大学机械设计基础《平面连杆机构》课程讲义课件

2026平面连杆机构机械设计基础课程讲义课程导览01机构初识平面连杆机构基本概念02类型判别铰链四杆机构与曲柄条件03演化拓展曲柄滑块机构及其演化04运动特性急回、传力与死点05设计应用设计方法与工程实例01机构初识从低副连接认识连杆机构低副连接定义连杆机构本章围绕铰链四杆机构展开，认识其组成、类型与运动特性，并了解由它演化出的各类实用机构。Q1什么是平面连杆机构？A1多个构件全部用低副连接，且在同一平面或相互平行平面内运动，即为平面连杆机构。Q2低副只含哪两类？A2转动副、移动副Q3全用低副又称什么？A3平面低副机构Q4最基本形态是什么？A4平面四杆机构，由四个构件组成，是复杂多杆机构的基础四杆机构的三大组成构件铰链四杆机构：全部运动副均为转动副的平面四杆机构。机架、连杆、连架杆、曲柄、摇杆——分析一切平面连杆机构的基础。机架构件一固定不动的构件，相当于整个机构的参考系。连架杆构件二与机架直接相连的两个构件。连杆构件三连接两连架杆、且不与机架直接相连的构件。连架杆按能否绕机架作整周转动再分两类曲柄能作

360°

整周转动，对应转动副称整转副摇杆（摆杆）只能在小于360°

范围内往复摆动，对应转动副称摆动副面接触带来的核心优势承载强①面接触比压小、易润滑、磨损轻②承载能力大、寿命长低副优势易制造①转动副为圆柱面、移动副为平面②形状简单，便于加工且易达高精度加工便利运动转换灵活①可实现多种运动形式转换②完成预定运动规律与复杂轨迹灵活转换惯性力难平衡的局限运动精度受限运动链较长，运动副间隙带来累积误差一般只能近似满足给定运动规律与轨迹精度不足高速振动明显连杆作平面复杂运动，惯性力难以平衡高速时振动大，故多用于低速场合低速场合设计计算复杂需同时满足多种约束条件求解难度高设计难点02类型判别杆长条件决定机构类型三种基本类型由连架杆定两连架杆的运动形式是分类判别的核心依据。按两连架杆的运动形式划分，铰链四杆机构分为三种基本类型。三种基本类型曲柄摇杆机构一连架杆为曲柄，另一连架杆为摇杆双曲柄机构两连架杆均为曲柄双摇杆机构两连架杆均为摇杆判别核心：连架杆中是否存在曲柄。曲柄是否存在，取决于各杆相对长度与机架选择——即曲柄存在条件。曲柄摇杆实现回转与摆动互换同一类机构，因主动件不同，呈现截然不同的运动输入输出关系。**双向可逆转换**：两连架杆一为曲柄、一为摇杆，曲柄整周转动⇄摇杆往复摆动，运动方向可逆。主动件决定输入输出·雷达天线曲柄主动匀速转动→连杆带动摇杆缓慢摆动→天线获得指定俯仰摆角主动件决定输入输出·缝纫机踏板踏板（摇杆）主动往复摆动→连杆带动曲轴连续整周转动→带传动驱动缝纫机头同一类机构·两连架杆曲柄整周转动⇄摇杆往复摆动⇄运动方向可逆双曲柄实现等速变变速转换核心特点两连架杆均为曲柄，将等速转动转变为周期性的变速转动。典型机构3类惯性筛分机主动曲柄等速回转，从动曲柄变速回转；筛子获得较大加速度，利用物料惯性完成筛分平行四边形机构两曲柄等长，连杆与机架等长特性：两曲柄角速度相等、转向相同，连杆作平动；应用：蒸汽机车车轮联动机构反平行四边形机构连杆与机架不平行特性：两曲柄转向相反；应用：两扇车门同步启闭双摇杆实现摆动传递工程应用一：港口起重机双摇杆机构为骨架，连杆外伸端点获得近似直线的水平运动吊重水平移动，大幅节省移动吊重所需功率工程应用二：汽车前轮转向等腰梯形双摇杆机构，两根摇杆等长适当选杆长使两转向轮轴线近似交于后轮轴线延长线上一点整车绕瞬时中心转动，各轮近似纯滚动，减少轮胎磨损工程价值利用连杆上特定点的轨迹满足实际运动需求。双摇杆机构特征两连架杆均为摇杆主动摇杆往复摆动经连杆转换为从动摇杆往复摆动整转副的两条存在条件杆长和条件最短杆+最长杆≤其余两杆之和最短杆与最长杆长度之和≤其余两杆长度之和。最短杆位置条件连架杆与机架中必有一杆为最短杆整转副由最短杆与其邻边组成。由此推论：曲柄必为最短杆。这正是曲柄摇杆机构中曲柄总是最短的根本原因。整转副存在的两个条件（须同时满足）01杆长和条件→最短杆与最长杆长度之和

≤

其余两杆长度之和。02最短杆位置条件→整转副由最短杆与其邻边组成。整转副存在的前提满足时最短杆两端即整转副机架选择决定机构类型01最短杆作机架→机架连两个整转副，机构为双曲柄机构。02最短杆邻边作机架→机架连一个整转副，机构为曲柄摇杆机构。03最短杆对边作机架→机架无整转副，机构为双摇杆机构。不满足杆长和条件最短杆+最长杆

＞

其余两杆之和→无整转副，无论取哪杆作机架，均为双摇杆机构。判别流程先找最短杆与最长杆检验杆长和条件满足则看最短杆作机架或邻边不满足直接判双摇杆机构满足杆长和条件时，机架位置决定机构类型先找最短杆与最长杆，检验杆长和条件，再依据机架位置确定机构类型。03演化拓展转动副到移动副的演化转动副演化成移动副01演化起点基本形式铰链四杆机构铰链四杆机构是一切平面连杆机构的基本形式，其余类型多由它演化而来。02极限推演摇杆无限长转动副→移动副设想曲柄摇杆机构的摇杆长度趋于无穷大，连杆端转动副的轨迹趋近直线，转动副即演化为移动副。03演化结果曲柄滑块机构曲柄滑块机构机构变为曲柄滑块机构，由曲柄、连杆、滑块、机架组成，实现回转运动与往复直线运动的相互转换。04结构变化更紧凑四杆结构·三转动副+一移动副仍保持四杆结构，运动副由四个转动副变为三个转动副加一个移动副，结构更紧凑，广泛用于内燃机、压缩机、冲床。对心式结构无急回滑块导路中心线通过曲柄回转中心，即为对心式；否则为偏置式。无急回的依据3项滑块行程=2倍曲柄长度极位夹角θ=0两极限位置对应曲柄夹角为零行程速比系数K=1正反行程平均速度相等应用场合运动平稳，适合喷涂设备、数控机床、自动化机械等对平稳性要求较高的场景。偏置式结构带来急回偏置来源导路中心线不通过曲柄回转中心，存在偏距

e：偏置比=偏距

÷

曲柄长度急回成因偏置使两极限位置曲柄夹角不再为零：极位夹角

θ>0，行程速比系数

K>1曲柄条件连杆与曲柄的杆长之差应大于偏距

e传力优化调整偏置比可优化传动过程的压力峰值，改善传力性能工程应用急回特性实例锯床利用急回特性，实现锯条慢进切削、空程快速返回机架变换衍生多种机构同一套曲柄滑块构件，机架选择不同，整机运动特征就完全不同。01杆1为机架→导杆机构→曲柄长于机架：杆件整周转动，为转动导杆机构，用于简易刨床、插床。02连杆为机架→曲柄摇块机构→滑块绕一点摆动，插齿机驱动机构即为一例。03滑块为机架→曲柄移动导杆机构→机构形态随之改变——体现连杆机构设计灵活性。机架长于曲柄：导杆往复摆动摆动导杆机构：牛头刨床与插床主运动机构机架一变，机构形态随之改变——这正是连杆机构设计灵活性的体现。04运动特性三大特性决定机构性能极位夹角解释急回成因第一步·几何判定两次共线定极位曲柄转动一周，两次与连杆共线，摇杆到达两个极限位置——极位。›第二步·运动分析转角不等→用时不等曲柄等角速度转动，工作行程转角大于空回行程转角，而摇杆往返摆角相同。从动件返回行程平均速度大于工作行程平均速度，即急回特性。极位夹角的存在，是急回特性产生的根本原因。摇杆两极限位置所夹锐角为摆角曲柄对应两极限位置所夹锐角为极位夹角θ空回行程用时更短平均速度更大行程速比系数衡量急回程度K的定义K=(180°+θ)/(180°−θ)快行程与慢行程平均速度之比1.2～2工程常用值θ与K的关系θ与K正相关θ=0时K=1，无急回；θ越大K越大，急回越显著由K反求θθ=180°

×(K−1)/(K+1)，按急回要求设计四杆机构的第一步牛头刨床利用急回特性：切削行程慢速前进，空回行程快速返回，节省辅助时间、提高生产率。急回特性的三条存在条件“三条条件缺一不可。”01主动件→等角速度整周转动02从动件→正反行程往复运动03极位夹角→θ大于零θ决定有无急回对心曲柄滑块机构θ=0，无急回偏置滑块·摆动导杆θ>0，具有急回方向可反向利用急回方向与原动件回转方向有关颚式破碎机要求动颚快进慢退，避免过粉碎有急回要求的设备应明确标志正确回转方向。压力角衡量有效传力压力角α越小，切向有效分力越大，传力性能越好。压力角αα为连杆对从动件作用力方向与力作用点绝对速度方向所夹锐角。力的分解切向分力：沿速度方向，推动从动件运动的有效分力。法向分力：垂直速度方向，造成径向压力与摩擦的有害分力。传力判断α越小，切向有效分力越大，传力性能越好。工程改用传动角γ压力角运动中不断变化、不便观察，取其余角γ衡量；γ越大，传力性能越好。传动角越大传力越优摆动导杆机构γ恒为

90°，传力性能最优。γ越大，有效分力越大，传力性能越好。传动角是衡量机构传力性能的核心参数。定义关系基本概念γ+α=90°互余关系传动角γ与压力角α互余，两者之和为

90°。γ越大，有效分力越大，传力性能越好。校核标准一般传动γmin≥40°γ越大传力越好高速大功率γmin≥50°要求更高传力性能最小传动角位置曲柄摇杆机构：出现在曲柄与机架共线的两个位置之一，比较取较小者对心曲柄滑块机构出现在曲柄与导路垂直的位置摆动导杆机构γ恒为

90°，传力性能最优共线位置形成死点定义核心概念往复运动构件为主动件时，传动角降至零，连杆与从动件曲柄共线，力通过回转中心，切向有效分力为零——无论驱动力多大，曲柄都无法转动，机构卡死。出现位置3类机构曲柄摇杆机构连杆与曲柄两次共线处曲柄滑块机构曲柄与连杆共线处摆动导杆机构曲柄与导杆垂直处本质机构特性压力角90°传动角0°有效传力消失，是运动特性分析中必须识别的重要位置。飞轮惯性助机构越死点问题：死点处传动合力趋近于零，机构卡滞、运动中断。共同思路：不让传动合力在死点处完全消失。对策一·惯性冲越从动件上装大质量飞轮，靠转动惯性带机构冲过共线位置。缝纫机踏板：带轮惯性使曲轴顺利越过死点内燃机：各缸错位排列+飞轮共同作用对策二·多组错位各组机构死点位置互相错开，避免同时出现。蒸汽机车车轮联动：两组曲柄滑块机构，曲柄