四连杆机构及其设计

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1、机械原理教学内容体系 机构分析 机构设计 机械设计 结构分析 力分析 运动分析 连杆机构 轮 系 齿轮机构 凸轮机构 其他常用机构 机械系统动力学设计 机械系统方案设计 机构创新设计 研究内容 研究内容 n4-14-1平面四杆机构的基本类型及其演平面四杆机构的基本类型及其演 化化 n4-24-2平面四杆机构的基本特性平面四杆机构的基本特性 n4-3 4-3 平面连杆机构设计平面连杆机构设计 * *4-4 4-4 多杆机构多杆机构 本章内容本章内容 平面连杆机构的基本型式及其演化和应用。平面连杆机构的基本型式及其演化和应用。 曲柄存在条件、传动角、死点、急回运动、曲柄存在条件、传动角、死点、急回

2、运动、 行程速比系数等基本概念。行程速比系数等基本概念。 设计平面四杆机构的方法。设计平面四杆机构的方法。 能用解析法和图解法对平面四杆机构进行能用解析法和图解法对平面四杆机构进行 运动分析。运动分析。 n曲柄存在条件的全面分析、平面多杆机构的曲柄存在条件的全面分析、平面多杆机构的 传动角和平面四杆机构最小传动角的确定传动角和平面四杆机构最小传动角的确定。 重点重点： 难点难点： 连杆机构的定义连杆机构的定义 n连杆机构是连杆机构是由低副(Lower-pair)将若干构件连接而成 的低副机构。 连杆机构的分类连杆机构的分类 连杆机构连杆机构 平面连杆机构平面连杆机构 空间连杆机构空间连杆机构

3、组成机构的所有构件都在相互平行的平组成机构的所有构件都在相互平行的平 面内运动的连杆机构。面内运动的连杆机构。 (planar linkage) (spatial linkage) 平面连杆机构的几个基本概念：平面连杆机构的几个基本概念： 机架机架平面连杆机构中的固定构件。平面连杆机构中的固定构件。 连架杆连架杆平面连杆机构中与机架平面连杆机构中与机架 相连的构件。相连的构件。 连杆连杆连接连架杆的活动构件。连接连架杆的活动构件。 曲柄曲柄连架杆中能绕机架连架杆中能绕机架 作整轴转动的构件。作整轴转动的构件。 摇杆摇杆连架杆中只能在某一范连架杆中只能在某一范 围内绕机架作往复摆动的构件。围内绕

4、机架作往复摆动的构件。 请区分构请区分构 件名称件名称 连连 架架 杆杆 周转副周转副能作整周转动的转动副。能作整周转动的转动副。 摆转副摆转副不能作整周转动的转动副。不能作整周转动的转动副。 请区分一请区分一 下下 转动副转动副 n 连杆机构是一种应用十分广泛的机构，人造卫连杆机构是一种应用十分广泛的机构，人造卫 星太阳能板的展开机构，机械手的传动机构，折叠星太阳能板的展开机构，机械手的传动机构，折叠 伞的收放机构以及人体假肢等等，都是连杆机构。伞的收放机构以及人体假肢等等，都是连杆机构。 n曲柄滑块机构、铰链四杆机构、导杆机构是最常见曲柄滑块机构、铰链四杆机构、导杆机构是最常见 的连杆机构

5、型式。的连杆机构型式。 n 这些机构的共同特点是其原动件这些机构的共同特点是其原动件1 1的运的运 动都要经过一个不直接与机架相联的中间构动都要经过一个不直接与机架相联的中间构 件件2 2才能传动从动件才能传动从动件3 3，这个不直接与机架相，这个不直接与机架相 联的中间构件称为联的中间构件称为连杆连杆，而把具有连杆的这，而把具有连杆的这 些机构统称为些机构统称为连杆机构连杆机构。 构件可长，用于远距离的操作。如挖掘机、车闸。 杠杆特性，用于增力。 运动形式多样，可用于运动转换。 连架杆位置对应，用于控制。 连杆位置多变，用于特定运动规律。 连杆曲线丰富，用于特定轨迹。 运动形式多样，可用于运

6、动转换。 平面连杆机构的优点平面连杆机构的优点 1 1、平面连杆机构属于低副机构，运动副为面接触，压平面连杆机构属于低副机构，运动副为面接触，压 强小，承载能力大，耐冲击，并且便于润滑，磨损小。强小，承载能力大，耐冲击，并且便于润滑，磨损小。 2 2、其运动副元素多为平面或圆柱面，制造比较容易，其运动副元素多为平面或圆柱面，制造比较容易， 而且靠其本身的几何封闭来保证构件运动，结构简单，而且靠其本身的几何封闭来保证构件运动，结构简单， 工作可靠。工作可靠。 3 3、可以实现不同的运动规律和特点轨迹要求。、可以实现不同的运动规律和特点轨迹要求。 平面连杆机构的缺点平面连杆机构的缺点 3 3、不易

7、精确地满足各种运动规律和运动轨迹、不易精确地满足各种运动规律和运动轨迹 的要求。的要求。 1 1、当机构复杂时累计误差较大，影响其传动、当机构复杂时累计误差较大，影响其传动 精度。精度。 2 2、惯性力不容易平衡，不适合于高速传动。、惯性力不容易平衡，不适合于高速传动。 例如：多自由度的机械手；四足、六足步行例如：多自由度的机械手；四足、六足步行 机等，已经不限于运动学的范围，还注重动机等，已经不限于运动学的范围，还注重动 力学方面的研究。力学方面的研究。 n 近年来国内外在连杆机构的研究方面都有近年来国内外在连杆机构的研究方面都有 长足的发展，不再限于单自由度四杆机构的研长足的发展，不再限于

8、单自由度四杆机构的研 究，也注重多自由度、多杆机构的分析和综合。究，也注重多自由度、多杆机构的分析和综合。 n 平面连杆机构中，其构件多呈杆状，故平面连杆机构中，其构件多呈杆状，故 常简称为常简称为“杆杆”。连杆机构可根据机构中所。连杆机构可根据机构中所 含杆数而命名，如：含杆数而命名，如：四杆机构、五杆机构、四杆机构、五杆机构、 六杆机构、多杆机构六杆机构、多杆机构等。等。 平面连杆机构中最简单、应用最广的是平面连杆机构中最简单、应用最广的是 四杆机构，其他多杆机构都是在它的基础上四杆机构，其他多杆机构都是在它的基础上 扩充而成的，本章重点讨论四杆机构及其设扩充而成的，本章重点讨论四杆机构及

9、其设 计。计。 由于计算机的普及，很多智能化软件为由于计算机的普及，很多智能化软件为 平面连杆机构的设计和研究奠定了基础，连平面连杆机构的设计和研究奠定了基础，连 杆机构的应用前景广阔。杆机构的应用前景广阔。 4-1 4-1 平面四杆机构的基本类型平面四杆机构的基本类型 及其演化及其演化 二、铰链四杆机构的基本类型、应用及其演化二、铰链四杆机构的基本类型、应用及其演化 一、铰链四杆机构中曲柄存在的条件一、铰链四杆机构中曲柄存在的条件 三、具有移动副的四杆机构及其演化三、具有移动副的四杆机构及其演化 铰链四杆机构铰链四杆机构 机构中的全部运动副均为机构中的全部运动副均为转动转动 副副时的四杆机构

10、为铰链四杆机构。时的四杆机构为铰链四杆机构。 铰链四杆机构是平面连杆机构中最基本的铰链四杆机构是平面连杆机构中最基本的 形式，其它各种平面连杆机构都可以看成是由形式，其它各种平面连杆机构都可以看成是由 它演变而来的。它演变而来的。 连架杆连架杆曲柄曲柄 机架机架 连架杆连架杆摇杆摇杆 连杆连杆 铰链四杆机构的基本类型铰链四杆机构的基本类型 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 双曲柄机构双曲柄机构 双摇杆机构双摇杆机构 根据连架杆是曲柄还是摇杆，分类如下：根据连架杆是曲柄还是摇杆，分类如下： 铰铰 链链 四四 杆杆 机机 构构 1 1）两连架杆中一为曲柄，另一为摇杆）两连架杆中一为曲柄，另一为摇杆 2 2

11、）两连架杆均为曲柄）两连架杆均为曲柄 3 3）两连架杆均为摇杆）两连架杆均为摇杆 可根据可根据 曲柄的曲柄的 数量和数量和 存在与存在与 否进行否进行 判定。判定。 如何判定如何判定 曲柄是否曲柄是否 存在？存在？ B1 C A B D B2 C1 C2 一、铰链四杆机构中曲柄存在的条件一、铰链四杆机构中曲柄存在的条件 曲柄的两个极限位置曲柄的两个极限位置AB1、AB2。 a b c d AB整周转动整周转动 B1C1D和和B2C2D存在存在 cbdaB1C1D中中 a b c d B2C2D中中cadb)( badc)( cbda dbca dcba 杆杆 长长 条条 件件 .dacaba，

12、且 A、B均为周转副均为周转副 周转副存在条件：周转副存在条件： 1）最短杆长度）最短杆长度 + 最长杆长度最长杆长度 其余两杆长度之和。其余两杆长度之和。 2）组成该周转副的两杆中必有一杆为）组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆最短杆。 条件条件1）称为）称为杆长条件杆长条件。 不满足杆长条件时，则没有周转不满足杆长条件时，则没有周转 副，而只能获得双摇杆机构。副，而只能获得双摇杆机构。 满足杆长条件时，有最短杆参与构成的转动副都是满足杆长条件时，有最短杆参与构成的转动副都是 周转副，而其余转动副则是摆转副。周转副，而其余转动副则是摆转副。 a b c d 2）其最短杆为连架杆或机架。）其最

13、短杆为连架杆或机架。 四杆机构有曲柄的条件：四杆机构有曲柄的条件： 1）各杆的长度应满足杆长条件，即）各杆的长度应满足杆长条件，即 最短杆长度最短杆长度 + 最长杆长度最长杆长度 其余两杆长度之和。其余两杆长度之和。 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 双曲柄机构双曲柄机构 双摇杆机构双摇杆机构 图图4-3 a），），b），），P58 图图4-3 c） 图图4-3 d） 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 双曲柄机构双曲柄机构 双摇杆机构双摇杆机构 铰铰 链链 四四 杆杆 机机 构构 二、铰链四杆机构的基本类型、应用及其演化二、铰链四杆机构的基本类型、应用及其演化 周转副周转副 周转副周转副 摆转副摆转副 摆转副

14、摆转副 机架机架 选用不同的构件选用不同的构件 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 ？ 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 一种演化方法一种演化方法机构的倒置机构的倒置 机构的倒置机构的倒置：选用运：选用运 动链中不同构件为机动链中不同构件为机 架以获得不同机构的架以获得不同机构的 演化方法。演化方法。 A B C D 1 1）曲柄摇杆机构）曲柄摇杆机构： 取与最短杆相邻的构件为机架。取与最短杆相邻的构件为机架。 曲柄摇杆机构的应用曲柄摇杆机构的应用 颚式破碎机机构颚式破碎机机构 1）此种机构常以曲柄为原动件，将曲柄的连续）此种机构常以曲柄为原动件，将曲柄的连续 转动转变为摇杆的往复摆动。转动转变为摇杆的往复摆动

15、。 雷达天线机构雷达天线机构 搅拌机机机构搅拌机机机构 此时连杆作平面运动，连此时连杆作平面运动，连 杆上各点的轨迹能形成不杆上各点的轨迹能形成不 同的封闭曲线。同的封闭曲线。 玩具狗腿的动作也利用连玩具狗腿的动作也利用连 杆曲线的特殊轨迹。杆曲线的特殊轨迹。 2）此种机构中，若以摇杆为原动件，则可将摇）此种机构中，若以摇杆为原动件，则可将摇 杆的往复摆动转变为曲柄的连续转动。杆的往复摆动转变为曲柄的连续转动。 2 2）双曲柄机构）双曲柄机构 当以短边为机架时，为一般双曲柄机构。当以短边为机架时，为一般双曲柄机构。 两曲柄的转动方向相同或相反。两曲柄的转动方向相同或相反。 双曲柄机构的应用双曲

16、柄机构的应用 惯性筛机构惯性筛机构 将原动曲柄的等速转动转变为从动曲柄的变速转将原动曲柄的等速转动转变为从动曲柄的变速转 动，从而使筛子具有较大惯性力而筛分物料。动，从而使筛子具有较大惯性力而筛分物料。 东莞理工学院专用 A A D D C C B B 1 1 2 2 3 3 4 4 旋转式叶片泵旋转式叶片泵 A A D D C C B B 1 1 2 2 3 3 A B D C 1 2 3 4 E 6 惯性筛机构惯性筛机构 3 1 在双曲柄机构中，若相在双曲柄机构中，若相 对两杆的长度相等且对两杆的长度相等且 平行，两曲柄的转向平行，两曲柄的转向 相同，称为正平行四相同，称为正平行四 边形机

17、构。边形机构。 正平行四边形机构：正平行四边形机构： 1）两曲柄以相同速度同向转动；）两曲柄以相同速度同向转动； 2）连杆作平动，始终与机架平行。）连杆作平动，始终与机架平行。 正平行四边形机构的两个显著特点：正平行四边形机构的两个显著特点： 平行四边形机构的应用平行四边形机构的应用 蒸汽机车驱动装置蒸汽机车驱动装置 摄影升降机构摄影升降机构 用正平行四边形机构传递动力用正平行四边形机构传递动力 用连杆作平移运动用连杆作平移运动 作者：潘存云教授 耕地耕地 料斗料斗 D C A B 播种机料斗机播种机料斗机 构构 在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等，在双曲柄机构中，若相对两杆的长度相等， 但

18、不平行但不平行( (BCBC与与AD)AD)，两曲柄转向相反（两曲柄转向相反（ABAB与与CDCD），）， 称为反平行四边形机构。称为反平行四边形机构。 反平行四边形机构（逆平行四边形机构）：反平行四边形机构（逆平行四边形机构）： 车门开闭机构车门开闭机构 （主、从动曲柄反向转动。）（主、从动曲柄反向转动。） 四轮拖车转向机构四轮拖车转向机构 东莞理工学院专用 作者：潘存云教授 反平行四边形机构反平行四边形机构 双曲柄机构中两相对杆的长度分 别相等，但不平行。 -车门开闭机构车门开闭机构 反向反向 F AE D G B C A B E F D C G 注：注：平行四边形机构在共线位置出平行四边

19、形机构在共线位置出 现运动不确定。现运动不确定。 采用两组机构错开排列。采用两组机构错开排列。 火车轮火车轮 3 3）双摇杆机构）双摇杆机构(double crock mechanism) 2）若铰链四杆机构各杆的长度不满足杆长条件，则无周转）若铰链四杆机构各杆的长度不满足杆长条件，则无周转 副，此时不论以何杆为机架，均为双摇杆机构。副，此时不论以何杆为机架，均为双摇杆机构。 1）若铰链四杆机构各杆的长度满足杆长条件，取与最短杆）若铰链四杆机构各杆的长度满足杆长条件，取与最短杆 相对的构件为机架。相对的构件为机架。 45 25 60 35 最短杆长度最短杆长度 + 最长杆长度最长杆长度 其余两

20、杆长度之和。其余两杆长度之和。 东莞理工学院专用 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授 A B D C E 双摇杆机构特征：双摇杆机构特征：两个摇杆两个摇杆 应用举例：铸造翻箱机构应用举例：铸造翻箱机构 特例：特例：等腰梯形机构等腰梯形机构汽车转向机构汽车转向机构 、风扇摇头机构风扇摇头机构 C B A B D C 风扇座风扇座 蜗轮蜗轮 蜗杆蜗杆 电机电机 A B D C E A B D C E 电机电机 A B D C 风扇座风扇座 蜗轮蜗轮 蜗杆蜗杆 电机电机 A B D C 风扇座风扇座 蜗轮蜗轮 蜗杆蜗杆 A B D C 可使连杆到达两个固定的位置。可使连杆到达两个固定的位置。 铸造翻

21、箱机构铸造翻箱机构 风扇摇头机构风扇摇头机构 风扇壳体固装于连风扇壳体固装于连 架杆架杆AB上。上。 5蜗轮，蜗轮，6蜗杆蜗杆 构件构件2与构件与构件5固连固连 在一起。在一起。 通过构件通过构件2的整周转动，的整周转动， 实现摇杆实现摇杆AB 的往复摆的往复摆 动。动。 n等腰梯形机构等腰梯形机构：在双：在双 摇杆机构中若两摇杆摇杆机构中若两摇杆 长度相等，则称为等长度相等，则称为等 腰梯形机构。腰梯形机构。 汽车前轮转向机构汽车前轮转向机构 鹤式起重机机构鹤式起重机机构 悬点悬点E上悬挂的重物在近似水平直线上运动，上悬挂的重物在近似水平直线上运动， 避免重物平移时因不必要的升降而消耗能量。

22、避免重物平移时因不必要的升降而消耗能量。 4）泛菱形机构）泛菱形机构 AD 1 B C 2 3 4 A 1 B 3 4 D C 2 AD C 3 4（ 1） （ 2） 若四杆机构的两相邻杆长度两两相等，则机构将变为泛菱若四杆机构的两相邻杆长度两两相等，则机构将变为泛菱 形机构，如下图形机构，如下图a）、）、b）、）、c） 图图a）双曲柄机构）双曲柄机构图图b）曲柄摇杆机构）曲柄摇杆机构图图c）二杆机构）二杆机构 泛菱形机构有泛菱形机构有3个周转副，一个摆转副。个周转副，一个摆转副。当其以短杆为机架时为双当其以短杆为机架时为双 曲柄机构；当其以长杆为机架时为曲柄摇杆机构，这种机构当相邻曲柄机构；

23、当其以长杆为机架时为曲柄摇杆机构，这种机构当相邻 两杆重叠在一起时，将退化为二杆机构，其运动不确定。两杆重叠在一起时，将退化为二杆机构，其运动不确定。 机构的演化机构的演化 机构的演化机构的演化将基本机构进行变换，得到新机构的方法。将基本机构进行变换，得到新机构的方法。 常见的演化方法：常见的演化方法： 1）改变构件的形状和运动尺寸；）改变构件的形状和运动尺寸； 2）改变运动副的尺寸；）改变运动副的尺寸； 3）选用不同的构件为机架；）选用不同的构件为机架； 4）运动副元素的逆换。）运动副元素的逆换。 1) 得到所要求的运动性能；得到所要求的运动性能； 2) 改善受力状况；改善受力状况； 3)

24、满足结构设计要求。满足结构设计要求。 机构演化目的：机构演化目的： 各种演化机构的外形虽然各不相同，但它们各种演化机构的外形虽然各不相同，但它们 的性质以及分析和设计方法却常常是相同或的性质以及分析和设计方法却常常是相同或 类似的，这就为连杆机构的研究提供了方便。类似的，这就为连杆机构的研究提供了方便。 e.g.e.g.选用不同构件为机架选用不同构件为机架 (0360) (0360) (360) (360)1 2 3 4 A B C D 双曲柄机构双曲柄机构 (0360) (0360) (360) (360)1 2 3 4 A B D C 双双摇杆机构摇杆机构 (0360) (0360) (3

25、60) 1 2 3 4 A B C D ( 0 )e 0 ) n 对心式曲柄滑块机构对心式曲柄滑块机构 ( e = 0 ) ( e = 0 ) 曲柄滑块机构根据偏距曲柄滑块机构根据偏距e不同分类：不同分类： 曲柄滑块机构的应用：曲柄滑块机构的应用： 活塞式内燃机活塞式内燃机 往复式水泵往复式水泵 冲冲 床床 曲柄滑块机构的演化机构曲柄滑块机构的演化机构 1）导杆机构）导杆机构 2）摇块机构）摇块机构 3）定块机构）定块机构 4）双滑块机构）双滑块机构 变换单移动副机构的机架。变换单移动副机构的机架。 再次改变相再次改变相对对杆长，将另杆长，将另 一个转动副演化为移动副。一个转动副演化为移动副。

26、 4 3 2 1 定块机构定块机构 (一一) 变换单移动副机构的机架变换单移动副机构的机架 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 B A 12 3 4 C 导杆机构导杆机构 1 2 3 4 曲柄摇块机构曲柄摇块机构 1 4 3 2 导杆机构导杆机构 1 2 3 4 曲柄滑块机构中，当取杆曲柄滑块机构中，当取杆1为机架为机架 时，即得。时，即得。 杆杆4 4称为导杆，滑块称为导杆，滑块3 3相对导杆相对导杆 4 4作相对滑动，并随杆作相对滑动，并随杆2 2一起转一起转 动，动，一般取杆一般取杆2 2为原动件为原动件。 应用：回转式液压泵、牛头刨床、插床等机器的主体机构。应用：回转式液压泵、牛头刨床、插床等机

27、器的主体机构。 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 B A 12 3 4 C 导杆机构导杆机构 1）转动导杆机构）转动导杆机构 B A 1 2 3 4 C 2）摆动导杆机构）摆动导杆机构 3 A 1 2 4 C B 导导 杆杆 机机 构构 均可作整周转动和杆时，杆当42 21 ll 只能作往复摆动杆作整周转动时，杆当4,2 21 ll 转动导杆机构转动导杆机构 D 回回 转转 式式 液液 压压 泵泵 插床主体机构插床主体机构 (ABBC ABBC ） A 刨床主体机构的另一种形式刨床主体机构的另一种形式 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 B A 12 3 4 C 曲柄摇块机构曲柄摇块机构 1 4 3 2 曲柄滑

28、块机构中，当取杆曲柄滑块机构中，当取杆2为机架为机架 时，即得摇块机构。时，即得摇块机构。 摇块机构一般取杆摇块机构一般取杆1或杆或杆4为原动件，为原动件， 当杆当杆1作转动或摆动时，杆作转动或摆动时，杆4相对滑相对滑 块块3滑动，并一起绕滑动，并一起绕C点摆动。点摆动。 应用：应用：e.g.液压驱动装置、摆缸式内燃机、卡车车厢自动翻液压驱动装置、摆缸式内燃机、卡车车厢自动翻 转卸料机构。转卸料机构。 摇块机构摇块机构 曲柄摇块机构曲柄摇块机构 摆缸式内燃机机构摆缸式内燃机机构 左侧四杆机构位移量小，减振功能差 挖掘机相邻两杆之间的开合动挖掘机相邻两杆之间的开合动 作也是由摇块机构来实现的。作

29、也是由摇块机构来实现的。 作者：潘存云教授 应用实例应用实例 B 2 3 4 C 1 A 自卸卡车举升机构自卸卡车举升机构 应用实例应用实例 B 3 4 C 1 A 2 应用实例应用实例 4A 1 B 2 3 C 应用实例应用实例 1 3 C 4 A B 2 应用实例应用实例 A 1 C 2 3 4 B 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 B A 12 3 4 C 滑块滑块3为定块，一般取杆为定块，一般取杆1为原动为原动 件，杆件，杆2绕绕C点往复摆动，而杆点往复摆动，而杆4 仅相对滑块仅相对滑块3作往复移动。作往复移动。 4 3 2 1 定块机构定块机构 定块机构（定块机构（移动导杆机构）移动导杆机构

30、） 曲柄滑块机构中，当滑块曲柄滑块机构中，当滑块3为为 机架时，即得定块机构。机架时，即得定块机构。 应用：应用：e.g.抽水泵、抽油泵。抽水泵、抽油泵。 移动导杆机构（定块机构）移动导杆机构（定块机构） 抽水泵抽水泵 手手 动动 抽抽 油油 泵泵 A B C 3 2 1 4 东莞理工学院专用 ( (二二) ) 改变构件的形状和运动尺寸改变构件的形状和运动尺寸 偏心曲柄滑块机构偏心曲柄滑块机构 对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构 (slider-crank mechanism) 双滑块机构双滑块机构 正弦机构正弦机构 s =l sin l 1 2

31、 3 4 1 2 3 4 s n正弦机构正弦机构 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 B A 12 3 4 C a a 铰链铰链B相对于铰链相对于铰链C运动的轨迹为圆弧运动的轨迹为圆弧 aa 1 2 3 4 将连杆将连杆2做成滑块形做成滑块形 式，并使之沿圆弧式，并使之沿圆弧 导轨运动。导轨运动。 作（作（1）的转化，并将）的转化，并将 连杆连杆2长度增至无限长长度增至无限长 sin 1 ls 通常称其为正弦机构。通常称其为正弦机构。 正弦机构多应用在一些仪表和解算装置中。正弦机构多应用在一些仪表和解算装置中。 （1） （2） 正弦机构的应用正弦机构的应用 sinas 缝纫机针机构缝纫机针机构 双滑块（

32、转块）机构双滑块（转块）机构 将铰链四杆机构的其中两杆杆长增至无穷大，可演化为具有两个移将铰链四杆机构的其中两杆杆长增至无穷大，可演化为具有两个移 动副的四杆机构动副的四杆机构双滑块（转块）机构。双滑块（转块）机构。 按照两个移动副所处的位置不同，双滑块机构可分为四种形式：按照两个移动副所处的位置不同，双滑块机构可分为四种形式： （1）两移动副不相邻）两移动副不相邻 a） 图的正切机构（其从动件图的正切机构（其从动件3的的 位移与主动件位移与主动件1的转角正切成正比）的转角正切成正比） （2）两移动副相邻且其）两移动副相邻且其 中一个与机架相连中一个与机架相连 b） 图的正弦机构（其从动件图的

33、正弦机构（其从动件3的的 位移与曲柄位移与曲柄1的转角正弦成正比）的转角正弦成正比） 特点：从动构件与主动构件的接触点到特点：从动构件与主动构件的接触点到 转轴的距离是随主动构件的位移变化的。转轴的距离是随主动构件的位移变化的。 （3）两移动副相邻但都不与机架相连）两移动副相邻但都不与机架相连 上图所示的十字滑块机构即为此种机构。常用作联上图所示的十字滑块机构即为此种机构。常用作联 轴器，可以主动补偿主、从动轴由于对中不良而产轴器，可以主动补偿主、从动轴由于对中不良而产 生的位置误差。生的位置误差。 双转块机构双转块机构 （4）两移动副相邻且都与机架相连）两移动副相邻且都与机架相连 双滑块机构

34、双滑块机构 缝纫机针杆机构缝纫机针杆机构 椭圆仪机构椭圆仪机构 在椭圆仪中，当两个滑块在机架的滑槽中移动时，连在椭圆仪中，当两个滑块在机架的滑槽中移动时，连 杆上各点的轨迹是长短半径不同的椭圆。杆上各点的轨迹是长短半径不同的椭圆。 东莞理工学院专用 ( (三三) )改变运动副的尺寸改变运动副的尺寸 偏心轮机构偏心轮机构 (eccentric mechanism) e 当因为结构需要使曲柄尺寸过小而不便加工，或因运动要求当因为结构需要使曲柄尺寸过小而不便加工，或因运动要求 需要加大曲柄的重量以增大惯性力时，可将回转副需要加大曲柄的重量以增大惯性力时，可将回转副B同心放同心放 大至将大至将A也包括

35、在内，即杆也包括在内，即杆1放大为圆盘放大为圆盘1，圆盘，圆盘1的几何中心的几何中心 为为B，转动中心为偏心，转动中心为偏心A。 称圆盘称圆盘1为偏心轮，该机构称为偏心轮机构。偏心轮中为偏心轮，该机构称为偏心轮机构。偏心轮中A点和点和 B点之距称为偏心距点之距称为偏心距e，它与原曲柄等长，其余各杆长也对应，它与原曲柄等长，其余各杆长也对应 相等。相等。 n偏心轮机构应用偏心轮机构应用 冲剪床冲剪床 应用于剪床、冲床、颚式破碎机等机械中。应用于剪床、冲床、颚式破碎机等机械中。 作业：作业： 思考题：思考题：4-1、4-3 习题：习题：4-1、4-2 第二节第二节 平面四杆机构的基本特性平面四杆机

36、构的基本特性 一、急回特性及行程速比系数一、急回特性及行程速比系数K 二、压力角与传动角二、压力角与传动角 三、机构的死点位置三、机构的死点位置 四、连杆机构运动的连续性四、连杆机构运动的连续性 一、急回特性和行程速比系数一、急回特性和行程速比系数K K 2 2、急回运动、急回运动( (quick-return motionquick-return motion) ) 3、行程速比系数、行程速比系数K 1、极位夹角、极位夹角 1 1、极位夹角、极位夹角 n 曲柄摇杆机构中曲柄摇杆机构中曲柄与连杆曲柄与连杆两次共线位置两次共线位置 时曲柄之间所夹锐角时曲柄之间所夹锐角 称为极位夹角。称为极位夹角

37、。 当当AB与与BC两次共线时，输出件两次共线时，输出件CD处于两极限位置。处于两极限位置。摇杆摇杆 在两极限位置所夹角称为摆角在两极限位置所夹角称为摆角 。 极位夹角极位夹角 ： 当摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄当摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄 位置线所夹的锐角。位置线所夹的锐角。 B2 C2 B1 C1 A 2 1 1 C 3 4 B D a bc d 摆角摆角 极位夹角极位夹角 B2 C2 B1 C1 曲柄转角曲柄转角180 1 对应的时间对应的时间 111 /t 摇杆点摇杆点C的的 平均速度平均速度 1 A 2 1 1 C 3 4 B D a bc d 2 180 2 122 /t

38、 摆角摆角 极位夹角极位夹角 v1 v2 1211 /tCCv ) 2122 /tCCv ) 2 2、急回运动急回运动( (quick-return motion)quick-return motion) t1t2v2v1 n 在曲柄等速回转的情况下在曲柄等速回转的情况下 ，摇杆往复，摇杆往复 摆动速度快慢不同的运动，称为摆动速度快慢不同的运动，称为急回运动急回运动。 v2v1 n 为了衡量摇杆急回作用的程度，用行为了衡量摇杆急回作用的程度，用行 程速比系数表示程速比系数表示. . 3 3、行程速比系数、行程速比系数( (coefficient coefficient of travel sp

39、eed variation) kof travel speed variation) k n 为了衡量摇杆急回作用的程度，把从为了衡量摇杆急回作用的程度，把从 动件往复摆动平均速度的比值（大于动件往复摆动平均速度的比值（大于1 1） 称为行程速比系数，即称为行程速比系数，即 度从动件慢速行程平均速 度从动件快速行程平均速 k 由 1 1 180 k k 180 180 2 1 1 2 1 1 2 1 3 3 t t k n极为夹角极为夹角为为 n 四杆机构有无急回运动，取决于四杆机构有无急回运动，取决于曲柄与曲柄与 连杆共线位置的夹角连杆共线位置的夹角，即有无极位夹角，即有无极位夹角 ， 不论

40、是何种机构，只要机构在运行过程中不论是何种机构，只要机构在运行过程中具具 有极位夹角有极位夹角 ，则该机构就具有急回作用，则该机构就具有急回作用。 n 角越大，则角越大，则K K值越大，说明急回运动的值越大，说明急回运动的 性质也越显著。性质也越显著。 曲柄滑块机构中，原动件曲柄滑块机构中，原动件AB以以等速转动等速转动 1 C1 B1 B2 H C2 偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构 2 A B 1 3 4 e C a b 1 2222 )()(eabebaH 0 ,有急回特性。有急回特性。 曲柄摆动导杆机构曲柄摆动导杆机构 2 1 B2 B1 有急回特性。有急回特性。 B1B2 H H=2

41、a, 0 ,无急回特性。无急回特性。 3 1 4A 对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构 B 2 C a b 1 C1 C2 1 A B 二、压力角和传动角二、压力角和传动角 n1 1、压力角、压力角( (pressure angle)pressure angle) n 从动件从动件CDCD受的受的 力力F F的作用线与力作的作用线与力作 用点用点C C的绝对速度的绝对速度vc vc 所夹锐角，称为所夹锐角，称为此此 位置位置的压力角。的压力角。 在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构中在不计摩擦力、重力、惯性力的条件下，机构中 驱使驱使输出件输出件运动的运动的力的方向线力的方向线与与输出件输出

42、件上上受力点的速受力点的速 度方向线度方向线所夹的锐角所夹的锐角。 vc F 1 A B C D 1 2 3 4 vc F F1 F2 1 A B C D 1 2 3 4 cos 1 FF n由力的分解：由力的分解： 沿着速度方向的有效分力沿着速度方向的有效分力 sin 2 FF 垂直于垂直于F Ft t的分力的分力 vc F F1 F2 1 A B C D 1 2 3 4 力力F F2 2 只能使铰链 只能使铰链C C、D D产生压轴力，希望它越小越好；产生压轴力，希望它越小越好； 力力F F1 1 越大，推动机构的有效分力就越大，传力效 越大，推动机构的有效分力就越大，传力效 果就果就越好

43、，越好，即即 越小越好。越小越好。 n因此，对连杆机构中的因此，对连杆机构中的压力角压力角提出了限制，最大不提出了限制，最大不 能超过能超过 40 405050， n即：即： = 40 = 405050 vc F F1 F2 1 A B C D 1 2 3 4 越小，受力越好越小，受力越好。 越大，受力越好越大，受力越好。 n2 2、传动角、传动角( (transmission angletransmission angle） n 压力角的余角压力角的余角称为机构在此位置的传动角。称为机构在此位置的传动角。 n = 90 = 90- - A C B D vB F F vc a A B 1 3

44、4 C b 1 2 vc A B C 1 2 1 F F 0 vB3 B1 2 3 1 A C n机构在运转过程中，传动角机构在运转过程中，传动角 随机构随机构 的位置不同而变化，为保证的位置不同而变化，为保证机构的传力效果，机构的传力效果， 40 min 平面四杆机构的最小传动角位置平面四杆机构的最小传动角位置 原动件为原动件为AB 当当为锐角时，传动角为锐角时，传动角 4 vc A B C D 1 F 1 2 3 当当为钝角时，传动角为钝角时，传动角 180 f F1 vc D F 1 C A B F2 1 2 3 4 a b c d n在三角形在三角形ABDABD中：中：BD=a+d-2

45、BD=a+d-2adadcoscos (1) (1) n在三角形在三角形BCDBCD中：中：BD=b+c-2BD=b+c-2bcbccoscos (2) (2) n(1)=(2)得： bc addacb 2 cos2 cos 2222 n是随各杆长杆长和原动件转角原动件转角的变化而变化的。 n在三角形在三角形ABDABD中：中：BD=BD=a a+d d-2-2adadcoscos (1) (1) n在三角形在三角形BCDBCD中：中：BD=BD=b b+c c-2-2bcbccoscos (2) (2) n 设设a a、b b、c c、d d各杆长确定各杆长确定 n 当当 = 0 = 0时，

46、即时，即曲柄与机架重叠共线，曲柄与机架重叠共线， coscos =+1, =+1, 取最小值。取最小值。 bc adcb 2 )( cos 222 min bc addacb 2 cos2 cos 2222 n当当 =180 =180时，即时，即曲柄与机架拉直共线曲柄与机架拉直共线， coscos =-1, =-1, 取最大值。取最大值。 bc dacb 2 )( cos 222 max bc addacb 2 cos2 cos 2222 n 曲柄摇杆机构的最小传动角曲柄摇杆机构的最小传动角 min min必出 必出 现在现在曲柄与机架共线的曲柄与机架共线的两个两个位置上位置上，即，即 为为

47、min min或 或 max max时的两个位置， 时的两个位置，比较这两个位比较这两个位 置传动角，置传动角，即可求出最小传动角即可求出最小传动角min min。 n即：即： min min = = min min n min = 180- max 4 vc A B C D 1 F 1 2 3 以以AB为原动件的曲柄摇杆机构，为原动件的曲柄摇杆机构， minmaxminmin )180( , maxmin , 当曲柄和机架处于两共线位置时，连杆和输出件的夹角当曲柄和机架处于两共线位置时，连杆和输出件的夹角 最小和最大（最小和最大（ ）。）。 B2 D A max C2 B1 min C1 n

48、曲柄滑块机构曲柄滑块机构min min何时出现？ 何时出现？ F vc D B1 C1 b ea arcsin max max 3 4 2 a A B 1 C b 1 e b ea arccos min C 1 A 2 3 B 4 b a arcsin max b a arccos min 导杆机构导杆机构 vB3 F 0 图图1 B1 2 3 1 A C 图图2 B 4 A d 1 2 a C 3 e vB3 F 三、机构的死点位置三、机构的死点位置 n 指从动件的传动角指从动件的传动角 =0 =0( (或或 =90=90) ) 时机构所处的位置。时机构所处的位置。（不考虑构件的重力、（不考

49、虑构件的重力、 惯性力和运动副中的摩擦力的影响）惯性力和运动副中的摩擦力的影响） 1 1、死点、死点( (dead point)dead point)位置位置 B2 C2 vB 踏板踏板 缝纫机主运动机构缝纫机主运动机构 脚脚 A B1 C1 D FB 画出压力角画出压力角 1 C 2 3 4 A B D a b c d vB FB n 对于曲柄摇杆机构，当摇杆对于曲柄摇杆机构，当摇杆1 1为主动件，当连杆为主动件，当连杆 与曲柄共线时的位置，即：摇杆处于两个极限位置时，与曲柄共线时的位置，即：摇杆处于两个极限位置时， 经过连杆经过连杆2 2传给从动曲柄传给从动曲柄3 3的驱动力的驱动力F F

50、，通过曲柄的转通过曲柄的转 动中心动中心A A。对从动曲柄对从动曲柄3 3的有效力矩为零，故不能推动的有效力矩为零，故不能推动 曲柄转动曲柄转动, ,机构处于卡死位置，机构处于卡死位置，机构的这种位置称机构的这种位置称 为为死点位置死点位置。 n此时传动角此时传动角 =0 =0 n（或（或 =90=90）。）。 机构是否有死点位置与哪一构机构是否有死点位置与哪一构 件为主动件有关。件为主动件有关。 n曲柄摇杆机构，当曲柄为主动件时无死曲柄摇杆机构，当曲柄为主动件时无死 点位置，但有极限位置，当摇杆为主动点位置，但有极限位置，当摇杆为主动 件时有死点位置。件时有死点位置。 n曲柄滑块机构，当以滑

51、块曲柄滑块机构，当以滑块3 3为主动件时有为主动件时有 死点位置。死点位置。 n 平行四边形机构，连杆与曲柄共线时传平行四边形机构，连杆与曲柄共线时传 动角为动角为0 0 （转向点转向点），从动曲柄可能向正），从动曲柄可能向正 反两个方向转动，机构运动不确定，平行四反两个方向转动，机构运动不确定，平行四 边形机构可能变成反平行四边形机构。边形机构可能变成反平行四边形机构。 n双摇杆机构，也有双摇杆机构，也有 死点位置，在实际死点位置，在实际 设计中常采用限制设计中常采用限制 摆杆的角度来避免摆杆的角度来避免 死点位置。死点位置。 死点位置的克服办法死点位置的克服办法 n例：缝纫机借例：缝纫机借

52、 助于带轮的惯助于带轮的惯 性通过死点。性通过死点。 n（1 1）利用飞轮惯性来克服死点位置）利用飞轮惯性来克服死点位置 蒸汽机车车轮联动机构，左右车轮两组蒸汽机车车轮联动机构，左右车轮两组 曲柄滑块机构中，曲柄曲柄滑块机构中，曲柄ABAB与与A AB B位置错开位置错开 9090。 n（2 2）利用机构错位排列法来克服死点位置。）利用机构错位排列法来克服死点位置。 2 2、死点位置在机构中的作用、死点位置在机构中的作用 n钻床工件夹紧机构钻床工件夹紧机构 n飞机起落架机构飞机起落架机构 东莞理工学院专用 作者：潘存云教授 a b d c C B AD 平面四杆机构具有平面四杆机构具有周转副周

53、转副可能可能存在存在曲柄。曲柄。 b(d a)+ c 则由则由BCD可得：可得： 则由则由B”C”D可得：可得： a+d b + c c(d a)+ b AB为最为最短短杆杆 a+b c + d 1.1.平面四杆机构有曲柄的条件平面四杆机构有曲柄的条件 C” a b d c AD d- - a 设设adad，同理有：，同理有： da, db, dc AD为最为最短短杆杆 将以上三式两两相加得：将以上三式两两相加得： a b, ac, ad B” 东莞理工学院专用 （2）连架杆或机架之一为连架杆或机架之一为最短杆。最短杆。 可知：可知：当满足杆长条件时，其当满足杆长条件时，其最短杆最短杆参与构成

54、的转动参与构成的转动 副副都是都是周转副。周转副。 曲柄存在的条件曲柄存在的条件： （1）最长杆与最短杆的长度之和应最长杆与最短杆的长度之和应其他两杆长度之和其他两杆长度之和 此时，铰链此时，铰链A为周转副。为周转副。 若取若取BC为机架，则结论相同，可知铰链为机架，则结论相同，可知铰链B也是周转副。也是周转副。 称为称为杆长条件杆长条件。 A B C D a b c d 东莞理工学院专用 作者：潘存云教授 （1 1）当满足杆长条件时，说明存在周转副，当选择当满足杆长条件时，说明存在周转副，当选择 不同的构件作为机架时，可得不同的机构。如：不同的构件作为机架时，可得不同的机构。如： 曲柄摇杆曲

55、柄摇杆1 1 、曲柄摇杆曲柄摇杆2 2 、双曲柄双曲柄、 双摇杆机构双摇杆机构。 分析说明分析说明（判断机构类型的步骤）（判断机构类型的步骤） （2 2）当不满足杆长条件时，无周转副，此时无论当不满足杆长条件时，无周转副，此时无论 取哪一杆件为机架，均为双摇杆机构。取哪一杆件为机架，均为双摇杆机构。 最短杆为连架杆最短杆为机架最短杆为连杆 东莞理工学院专用 作者：潘存云教授 A B C D 2. 2. 急回运动与行程速比系数急回运动与行程速比系数 在在曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构中，当中，当曲柄曲柄与与连杆连杆两次共线时，摇杆位于两两次共线时，摇杆位于两 个极限位置，简称个极限位置，简称极位极位(

56、extreme position)。 (1) (1) 当曲柄以当曲柄以逆时针逆时针转过转过180180+时，摇杆从时，摇杆从C1D位置摆位置摆 到到C2D。 所花时间为所花时间为t1 , , 平均速度平均速度为为V1 , , 那么有：那么有： / )180( 1 t 1211 tCCV )180/( 21 CC B1 C1 A D 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 3D 180180 C2 B2 此两处曲柄之间的夹角此两处曲柄之间的夹角 称为称为极位夹角极位夹角(crack angle between extreme positions)。 摇杆之间的夹角称为摇杆之间的夹角称为 摆角摆角（C1DC2）

57、 东莞理工学院专用 作者：潘存云教授 B1 C1 A D C2 (2) (2) 当曲柄以当曲柄以继续转过继续转过180180-时，摇杆从时，摇杆从C2D位位置摆到置摆到C1D， 所花时间为所花时间为t2 , ,平均速度平均速度为为V2 , , 那么有：那么有： 180180- /)180( 2 t 显然：显然：t t1 1 t t2 2 V V2 2 V V1 1 摇杆的这种特性称为摇杆的这种特性称为急回运动急回运动(quick-return motion)。 称称K为为行程速比系数行程速比系数(advance-to return-time ratio)。 1 2 V V K 180 180

58、2 1 t t 2)2)且且越大，越大，K值越大，急回性质越明显。值越大，急回性质越明显。 说明说明: :1)1)只要只要 0 ， 就有就有 KK1，存在急回运动。存在急回运动。 1 1 180 K K 3)3)设计设计新新机械时，往往先给定机械时，往往先给定K值，于是值，于是: 2212 tCCV )180/( 21 CC 121 221 tCC tCC B2 东莞理工学院专用 曲柄滑块机构曲柄滑块机构（偏置）（偏置）的急回特性的急回特性 急回特性应用：急回特性应用：节省返程时间，如节省返程时间，如牛头刨牛头刨、往复式、往复式 输送机等。输送机等。 180180 180180- 导杆机构导杆

59、机构的急回特性的急回特性 180180 180180- 思考题：思考题： 对心对心曲柄滑块机构曲柄滑块机构的急回特性如何？的急回特性如何？ 东莞理工学院专用 作者：潘存云教授 F F F” 当当BCD90BCD90时，时， BCDBCD 3. .压力角和传动角压力角和传动角 (1)(1)压力角压力角(pressure angle)： 从动件驱动力从动件驱动力F与力作用点与力作用点绝对速度绝对速度之间所夹之间所夹锐角锐角。 设计时要求设计时要求: :min min40- 50 40- 50 (3)(3)min min出现的位置： 出现的位置： 当当BCD90BCD90时，时， 180180- B

60、CD- BCD 切向分力切向分力: : F= FcosF= Fcos 法向分力法向分力: : F”= FcosF”= Fcos FF 对传动有利对传动有利。 = Fsin= Fsin (+ =90(+ =90) ) 可以证明可以证明：此位置一定是：此位置一定是：曲柄曲柄与与机架两次共线位置之一。机架两次共线位置之一。 A B C D C D B A F F” F (2)(2)传动角传动角(transmission angle) 可用可用的大小来表示机构传力性能的好坏。的大小来表示机构传力性能的好坏。 当当BCDBCD最小或最大时，都有可能出现最小或最大时，都有可能出现min min (Vc)

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