平面连杆机构

案例导入

案例分析：如图所示为缝纫机踏板机构，为其机构运动简图和结构示意图。缝纫机传动路线为:操作者踩踏踏板使摇杆1（原动件）往复摆动→连杆2驱→曲柄3（从动件）→带动带轮使机头主轴连续转动。缝纫机踏板机构CopyRightZDJ案例导入

问题：（1）各构件的长度如何才能保证实现相关的运动？（2）该机构在工作时，出现卡死现象如何处理？

缝纫机踏板机构CopyRightZDJ教学目标1掌握平面四杆机构的基本类型、应用及演化

2熟练掌握铰链四杆的类型及判断

3

熟练掌握平面四杆的工作特性，平面四杆机构的设计CopyRightZDJ教学重点和难点

1铰链四杆机构类型的判断2平面四杆机构的基本特性

3平面四杆机构的设计CopyRightZDJ3.1平面四杆机构的类型

铰链四杆机构的类型

1铰链四杆机构类型的判断

2课堂练习

4案例分析

3CopyRightZDJ3.2铰链四杆机构的演化曲柄滑块机构

1导杆机构

2摇块机构

3移动导杆机构

4偏心轮机构5课堂练习6CopyRightZDJ3.3平面连杆机构的特性急回特性和行程速比系数1压力角和传动角2死点位置3课堂练习

4CopyRightZDJ3.4平面连杆机构的设计按给定的行程速比系数设计四杆机构1按给定连杆位置设计四杆机构2课堂练习3CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型复习：平面机构的概念

测量仪表机构飞机发动机内部结构图CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型基本概念：连杆机构：机构中各构件只采用低副连接的构件称为连杆机构。平面连杆机构：所有构件均在同一平面或相互平行的平面内运动的连杆机构称为平面连杆机构。

缝纫机脚踏机构锯管机构CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型

四杆机构：由四个构件组成的平面连杆机构称为四杆机构

脚踏式脱粒机缝纫机缝纫机构CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型

3.1.1铰链四杆机构类型

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。

CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型曲柄：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。CopyRightZDJ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CopyRightZDJ3.1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CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型

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。CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型

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。

CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型（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CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型

（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CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型

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

CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型

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CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型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CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型

（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CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型

（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CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型

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CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型3.1.2铰链四杆机构类型的判断

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

CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型

（2）最短构件条件：连架杆与机架中必有一杆为最短构件。

CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型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。

CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型

（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。CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型案例分析：

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？CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型

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？

CopyRightZDJ3.1平面连杆机构的类型-课堂练习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？

CopyRightZDJ3.2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）变转动副为移动副；（2）取不同的构件作机架；（3）扩大转动副和移动副的尺寸。

CopyRightZDJ3.2铰链四杆机构的演化

3.2.1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=0CopyRightZDJ3.2铰链四杆机构的演化（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CopyRightZDJ3.2铰链四杆机构的演化

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CopyRightZDJ3.2铰链四杆机构的演化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CopyRightZDJ3.2铰链四杆机构的演化（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CopyRightZDJ3.2铰链四杆机构的演化（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CopyRightZDJ3.2铰链四杆机构的演化

(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CopyRightZDJ3.2铰链四杆机构的演化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CopyRightZDJ3.2铰链四杆机构的演化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CopyRightZDJ3.2铰链四杆机构的演化3.3.4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CopyRightZDJ3.2铰链四杆机构的演化

（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CopyRightZDJ3.2铰链四杆机构的演化-课堂练习想一想练一练

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CopyRightZDJ3.2铰链四杆机构的演化-课堂练习

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CopyRightZDJ3.2铰链四杆机构的演化-课堂练习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CopyRightZDJ3.3铰链四杆机构的基本特性3.3.1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。

CopyRightZDJ3.3铰链四杆机构的基本特性

（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。CopyRightZDJ3.3铰链四杆机构的基本特性

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。

CopyRightZDJ3.3铰链四杆机构的基本特性

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。CopyRightZDJ3.3铰链四杆机构的基本特性

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？CopyRightZDJ3.3铰链四杆机构的基本特性

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？CopyRightZDJ3.3铰链四杆机构的基本特性3.3.2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。CopyRightZDJ3.3铰链四杆机构的基本特性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。CopyRightZDJ3.3铰链四杆机构的基本特性

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

。CopyRightZDJ3.3铰链四杆机构的基本特性（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。CopyRightZDJ3.3铰链四杆机构的基本特性

（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。CopyRightZDJ3.3铰链四杆机构的基本特性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。

CopyRightZDJ3.3铰链四杆机构的基本特性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CopyRightZDJ3.3铰链四杆机构的基本特性弊：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CopyRightZDJ3.3铰链四杆机构的基本特性

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CopyRightZDJ3.3铰链四杆机构的基本特性想一想练一练

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？CopyRightZDJ3.4平面四杆机构的设计

平面四杆机构的设计，主要考虑给定的运动条件，确定机构运动简图。有时为了使设计可靠、合理，还应考虑几何条件和动力条件。

生产实践中的四杆机构设计问题可归纳为两类：

（1）实现给定的从动件运动规律,或使从动件具有急回特性。（2）实现给定的运动规律。平面四杆机构运动设计的方法有图解法、实验法和解析法。本节主要介绍图解法CopyRightZDJ3.4平面四杆机构的设计3.4.1按给定的行程速比系数设计四杆机构

已知条件：（1）行程速比系数K

（2）机构的极限位置处的几何关系（3）其他辅助条件

1、曲柄摇杆机构

已知条件：摇杆的长度lCD

、摆角ψ和行程速比系数K

设计：1）确定铰链A的位置；2）确定其他三个构件的长度

CopyRightZDJ3.4平面四杆机构的设计

曲柄摇杆机构的设计步骤：（1）按给定行程速比系数K，求出极位夹角θ，

CopyRightZDJ3.4平面四杆机构的设计

曲柄摇杆机构的设计步骤：

（2）任选确定适当的长度比例尺μl，任选固定铰链中心D的位置，按摇杆长度lCD和摆角ψ，作出摇杆的两个极限位置C1D和C2D。CopyRightZDJ3.4平面四杆机构的设计（3）连接C1和C2，并作C1C2的垂线C1M。（4）作∠C1C2N=90º-θ，则C1M与C2N相交于P点，由图知：∠C1PC2=θ。（5）作△C1PC2的外接圆，在此圆周上（弧C1C2和弧EF除外）任意一点都可以作为曲柄的固定铰链中心A，现任取一点。连接AC1和AC2，因同弧上的圆周角相等，故∠C1AC2=∠C1PC2=θ。

CopyRightZDJ3.4平面四杆机构的设计（6）确定AC1、AC2的长度，可得

AB=（AC2-AC1

）/2，BC=（AC2-AC1

）实际构件长度lAB=μlAB，lBC=μlBC，lCD=μlCDCopyRightZDJ3.4平面四杆机构的设计

2、导杆机构已知条件：机架长度l4、行程速比系数K，设计导杆机构

解题的关键：分析极位夹角θ与摆角ψ的关系

CopyRightZDJ3.4平面四杆机构的设计

设计步骤：