工程技术学院
课程设计
题目：图解法设计平面连杆机构
摘要
设计内容：设计曲柄摇杆机构。
已知摇杆长度
l，摆角ψ，摇杆
3
的行程速比系数K，要求摇杆CD靠近曲柄回转中心A一侧的极限位置与机架间的夹角为∠CDA，试用图解法设计其余三杆的长度，并计算机构的最小传动角γ。
设计方法：在设计时首先需计算极位夹角θ，再绘制机架位置线及摇杆的两个极限位置，然后确定曲柄回转中心和各杆长度最后验算
最小传动角 。
最后根据已知数据和所计算的数据进行图解，画出平面四杆机构图。
平面连杆机构是由若干构件用平面低副（转动副和移动副）联接而成的平面机构，用以实现运动的传递、变换和传送动力。
平面连杆机构的使用很广泛，它被广泛地使用在各种机器、仪表及操纵装置中。
例如内燃机、牛头刨、钢窗启闭机构、碎石机等等，这些机构都有一个共同的特点：其机构都是通过低副连接而成，故此这些机构又称低副机构低副机构低副机构低副机构。
关键词：机械设计基础机械设计基础课程设计平面四杆机构图解法极位夹角
云南农业大学工程技术学院
目录
1题目 (3)
1.1原始数据及要求 (3)
1.2 工作量 (3)
1.3 制图说明 (3)
1.4 设计计算说明书包括的内容 (3)
2 设计方案的讨论 (4)
3 设计过程 (5)
3.1 各杆长度的确定 (5)
3.2 盐酸最小传动角 (6)
4 小结 (7)
5 参考文献 (8)
1、题目
1.1原始数据及要求：设计曲柄摇杆机构。
已知摇杆长度
l，摆角ψ，
3
摇杆的行程速比系数K，要求摇杆CD靠近曲柄回转中心A一侧的极限位置与机架间的夹角为∠CDA，试用图解法设计其余三杆的长度，并计算机构的最小传动角γ。
1.2工作量：
1.平面连杆机构图解法设计图纸一张。
2.计算说明书一份。
1.3制图说明：
1.用3号图纸作图。
2.标注尺寸。
3.辅助线用细实线。
4.杆的一个极限位置用粗实线，另一个极限位置用虚线。
1.4设计计算说明书包括的内容：
1.设计任务书
2.目录
3.设计过程
3.1.计算极位夹角θ
3.2.绘制机架位置线及摇杆的两个极限位置
3.3.确定曲柄回转中心
3.4.确定各杆长度
3.5.验算最小传动角γ
参考文献
2、设计方案的讨论
平面连杆机构是将各构件用转动副或移动副联接而成的平面机构。
最简单的平面连杆机构是由四个构件组成的，简称平面四杆机构。
它的应用非常广泛，而且是组成多杆机构的基础。
全部用回转副组成的平面四杆机构称为铰链四杆机构。
机构的固定件称为机架；与机架用回转副相联接的两杆称为连架杆；不与机架直接联接的杆称为连杆。
能作整周转动的连架杆，称为曲柄。
仅能在某一角度摆动的连架杆，称为摇杆。
对于铰链四杆机构来说，机架和连杆总是存在的，因此可按照连架杆是曲柄还是摇杆，将铰链四杆机构分为三种基本型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。
在铰链四杆机构中，若两个连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆，则此铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。
曲柄摇杆机构具有急回运动特性。
急回运动特性是指摇杆与机架的连接点在空回行程的速度大于工作行程时的速度的特性。
生产中常利用这种工作性质，使设计的机械具有快速的空回行程，可缩短生产中的辅助时间，以提高生产效率。
平面四杆机构的设计主要是根据给定的运动条件，确定机构运动简图的尺寸参数。
生产实践中的要求是多种多样的，给定的条件也各不相同，常碰到的有两类问题，第一是按照给定从动件的运动规律（如位置、急回特性、速度）设计四杆机构；第二是按照给定的轨迹设计四杆机构。
设计机构的方法有解析法、图解法和实验法。
设计时采用哪
种方法，取决于所给定的条件和机构的实际工作要求。
在这次设计中我们采用的是图解法。
用图解法设计四杆机构主要有两种一是按给定的行程速比系数设计曲柄摇杆机构，二是按给定的连杆位置设计曲柄摇杆机构。
设计具有急回运动的四杆机构，一般是根据工作要求，先给定行程速度变化系数K 的值，然后由机构在极限位置处的几何关系，结合其它辅助条件，确定机构运动简图的尺寸参数。
题目中已经给出了四杆机构的摇杆长度3l 、摆角ψ和行程速度变化系数K 。
所以
设计就根据已知条件要求出曲柄的长度、机架的长度和连杆的长度。
3、设计过程
3.1、各杆长度的确定
（1）计算极位夹角θ
根据设计要求及原始数据，k=1.2 按公式1
1180+-︒
=K K θ计算极位夹角
︒=+-︒=71.2512.112.1180θ （2）任选固定铰链中心D 的位置，并用摇杆长度3l 和摆角ψ，
作出摇杆的两个极限D C 1位置和D C 2。
（3）连接1C 点和2C 点，并通过1C 点作21C C 的垂线M C 1和过点2C 作与21C C 成θ-︒=∠9021N C C 的直线N C 2，得交点P 。
由三角形的内角之和等于︒180可知，21PC C ∆中的θ=∠21PC C 。
（4）作21PC C ∆的外接圆，根据∠CDA=︒50在弧21PC C 上确定点A
作为曲柄与固定件组成的固定铰链中心，并分别与1C 、2C 相连，得21AC C ∠。
因同一圆弧的圆周角相等，故θ=∠=∠2121PC C AC C 。
（5）由机构在极限位置处的曲柄和连杆共线的关系可知：231l l AC -=，
232l l AC +=，从而得曲柄长度AB AC AC l =-=2
122.再以A 点位圆心，2l 为半径作圆，交A C 1的延长线和A C 2于1B 和2B ，从而得出42211l C B C B ==及1l AD =。
由上述步骤测量和计算可得曲柄长度2l =14.5mm,连杆长度
4l =68mm ，机架长度1l =50mm 。
3.2、验算最小传动角
（1）曲柄摇杆机构的最小传动角min γ出现在曲柄与机架贡献的
位置处（即当︒=0ϕ或︒=180ϕ时）。
因为曲柄处于这两个位置时，BCD ∆的边长达到最小或最大，此时BCD ∠分别出现最小值或最大值。
传动角γ是用锐角来表示的。
当BCD ∠为锐角时，γ=BCD ∠，BCD ∠最小值即为min γ；但当︒=180ϕ时，BCD ∠可能为钝角，传动角γ=︒180-BCD ∠，因而BCD ∠的最大值也可能对应着min γ。
在这次课程设计中最小传动角
出现在曲柄位于'AB 处，min γ=D B C ''∠=︒30。
（2）根据以上所确定的各杆的长度长度和传动角最小时各杆所在位置，用余弦定理验算最小传动角。
cos min γ=D C C B D B D C C B '''2'2'2''2⨯⨯-+=342212
3242)(l l l l l l ⨯⨯--+=78.6254.1578.6222⨯⨯--+）（=0.868
︒≈30688.0arccos
计算出的最小传动角约等于测量所得的最小传动角。
4、小结
此次课程设计我们做的主要是用图解法设计平面连杆机构。
平面连杆机构是由若干构件用平面低副（转动副和移动副）联接而成的平面机构，用以实现运动的传递、变换和传送动力。
平面连杆机构的使用很广泛，它被广泛地使用在各种机器、仪表及操纵装置中。
例如内燃机、牛头刨、钢窗启闭机构、碎石机等等，这些机构都有一个共同的特点：其机构都是通过低副连接而成，故此这些机构又称低副机构低副机构低副机构低副机构。
这次连杆机构的设计中，我们计算的最小传动角为30.2°，而判断连杆机构是否具有良好的传力性能，是以压力角的大小作为标志的。
在实际应用中，常以压力角的余角γ（即连杆与从动摇杆之间所夹的锐角）来判断连杆机构的传力性能，γ称为传动角。
传动角γ愈大，机构的传动性能愈好，一般应使最小传动角min γ≥40°，才能保证机构具有较好的传力性能。
然而在该连杆机构设计中我们的最小传动角仅为30.2°，所以该连杆机构不能有较好的传力性能。
在此过程中，我们还学到了很多，不仅加深了对平面连杆机构知识的了解，还让我们解决了平日里不懂的问题，有了一定解决实际问题的能力，能做到理论联系实际，把书面知识运用于现实生活中。
不同的杆长条件和极位夹角都能让四杆机构不同，若无极位夹角则四杆
机构还会产生死点问题。
在这次课程设计过程中，我们看到了团队精神，看到了团队的力量。
并且在这个过程中，我们深刻认识到，细心是很关键的，无论是作图还是计算，都需要细心和认真，否则即便只是一点点的失误也会使结果完全不同，然而图也会不一样。
5、参考文献
[1]汪信远，奚鹰.机械设计基础.4版.北京：高等教育出版社，2010.
[2]郑文纬，吴克坚.机械原理.7版.北京：高等教育出版社，1997.
[3]周静卿，张淑娟等.机械制图与计算机绘图.7版.北京：中国农业大学出版社，2007.。
