副。周转副摆转副

周转副的判断曲柄摇杆机构周转副摆转副双摇杆机构双曲柄机构机构中存在周转副（与最短杆相邻的为周转副）开始杆长条件？连杆为最短杆曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构机构中不存在周转副连架杆为最短杆机架为最短杆不满足满足存在一个曲柄存在两个曲柄不存在曲柄铰链四杆机构的判断例：如图所示，设已知四杆机构各构件的长度为a=240mm,b=600mm,c=400mm,d=500mm。试问：(1)当取杆4为机架时，是否有曲柄存在？(2)若各杆长度不变，能否采用选不同杆为机架的办法获得双曲柄机构和双摇杆机构？如何获得？(3)若a、b、c三杆的长度不变，取杆4为机架，要获得曲柄摇杆机构，d的取值范围应为何值？例题解：(1)由于四杆长度满足杆长条件a+b=840<c+d=900，且最短杆AB为连架杆，故有曲柄存在。(2)能。取杆1为机架得到双曲柄机构;取杆3为机架得到双摇杆机构。(3)曲柄摇杆机构要满足杆长条件，并最短杆为连架杆。当d为最长杆时，即d≥600mmm，有240+d<600+400得600<d<760;当d为中间长杆时，即240<d<600，有240+600<d+400得440<d<600;故d的取值范围为:440<d<760.例题

若AB能成为曲柄，则铰链B必须能到达两个固定铰链A和D的连线上的B1和B2两个位置。铰链四杆机构的曲柄存在条件偏置曲柄滑块机构的曲柄存在条件对于曲柄滑块机构来说，固定铰链D位于垂直于滑块运动导路的无穷远（∞）处。曲柄摇杆机构∞D曲柄滑块机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构（圆弧导轨）曲柄滑块机构（直线导轨）偏置曲柄滑块机构的曲柄存在条件若AB能成为曲柄，则铰链B必须能到达两个固定铰链的连线上的B1和B2两个位置。曲柄滑块机构的曲柄存在条件偏置曲柄滑块机构的曲柄存在条件

B1C1D

B2C2D铰链BB1B2ba+eba-eba+e偏置曲柄滑块机构的曲柄存在条件直角三角形的斜边长大于等于直角边长。偏置曲柄滑块机构的曲柄存在条件e=0e=0ba+eba对心曲柄滑块机构的曲柄存在条件对心曲柄滑块机构的曲柄存在条件铰链B总能到达两个固定铰链A和C连线上的两个位置，摆动导杆机构中AB一定是曲柄，无需任何条件。

所以AB总为曲柄。摆动导杆机构的曲柄存在条件

机械原理第4章连杆机构及其设计——§4.3平面四杆机构的基本知识曲柄AB等速转动摇杆CD往复摆动左右2个极限位置DC1（左极限位置）DC2（右极限位置）曲柄AB与连杆BC重叠共线曲柄AB与连杆BC拉直共线摇杆的极限位置DC1（左极限位置）DC2（右极限位置）曲柄AB与连杆BC重叠共线曲柄AB与连杆BC拉直共线摇杆极限位置的确定AC1

=b

-aAC2

=b

+a摇杆的极限位置曲柄AB摇杆DC：j1AB2AB1：yDC2DC1w1yt1=摇杆的急回特性曲柄AB摇杆DC急回特性DC2慢行程：DC1DC1快行程：DC2慢快：j1AB2AB1：j2AB1AB2：yDC2DC1：yDC1DC2w1yt1=yt2=w2j1>j2t1>

t2w1w2<

摇杆的急回特性θ－极位夹角：当摇杆在两极限位置时，

对应的曲柄位置之间所夹的锐角。行程速度变化系数Ｋ急回特性的衡量曲柄AB摇杆DC：j1AB2AB1：j2AB1AB2：yDC2DC1：yDC1DC2w1yt1=yt2=w2K=快行程平均角速度慢行程平均角速度K=w2w1=t2j2t1j1=180o+q=180o-q快慢急回特性的衡量行程速度变化系数qK急回特性越显著q=0K=1无急回特性qK急回特性越不显著急回特性的衡量θ－极位夹角：摇杆在两极限位置时，对应的曲柄位置所夹的锐角。急回特性：一般情况下，摇杆存在有快行程和慢行程的特性。急回特性的衡量：行程速度变化系数K空回行程工作行程K=快行程平均角速度慢行程平均角速度θ0K>1有急回特性小结曲柄AB等速转动滑块C往复移动左右2个极限位置C1（左极限位置）C2（右极限位置）曲柄AB与连杆BC重叠共线曲柄AB与连杆BC拉直共线曲柄滑块机构的急回特性θ－极位夹角：当滑块在两极限位置时，

对应的曲柄所处位置之间所夹的锐角。行程速度变化系数Ｋ曲柄滑块机构的急回特性行程速度变化系数Ｋ=1对心曲柄滑块机构q=0无急回特性曲柄滑块机构的急回特性曲柄AB等速转动导杆往复摆动左右2个极限位置左极限位置右极限位置导杆与曲柄圆相切与左侧导杆与曲柄圆相切与右侧摆动导杆机构的急回特性θ－极位夹角：当导杆在两极限位置时，

对应的曲柄之间所夹的锐角。行程速度变化系数Ｋq=y摆动导杆机构的急回特性颚式破碎机急回特性的应用牛头刨床主体机构急回特性的应用急回特性的应用

α－压力角:力P的作用线与该力作用点速度ｖｃ之间所夹的锐角。切向分力Pt=

Pcosα

法向分力Pn=Psinαα↓忽略连杆的质量和摩擦二力杆PPtPnvcaPt↑对传动越有利压力角衡量机构传力特性要求：αmax≤[α][α]——许用压力角jABDabcdMdC机构的压力角及传力特性jABCDabcdMd传动角γ：压力角α

的余角。

α

+

γ

＝90º要求：γmin

≥[γ]通常

[γ]＝40º，高速大功率机械通常

[γ]＝50ºPPtPnvca考虑应用的方便传动角γ（引入）γ↑Pt↑对传动越有利衡量机构传力特性[γ]——许用传动角机构的压力角及传力特性BCDabcdAjABCDabcdMdγ

=?PPtagPavcg∠BCD<90ºγ=∠BCD∠BCD>90ºγ=180º-∠BCD机构的传动角计算jABCDabcdMdγ

=?PPtag∠BCD<90ºγ=∠BCDγ1min=∠BCD

min机构的传动角计算BCDabcdAγ

=?Pavcg∠BCD>90ºγ=180º-∠BCDγ2min=180º-

∠BCD

max机构的传动角计算γ

=?γ1min=∠BCD

minγ2min=180º-

∠BCD

maxγmin=min{γ1min,γ2min}机构的最小传动角∠BCD>90º∠BCD<90ºBCDabcdAPavcgjABCDabcdMdPPtag机构的传动角计算应用余弦定理，得：（j

=0）（j

=180°）γmin=min{γ1min,γ2min}jABCDabcdBD2=a2+d2-2

adcosjb2+c2-2bccos∠BCD=BD2=

ABD中:

BCD中:∠BCD=arccos

2bcb2+c2-a2-d2+2adcosj

2bcb2+c2–a2–d2+2ad=arccos

2bcb2+c2–(d–a)2=arccos

∠

BCDmin2bcb2+c2–a2–d2–2ad=arccos

2bcb2+c2–(d+a)2=arccos

∠

BCDmaxg1min

=∠

BCDmin2bcb2+c2–(d–a)2=arccos

g2min

=180°-∠

BCDmax2bcb2+c2–(d+a)2

arccos

=180°-机构的传动角计算

α－压力角:执行从动件（滑块）所受力P的作用线与该力作用点速度ｖｃ之间所夹的锐角。Pvca要求：αmax≤[α]许用压力角γ

传动角γ：压力角α

的余角或

γmin

≥[γ]许用传动角，γ

＝90º-α。曲柄滑块机构的传力特性压力角α的计算aD

当j=90°时，压力角a为最大压力角a

max

amax

曲柄滑块机构的传力特性滑块为原动件压力角α和传动角γPγ

vca曲柄滑块机构的传力特性压力角α=0P传动角γ=90º

vc摆动导杆机构的传力特性主动件摇杆往复摆动，带动曲柄整周转动。ABCDMd曲柄摇杆机构机构的死点位置

摇杆为主动件时，在连杆与曲柄共线位置传动角

γ＝0CDABg=0º3241主动件CDABg=0º3241主动件这个位置被称为死点位置机构出现“顶死”现象曲柄摇杆机构特殊位置1曲柄摇杆机构特殊位置2机构的死点位置死点位置曲柄与连杆共线位置原动件为摇杆两个条件同时满足DAg=0º3241主动件CDABg=0º3241主动件机构的死点位置死点位置曲柄与连杆共线位置原动件为滑块两个条件同时满足曲柄滑块机构机构的死点位置两个条件同时满足死点位置曲柄与导杆垂直位置原动件为导杆摆动导杆机构机构的死点位置借助惯性或外力通过死点位置多组机构错位排列通过死点位置机构的死点位置的克服飞机起落架收放机构机构的死点位置的利用死点位置机构处于特殊位置（传动角为0位置）原动件为往复运动构件（例如摇杆、滑块、导杆等）某些时候需要克服（顺利通过）死点位置，有些时候又要利用死点位置。CDAB3241总结

机械原理第4章连杆机构及其设计——§4.4平面四杆机构的设计图解法设计机构运动简图确定运动副的位置转动副中心的位置移动副导路中心线的位置abebae平面连杆机构设计的基本方法解析法设计构件的尺寸列解析表达式R1

、R2、R3

a

、b、e

设计完成abebae平面连杆机构设计的基本方法简易汽车雨刷器设计行程机构设计问题简易汽车雨刷器设计曲柄摇杆机构确定铰链A,B,C,D位置图解法关键BC行程机构设计问题DyC1C2C连杆×简易汽车雨刷器设计AdcB2B1ab已知：摇杆角行程y设计：曲柄摇杆机构设计过程：1.选择固定铰链D的位置；2.选择活动铰链C的位置；3.选择固定铰链A的位置；确定铰链A，B，Ccd4.连接AC2和AC1，得

ab行程机构设计问题简易汽车雨刷器设计已知：摇杆角行程y设计：曲柄摇杆机构设计过程：1.选择固定铰链D的位置；2.选择活动铰链C的位置；3.选择固定铰链A的位置；确定铰链A，B，Ccd4.连接AC2和AC1，得

ab行程机构设计过程本例雨刷器与实际雨刷器的区别问题1——晴天雨刷器停止的位置问题2——雨刷的形状摇杆雨刷摇杆雨刷行程机构设计问题讨论本例雨刷器与实际雨刷器的区别问题3——急回特性q无急回特性DC1C2AcabB1B2q0K>1有急回特性行程机构设计问题讨论已知：摇杆的长度CD、摇杆的摆角y及行程速度变化系数K。设计：曲柄摇杆机构。方法：图解法。DyC1C2行程机构设计问题CABD确定铰链A

，B

位置图解法设计DyC1C2AdcB2B1ab

关键yC2C1急回机构设计过程DyC1C2Aq设计过程：2.选择固定铰链D的位置；3.4.cy摇杆极限位置；CD铰链C的位置；5.任意选择固定铰链A的位置；1.相等吗？如何找到A，使得∠C1AC2=q设计问题变为：在平面内确定一点（A），使其到两个固定点（C1和C2）的连线的夹角（∠C1AC2

）为已知角度（q）。几何问题急回机构设计过程qAC1C290°-qo90°-q在平面内确定一点（A），使其到两个固定点（C1和C2）的连线的夹角（∠C1AC2

）为已知角度（q）。2q辅助圆辅助圆急回机构设计过程2.选择固定铰链D的位置；3.4.cy摇杆极限位置；lCD铰链C的位置；1.6.过C2作∠C1C2o=90o

-q，得射线n；7.线m和n的交点为辅助圆的圆心o；DyC1C290°-qmn8.以o为圆心过C1点做辅助圆；

5.过C1作∠C2C1o=90o

-q，得射线m；90°-qoAqB2B19.在圆上选取一点作为铰链A的位置。dab急回机构设计过程设计结果动画演示急回机构设计过程急回机构设计的关键在于找到辅助圆！DyC1C290°-qmn90°-qoAqB2B1急回机构设计：小结直接由图中量取,例：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，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。（保留作图痕迹）选定作图比例，画出滑块的两个极限位置C1和C2，再分别过点C1,C2作与直线成54°的射线，两射线交于点O。以点O为圆心，OC2为半径作圆，最后再作一条与直线C1C2相距为20mm的直线，该直线与所作圆的交点就是固定铰链点Ａ。如图所示。解：行程速比系数K=1.5，则机构的极位夹角为所以，曲柄AB的长度为连杆BC的长度为例题IIIIII已知：连杆的三个位置：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ位置设计：铰链四杆机构（图解法）确定铰链A

，B

，

C

，

D位置图解法设计引导机构设计1：要求IIIIII已知：连杆的三个位置：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ位置设计：铰链四杆机构（图解法）确定铰链A

，B

，

C

，

D位置图解法设计引导机构设计1：要求II