第六章 平面连杆机构

机械设计基础（陈定国版）第六章

平面连杆机构 By：秦霆 Time：2013.09.20本章主要内容：6.1概述

平面连杆机构组成：构件＋低副──低副机构 平面连杆机构的特点6.2平面连杆机构的基本形式及演化

3种基本形式、6种演化形式6.3平面连杆机构的基本特性

存在曲柄的基本条件、传动角、死点、运动的连续性6.4平面连杆机构的运动设计

两种基本命题；三种设计方法。6.1概述连杆机构是由若干刚性构件用低副连接而成的平面机构,又称低副机构。6.1.1特点1.优点1）各构件以低副相连,压强小,易于润滑,磨损小；2）能由本身几何形状保持接触;3）制造方便，精度高；4）构件运动形式的多样性，实现多种多样的运动轨迹。2.缺点1）机构复杂,传动积累误差较大（只能近似实现给定的运动规律）；2）设计计算比较复杂；3）作复杂运动和往复运动的构件的惯性力难以平衡，常用于速度较低的场合。平面连杆机构的设计通常包括选型和运动尺寸设计两个方面，前者是指确定接连杆机构的结构组成，后者是确定机构运动简图的参数。2.1.2设计的基本问题6.2平面四杆机构的基本型式及其演化2.2.1铰链四杆机构所有运动副均为转动副的平面四杆机构称为铰链四杆机构，其它型式的平面四杆机构都可以看成是在它的基础上演化而成的。

根据构件数目分为四杆机构、五杆机构…。广泛应用的是平面四杆机构，而且它是构成和研究平面多杆机构的基础。

基本概念：（1）铰链四杆机构：四个构件全部用转动副相连的四杆机构，称为铰链四杆机构。

（2）机架：机构中固定不动的构件。（3）连架杆：与机架连接的构架。曲柄：若能绕机架作整周转动的连架杆则称为曲柄。

摇杆：只能绕着机架在一定范围内摆动的连架杆。（4）连杆：不直接与机架相连的构件。铰链四杆机构按是否存在曲柄可分为三类：1、曲柄摇杆机构（1）概念：铰链四杆机构的两个连架杆中，若一个是曲柄，另一个是摇杆，则称为曲柄摇杆机构。

3.1平面连杆机构的类型（2）应用案例：雷达天线、脚踏式脱粒机、搅拌机、水稻插秧机的秧爪运动机构。

脚踏式脱粒机缝纫机的脚踏粒机雷达天线

搅拌机机构水稻插秧机的秧爪运动机构（3）功能：将连续转动转换为摆动，或者将摆动转换为连续转动。2、双曲柄机构（1）概念：具有两个曲柄的铰链四杆机构，称为双曲柄机构。

（2）应用案例：惯性筛机构

（3）功能：将等速转动转换为不等速同向转动。惯性筛机构

（4）双曲柄机构的其他类型

1）平行四边形机构：两相对构件互相平行，呈平行四边形的双曲柄机构。案例：单盘秤机构、火车车轮联动装置等

平行四边形机构单盘秤机构

2）反平行四边形机构：两相对构件长度相等，一对构件互相平行的双曲柄机构。

应用案例：公共汽车的车门开关机构

反平行四边形机构公共汽车的车门开关机构

3）功能：将等速转动转换为等速同向、不等速同向、等多种转动。）

反平行四边形机构平行四边形机构3、双摇杆机构（1）概念：铰链四杆机构的两个连架杆若都是摇杆，则称为双摇杆机构。

炉门开启机构双摇杆机构

（2）应用案例：港口鹤式起重机

、汽车转向机构、电风扇摇头机构、飞机起落架等机构。电风扇摇头机构

（3）功能：将一种摆动转换为另一种摆动。汽车前轮转向机构鹤式起重机想一想练一练请根据下列机构的运动情况，判断其属于哪类铰链四杆机构？

水排以鼓风炼铁飞机起落架3.2铰链四杆机构的演化

在实际工作机械中，铰链四杆机构还远远不能满足需要，生产实践中，常常采用多种不同外形、结构和特性的四杆机构，都可以认为是铰链四杆机构的演化形式。

常用的的演化方法：

（1）改变构件的形状和尺寸；（2）取不同的构件作机架；（3）扩大转动副和移动副的尺寸。

6.2.1

改变构件的形状和尺寸1）曲柄滑块机构（1）由曲柄摇杆机构，将CD→无穷大，C点轨迹变成直线；（2）演化方法：将转动副→移动副；（3）类型：a.偏心曲柄滑块机构，e≠0偏距：曲柄转动中心距导路的距离。b.对心曲柄滑块机构，e=0（4）应用案例：内燃机、空气压缩机、冲床和送料机构等。飞机发动机内部结构图对心曲柄滑块机构

锯管机构测量仪表机构自动送料机构（5）功能：将转动转换为滑块的往复移动2）双滑块机构设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云(1)

改变构件的形状和运动尺寸偏心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构双滑块机构

正弦机构s=lsinφ↓∞

→∞φl(3)选不同的构件为机架ACB1234应用实例A1C234B导杆机构314A2BC曲柄滑块机构314A2BC摇块机构314A2BC2）取不同的构件作机架3.2.2导杆机构

（1）演化过程：改变对心曲柄滑块中的机架而演化来的；（2）演化方法：改变曲柄滑块机构的机架,以构件1为机架。

导杆机构的演化（3）导杆机构类型：a、若l1<l2为转动导杆机构b、若l1>l2为摆动导杆机构转动导杆机构摆动导杆机构（3）应用案例：常用于牛头刨床、插床和回转油泵中。牛头刨床摆动导杆机构

(4)功能:将曲柄的连续转动转化为导杆的转动或摆动。

插床机构转动导杆机构3.2.3摇块机构和定块机构

1、摇块机构（摆动导杆滑块机构）（1）演化方法：以构件2为机架，可得摇块机构。（2）应用实例：卡车车厢自动卸料机构、玩具步行机构

卡车车厢自动卸料机构摇块机构的演化2、定块机构（移动导杆机构）：

（1）演化方法：以构件3为机架，得到定块机构。（2）应用实例：手动抽水机

移动导杆机构的演化手动抽水机3.3.4扩大转动副偏心轮机构

（1）在曲柄滑块机构或其他含有曲柄的四杆机构中，当曲柄长度很短时，由于存在结构设计困难，工程中常将曲柄设计成偏心轮或偏心轴的形式。

（2）目的：不仅克服了结构设计问题，而且还提高了偏心轴的强度和刚度。曲柄为偏心轮结构的连杆机构称为偏心轮机构。1-偏心轮2-连杆3-滑块4-机架

（3）应用范围：偏心轮广泛应用在传力较大的剪床、冲床、颚式破碎机、内燃机等机械中。剪床机构偏心轮机构想一想练一练

请根据下列机构的运动情况，判断它们属于哪类机构？小鸡跳机构飞剪机构

请根据设计要求试画出下列机构的示意图

1.根据木锯锯木料的动作，拟设计一台金属棒料的锯床机构？2.试设计一个机构，模拟小孩坐在公共汽车的座椅上，出现颠簸的动作？

3.请将手压式抽水机改为电动机驱动的自动抽水机?

手压式抽水机请画出下列机构运动示意图，并判断由几种机构组合而成?

冲床机构插齿机6.3平面连杆机构的基本特性6.3.1铰链四杆机构存在曲柄的条件

机构中相邻构件能否相对转整周，由各构件长度间的关系决定。（1）长度和条件：机构中最短构件与最长构件长度之和小于或等于其余两构件长度之和，即

（2）最短构件条件：连架杆与机架中必有一杆为最短构件。

2、铰链四杆机构基本类型的判别方法

（1）满足长度和条件，即1)若以最短构件相邻边为机架时，机构为曲柄摇杆机构；2）若以最短构件为机架，则机构为双曲柄机构；

3）若以最短构件对边为机架，则机构为双摇杆机构。

（2）不满足长度和条件，则无论取哪个构件为机架均为双摇杆机构。案例分析：

如图所示的铰链四杆机构ABCD中，已知各杆的长度分别为：a=30，b=50，c=40，d=45。试确定该机构分别以AD、AB、CD和BC为机架时，属于何种机构？

案例分析：如图所示缝纫机踏板机构，已知AB=4cm、AD=11cm、BC=16cm，若BC为机构的最长构件，请问缝纫机踏板机构中各构件应满足什么条件，缝纫机踏板机构才能为曲柄摇杆机构？

想一想练一练请判断图所示各机构属于何类铰链四杆机构？

6.3.2急回特性和行程数比系数1、基本概念：（以曲柄摇杆机构为例，曲柄为原动件）

（1）四杆机构的极限位置：当曲柄与连杆二次共线时，摇杆位于机构的最左或最右的位置。（2）极位夹角（θ）：从动件处于二个极限位置时，相对应的原动件曲柄所夹的锐角。

（3）摆角（ψ）：摇杆（从动件）在两个极限位置时的夹角称为摇杆的摆角。2、急回特性：原动件曲柄作连续转动时，作往复运动的摇杆在空回行程的平均速度大于工作行程的特性称为急回特性。３、行程速比系数（K）：从动件空回行程与工作行程的平均速度之比。

极位夹角为：

讨论：a、θ>0º→K>1→此时机构具有急回特性，θ↑→

K↑→急回特性越显著。b、θ=0º→K=1，此时机构无急回特性。

想一想练一练

试确定下列不同机构以曲柄为原动件时的极限位置？

想一想练一练

试确定摆动导杆机构和曲柄滑块机构以曲柄为原动件时是否存在急回特性？6.3.3平面四杆机构的传动角和死点位置1.压力角和传动角1、压力角（α）：从动件上的作用力F与该点速度vc所夹锐角α称为机构的压力角。

F的两个分力：

Fn=Fsinα—引起摩擦力，有害分力

Ft=Fcosα—有效分力2、传动角（γ）：压力角α的余角即α+γ=90º称为传动角。讨论：α↑（γ↓）→Fn↑→传力性能差。

α↓（γ↑）→Fn↓→传力性能好。为保证机构的传力性能良好，必须限定机构的最小传动角，通常γmin≥[γ]。对于一般机械，通常[γ]=40º~50º,对于传递功率大的机械[γ]≥50º，对于一些非传力机构，也可取[γ]<40º,但不能过小。

3、γmin的确定

（1）曲柄摇杆机构的γmin位置

摇杆CD为从动件，曲柄AB为原动时，当原动件AB与机架AD共线时，传动角最小。比较两者两次共线的γmin，并取小值为该机构的最小传动角γmin。（2）曲柄滑块机构γmin位置

对于曲柄滑块机构，当主动件为曲柄时，最小传动角出现在曲柄与机架垂直的位置。

（3）摆动导杆机构1）以曲柄为原动件，传动角γ恒等于90º。2）以导杆为原动件，传动角γmin=0º，位置出现在导杆与曲柄垂直处。3.3.3死点位置1、概念：平面连杆机构的传动角γ=0º，压力角α=90º的位置称为死点位置。

2、死点位置的利弊

利：工程上利用死点位置进行工作。

夹具机构飞机起落架机构弊：机构有死点，从动件出现卡死或运动方向不确定现象，对传动不利，如缝纫机的脚踏机构。缝纫机的脚踏机构

3、克服死点的方法（1）增大从动件的质量，利用惯性度过死点位置。（2）在从动曲柄上施加外力或安装飞轮以增加惯性。（3）采用相同的机构错位排列。火车车轮联动装置缝纫机的脚踏机构想一想练一练

请问摆动导杆机构、对心曲柄滑块机构以哪个构件为原动件时，机构存在死点位置？3.4平面四杆机构的设计

2.同时要满足其他辅助条件：a)结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、运动副结构合理等）;b)动力条件（如γmin）;c)运动连续性条件等。平面连杆机构的设计主要解决下面两类问题：1.实现给定的运动要求1）要求实现连杆的几个给定位置2）要求实现给定的运动规律3）要求实现给定的运动轨迹1、按给定连杆的两个位置设计四杆机构

已知铰链四杆机构连杆B1C1、B2C2的两个位置，试设计铰链四杆机构。a)给定连杆两组位置有唯一解。将铰链A、D分别选在B1B2，C1C2连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求。b)给定连杆上铰链BC的三组位置有无穷多组解。设计：潘存云B2C2ADA’D’B2C2B3C3ADB1C1B1C1Eφθθ一、按给定的行程速比系数K设计四杆机构1)曲柄摇杆机构①计算θ＝180°(K-1)/(K+1);已知：CD杆长，摆角φ及K，设计此机构。步骤如下：②任取一点D，作等腰三角形腰长为CD，夹角为φ;③作C2P⊥C1C2，作C1P使④作△PC1C2的外接圆，则A点必在此圆上。⑤选定A，设曲柄为l1，连杆为l2，则:⑥以A为圆心，AC2为半径作弧交于E,得：

l1=EC1/2

l2=AC1－EC1/2,AC2=l2-l1=>l1=(AC1－AC2)/2

∠C2C1P=90°－θ,交于P;90°-θPAC1=l1+l2C1C2DA设计：潘存云设计：潘存云ADmnφ=θD2)导杆机构分析：由于θ与导杆摆角φ相等，设计此机构时，仅需要确定曲柄a。①计算θ＝180°(K-1)/(K+1);②任选D作∠mDn＝φ