第3章平面连杆机构

1、第第3章章平面连杆机构平面连杆机构能力目标能力目标 1.判断铰链四杆机构类型的能力；判断铰链四杆机构类型的能力； 2.识别各类滑块机构的能力；识别各类滑块机构的能力； 3.识别四杆机构基本特性的能力；识别四杆机构基本特性的能力； 4.设计平面连杆机构的能力。设计平面连杆机构的能力。 知识要素知识要素 1.铰链四杆机构的基本类型、应用场合；铰链四杆机构的基本类型、应用场合； 2.常见滑块机构的基本类型、应用场合；常见滑块机构的基本类型、应用场合； 3.四杆机构的基本特性；四杆机构的基本特性； 4.平面连杆机构的设计方法。平面连杆机构的设计方法。学习重点与难点学习重点与难点 1.各类机构的应用场合

2、和基本特性；各类机构的应用场合和基本特性； 2.平面连杆机构的设计方法。平面连杆机构的设计方法。 日 常 生 活 和日 常 生 活 和工业生产实践中广工业生产实践中广泛应用的各种机械泛应用的各种机械设备，都是人们按设备，都是人们按需要将各种机构需要将各种机构（零件）组合在一（零件）组合在一起，来完成各式各起，来完成各式各样的任务以满足人样的任务以满足人们生活和生产的需们生活和生产的需要。要。 图图3-13-1为为牛头刨牛头刨床床的实物外形图。的实物外形图。点击播放点击播放图图3-1 3-1 牛头刨床实物图牛头刨床实物图点击播放点击播放图图3-3 3-3 摆动导杆机构摆动导杆机构图图3-4 3-

3、4 摆动导杆机构运动简图摆动导杆机构运动简图 要合理和高效的使用牛头刨床，就要充分理解和要合理和高效的使用牛头刨床，就要充分理解和掌握牛头刨床各组成机构的特性，调整好各机构的运掌握牛头刨床各组成机构的特性，调整好各机构的运动状态，来实现预定的运动要求以达到完成生产任务动状态，来实现预定的运动要求以达到完成生产任务之目的。为了了解和掌握各种常用机构的运动状况和之目的。为了了解和掌握各种常用机构的运动状况和特性，就需要分析各种机构的组成和类型。特性，就需要分析各种机构的组成和类型。 本章主要介绍平面连杆机构的组成及其基本类型本章主要介绍平面连杆机构的组成及其基本类型，介绍平面连杆机构的设计方法。，

4、介绍平面连杆机构的设计方法。 平面连杆机构是将若干构件用低副（平面连杆机构是将若干构件用低副（转动副转动副和和移移动副动副）连接起来并作平面运动的机构，也称低副机构。连接起来并作平面运动的机构，也称低副机构。 由于低副为面接触，故传力时压强低、磨损量小，由于低副为面接触，故传力时压强低、磨损量小，且易于加工和保证精度，能方便地实现转动、摆动和且易于加工和保证精度，能方便地实现转动、摆动和移动这些基本运动形式及其相互间的转换等。移动这些基本运动形式及其相互间的转换等。 平面连杆机构的缺点是：由于低副中存在着间隙，平面连杆机构的缺点是：由于低副中存在着间隙，将不可避免地引起机构的运动误差；此外，它

5、不容易将不可避免地引起机构的运动误差；此外，它不容易实现精确复杂的运动规律。实现精确复杂的运动规律。 简单的平面连杆机构是由四个构件用低副连接而简单的平面连杆机构是由四个构件用低副连接而成的，简称成的，简称四杆机构四杆机构。它应用广泛，是组成多杆机构。它应用广泛，是组成多杆机构的基础。的基础。 2 2）转变运动形式的传动机构）转变运动形式的传动机构 如牛头刨床如牛头刨床的横向进刀机构，摆动的横向进刀机构，摆动转动；缝纫机上的转动；缝纫机上的踏板机踏板机构构点击播放点击播放，摆动，摆动转动；转动；平面连杆机构的应用：平面连杆机构的应用： 1 1）向较远处传递运动的）向较远处传递运动的操纵机构操纵

6、机构动画动画3-063-06 ，如自，如自行车手闸机构、车床和汽车上的离合器的操纵机构；行车手闸机构、车床和汽车上的离合器的操纵机构； 3 3）直接进行工作的执行机构）直接进行工作的执行机构 如汽车前窗的如汽车前窗的刮雨器机构，公共汽车的刮雨器机构，公共汽车的开门机构开门机构点击播放点击播放等。等。1.1.曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构2.2.双曲柄机构双曲柄机构3.3.双摇杆机构双摇杆机构 根据连架杆运动形式根据连架杆运动形式的不同，可分为三种基本形的不同，可分为三种基本形式。式。4 4机架机架1,31,3连架杆连架杆 定轴转动定轴转动2 2连杆连杆平面运动平面运动组成：组成：固定不动固定不动作整

7、周转动作整周转动曲柄曲柄作往复摆动作往复摆动摇杆摇杆连架杆连架杆1机架机架4 4连架杆连架杆3 3连杆连杆2 2基本型式基本型式铰链四杆机构铰链四杆机构，其它四杆机构都是由它演变得到的，其它四杆机构都是由它演变得到的可动画演示可动画演示曲柄摇杆机构应用曲柄摇杆机构应用破碎机破碎机雷达天线俯仰机构雷达天线俯仰机构点击播放点击播放曲柄主动曲柄主动A AB BD DC C1 12 24 43 32 21 14 43 3缝纫机踏板机构缝纫机踏板机构3 31 12 24 4跑步器（跑步器（点击播放点击播放）双曲柄机构双曲柄机构铰链四杆机构的两个连架杆均为曲柄时，称为双曲柄机构图图3-10 3-10 双曲

8、柄机构双曲柄机构点击播放点击播放图图3-11 3-11 双曲柄机构双曲柄机构惯性筛惯性筛点击播放动画点击播放动画双曲柄机构应用双曲柄机构应用-插床机构插床机构 在双曲在双曲柄机构中，柄机构中，若相对的两若相对的两杆长度分别杆长度分别相等时，则相等时，则称为称为平行双平行双曲柄机构曲柄机构图图3-12 3-12 平行双曲柄机构平行双曲柄机构点击播放点击播放 图图3-13 3-13 机车车轮联动机构机车车轮联动机构点击播放动画点击播放动画点击播放视频点击播放视频图图3-14 3-14 天平机构天平机构点击播放点击播放图图3-15 3-15 车门启闭机构车门启闭机构点击播放动画点击播放动画引体向上训

9、练器（引体向上训练器（点击播放点击播放） 若铰若铰链四杆机链四杆机构的两个构的两个连架杆均连架杆均为摇杆，为摇杆，则称为则称为双双摇杆机构摇杆机构图图3-17 3-17 双摇杆机构双摇杆机构点击播放点击播放图图3-183-18港口起重机港口起重机点击播放点击播放图图3-19 3-19 飞机起落架飞机起落架点击播放动画点击播放动画剪板机剪板机点击播放动画点击播放动画 通过分析，可得出铰链四杆机构曲通过分析，可得出铰链四杆机构曲柄存在的条件是：柄存在的条件是：（1 1）最短杆与最长杆的长度之和小于）最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和。（或等于其余两杆长度之和。（杆长条件杆长条件）（

10、2 2）连架杆或机架中必有一杆为最短）连架杆或机架中必有一杆为最短杆。杆。判断铰链四杆机构是何种机构的方法判断铰链四杆机构是何种机构的方法: : 1 1、先判断机构是否满足杆长条件，如不、先判断机构是否满足杆长条件，如不满足，则该机构是双摇杆机构；满足，则该机构是双摇杆机构； 2 2、如满足杆长条件，要看何杆为机架。、如满足杆长条件，要看何杆为机架。 最短杆为机架，机构是最短杆为机架，机构是双曲柄机构双曲柄机构； 最短杆的邻杆为机架，机构是最短杆的邻杆为机架，机构是曲柄摇杆机曲柄摇杆机构；构； 最短杆的对杆为机架，机构是最短杆的对杆为机架，机构是双摇杆机构双摇杆机构。 凡含有移凡含有移动副的四

11、杆机动副的四杆机构，称为滑块构，称为滑块四杆机构，简四杆机构，简称称滑块机构滑块机构。按机构中滑块按机构中滑块的数目，可分的数目，可分为为单滑块机构单滑块机构和和双滑块机构。双滑块机构。点击播放点击播放点击播放点击播放单滑块机构单滑块机构双滑块机构双滑块机构点击播放点击播放对心曲柄滑块机构的应用对心曲柄滑块机构的应用- -内燃机内燃机对心曲柄滑块机构的应用对心曲柄滑块机构的应用自动送料机自动送料机点击播放点击播放偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构点击播放点击播放点击播放点击播放对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构 手动冲孔钳手动冲孔钳点击播放点击播放导杆机构导杆机构( (固定固定ABAB构件）构件）

12、3 31 14 4A A2 2B BC C3 31 14 4A A2 2B BC C曲柄滑块机构曲柄滑块机构（固定（固定ACAC构件）构件）摆动导杆机构摆动导杆机构 L L1 1L L2 2转动导杆机构转动导杆机构 L L1 1L L2 2铰链四杆机构铰链四杆机构 曲柄滑块机构的演化曲柄滑块机构的演化转动导杆刨床转动导杆刨床摆动导杆机构牛头刨床摆动导杆机构牛头刨床ABDCE123456ABDC1243C2C1点击播放动画点击播放动画点击播放动画点击播放动画3 31 14 4A A2 2B BC C应用实例应用实例B B2 23 34 4C C1 1A A自卸卡车的翻斗机构自卸卡车的翻斗机构应用

13、实例应用实例B B3 34 4C C1 1A A2 2应用实例应用实例4 4A A1 1B B2 23 3C C应用实例应用实例1 13 3C C4 4A AB B2 2A A1 1C C2 23 34 4B B 摇块机构摇块机构 （固定固定BCBC构件构件）3 31 14 4A A2 2B BC C曲柄滑块机构曲柄滑块机构（固定（固定ACAC构件）构件）点击播放点击播放3 31 14 4A A2 2B BC C手动抽水机手动抽水机A AB BC C3 32 21 14 43 31 14 4A A2 2B BC C曲柄滑块机构曲柄滑块机构（固定（固定ACAC构件）构件） 定块机构定块机构（固定

14、（固定C滑块）滑块）点击播放视频点击播放视频B B2 2C C2 2B1C1当当ABAB与与BCBC两次共线时，从动件两次共线时，从动件CDCD处于两极限位置。处于两极限位置。动画演示动画演示工作行程工作行程01180极位夹角极位夹角：曲柄在摇杆处于两极限位置时所夹的锐角曲柄在摇杆处于两极限位置时所夹的锐角(C(C1 1ACAC2 2) )。1A211C34BD2 02180摆角极位夹角极位夹角以曲柄摇杆机构为例设：曲柄以设：曲柄以1 1等速转动等速转动摆角摆角：摇杆在两极限位置间的夹角摇杆在两极限位置间的夹角(C(C1 1DCDC2 2) )。返回行程返回行程-1801802112vvK 机

15、构的这种返回行程比工作行程速度快的特性，机构的这种返回行程比工作行程速度快的特性，称为机构的急回特性。称为机构的急回特性。 除曲柄摇杆机构外，除曲柄摇杆机构外，偏置曲柄滑块机构、摆偏置曲柄滑块机构、摆动导杆机构等也具有急动导杆机构等也具有急回特性。回特性。 在往复工作的机械在往复工作的机械（如插床、插齿机、刨（如插床、插齿机、刨床、搓丝机等）中，常床、搓丝机等）中，常利用机构的急回特性来利用机构的急回特性来缩短空行程的时间，以缩短空行程的时间，以提高劳动生产率。提高劳动生产率。图图3-343-34偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构图图3-35 3-35 摆动导杆机构摆动导杆机构点击播放点击播放点

16、击播放点击播放 铰链四杆机构运动时，原动件铰链四杆机构运动时，原动件 1 通过连杆通过连杆 2 作用于作用于从动件从动件 3 上的力上的力 F 是沿着连杆是沿着连杆 BC 的方向；力的方向；力 F 的方向的方向线与力作用点线与力作用点 C 的速度的速度vc方向线之间所夹的锐角称为压方向线之间所夹的锐角称为压力角，用力角，用 表示。表示。 为 了 度为 了 度量方便，常量方便，常用 压 力 角用 压 力 角 的余角的余角 来来表示，表示， 称称为传动角。为传动角。 图图3-36 3-36 铰链四杆机构的压力角和传动角铰链四杆机构的压力角和传动角机构具有良好传力性能的条件机构具有良好传力性能的条件

17、 由图由图3-363-36可知，在机构运动过程中，传动角可知，在机构运动过程中，传动角 是变化的。是变化的。为了保证机构有良好的传力性能，设计时，要求为了保证机构有良好的传力性能，设计时，要求minmin ， 为许用传动角。对一般机械来说，为许用传动角。对一般机械来说， =40 =40；传递功率较；传递功率较大时，大时， =50 =50。曲柄摇杆机构的曲柄摇杆机构的minmin图图3-37 3-37 铰链四杆机构的铰链四杆机构的minmin图图3-383-38曲柄滑块机构的曲柄滑块机构的maxmax 图图3-39 3-39 摆动导杆机构的摆动导杆机构的maxmax 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构中，

18、在以摇杆主动中，在以摇杆主动工 作 时 ， 当 曲 柄工 作 时 ， 当 曲 柄 AB与连杆与连杆 BC共线共线时，不论连杆上的时，不论连杆上的力力F多大，曲柄都多大，曲柄都不能转动，机构所不能转动，机构所处的这种位置，称处的这种位置，称为死点位置。为死点位置。图图3-403-40曲柄摇杆机构的死点位置曲柄摇杆机构的死点位置A AB BC CD D1 12 23 34 4P P钻孔夹具钻孔夹具工件工件A AB BC CD D1 12 23 34 4工件工件P PT TA AB BD DC C飞机起落架飞机起落架A AB BC CD DF F多缸内燃机多缸内燃机 死点位置有时也会成为死点位置有时

19、也会成为机构运动的阻碍，影响设备机构运动的阻碍，影响设备的正常工作，的正常工作，工程中常用的工程中常用的解决办法是利用构件的惯性，解决办法是利用构件的惯性，使机构通过死点位置使机构通过死点位置，如在，如在曲轴上安装飞轮；曲轴上安装飞轮；也可采用也可采用相同机构错位排列，使两边相同机构错位排列，使两边机构机构 的死点位置互相错开的死点位置互相错开的方法来度过死点位置的方法来度过死点位置，如，如右图所示的多缸内燃机的联右图所示的多缸内燃机的联动机构。动机构。连杆机构的设计，一般可归纳为两类问题：连杆机构的设计，一般可归纳为两类问题：按给定从动件的位置设计四杆机构，称为位置设计。按给定从动件的位置设

20、计四杆机构，称为位置设计。按给定点的运动轨迹设计四杆机构，称为轨迹设计。按给定点的运动轨迹设计四杆机构，称为轨迹设计。设计方法有图解法、解析法和实验法三种。设计方法有图解法、解析法和实验法三种。图解法简单直观，本章主要介绍图解法。图解法简单直观，本章主要介绍图解法。用作图法设计四杆机构用作图法设计四杆机构1 1、按给定连杆的位置设计四杆机构、按给定连杆的位置设计四杆机构1 1）给定连杆两个位置）给定连杆两个位置有唯一解。有唯一解。B1C1B2C2AD 将铰链将铰链A A、D D分别选在分别选在B B1 1B B2 2，C C1 1C C2 2连线的垂直平分线上任意位置都能满连线的垂直平分线上任

21、意位置都能满足设计要求。足设计要求。2 2）给定连杆上铰链）给定连杆上铰链BCBC的三组位置的三组位置有无穷多组解。有无穷多组解。ADB1C1B2C2B3C3AD2 2、按给定的行程速比系数按给定的行程速比系数K K设计四杆机构设计四杆机构1 1）曲柄摇杆机构）曲柄摇杆机构计算计算180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);已知：已知：CDCD杆长，摆角杆长，摆角及及K K，设计，设计此机构。步骤如下：此机构。步骤如下：任取一点任取一点D D，作等腰三角形腰长，作等腰三角形腰长 为为CDCD，夹角为，夹角为; ;连接连接C C1 1C C2 2，作，作C C1 1PCPC1 1

22、C C2 2，作，作C C2 2P P使使作作P CP C1 1C C2 2的外接圆，则的外接圆，则A A点必在此圆上。点必在此圆上。通过分析，可知，通过分析，可知，L LAC1AC1L LBCBC-L-LABAB, L, LAC2AC2L LBCBC+L+LABAB，则，则90-PAC2C1L LABAB=( L=( LAC2AC2L LAC1AC1)/ 2, L)/ 2, LBCBC=( L=( LAC2AC2+L+LAC1AC1)/ 2)/ 2D CC1 1C C2 2P=90P=90, ,交于交于P;P;A A点的选择是有条件的，否则会有无穷多解。点的选择是有条件的，否则会有无穷多解。

23、2C1C2e2)2)曲柄滑块机构曲柄滑块机构S90-oA已知已知K K，滑块行程，滑块行程S S，偏距，偏距e e，设计此机构设计此机构 。计算计算180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);作作C C1 1 C C2 2 S S作射线作射线C C1 1O O 使使C C2 2C C1 1O=90O=90, ,以以O O为圆心，为圆心，C C1 1O O为半径作圆。为半径作圆。作射线作射线C C2 2O O使使C C1 1C C2 2 O=90 O=90。90-作偏距线作偏距线e e，交圆弧于，交圆弧于A A，即为所求。，即为所求。通过分析，可知，通过分析，可知，L LAC1A

24、C1L LBCBC-L-LABAB, L, LAC2AC2L LBCBC+L+LABAB，则，则L LABAB=( L=( LAC2AC2L LAC1AC1)/ 2, L)/ 2, LBCBC=( L=( LAC2AC2+L+LAC1AC1)/ 2)/ 22 2、按给定的行程速比系数按给定的行程速比系数K K设计四杆机构设计四杆机构mnAC=C3)3)摆动导杆机构摆动导杆机构由于由于与导杆摆角与导杆摆角相等，设计此相等，设计此机构时，仅需要确定曲柄机构时，仅需要确定曲柄 ABAB。计算计算180180(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);任选任选C C作作mCnmCn，取取A A点，

25、取机架点，取机架ACAC。=A作角分线作角分线; ;设已知：机架长度设已知：机架长度ACAC，K K，设计此机构。设计此机构。BB过过A A点作极限位置点作极限位置CmCm的垂线的垂线ABAB，即是，即是曲柄曲柄ABAB。2 2、按给定的行程速比系数按给定的行程速比系数K K设计四杆机构设计四杆机构 在生产实际和日常生活在生产实际和日常生活中，为达到某一运动要求或中，为达到某一运动要求或动力要求，单一的四杆机构动力要求，单一的四杆机构就不能满足需要。为此，常就不能满足需要。为此，常以某个四杆机构为基础，增以某个四杆机构为基础，增添一些杆组或机构，组成多添一些杆组或机构，组成多杆机构。杆机构。

26、右图所示为插齿机主机右图所示为插齿机主机构，是由双摇杆机构构，是由双摇杆机构ABCD和曲柄滑块机构和曲柄滑块机构BEFG串联串联组成，前一机构的从动件组成，前一机构的从动件CE杆正好是后一机构杆正好是后一机构BEFG的的主动件。主动件。图图3-47 3-47 插齿机主机构插齿机主机构（改变运动特性）（改变运动特性）G G 下图所示为手动冲床机构，是由双摇杆机构下图所示为手动冲床机构，是由双摇杆机构ABCD和定块机构和定块机构DEFG串联组成，前一机构的从动件串联组成，前一机构的从动件D杆正杆正好是后一机构好是后一机构DEFG得主动件。得主动件。点击播放点击播放点击播放点击播放图图3-48 3-

27、48 手动冲床手动冲床（增力）（增力）图图3-49 3-49 手动冲床手动冲床（扩大行程）（扩大行程） 下图所示为热轧钢料运输机，是在曲柄摇杆机构下图所示为热轧钢料运输机，是在曲柄摇杆机构1-2-3-4基础上添加杆组基础上添加杆组5-6组成，组成，6为滑块即运输钢料的为滑块即运输钢料的平台。利用六杆机构，即在摇杆（平台。利用六杆机构，即在摇杆（3杆）上添加杆组后，杆）上添加杆组后，摇杆的摆动转变为滑块的移动，增大了行程。摇杆的摆动转变为滑块的移动，增大了行程。图图3-50 3-50 自重式训练器自重式训练器 图图3-493-49所示为自重式训所示为自重式训练器，除手持的开式运动链外，练器，除手

28、持的开式运动链外，其主要组成机构是曲柄摇杆机其主要组成机构是曲柄摇杆机构构ABCDABCD和双曲柄机构和双曲柄机构DEFGDEFG的组的组成的六杆机构，前一个机构的成的六杆机构，前一个机构的摇杆就是后一个机构的主动曲摇杆就是后一个机构的主动曲柄。柄。点击播放点击播放点击播放点击播放划船器也是一个六杆机构划船器也是一个六杆机构划船器是一个六杆机构划船器是一个六杆机构点击播放点击播放 经分析，一般用经分析，一般用一只手握住雨伞把，一只手握住雨伞把，另一只手向上推动滑另一只手向上推动滑块至一定的位置即可块至一定的位置即可打开雨伞，画出长把打开雨伞，画出长把雨伞机构运动简图如雨伞机构运动简图如右图。构

29、件右图。构件6是雨伞是雨伞把为机架，该机构有把为机架，该机构有5个活动构件，个活动构件， 6个转个转动副，动副，1个移动副，个移动副，自由度为：自由度为：F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3 =3 5 52 27 70=10=1 实例一实例一 画出雨伞的机构运动简图并计算自由度画出雨伞的机构运动简图并计算自由度 经分析可画出折经分析可画出折叠雨伞机构运动简图叠雨伞机构运动简图如右图，该构件如右图，该构件10为为机架，一共有机架，一共有9个活动个活动构件，构件， 12个转动副，个转动副，1个移动副。计算自由个移动副。计算自由度时可只算一半，度时可只算一半， 5个活动构件，个活动构件， 7个低个低副（副（6个转动副，个转动副，1个个移动副），自由度为：移动副），自由度为： F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3 =3 5 52 27 70=10=1 实例二实例二 右图右图 所示铰链所示铰链四杆机构中，已知四杆机构中，已知 LBC=50 mm LCD=35mm，L