第 2章 平面连杆机构
2-1 平面机构的运动简图和自由度
2-2 平面四杆机构的基本类型
2-3 平面四杆机构的特点及设计
基本要求,
?掌握基本概念
?熟练掌握机构运动简图的绘制
?熟练掌握机构自由度的计算方法
?掌握平面连杆机构的类型、特点、演化方法
?掌握平面四杆机构的工作特性
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2-1 平面机构的运动简图和自由度
一,构件
二,运动副
三,机构
四,平面机构的运动简图
五,平面机构的自由度
机械设计基础 —— 平面连杆机构
一、构件
构件,独立影响机构功能并能独立运
动的单元体
（ 实物、刚体、运动的整体 ）
? 机架, 原动构件、从动构件
零件,单独加工的制造单元体
? 通用零件、专用零件
? 构件可以由一个零件组成
? 也可以由几个零件组成 原动件
1
2
3
4
从动件
机架
机械设计基础 —— 平面连杆机构
与动力
源组合
机器的组成
(从运动观点看 )由构件组成
(从制造观点看 )由零件组成
机械
机器
机构
构件 零件
通用零件
专用零件?
?
原动构件
从动构件
机 架?
零件 构件 机构 机器静联接 动联接
(运动副 )
机械设计基础 —— 平面连杆机构
x
y
o
二、运动副
? 运动副, 两构件直接接触而形成的可动联接
? 运动副元素,构成运动副时直接接触的点、线、面部分
? 接触形式, 点、线、面
机械设计基础 —— 平面连杆机构
运动副分类
? 按接触形式分类
? 按相对运动分类
机械设计基础 —— 平面连杆机构
按接触形式分类：
? 接触形式,点、线、面
? 低副,面接触
? 高副,点、线接触
平面低副
空间低副
x
y
o
高副 高副 空间低副 平面低副 平面低副
机械设计基础 —— 平面连杆机构
按相对运动分类：
? 运动副的性质（即运动副引入的约束）确定了两构件的相
对运动
? 按相对运动分类：
? 转动副：相对转动 —— 回转副、铰链
? 移动副：相对移动
? 螺旋副：螺旋运动
? 球面副：球面运动
机械设计基础 —— 平面连杆机构
运动副类型小结
? 平面低副, 转动副、移动副 （ 面接触 ）
? 平面高副, 齿轮副、凸轮副 （ 点、线接触 ）
? 空间低副, 螺旋副、球面副、圆柱副 （ 面接触 ）
? 空间高副, 球和圆柱与平面、球与圆柱副 (点、线接触 )
? 运动副特性,运动副一经形成,组成它的两个构件间的可
能的相对运动就确定。而且 这种可能的相对运动,只与运
动副类型有关,而与运动副的具体结构无关。
? 工程上常用一些规定的符号代表运动副
机械设计基础 —— 平面连杆机构
平面副
低副,转动副、移动副
(面接触 )
高副,齿轮副、凸轮副 (点、
线接触 )
x
y
ox
y
o tt
n
n
n
t
机械设计基础 —— 平面连杆机构
空间副
高副,点、线接触 球面副
螺旋副
了解
机械设计基础 —— 平面连杆机构
?机构是由构件通过运动副连接而成的
?原动件,按给定运动规律独立运动的构件
?从动件,其余的活动构件
?机 架,固定不动的构件
原动件 1
2
3
4
从动件
机架
闭链 开链
机构
三、机构
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1 概述
2 构件的表示方法
3 运动副的表示方法
4 运动简图的绘制方法
5 例题
四、平面机构的运动简图
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1 概述
? 机构各部分的运动，取决于：
原动件的运动规律、各运动副的类型、机构的运动尺寸
(确定各运动副相对位置的尺寸 )
? 机构运动简图,
（表示机构 运动特征 的一种工程用图）
? 用简单线条表示构件
? 规定符号代表运动副
? 按比例定出运动副的相对位置
? 与原机械具有完全相同的运动特性
? 比较：
? 机构示意图,没严格按照比例绘制的机构运动简图
? 用途,分析现有机械，构思设计新机械
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2 构件的表示方法
? 杆、轴类构件
? 机架
? 同一构件
? 两副构件
? 三副构件
机械设计基础 —— 平面连杆机构
3 运动副的表示方法
? 转动副
? 移动副
? 高副 （齿轮副、
凸轮副） ２
机械设计基础 —— 平面连杆机构
4 运动简图的绘制方法
? 步骤：
? 确定构件数目及原动件、输出构件
? 各构件间构成何种运动副？（注意微动部分）
? 选定比例尺,投影面，确定原动件某一位置,按规定
符号绘制运动简图
? 标明机架、原动件和作图比例尺
? 绘制路线,原动件 ?中间传动件 ?输出构件
? 观察重点,各构件间构成的运动副类型
? 良好习惯,各种运动副和构件用规定符号表达
? 误 区,构件外形
机械设计基础 —— 平面连杆机构
5 例题,内燃机
机械设计基础 —— 平面连杆机构
A
B
C
E
F
D
G
例题,破碎机
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1
2
3
4A
B
C
14
12
23
A14
B12
C234
3
2 4
1
4
例题：
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1 平面机构自由度的计算
2 机构具有确定运动的条件
3 几种特殊结构的处理
? 复合铰链
? 局部自由度
? 虚约束
4 小结
五、平面机构的自由度
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1 平面机构自由度的计算
(1) 平面运动构件的自由度
(构件可能出现的独立运动 )
(2) 平面运动副引入的约束 R
(对独立的运动所加的限制 )
x
y
Ｏ
2
1
?与其它构件未连之前,3
? 用运动副与其它构件连接后,运
动副引入约束,原自由度减少
x
y
ox
y
o
tt
n
nR=2 R=2 R=1
结论：
平面低副引入
2个约束
平面高副引入
1个约束
机械设计基础 —— 平面连杆机构
(3) 平面机构自由度计算公式
如果：活动构件数,n
低副数,pl
高副数,ph
x
y
Ｏ
2
1
未连接前总自由度,3n
连接后引入的总约束数,2pl+ph
F=3n - ( 2pl + ph )? 机构自由度 F：
F=3n - 2pl - ph
机械设计基础 —— 平面连杆机构
机构自由度举例：
1
2
3
4
F =3n－ 2pl－ ph
= 3? － 2? －3 4 0
= 1
1
2
3
4
5
F =3n－ 2pl－ ph
= 3? － 2? －4 5 0
= 2
F =3n－ 2pl－ ph
= 3? － 2? －2 2 1
= 1
B
C
A
F =3n－ 2pl－ ph
= 3? － 2? －3 4 0 = 1 F =3n－ 2pl－ ph= 3? － 2? －4 5 1 = 1
机械设计基础 —— 平面连杆机构
F =3n－ 2pl－ ph
= 3? 4－ 2?5－ 0= 2
F =3n－ 2pl－ ph
= 3? 3－ 2?5－ 0= -1
F =3n－ 2pl－ ph
= 3? 2－ 2?3－ 0=0
2 机构具有确定运动的条件
F=0,刚性桁架，构件之间无相对运动
原动件数小于 F,各构件无确定的相对运动
原动件数大于 F,在机构的薄弱处遭到破坏
结论,机构具有确定运动的条件：
1 机构自由度 >0
2 原动件数 ＝ 机构自由度数
B
CA
B
CA
D E
A
E
B
C
D
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? m个构件 (m>2)在同一处构成转动副
? m-1个低副
(1) 复合铰链
4
1
2
3 5
6
F ＝ 3n－ 2pl－ ph
＝ 3? － 2? －5 6 0
＝ 3
F ＝ 3n－ 2pl－ ph
＝ 3? － 2? －5 7 0
＝ 1
4
1
2
3 5
6
②
错 对
— 计算在内
5
2
3
2
3
5
1
m个构件,
m-1个铰链
3 几种特殊结构的处理
机械设计基础 —— 平面连杆机构
F＝ 3n－ 2pl－ ph
＝ 3? － 2? －3 3 1
＝ 2
F＝ 3n－ 2pl－ ph
＝ 3? － 2? －2 2 1
＝ 1
错 对
— 排除(2) 局部自由度
? 定义,机构中某些构件所具有的独立的局部运动,不影响机
构输出运动的自由度
? 局部自由度经常发生的场合,滑动摩擦变为滚动摩擦时添加
的滚子、轴承中的滚珠
? 解决的方法,计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的
构件固结在一起，视作一个构件
动画
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 不影响机构运动传递的 重复约束
? 在特定几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束
可能与其它运动副所起的限制作用一致，这种不起独立限
制作用的运动副叫 虚约束
? 虚约束 经常发生的场合
? 处理方法,计算自由度时，将虚约束（或虚约束构件及其
所带入的运动副）去掉
? 结论
F＝ 3n－ 2PL－ PH
＝ 3? － 2?－
1
2
3
F＝ 3n－ 2PL－ PH
＝ 3? － 2?－2 3 1
＝ -1 错
2 2 1
＝ 1 对
— 排除
之一为
虚约束
(3) 虚约束
机械设计基础 —— 平面连杆机构
虚约束经常发生的场合
A 两构件之间构成多个运动副时
B 两构件某两点之间的距离在运动过程中始终保持不变时
C 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时
D 机构中对运动不起作用的对称部分
机械设计基础 —— 平面连杆机构
A 两构件之间构成多个运动副时
? 两构件组合成多个 转动副,且其 轴线重合
? 两构件组合成多个 移动副,其 导路平行或重合
? 两构件组合成若干个 高副,但接触点之间的 距离为常数
1
2
3
1
2
3
? 目的,为了改善构件的受力情况
F＝ 3n－ 2PL－ PH
＝ 3? － 2?－2 2 1
＝ 1
动画
机械设计基础 —— 平面连杆机构
B 两构件某两点之间的距离在运动中保持不变时
? 在这两个例子中，加与不加红色构件 AB效果完全一样，
为虚约束
? 计算时应将构件 AB及其引入的约束去掉来计算
4
1
2
351
2
3
4
F＝ 3n－ 2PL－ PH
＝ 3? － 2? －3 4 0
F＝ 3n－ 2PL－ PH
＝ 3? － 2? －4 6 0
＝ 0
BA
错对＝ 1
F＝ 3n－ 2PL－ PH
＝ 3? － 2?－3 4 0
＝ 1
机械设计基础 —— 平面连杆机构
C 两构件上联接点的轨迹重合
? 在该机构中，构件 2上的 C点 C2与构
件 3上的 C点 C3轨迹重合，为虚约束
? 计算时应将构件 3及其引入的约束去
掉来计算
? 同理，也可将构件 4当作虚约束，将
构件 4及其引入的约束去掉来计算，
效果完全一样
B
A
C(C2,C3)
D1
2
3
4
F＝ 3n－ 2PL－ PH
＝ 3? － 2?－3 4 0
＝ 1
动画
机械设计基础 —— 平面连杆机构
D 机构中对运动不起作用的对称部分
? 在该机构中，齿轮 3是齿轮 2的对称部分，为虚约束
? 计算时应将齿轮 3及其引入的约束去掉来计算
? 同理，将齿轮 2当作虚约束去掉，完全一样
? 目的,为了改善构件的受力情况
F＝ 3n－ 2PL－ PH
＝ 3? － 2?－3 3 2
＝ 1
12 3
4
5
动画
机械设计基础 —— 平面连杆机构
虚约束 —— 结论
? 机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出
现的，如果这些几何条件不满足，则虚约束
将变成有效约束，而使机构不能运动
? 采用虚约束是为了,改善构件的受力情况；传递较大功率；
或满足某种特殊需要
? 在设计机械时，若为了某种需要而必须使用虚约束时，则
必须严格保证设计、加工、装配的精度，以满足虚约束所
需要的几何条件
1
2
3
机械设计基础 —— 平面连杆机构
4 自由度计算小结
? 自由度计算 公式,
? F＝ 3n－ 2pl－ ph
? 机构自由度＝ 3× 活动构件数－ (2× 低副数 +1× 高副数 )
? 计算步骤,
? 确定活动构件数目
? 确定运动副种类和数目
? 确定特殊结构, 局部自由度、虚约束、复合铰链
? 计算、验证自由度
? 几种特殊结构的处理,
? 1、复合铰链 — 计算在内
? 2、局部自由度 — 排除
? 3、虚约束 --重复约束 — 排除
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2-2 平面四杆机构的基本类型
一,铰链四杆机构
1 基本型式
2 铰链四杆机构划分
3 平面四杆机构的工作特性
4 机构演化方式
二,偏心轮机构
三,曲柄滑块机构
四,导杆机构
机械设计基础 —— 平面连杆机构
一、铰链四杆机构
1 基本型式
? 平面连杆机构的基本型式是 铰链四杆机构
? 其余四杆机构均是由铰链四杆机构演化而成的
二杆 三杆,不可能,
铰链四杆机构
机械设计基础 —— 平面连杆机构
基本型式（续）
? 结构特点,四个运动副均为转动副
? 组成：
? 机架, 连杆, 连架杆
机架,固定不动的构件 —— AD
连架杆,直接与机架相连的构
件 —— AB,CD
连杆,不与机架相连的构件 — BC
曲柄,能作整周转动的连架杆
摇杆,不能作整周转动的连架杆
1
B
2
C
3
4A D
连杆
连架杆连架杆
机架
1
2
3
4A
B
C
D
曲柄 摇杆 (摆杆 )
(周转副 ) (摆转副 )
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2 铰链四杆机构划分
按连架杆不同运动形式分：
(1) 曲柄摇杆机构
(2) 双曲柄机构
(3) 双摇杆机构
连杆
连架杆连架杆
1
2
3
4A
B
C
D
4A D
2
3
２ 作机架
曲柄摇杆机构
1
３ 作机架
双摇杆机构
2
1作机架
双曲柄机构曲柄摇杆机构
4A D
1
2 3
机械设计基础 —— 平面连杆机构
(1) 曲柄摇杆机构
? 结构特点,连架杆 1为曲柄, 3为摇杆
? 运动变换,转动 ?摇动
? 举例,搅拌器机构, 雷达天线机构
1
2
3
4
特性：
? 急回特征
? 死点
机械设计基础 —— 平面连杆机构
(2) 双曲柄机构
? 结构特点,二连架杆均为曲柄
? 运动变换,转动 ?转动, 通常二转速不相等
? 举例,振动筛机构
机械设计基础 —— 平面连杆机构
特殊双曲柄机构 ?平行四边形机构
结构特点,二曲柄等速
? 运动不确定问题
? 车门开闭机构
? 反平行四边形机构
结构特点,二曲柄转向相反
机械设计基础 —— 平面连杆机构
(3) 双摇杆机构
? 结构特点,二连架杆均为摇杆
? 运动变换,摆动 ?摆动
? 举例, 鹤式起重机
机械设计基础 —— 平面连杆机构
特殊机构
?等腰梯形机构
?实例, 汽车前轮转向机构
机械设计基础 —— 平面连杆机构
3 平面四杆机构的工作特性
(1)曲柄存在条件
(2)急回特征
(3)死点
连杆
连架杆连架杆
1
2
3
4A
B
C
D
机械设计基础 —— 平面连杆机构
(1) 曲柄存在条件
? 曲柄存在条件：
1,最短杆与最长杆长度之和小于或等于其
余两杆长度之和
2,最短杆是连架杆或机架
? 最短杆 参与构成的转动副都是 整周副
? 其余均为摆转副
? 推论 1：
? 当 Lmax+Lmin ? L(其余两杆长度之和 )时
? 最短杆是连架杆之一 —— 曲柄摇杆机构
? 最短杆是机架 —— 双曲柄机构
? 最短杆是连杆 —— 双摇杆机构
? 推论 2：
? 当 Lmax+Lmin > L(其余两杆长度之和 )时
? —— 双摇杆机构
A
B
C
D
a
b
c
d
了解
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 当回程所用时间小于工作行程所用时间时，称该机构具有 急回特征
? 极位夹角,?
? 急回特性分析：
? ?1 = C
? ?1 = ?1 t1 =1800 + ?
? ?2 = ?1 t2 =1800 - ?
? t1 > t2,v2 > v1
? 行程速比系数 K
(2) 急回特征
? K=1,无急回特性
? ?↑ K↑ 急回特征越显著
?1
? j
B2
C2
?1
?
2
v2
v1
?
?
?
?
?
??????
0
0
2
1
2
1
121
221
1
2 18 018 0tttCC tCCvvK //
11180 ????? KK? 慢
快
?急回特性的应用例,牛头刨 工作要求
B
1
C
1
4A
B
C
D
2 3
1
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 死点,传动角为零 g=0(连杆与从动件共线 ),机构顶死
(3) 死点
? M=F*L
B
1
C
1
B2
C2
4A
B
C
D
2 3
1
F
v?
g=00
Fv?
g=00
g=00
C
2
B2
g=00
B
A
C
B1
C１
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 利用构件惯性力
? 实例,家用缝纫机
? 采用多套机构错位排列
? 实例,蒸汽机车车轮联动机构
? 蒸汽机车两侧利用错位排列的两套曲柄滑块机构使车轮联
动机构通过死点
克服死点的措施
G
G’
E
F
E’
F’
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 实例,夹具
? 飞机起落架机构
死点的利用
? 折叠家具机构
g=00
机械设计基础 —— 平面连杆机构
4 机构演化方式
1 转动副转化为移动副
2 变换构件形态
3 变更机架
4 扩大转动副尺寸 连杆
连架杆连架杆
1
2
3
4A
B
C
D
机械设计基础 —— 平面连杆机构
二、偏心轮机构
? 曲柄摇杆机构
(扩大回转副 )
? 偏心轮机构
机械设计基础 —— 平面连杆机构
偏心轮机构（续）
? 对心式曲柄滑块机构 ? 偏心轮机构
1
B
2
4
A C
3
h=2lAB
4
C
2 31 B
A
B副扩大
机械设计基础 —— 平面连杆机构
三、曲柄滑块机构
铰链四杆机构
1
B
2
C
3
4A D
曲线导轨曲柄滑块机构
lCD ??
e ? 01
B
2
4
A
C 3
偏置式曲柄滑块机构对心式曲柄滑块机构
1
B 2
4
A
C 3
e
3
D
1
B 2
C
4
A
对 CD杆等效转化
转动副变成移动副
机械设计基础 —— 平面连杆机构
四、导杆机构
? 选不同构件作机架 —— 机构倒置
? 曲柄滑块机构
? 导杆机构 变更机架
曲柄滑块机构
导杆机构,动画
? 曲柄摇块机构
? 移动导杆机构
曲柄摇杆机构
移动导杆机构
机械设计基础 —— 平面连杆机构
应用 实例 一
A 4
1
A 4
曲柄滑块机构
1
B
2 C
3
1
B
2 C
3
1 B 2 C
3
1 B 2
31 B 2
C
31
B
2
C
31
B
2
C
31
B
2
C
31
B
2
C
3
1
B 2
C
3
B 21
B
21
B
2
2作机架
A 4
1A
4
1
A
4
A
41
A
41
A
4
1 A
4
1 A
4
1
A
4
1
A
41
A 4
1
3
B
2
C
曲柄摇块机构
液压作动筒 车箱举升机构
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2
B
1 2
B
11
应用 实例 二
1
B
A
2
1
B
A
2
A 4
1
B
2 C
3
曲柄滑块机构
C
A 4 3
移动导杆机构
C
4 1 B
A
2
3
手动唧筒机构
3作机架
1
B
2
机械设计基础 —— 平面连杆机构
应用 实例 三
C2
3
4
A 4
1
B
2 C
3
曲柄滑块机构
１ 作机架 A 4
1
B
2 C
3
导杆机构
C2
3
4 C
2
3
4
C
2 3
4
C
2
3
4C
2
3
4
C 2
3
4
C 2
3
4C
2
3
4
C
23
4
C
2
3
4
C
2
3
4
回转导杆机构lBC > lAB，导杆 AC整周转动
C
2
3
4
C
2
3
4
C
2
3
4
C
3
4
A
B
1
2
3
C
4
2
3
C
4
2 3
C
4
2
3
C
4
2
3
C
4
2
3 C
4
2
3
C
4
2
3
C
4
2
3
C
4
2
3
C
4
2
3
C
4
lBC < lAB，
导杆 AC摆动摆动导杆机构
3 2
C
4
A
B
1
机械设计基础 —— 平面连杆机构
其它
? 双移动副机构
正弦机构 双转块机构(十字滑块机构 )
动画
正弦机构
双滑块机构 正切机构
了解
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2-3 平面四杆机构的特点及其设计简介
一,平面四杆机构的特点
二,平面连杆机构的应用
三,平面四杆机构的设计
了解
机械设计基础 —— 平面连杆机构
一、平面四杆机构的特点
? 全低副 （ 面接触 ）, 承受冲击力, 易润滑, 不易磨损
? 运动副结构简单, 易加工
? 运动规律多样化, 点的运动轨迹多样化
? 运动副累积误差大, 效率低
? 惯性力难以平衡, 不宜用于高速
? 不能精确实现复杂的运动规律, 设计计算较复杂
1
2
3
A
B
C 4 机架
连杆
连架杆
A
1
B
2
C
3
D4
4 A 1
2
B
3
C
5
6
D
E
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1 实现有轨迹, 位置或运动规律要求的运动
2 实现从动件运动形式及运动特性的改变
3 实现较运距离的传动或操纵
4 调节, 扩大从动件行程
5 获得较大的机械增益：输出力 (矩 )与输入力 (矩 )之比
二、平面连杆机构的应用
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1 实现有轨迹、位置或运动规律要求的运动
? 圆轨迹复制机构 ? AMF保龄球置瓶机扫瓶机构
C
D
A
B M
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2 实现从动件运动形式及运动特性的改变
? 步进式工件传送机构
? 运动形式改变实例
机械设计基础 —— 平面连杆机构
3 实现较运距离的传动或操纵
? 应用实例,自行车手闸
机械设计基础 —— 平面连杆机构
4 调节、扩大从动件行程
? 可变行程滑块机构
特点,调节 ?可改变滑块 D的行程
? 汽车用空气泵机构
特点,曲辆 CD短，滑块
行程大
A
B
?
C
D
A
B
C
D
E
F
机械设计基础 —— 平面连杆机构
5 获得较大的机械增益,输出力 (矩 )与输入力 (矩 )之比
? 肘节机构
特点,机械增益大
? 剪切机构
特点,机械增益大
E
A
B C
D
机械设计基础 —— 平面连杆机构
其它
机械设计基础 —— 平面连杆机构
?1 实现刚体给定位置的设计
机构能引导刚体（如连杆）通过一系列给定位置
?2 实现已知运动规律的设计
1）给定连架杆对应位置 2）给定行程速比变化系数
?3 实现预定轨迹的设计
连杆上某点通过某一预定给定轨迹的功能
? 图解法,解析法,实验法
三、平面四杆机构的设计
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1 刚体导引机构的设计
(1)应用概述
(2)刚体导引机构设计分析
(3)刚体导引机构的设计
机械设计基础 —— 平面连杆机构
(1) 应用概述
实现刚体给定位置的设计 —— 如实现预定的连杆位置要求
机构能引导刚体 （ 一般为连杆 ） 通过一系列给定位置
例,飞机起落架机构,
? 要求实现机轮放下和收
起两个位置
铸造翻砂机构,
? 要求实现两个翻转位置
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 条件,给定连杆对应位置
? 铰链四杆机构的设计,在于确定四个铰点的位置,且关键在
确定连杆两铰点的位置
? 连杆上的铰点一定落在以固定铰为中心的圆上
? 即,刚体导引机构转变成已知圆弧上的点求圆心
(2) 刚体导引机构设计分析
A
B
C
D
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 选定连杆上两活动
铰链，即确定连杆
长 lBC，定比例尺 ?l
作图
? 活动铰链相对于固
定铰链的运动轨迹
为圆
? 用三点定心法确定
两固定铰链 D,C
? 计算待求杆长
lAB=AB· ?l m
lCD=CD· ?l m
lAD=AD· ?l m
(3) 刚体导引机构的设计
III
IIIB1 B2
B
3
C2
C3
C1
D
A
)( mmmBClBCl ??
讨论：
? 三点唯一确定一个圆,故确定 B,C
点后，固定铰链 A,D也唯一确定
? 连杆上 B,C位置应根据实际情况
而定
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2 函数生成机构的设计
(1)应用概述
(2)函数生成机构设计分析
机械设计基础 —— 平面连杆机构
(1) 函数生成机构的应用
? 函数生成机构,实现预定运动规律的设计
? 即要求机构的主动件和从动件的运动关系能满足给定函数
（ 精确或近似实现 ）
? 例,车门开闭机构 —— 要求两连架杆转角相同, 转向相反
? 汽车前轮转向机构 —— 要求两连架杆满足某种函数关系，
保证顺利转弯
A
B
C
D1
2
3
4
B1
j1
0
B2
j2
E1
y12
E2E
A D
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 工程要求,实现两连架杆的一系列对应位置
(2) 函数生成机构设计
j3
j2
j1
?3
?2
?1E
1
E
2 E
3
F
1
F
2
F
3
D
B1
B2
B3
A
倒置
A
B
C
D A
B
C
D
-j12
-j13
? 即，已知机架长 lAD和两
连架杆对应位置，设计四
杆机构（求其它三杆长）
问题
? 与刚体导引问题的比较
反转法 (反转机构法 )：
? 利用相对运动原理法，采
用机构倒置，将已知连架
杆两位置的设计问题转变
为已知连杆两位置的设计
问题
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 思路：
? 先定一个连架杆的长度
? 转化机构，使 C1D成为机架，
成为刚体导引机构
? 以 CD为机架时所观察到的
A'B2'C1D 相当于把以 AB为机
架时所观察到的 AB2C2'D位置
刚化，以 D为轴转了一个角度
得到的
? 此时,A'B2'由连架杆变为连杆，
故利用刚化反转法原理可 将已
知连架杆两位置的设计问题 转
化为 已知连杆两位置的设计问
题
设计要点
B2
C2
j
y
A
B1
C1
Dy
y
B2'
A'
C2'
? 已知, 二固定铰链和一个活动铰链，求另一活动
铰链，或已知两杆长,求,另两杆长
机械设计基础 —— 平面连杆机构
3 轨迹生成机构的应用
? 轨迹生成机构,实现预定轨迹的设计
? 即要求机构中连杆上某点的轨迹能与给定的曲线相一致,或能通过给定
曲线上的若干有系列的点
? 例,鹤式起重机 —— 要求连杆上某点能生成近似直线轨迹
? 搅拌器机构 —— 要求连杆上某点按搅拌材料生成某种轨迹
机械设计基础 —— 平面连杆机构
轨迹生成机构设计
?实验法
?图谱法
?解析法
?平面四杆机构,最多能精确
实现九个给定的轨迹点
参考数目,
? 孟宪源,, 现代机构手册,, 机械工业出版社 1994
? 李学荣,, 连杆曲线图谱,
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2-1 平面机构的运动简图和自由度
2-2 平面四杆机构的基本类型
2-3 平面四杆机构的特点及设计
基本要求,
?掌握基本概念
?熟练掌握机构运动简图的绘制
?熟练掌握机构自由度的计算方法
?掌握平面连杆机构的类型、特点、演化方法
?掌握平面四杆机构的工作特性
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2-1 平面机构的运动简图和自由度
一,构件
二,运动副
三,机构
四,平面机构的运动简图
五,平面机构的自由度
机械设计基础 —— 平面连杆机构
一、构件
构件,独立影响机构功能并能独立运
动的单元体
（ 实物、刚体、运动的整体 ）
? 机架, 原动构件、从动构件
零件,单独加工的制造单元体
? 通用零件、专用零件
? 构件可以由一个零件组成
? 也可以由几个零件组成 原动件
1
2
3
4
从动件
机架
机械设计基础 —— 平面连杆机构
与动力
源组合
机器的组成
(从运动观点看 )由构件组成
(从制造观点看 )由零件组成
机械
机器
机构
构件 零件
通用零件
专用零件?
?
原动构件
从动构件
机 架?
零件 构件 机构 机器静联接 动联接
(运动副 )
机械设计基础 —— 平面连杆机构
x
y
o
二、运动副
? 运动副, 两构件直接接触而形成的可动联接
? 运动副元素,构成运动副时直接接触的点、线、面部分
? 接触形式, 点、线、面
机械设计基础 —— 平面连杆机构
运动副分类
? 按接触形式分类
? 按相对运动分类
机械设计基础 —— 平面连杆机构
按接触形式分类：
? 接触形式,点、线、面
? 低副,面接触
? 高副,点、线接触
平面低副
空间低副
x
y
o
高副 高副 空间低副 平面低副 平面低副
机械设计基础 —— 平面连杆机构
按相对运动分类：
? 运动副的性质（即运动副引入的约束）确定了两构件的相
对运动
? 按相对运动分类：
? 转动副：相对转动 —— 回转副、铰链
? 移动副：相对移动
? 螺旋副：螺旋运动
? 球面副：球面运动
机械设计基础 —— 平面连杆机构
运动副类型小结
? 平面低副, 转动副、移动副 （ 面接触 ）
? 平面高副, 齿轮副、凸轮副 （ 点、线接触 ）
? 空间低副, 螺旋副、球面副、圆柱副 （ 面接触 ）
? 空间高副, 球和圆柱与平面、球与圆柱副 (点、线接触 )
? 运动副特性,运动副一经形成,组成它的两个构件间的可
能的相对运动就确定。而且 这种可能的相对运动,只与运
动副类型有关,而与运动副的具体结构无关。
? 工程上常用一些规定的符号代表运动副
机械设计基础 —— 平面连杆机构
平面副
低副,转动副、移动副
(面接触 )
高副,齿轮副、凸轮副 (点、
线接触 )
x
y
ox
y
o tt
n
n
n
t
机械设计基础 —— 平面连杆机构
空间副
高副,点、线接触 球面副
螺旋副
了解
机械设计基础 —— 平面连杆机构
?机构是由构件通过运动副连接而成的
?原动件,按给定运动规律独立运动的构件
?从动件,其余的活动构件
?机 架,固定不动的构件
原动件 1
2
3
4
从动件
机架
闭链 开链
机构
三、机构
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1 概述
2 构件的表示方法
3 运动副的表示方法
4 运动简图的绘制方法
5 例题
四、平面机构的运动简图
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1 概述
? 机构各部分的运动，取决于：
原动件的运动规律、各运动副的类型、机构的运动尺寸
(确定各运动副相对位置的尺寸 )
? 机构运动简图,
（表示机构 运动特征 的一种工程用图）
? 用简单线条表示构件
? 规定符号代表运动副
? 按比例定出运动副的相对位置
? 与原机械具有完全相同的运动特性
? 比较：
? 机构示意图,没严格按照比例绘制的机构运动简图
? 用途,分析现有机械，构思设计新机械
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2 构件的表示方法
? 杆、轴类构件
? 机架
? 同一构件
? 两副构件
? 三副构件
机械设计基础 —— 平面连杆机构
3 运动副的表示方法
? 转动副
? 移动副
? 高副 （齿轮副、
凸轮副） ２
机械设计基础 —— 平面连杆机构
4 运动简图的绘制方法
? 步骤：
? 确定构件数目及原动件、输出构件
? 各构件间构成何种运动副？（注意微动部分）
? 选定比例尺,投影面，确定原动件某一位置,按规定
符号绘制运动简图
? 标明机架、原动件和作图比例尺
? 绘制路线,原动件 ?中间传动件 ?输出构件
? 观察重点,各构件间构成的运动副类型
? 良好习惯,各种运动副和构件用规定符号表达
? 误 区,构件外形
机械设计基础 —— 平面连杆机构
5 例题,内燃机
机械设计基础 —— 平面连杆机构
A
B
C
E
F
D
G
例题,破碎机
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1
2
3
4A
B
C
14
12
23
A14
B12
C234
3
2 4
1
4
例题：
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1 平面机构自由度的计算
2 机构具有确定运动的条件
3 几种特殊结构的处理
? 复合铰链
? 局部自由度
? 虚约束
4 小结
五、平面机构的自由度
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1 平面机构自由度的计算
(1) 平面运动构件的自由度
(构件可能出现的独立运动 )
(2) 平面运动副引入的约束 R
(对独立的运动所加的限制 )
x
y
Ｏ
2
1
?与其它构件未连之前,3
? 用运动副与其它构件连接后,运
动副引入约束,原自由度减少
x
y
ox
y
o
tt
n
nR=2 R=2 R=1
结论：
平面低副引入
2个约束
平面高副引入
1个约束
机械设计基础 —— 平面连杆机构
(3) 平面机构自由度计算公式
如果：活动构件数,n
低副数,pl
高副数,ph
x
y
Ｏ
2
1
未连接前总自由度,3n
连接后引入的总约束数,2pl+ph
F=3n - ( 2pl + ph )? 机构自由度 F：
F=3n - 2pl - ph
机械设计基础 —— 平面连杆机构
机构自由度举例：
1
2
3
4
F =3n－ 2pl－ ph
= 3? － 2? －3 4 0
= 1
1
2
3
4
5
F =3n－ 2pl－ ph
= 3? － 2? －4 5 0
= 2
F =3n－ 2pl－ ph
= 3? － 2? －2 2 1
= 1
B
C
A
F =3n－ 2pl－ ph
= 3? － 2? －3 4 0 = 1 F =3n－ 2pl－ ph= 3? － 2? －4 5 1 = 1
机械设计基础 —— 平面连杆机构
F =3n－ 2pl－ ph
= 3? 4－ 2?5－ 0= 2
F =3n－ 2pl－ ph
= 3? 3－ 2?5－ 0= -1
F =3n－ 2pl－ ph
= 3? 2－ 2?3－ 0=0
2 机构具有确定运动的条件
F=0,刚性桁架，构件之间无相对运动
原动件数小于 F,各构件无确定的相对运动
原动件数大于 F,在机构的薄弱处遭到破坏
结论,机构具有确定运动的条件：
1 机构自由度 >0
2 原动件数 ＝ 机构自由度数
B
CA
B
CA
D E
A
E
B
C
D
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? m个构件 (m>2)在同一处构成转动副
? m-1个低副
(1) 复合铰链
4
1
2
3 5
6
F ＝ 3n－ 2pl－ ph
＝ 3? － 2? －5 6 0
＝ 3
F ＝ 3n－ 2pl－ ph
＝ 3? － 2? －5 7 0
＝ 1
4
1
2
3 5
6
②
错 对
— 计算在内
5
2
3
2
3
5
1
m个构件,
m-1个铰链
3 几种特殊结构的处理
机械设计基础 —— 平面连杆机构
F＝ 3n－ 2pl－ ph
＝ 3? － 2? －3 3 1
＝ 2
F＝ 3n－ 2pl－ ph
＝ 3? － 2? －2 2 1
＝ 1
错 对
— 排除(2) 局部自由度
? 定义,机构中某些构件所具有的独立的局部运动,不影响机
构输出运动的自由度
? 局部自由度经常发生的场合,滑动摩擦变为滚动摩擦时添加
的滚子、轴承中的滚珠
? 解决的方法,计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的
构件固结在一起，视作一个构件
动画
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 不影响机构运动传递的 重复约束
? 在特定几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束
可能与其它运动副所起的限制作用一致，这种不起独立限
制作用的运动副叫 虚约束
? 虚约束 经常发生的场合
? 处理方法,计算自由度时，将虚约束（或虚约束构件及其
所带入的运动副）去掉
? 结论
F＝ 3n－ 2PL－ PH
＝ 3? － 2?－
1
2
3
F＝ 3n－ 2PL－ PH
＝ 3? － 2?－2 3 1
＝ -1 错
2 2 1
＝ 1 对
— 排除
之一为
虚约束
(3) 虚约束
机械设计基础 —— 平面连杆机构
虚约束经常发生的场合
A 两构件之间构成多个运动副时
B 两构件某两点之间的距离在运动过程中始终保持不变时
C 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时
D 机构中对运动不起作用的对称部分
机械设计基础 —— 平面连杆机构
A 两构件之间构成多个运动副时
? 两构件组合成多个 转动副,且其 轴线重合
? 两构件组合成多个 移动副,其 导路平行或重合
? 两构件组合成若干个 高副,但接触点之间的 距离为常数
1
2
3
1
2
3
? 目的,为了改善构件的受力情况
F＝ 3n－ 2PL－ PH
＝ 3? － 2?－2 2 1
＝ 1
动画
机械设计基础 —— 平面连杆机构
B 两构件某两点之间的距离在运动中保持不变时
? 在这两个例子中，加与不加红色构件 AB效果完全一样，
为虚约束
? 计算时应将构件 AB及其引入的约束去掉来计算
4
1
2
351
2
3
4
F＝ 3n－ 2PL－ PH
＝ 3? － 2? －3 4 0
F＝ 3n－ 2PL－ PH
＝ 3? － 2? －4 6 0
＝ 0
BA
错对＝ 1
F＝ 3n－ 2PL－ PH
＝ 3? － 2?－3 4 0
＝ 1
机械设计基础 —— 平面连杆机构
C 两构件上联接点的轨迹重合
? 在该机构中，构件 2上的 C点 C2与构
件 3上的 C点 C3轨迹重合，为虚约束
? 计算时应将构件 3及其引入的约束去
掉来计算
? 同理，也可将构件 4当作虚约束，将
构件 4及其引入的约束去掉来计算，
效果完全一样
B
A
C(C2,C3)
D1
2
3
4
F＝ 3n－ 2PL－ PH
＝ 3? － 2?－3 4 0
＝ 1
动画
机械设计基础 —— 平面连杆机构
D 机构中对运动不起作用的对称部分
? 在该机构中，齿轮 3是齿轮 2的对称部分，为虚约束
? 计算时应将齿轮 3及其引入的约束去掉来计算
? 同理，将齿轮 2当作虚约束去掉，完全一样
? 目的,为了改善构件的受力情况
F＝ 3n－ 2PL－ PH
＝ 3? － 2?－3 3 2
＝ 1
12 3
4
5
动画
机械设计基础 —— 平面连杆机构
虚约束 —— 结论
? 机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出
现的，如果这些几何条件不满足，则虚约束
将变成有效约束，而使机构不能运动
? 采用虚约束是为了,改善构件的受力情况；传递较大功率；
或满足某种特殊需要
? 在设计机械时，若为了某种需要而必须使用虚约束时，则
必须严格保证设计、加工、装配的精度，以满足虚约束所
需要的几何条件
1
2
3
机械设计基础 —— 平面连杆机构
4 自由度计算小结
? 自由度计算 公式,
? F＝ 3n－ 2pl－ ph
? 机构自由度＝ 3× 活动构件数－ (2× 低副数 +1× 高副数 )
? 计算步骤,
? 确定活动构件数目
? 确定运动副种类和数目
? 确定特殊结构, 局部自由度、虚约束、复合铰链
? 计算、验证自由度
? 几种特殊结构的处理,
? 1、复合铰链 — 计算在内
? 2、局部自由度 — 排除
? 3、虚约束 --重复约束 — 排除
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2-2 平面四杆机构的基本类型
一,铰链四杆机构
1 基本型式
2 铰链四杆机构划分
3 平面四杆机构的工作特性
4 机构演化方式
二,偏心轮机构
三,曲柄滑块机构
四,导杆机构
机械设计基础 —— 平面连杆机构
一、铰链四杆机构
1 基本型式
? 平面连杆机构的基本型式是 铰链四杆机构
? 其余四杆机构均是由铰链四杆机构演化而成的
二杆 三杆,不可能,
铰链四杆机构
机械设计基础 —— 平面连杆机构
基本型式（续）
? 结构特点,四个运动副均为转动副
? 组成：
? 机架, 连杆, 连架杆
机架,固定不动的构件 —— AD
连架杆,直接与机架相连的构
件 —— AB,CD
连杆,不与机架相连的构件 — BC
曲柄,能作整周转动的连架杆
摇杆,不能作整周转动的连架杆
1
B
2
C
3
4A D
连杆
连架杆连架杆
机架
1
2
3
4A
B
C
D
曲柄 摇杆 (摆杆 )
(周转副 ) (摆转副 )
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2 铰链四杆机构划分
按连架杆不同运动形式分：
(1) 曲柄摇杆机构
(2) 双曲柄机构
(3) 双摇杆机构
连杆
连架杆连架杆
1
2
3
4A
B
C
D
4A D
2
3
２ 作机架
曲柄摇杆机构
1
３ 作机架
双摇杆机构
2
1作机架
双曲柄机构曲柄摇杆机构
4A D
1
2 3
机械设计基础 —— 平面连杆机构
(1) 曲柄摇杆机构
? 结构特点,连架杆 1为曲柄, 3为摇杆
? 运动变换,转动 ?摇动
? 举例,搅拌器机构, 雷达天线机构
1
2
3
4
特性：
? 急回特征
? 死点
机械设计基础 —— 平面连杆机构
(2) 双曲柄机构
? 结构特点,二连架杆均为曲柄
? 运动变换,转动 ?转动, 通常二转速不相等
? 举例,振动筛机构
机械设计基础 —— 平面连杆机构
特殊双曲柄机构 ?平行四边形机构
结构特点,二曲柄等速
? 运动不确定问题
? 车门开闭机构
? 反平行四边形机构
结构特点,二曲柄转向相反
机械设计基础 —— 平面连杆机构
(3) 双摇杆机构
? 结构特点,二连架杆均为摇杆
? 运动变换,摆动 ?摆动
? 举例, 鹤式起重机
机械设计基础 —— 平面连杆机构
特殊机构
?等腰梯形机构
?实例, 汽车前轮转向机构
机械设计基础 —— 平面连杆机构
3 平面四杆机构的工作特性
(1)曲柄存在条件
(2)急回特征
(3)死点
连杆
连架杆连架杆
1
2
3
4A
B
C
D
机械设计基础 —— 平面连杆机构
(1) 曲柄存在条件
? 曲柄存在条件：
1,最短杆与最长杆长度之和小于或等于其
余两杆长度之和
2,最短杆是连架杆或机架
? 最短杆 参与构成的转动副都是 整周副
? 其余均为摆转副
? 推论 1：
? 当 Lmax+Lmin ? L(其余两杆长度之和 )时
? 最短杆是连架杆之一 —— 曲柄摇杆机构
? 最短杆是机架 —— 双曲柄机构
? 最短杆是连杆 —— 双摇杆机构
? 推论 2：
? 当 Lmax+Lmin > L(其余两杆长度之和 )时
? —— 双摇杆机构
A
B
C
D
a
b
c
d
了解
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 当回程所用时间小于工作行程所用时间时，称该机构具有 急回特征
? 极位夹角,?
? 急回特性分析：
? ?1 = C
? ?1 = ?1 t1 =1800 + ?
? ?2 = ?1 t2 =1800 - ?
? t1 > t2,v2 > v1
? 行程速比系数 K
(2) 急回特征
? K=1,无急回特性
? ?↑ K↑ 急回特征越显著
?1
? j
B2
C2
?1
?
2
v2
v1
?
?
?
?
?
??????
0
0
2
1
2
1
121
221
1
2 18 018 0tttCC tCCvvK //
11180 ????? KK? 慢
快
?急回特性的应用例,牛头刨 工作要求
B
1
C
1
4A
B
C
D
2 3
1
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 死点,传动角为零 g=0(连杆与从动件共线 ),机构顶死
(3) 死点
? M=F*L
B
1
C
1
B2
C2
4A
B
C
D
2 3
1
F
v?
g=00
Fv?
g=00
g=00
C
2
B2
g=00
B
A
C
B1
C１
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 利用构件惯性力
? 实例,家用缝纫机
? 采用多套机构错位排列
? 实例,蒸汽机车车轮联动机构
? 蒸汽机车两侧利用错位排列的两套曲柄滑块机构使车轮联
动机构通过死点
克服死点的措施
G
G’
E
F
E’
F’
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 实例,夹具
? 飞机起落架机构
死点的利用
? 折叠家具机构
g=00
机械设计基础 —— 平面连杆机构
4 机构演化方式
1 转动副转化为移动副
2 变换构件形态
3 变更机架
4 扩大转动副尺寸 连杆
连架杆连架杆
1
2
3
4A
B
C
D
机械设计基础 —— 平面连杆机构
二、偏心轮机构
? 曲柄摇杆机构
(扩大回转副 )
? 偏心轮机构
机械设计基础 —— 平面连杆机构
偏心轮机构（续）
? 对心式曲柄滑块机构 ? 偏心轮机构
1
B
2
4
A C
3
h=2lAB
4
C
2 31 B
A
B副扩大
机械设计基础 —— 平面连杆机构
三、曲柄滑块机构
铰链四杆机构
1
B
2
C
3
4A D
曲线导轨曲柄滑块机构
lCD ??
e ? 01
B
2
4
A
C 3
偏置式曲柄滑块机构对心式曲柄滑块机构
1
B 2
4
A
C 3
e
3
D
1
B 2
C
4
A
对 CD杆等效转化
转动副变成移动副
机械设计基础 —— 平面连杆机构
四、导杆机构
? 选不同构件作机架 —— 机构倒置
? 曲柄滑块机构
? 导杆机构 变更机架
曲柄滑块机构
导杆机构,动画
? 曲柄摇块机构
? 移动导杆机构
曲柄摇杆机构
移动导杆机构
机械设计基础 —— 平面连杆机构
应用 实例 一
A 4
1
A 4
曲柄滑块机构
1
B
2 C
3
1
B
2 C
3
1 B 2 C
3
1 B 2
31 B 2
C
31
B
2
C
31
B
2
C
31
B
2
C
31
B
2
C
3
1
B 2
C
3
B 21
B
21
B
2
2作机架
A 4
1A
4
1
A
4
A
41
A
41
A
4
1 A
4
1 A
4
1
A
4
1
A
41
A 4
1
3
B
2
C
曲柄摇块机构
液压作动筒 车箱举升机构
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2
B
1 2
B
11
应用 实例 二
1
B
A
2
1
B
A
2
A 4
1
B
2 C
3
曲柄滑块机构
C
A 4 3
移动导杆机构
C
4 1 B
A
2
3
手动唧筒机构
3作机架
1
B
2
机械设计基础 —— 平面连杆机构
应用 实例 三
C2
3
4
A 4
1
B
2 C
3
曲柄滑块机构
１ 作机架 A 4
1
B
2 C
3
导杆机构
C2
3
4 C
2
3
4
C
2 3
4
C
2
3
4C
2
3
4
C 2
3
4
C 2
3
4C
2
3
4
C
23
4
C
2
3
4
C
2
3
4
回转导杆机构lBC > lAB，导杆 AC整周转动
C
2
3
4
C
2
3
4
C
2
3
4
C
3
4
A
B
1
2
3
C
4
2
3
C
4
2 3
C
4
2
3
C
4
2
3
C
4
2
3 C
4
2
3
C
4
2
3
C
4
2
3
C
4
2
3
C
4
2
3
C
4
lBC < lAB，
导杆 AC摆动摆动导杆机构
3 2
C
4
A
B
1
机械设计基础 —— 平面连杆机构
其它
? 双移动副机构
正弦机构 双转块机构(十字滑块机构 )
动画
正弦机构
双滑块机构 正切机构
了解
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2-3 平面四杆机构的特点及其设计简介
一,平面四杆机构的特点
二,平面连杆机构的应用
三,平面四杆机构的设计
了解
机械设计基础 —— 平面连杆机构
一、平面四杆机构的特点
? 全低副 （ 面接触 ）, 承受冲击力, 易润滑, 不易磨损
? 运动副结构简单, 易加工
? 运动规律多样化, 点的运动轨迹多样化
? 运动副累积误差大, 效率低
? 惯性力难以平衡, 不宜用于高速
? 不能精确实现复杂的运动规律, 设计计算较复杂
1
2
3
A
B
C 4 机架
连杆
连架杆
A
1
B
2
C
3
D4
4 A 1
2
B
3
C
5
6
D
E
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1 实现有轨迹, 位置或运动规律要求的运动
2 实现从动件运动形式及运动特性的改变
3 实现较运距离的传动或操纵
4 调节, 扩大从动件行程
5 获得较大的机械增益：输出力 (矩 )与输入力 (矩 )之比
二、平面连杆机构的应用
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1 实现有轨迹、位置或运动规律要求的运动
? 圆轨迹复制机构 ? AMF保龄球置瓶机扫瓶机构
C
D
A
B M
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2 实现从动件运动形式及运动特性的改变
? 步进式工件传送机构
? 运动形式改变实例
机械设计基础 —— 平面连杆机构
3 实现较运距离的传动或操纵
? 应用实例,自行车手闸
机械设计基础 —— 平面连杆机构
4 调节、扩大从动件行程
? 可变行程滑块机构
特点,调节 ?可改变滑块 D的行程
? 汽车用空气泵机构
特点,曲辆 CD短，滑块
行程大
A
B
?
C
D
A
B
C
D
E
F
机械设计基础 —— 平面连杆机构
5 获得较大的机械增益,输出力 (矩 )与输入力 (矩 )之比
? 肘节机构
特点,机械增益大
? 剪切机构
特点,机械增益大
E
A
B C
D
机械设计基础 —— 平面连杆机构
其它
机械设计基础 —— 平面连杆机构
?1 实现刚体给定位置的设计
机构能引导刚体（如连杆）通过一系列给定位置
?2 实现已知运动规律的设计
1）给定连架杆对应位置 2）给定行程速比变化系数
?3 实现预定轨迹的设计
连杆上某点通过某一预定给定轨迹的功能
? 图解法,解析法,实验法
三、平面四杆机构的设计
机械设计基础 —— 平面连杆机构
1 刚体导引机构的设计
(1)应用概述
(2)刚体导引机构设计分析
(3)刚体导引机构的设计
机械设计基础 —— 平面连杆机构
(1) 应用概述
实现刚体给定位置的设计 —— 如实现预定的连杆位置要求
机构能引导刚体 （ 一般为连杆 ） 通过一系列给定位置
例,飞机起落架机构,
? 要求实现机轮放下和收
起两个位置
铸造翻砂机构,
? 要求实现两个翻转位置
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 条件,给定连杆对应位置
? 铰链四杆机构的设计,在于确定四个铰点的位置,且关键在
确定连杆两铰点的位置
? 连杆上的铰点一定落在以固定铰为中心的圆上
? 即,刚体导引机构转变成已知圆弧上的点求圆心
(2) 刚体导引机构设计分析
A
B
C
D
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 选定连杆上两活动
铰链，即确定连杆
长 lBC，定比例尺 ?l
作图
? 活动铰链相对于固
定铰链的运动轨迹
为圆
? 用三点定心法确定
两固定铰链 D,C
? 计算待求杆长
lAB=AB· ?l m
lCD=CD· ?l m
lAD=AD· ?l m
(3) 刚体导引机构的设计
III
IIIB1 B2
B
3
C2
C3
C1
D
A
)( mmmBClBCl ??
讨论：
? 三点唯一确定一个圆,故确定 B,C
点后，固定铰链 A,D也唯一确定
? 连杆上 B,C位置应根据实际情况
而定
机械设计基础 —— 平面连杆机构
2 函数生成机构的设计
(1)应用概述
(2)函数生成机构设计分析
机械设计基础 —— 平面连杆机构
(1) 函数生成机构的应用
? 函数生成机构,实现预定运动规律的设计
? 即要求机构的主动件和从动件的运动关系能满足给定函数
（ 精确或近似实现 ）
? 例,车门开闭机构 —— 要求两连架杆转角相同, 转向相反
? 汽车前轮转向机构 —— 要求两连架杆满足某种函数关系，
保证顺利转弯
A
B
C
D1
2
3
4
B1
j1
0
B2
j2
E1
y12
E2E
A D
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 工程要求,实现两连架杆的一系列对应位置
(2) 函数生成机构设计
j3
j2
j1
?3
?2
?1E
1
E
2 E
3
F
1
F
2
F
3
D
B1
B2
B3
A
倒置
A
B
C
D A
B
C
D
-j12
-j13
? 即，已知机架长 lAD和两
连架杆对应位置，设计四
杆机构（求其它三杆长）
问题
? 与刚体导引问题的比较
反转法 (反转机构法 )：
? 利用相对运动原理法，采
用机构倒置，将已知连架
杆两位置的设计问题转变
为已知连杆两位置的设计
问题
机械设计基础 —— 平面连杆机构
? 思路：
? 先定一个连架杆的长度
? 转化机构，使 C1D成为机架，
成为刚体导引机构
? 以 CD为机架时所观察到的
A'B2'C1D 相当于把以 AB为机
架时所观察到的 AB2C2'D位置
刚化，以 D为轴转了一个角度
得到的
? 此时,A'B2'由连架杆变为连杆，
故利用刚化反转法原理可 将已
知连架杆两位置的设计问题 转
化为 已知连杆两位置的设计问
题
设计要点
B2
C2
j
y
A
B1
C1
Dy
y
B2'
A'
C2'
? 已知, 二固定铰链和一个活动铰链，求另一活动
铰链，或已知两杆长,求,另两杆长
机械设计基础 —— 平面连杆机构
3 轨迹生成机构的应用
? 轨迹生成机构,实现预定轨迹的设计
? 即要求机构中连杆上某点的轨迹能与给定的曲线相一致,或能通过给定
曲线上的若干有系列的点
? 例,鹤式起重机 —— 要求连杆上某点能生成近似直线轨迹
? 搅拌器机构 —— 要求连杆上某点按搅拌材料生成某种轨迹
机械设计基础 —— 平面连杆机构
轨迹生成机构设计
?实验法
?图谱法
?解析法
?平面四杆机构,最多能精确
实现九个给定的轨迹点
参考数目,
? 孟宪源,, 现代机构手册,, 机械工业出版社 1994
? 李学荣,, 连杆曲线图谱,
机械设计基础 —— 平面连杆机构
