机械基础（少学时第3版） 课件 第6单元 平面连杆机构

第6单元

平面连杆机构

项目背景

牛头刨床是刨削类机床中应用较广的一种机床，图6-1为牛头刨床传动示意图。牛头刨床的主运动为电动机→带传动→齿轮变速机构→摆动导杆机构→滑枕往复运动→刨刀切削运动；牛头刨床的进给运动为电动机→带传动→齿轮变速机构→棘轮机构→工作台横向进给运动。

通过分析可知，学习平面四杆机构的基本类型、应用、工作特性及设计的基本方法等知识，以帮助分析和解决平面连杆机构方面的工程实际问题。

图6-1牛头刨床传动示意图

第6单元

平面连杆机构

平面四杆机构的演化

铰链四杆机构的认知平面四杆机构的工作特性内容CONTENTS综合项目分析第6单元平面连杆机构

知识目标

1.了解平面连杆机构的组成、分类及应用。2.熟练掌握铰链四杆机构的基本类型、运动特点、应用及演化，铰链四杆机构存在曲柄的条件。3.熟悉平面四杆机构的工作特性。

1.能够准确分析与识别平面连杆机构的类型。2.能了解各种典型连杆机构的运动特性及应用工况。

能力目标

第6单元

平面连杆机构

素质目标

1.培养工程思维和创新意识。2.养成严谨、细致、精益求精的工匠精神。

1.铰链四杆机构类型判断、铰链四杆机构的演化。2.平面四杆机构的运动特性分析。

学习重点和难点6.1铰链四杆机构的认知

预备知识：

（1）连杆机构：机构中各构件只采用低副连接的机构称为连杆机构。

（2）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。

（3）四杆机构：由四个构件组成的平面连杆机构称为四杆机构

缝纫机脚踏机构锯管机构

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。

6.1铰链四杆机构的认知图6-2铰链四杆机构

6.1.1铰链四杆机构类型

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。其功能是：将原动件连续转动转换为从动件摆动，或将原动件摆动转换为从动件连续转动。

图6-3脚踏式人力脱粒机a)雷达天线俯仰角调整机构b)水稻插秧机的秧爪运动机构图6-4曲柄摇杆机构的应用6.1铰链四杆机构的认知

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）其功能是：将原动件等速转动转换为从动件等速同向、不等速同向、等速反向等多种转动。

（3）应用案例：惯性筛机构

图6-5双曲柄机构图6-6惯性筛机构6.1铰链四杆机构的认知

（3）双曲柄机构的其他类型

1）平行四边形机构：如果两曲柄的长度相等，且连杆和机架的长度也相等，则称为四边形机构或平行双曲柄机构。

应用案例：掘土机的驱动铲斗机构等

图6-7平行四边形机构图6-8掘土机的驱动铲斗机构6.1铰链四杆机构的认知

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

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。

图6-9反平行四边形机构图6-10公共汽车的车门开关机构6.1铰链四杆机构的认知

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。

（2）功能是：将原动件的一种摆动转换为从动件的另一种摆动。

（3）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。双摇杆机构图6-11双摇杆机构的应用6.1铰链四杆机构的认知

☆基础能力训练

请根据所学的知识判断图6-12和图6-13所示机构属于铰链四杆机构中的哪类机构，并简述其工作原理。

图6-12天平机构图6-13脚踏砂轮机构6.1铰链四杆机构的认知6.1.2铰链四杆机构类型的判别

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

（式6-1）

（2）最短构件条件：连架杆与机架中必有一杆为最短构件。图6-2铰链四杆机构6.1铰链四杆机构的认知

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。

图6-2铰链四杆机构6.1铰链四杆机构的认知

☆基础能力训练

请判断图6-14所示各机构属于何类铰链四杆机构。

图6-14铰链四杆机构6.1铰链四杆机构的认知

项目6-1

如图6-15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？

图6-15缝纫机踏板机构6.1铰链四杆机构的认知

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。

6.2平面四杆机构的演化图6-2铰链四杆机构

1.曲柄滑块机构

（1）演化过程：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

图6-16曲柄摇杆机构演化为曲柄滑块机构的过程6.2平面四杆机构的演化

（4）应用案例：内燃机、空气压缩机、冲床和送料机构等。

图6-17冲床6.2平面四杆机构的演化图6-18活塞式内燃机

（5）功能：将转动转换为滑块的往复移动

图6-19爬杆机器人6.2平面四杆机构的演化图6-20偏心轮机构1—偏心轮2—连杆3—滑块4—机架

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。

这样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。

6.2平面四杆机构的演化图6-20偏心轮机构1—偏心轮2—连杆3—滑块4—机架

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。

图6-16c对心曲柄滑块机构6.2平面四杆机构的演化图6-21导杆机构

1—机架2—曲柄3—滑块4—导杆

（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

6.2平面四杆机构的演化图6-21导杆机构

1—机架2—曲柄3—滑块4—导杆

（4）应用案例：常用于牛头刨床、插床和回转油泵中。

6.2平面四杆机构的演化图6-22牛头刨床驱动机构1-曲柄2-机架

3、5-滑块4-导杆6-滑枕图6-23插床插刀机构1-曲柄2-机架3-滑块4-导杆5-连杆6-刀架

3.摇块机构和移动机构

（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

6.2平面四杆机构的演化图6-24摇块机构1-曲柄2-机架

3-滑块4-导杆图6-25货车自动卸料机构1—车厢2—车身3—液压缸4—活塞杆4.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

图6-26移动导杆机构6.2平面四杆机构的演化图6-27手动压水机☆基础能力训练

图6-28所示为平面连杆机构的应用案例，图6-28a所示为折叠桌椅机构，图6-28b所示为玩具步行机构，试利用所学知识分析图6-28所示平面连杆机构的应用案例，判断它们属于哪种平面连杆机构？

图6-28平面连杆机构的应用案例6.2平面四杆机构的演化请观察下列动画：

问题：1.牛头刨床的往返速度是否相同？2.缝纫机的脚踏机构出现卡死现象时，该怎么办？

牛头刨床6.3平面四杆机构的工作特性缝纫机的脚踏机构6.3.1急回特性

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。

图6-29曲柄摇杆机构的急回特性分析6.3平面四杆机构的工作特性

（3）摆角（ψ）：摇杆（从动件）在两个极限位置z之间所夹角称为摇杆的摆角，用ψ表示。

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。

图6-29曲柄摇杆机构的急回特性分析6.3平面四杆机构的工作特性

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。

图6-29曲柄摇杆机构的急回特性分析6.3平面四杆机构的工作特性

6.3.2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

图6-30铰链四杆机构的压力角和传动角6.3平面四杆机构的工作特性

2.传动角（γ）：压力角α的余角，即γ=90º-α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γmin

≥40º,[γ]=40º~50º;对于传递功率大的机械γmin≥50º，对于一些非传力机构，也可取γmin<40º,但不能过小。

图6-30铰链四杆机构的压力角和传动角6.3平面四杆机构的工作特性

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

。

图6-30铰链四杆机构的压力角和传动角6.3平面四杆机构的工作特性

（2）曲柄滑块机构αmax位置

对于曲柄滑块机构，当主动件为曲柄时，最大压力角出现在曲柄与滑块导路垂直时的位置。

（3）摆动导杆机构1）以曲柄为原动件，传动角γ恒等于90º，具有良好的传力性能。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。

图6-31偏心曲柄滑块机构6.3平面四杆机构的工作特性图6-32摆动导杆机构

6.3.3死点位置

1.概念：如图6-33所示，以摇杆CD为原动件，机构的传动角γ=0º（α=90º），这时转动

力矩为零，从动件不转动，机构处于停顿位置称为死点位置。

图6-33曲柄摇杆机构的死点位置6.3平面四杆机构的工作特性图6-34缝纫机踏板机构

1—曲柄2—连杆3—踏板4—机架

2.死点位置的利弊

利：工程上利用死点位置进行工作，如飞机起落架、夹具机构。

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。

飞机起落架-利用死点位置进行工作案例6.3平面四杆机构的工作特性图6-34缝纫机踏板机构

1—曲柄2—连杆3—踏板4—机架

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。

6.3平面四杆机构的工作特性图6-34缝纫机踏板机构

1—曲柄2—连杆3—踏板4—机架图6-35机车车轮联动机构

☆综合应用能力训练

图6-37a所示为折叠式靠椅，靠背AD可视为机架，靠背脚AB可视为原动件。图6-37b所示为夹紧工件用的连杆式快速