机械设计教程－4平面四杆机构（图文教程）

第一讲

一、教学目标

(一）能力目标。

能准确判断具体实例属于哪种平面四杆机构类型

(二)知识目标

熟悉平面四杆机构的基本型式、应用及其演化

二、教学内容

1.平面连杆机构概述

2.平面连杆机构基本类型

3.平面连杆机构的演化

三、教学的重点与难点

(一）重点

平面四杆机构的基本型式、应用及其演化。

(二)难点

平面四杆机构类型的判断。

四、教学方法与手段

    多媒体教学，采用动画展示平面连杆机构的运动特点，注重启发学生理论联系实际。

4.1 概述

平面连杆机构定义：由若干构件通过低副（铰链或滑道）连接而成的机构。因构件形状多呈杆状，所以称连杆机构。

平面连杆机构的特点：（1）能够进行多种运动形式的转换；（2）构件之间连接处是面接触，单位面积上的压力较小，磨损较慢，可以承受较大载荷；（3）两构件接触表面是圆柱面或平面，制造容易；（4）连接处的间隙造成的积累误差较大；（5）连杆机构运动时产生惯性力，不适用于高速场合。

平面连杆机构的应用：各种机器和仪器中，例如金属加工机床、起重运输机械、采矿机械、农业机械、交通运输机械和仪表等。

4.4  四杆机构的基本型式及演化

平面四杆机构的基本型式是铰链四杆机构。其它型式的四杆机构都可看成是在它的基础上通过演化而成的。

由四个构件用铰链连接而成的机构称为铰链四杆机构。如图所示，机构中固定不动的构件AD称为机架，与机架相连的构件AB和CD称为连架杆。如果连架杆能绕轴线作360 ^o的回转运动，称为曲柄；若只能在某一角度(小于360°)内摆动，称为摇杆。与机架不相连接的构件BC称为连杆。

铰链四杆机构可按有无曲柄、摇杆，分为以下三种基本型式。

1、曲柄摇杆机构

定义：在铰链四杆机构中，若两连架杆之一为曲柄，另一个是摇杆，此机构称为曲柄摇杆机构。

应用：在曲柄摇杆机构中，当曲柄为主动件时，可将曲柄的连续回转运动转换成摇杆的往复摆动。如雷达天线俯仰角调整机构。当摇杆为主动件时，可将摇杆的往复摆动转换成曲柄的连续回转运动，如缝纫机踏板机构。

雷达天线俯仰角调整机构                  缝纫机踏板机构 

2、双曲柄机构

定义：铰链四杆机构中，若两连架杆均为曲柄时，此机构称为双曲柄机构。

在双曲机构中，如果两曲柄的长度不相等，主动曲柄等速回转一周，从动曲柄变速回转一周，如惯性筛。如果两曲柄的长度相等，且连杆与机架的长度也相等，称为平行双曲柄机构。这种机构运动的特点是两曲柄的角速度始终保持相等，在机器中应用也很广泛，如机车车轮联动机构。

惯性筛                                机车车轮联动机构

3、双摇杆机构

定义：铰链四杆机构中，若两连架杆均为摇杆时，此机构称为双摇杆机构。

在双摇杆机构中，两摇杆可分别为主动件，当主动摇杆摆动时，通过连杆带动从动摇杆作摆动运动。如码头起重机中的双摇杆机构，当CD摇杆摆动时，连杆BC上悬挂重物的点M近似水平直线移动。

码头起重机

4.4.2 平面四杆机构的演化

1、曲柄滑块机构

如图所示，由曲柄AB、连杆BC、滑块C及机架组成的平面连杆机构，称为曲柄滑块机构。

在曲柄滑块机构中，若曲柄为主动件，当曲柄连续回转时，通过连杆带动滑块作往复直线运动；反之，若滑块为主动件，当滑块作往复直线运动时，通过连杆带动曲柄作连续回转运动。

2、导杆机构

导杆机构由曲柄、滑块、导杆和机架组成。

（1）摆动导杆机构

如图所示，若L₄＞L₁，则该机构称为摆动导杆机构，它由曲柄、滑块、摆动导杆和机架组成。在摆动导杆机构中，当曲柄连续转动时，滑块一方面沿着导杆滑动，另一方面带动导杆绕铰链A往复摆动。摆动导杆机构常用作回转式油泵、插床和等的传动机构。

（2）转动导杆机构

若L₄＜L₁，则该机构称为转动导杆机构，构件3为转动导杆。如牛头刨床机构。

3、摇块机构和定块机构

（1）摇块机构

如图所示为摇块机构的简图。当曲柄为主动件转动或摆动时，连杆相对滑块滑动，并一起绕C点摆动。例如卡车自动卸料机构就是应用的摇块机构。

（2）定块机构

在曲柄滑块机构中，若取滑块为机架，则得到定块机构。定块机构常用于抽水机筒中。

4、偏心轮机构

在实际生产中，当传递力较大，滑块行程又较小，曲柄也就很短，以致于曲柄两端很难安装铰销时，往往用一个回转中心与几何中心不相重合的偏心轮代替曲柄，连杆的一端有大圆环套在偏心轮上，这种机构称偏心轮机构。

这种机构常用于冲床、剪床等机器中。

小结：

1.平面连杆机构概述

2.平面连杆机构基本类型

3.平面连杆机构的演化

作业与思考：

1、铰链四杆机构有那几种基本型式？各有什么特点？

2、铰链四杆机构可以通过那几种方式演变成其它型式的四杆机构？试说明曲柄摇块机构是如何演化而来的？

3、什么是偏心轮机构？它主要用于什么场合？

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第二讲

一、教学目标

(一）能力目标

理解平面四杆机构工作特性的工程应用。

(二)知识目标

理解平面四杆机构的几个工作特性

二、教学内容

平面连杆机构几个工作特性

三、教学的重点与难点

(一）重点

平面四杆机构的工作特性。

(二)难点

急回特性、死点位置。

四、教学方法与手段

利用动画辅助理解急回特性、死点位置概念，工程案例展示其应用。 

4.5 平面四杆机构的基本特性

4.5.1铰链四杆机构有曲柄的条件

在铰链四杆机构中，曲柄存在的条件为：

（1）曲柄为最短构件，又称最短构件条件；

（2）最短构件与最长构件长度之和小于或等于其他两构件长度之和，又称构件长度和条件。

结论：

1、在铰链四杆机构中，若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时：（1）取最短杆为连架杆，得曲柄摇杆机构；（2）取最短杆为机架，得双曲柄机构；（3）取最短杆为连杆，得双摇杆机构。

2、在铰链四杆机构中，若最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆长度之和时，则不论取哪一个构件为机架，都只能得到双摇杆机构。

4.5.2压力角和传动角

平面连杆机构不仅要保证实现预定的运动要求，而且应当运转效率高，具有良好的传力特性。通常以压力角或传动角表明连杆机构的传力特性。

如图所示的曲柄摇杆机构中，若忽略各杆的质量和铰链中摩擦力影响，则连杆为二力构件，主动件AB通过连杆对从动件摇杆CD的作用力F沿BC方向。

从动件受力方向与受力点速度方向之间的锐角称压力角，用表示。将力F分解成沿速度方向的分力F和垂直于的分力Fr。Ft＝cos是推动摇杆绕D点转动的有效分力，压力角愈小，有效分力就愈大，所以可用压力角的大小来判断机构的传力特性。Fr=Fsin，不但对摇杆无推动作用，反而在铰链处引起摩擦消耗动力，因此它是有害分力，愈小愈好。

实用上为了度量方便，常用压力角的余角判断机构传力性能的优劣，角称为传动角。由图可知，传动角是连杆BC与摇杆CD夹的锐角。传动角愈大,机构传力性能愈好。

机构运动时，传动角是变化的。为使机构正常工作，应使最小传动角min≥40°~  50°，轻载时取较小值，重载时取较大值。

4.5.3急回特性

在图中，设曲柄AB为主动件作匀速回转运动，摇杆CD为从动件作往复摆动。曲柄AB在回转一周的过程中两次与连杆BC共线，此时摇杆CD分别位于C1D和C2D两个极限位置。摇杆在两个极限位置间的夹角称摆角。摇杆在两极限位置时，曲柄两位置间所夹的锐角称为极位夹角。

当曲柄AB1位置顺时针转过（180º+）到达AB2位置时，摇杆由左极限位置C1D摆到右极限位置C2D，设经历的时间为t1，C点的平均速度v1=C1C2/t2；曲柄再由AB2位置转过回到AB1位置时，摇杆自C2D摆回到C1D，设经历的时间为t2，C点的平均速度v2=C2C1/t2。因曲柄作匀速回转运动，经历的时间与其相应的转角成正比，由，t1>t2，所以v2>v1。摇杆摆回速度比摆去速度快的性质，称急回特性。2与v1的比值，称为从动件的行程速度比系数，以表示。即

的大小表示急回的程度。铰链四杆机构有无急回运动特性取决于该机构有无极位夹角，角越大，急回运动特性也越显著。

4.5.4死点

在曲柄摇杆机构中，如图所示，若以摇杆CD为主动件，当摇杆处于两个极限位置C1D和C2D时，连杆BC与曲柄AB共线，连杆传给曲柄的力F通过曲柄的回转中心，其力矩为零，因此不能推动曲柄转动。机构的这种位置称为死点位置。

死点位置影响机构的正常传动，因此要设法使它能顺利地通过死点位置。通常是在曲柄上安装质量较大的飞轮，利用飞轮的惯性使机构按原来的转向通过死点位置，例如拖拉机、缝纫机(它的带轮亦起飞轮的作用)等。在不宜安装飞轮时，可用多组机构错位排列的方法，即使各组机构的死点位置错开，保证机器的正常运转。

工程上有时也利用死点位置进行工作，如电气开关上的分合闸机构。

 小结：

平面连杆机构几个工作特性

作业与思考：

1、双摇杆机构的四个构件长度应满足什么条件？

2、曲柄存在的条件是什么？

3、什么是连杆机构的压力角、传动角？它们的大小对连杆机构的工作有什么影响？偏置曲柄滑块机构的最小传动角γmin发生在什么位置？

4、铰链四杆机构中有可能存在死点位置的机构有哪些？它们存在死点位置的条件是什么？试举出一些克服死点位置的措施和利用死点位置的实例。

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第三讲

一、教学目标

(一）能力目标

熟练掌握平面四杆机构的设计

(二)知识目标

平面四杆机构的设计步骤方法

二、教学内容

平面连杆机构设计

三、教学的重点与难点

(一）重点

平面四杆机构的设计。

(二)难点

按给定两连架杆的对应位置设计四杆机构。

四、教学方法与手段

利用动画演示设计步骤，展示设计结果。

4.6 平面四杆机构的设计

平面四杆机构的设计方法：图解法、解析法、试验法。

4.6.1图解法设计平面四杆机构

1、按给定的连杆位置设计四杆机构

例：已知连杆长度及连杆的三个对应位置、、，设计铰链四杆机构。

分析：由于在铰链四杆机构中，两连架杆均作定轴转动或摆动，只有连杆作平面一般运动，故能够实现上述运动要求的刚体必是机构中的连杆。设计问题为实现连杆给定位置的设计。首先根据刚体的具体结构，在其上选择活动铰链点B，C 的位置。一旦确定了B、C 的位置，对应于刚体3个位置时活动铰链的位置B₁C₁，B₂C₂，B₃C₃也就确定了。

解：（1）作出连杆的三位置、和；

（2）连接、和、， 作、的垂直平分线和，；作和的垂直平分线、；

（3）和交于一点，、交于一点D，连接，得四杆机构。

3、按照给定的行程速比系数设计四杆机构

设已知摇杆CD的长度，摆角，行程速比系数，设计曲柄摇杆机构。

设计步骤如下：

1、根据行程速比系数计算极位夹角

2、做摇杆的两个极限位置

任选一点D，并按摇杆CD的长度和摆角，画出摇杆的两个极限位置、。

3、做辅助圆

连接、，并作，做，得与的交点P。做的外接圆，则圆弧上任一点A与和的连线夹角都等于。

4、计算各构件的长度

设曲柄长度为，连杆长度为，则，

故

或

于是，以为圆心，以为半径做弧交于，则得

4.6.2解析法设计平面四杆机构

略

4.6.3实验法设计平面四杆机构

略

小结：

平面连杆机构设计

作业与思考：

设计一偏置曲柄滑块机构，已知滑块的行程速度变化系数K=1.5，滑块的冲程l_C1C2=50mm，导路的偏距e=20mm，曲柄长度l_AB和连杆长度l_BC如何计算？

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