铰链四杆机构的类型和应用解析

（一）铰链四杆机构中各构件的名称

如图6-1-2所示各构件的名称如下：

（1）机架：固定不动的构件，AD杆是机架。

（2）连架杆：与机架组成转动副A和D的AB杆和CD杆称为连架杆，其运动是绕转动副A和D做定轴转动。两个连架杆都可以作原动件。

（3）连杆：与连架杆组成转动副的BC杆称为连杆，它做复杂的平面运动。

（4）曲柄：能绕与机架组成转动副的回转中心做整周转动的连架杆称为曲柄，机构简图上一般用单向旋转箭头标注，如图6-1-2中AB杆的整周回转标注。

（5）摇杆：只能做往复摆动（摆动角小于360°）的连架杆称为摇杆，机构简图上一般用双向回转箭头标注，如图6-1-2中CD杆的左右摆动标注。

其中，连架杆、连杆反映的是位置关系，机架、曲柄、摇杆反映的是构件的运动特性。

图6-1-2　铰链四杆机构的构件（曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构的运动演示见AR）

（二）铰链四杆机构类型和应用

根据铰链四杆机构中有几个曲柄，可将其进行分类。

1. 曲柄摇杆机构

在铰链四杆机构中，若有一个连架杆为曲柄，另一个连架杆为摇杆，则称该机构为曲柄摇杆机构。曲柄摇杆可实现曲柄的整周转动与摇杆往复摆动的转换。常见的是曲柄的主动整周转动转换为摇杆的从动往复摆动。

图6-1-3所示的汽车前窗刮雨器机构，在曲柄摇杆机构中，曲柄转动一周，摇杆往复摆动一次，和连杆连在一起的刮雨器就能实现刮雨动作。

图6-1-3　汽车前窗刮雨器机构

图6-1-4所示的颚式碎矿机，当原动件曲柄AB整周转动时，通过连杆BC，使摇杆CD和固定斜板之间的夹角产生变化，达到破碎矿石的目的。

图6-1-4　颚式碎矿机机构

图6-1-5所示的雷达天线机构，当原动件曲柄1转动时，通过连杆2，使与摇杆3固结的抛物面天线做一定角度的摆动，以调整天线的俯仰角度。

图6-1-5　雷达天线机构

图6-1-6为搅拌机机构，当主动曲柄AB回转时，从动杆CD作往复摆动，利用和连杆BC相连的搅拌杆实现复杂的上下左右平面运动，以达到搅拌的目的。

图6-1-6　搅拌机机构

曲柄摇杆机构也可以将摇杆为主动件的往复摆动，转换为以曲柄为从动件的整周转动。如图6-1-7所示的缝纫机踏板机构，就是将脚踏板CD的往复摆动转换为带轮AB的整周转动。

图6-1-7　缝纫机踏板机构

2. 双曲柄机构

在铰链四杆机构中，若两个连架杆都能做整周转动，即两连架杆均为曲柄，则称该机构为双曲柄机构，双曲柄机构有三种类型：不等长双曲柄机构、平行双曲柄机构、反向双曲柄机构。

（1）不等长双曲柄机构。不等长双曲柄机构，如图6-1-8所示。当主动曲柄以等角速度转动一周时，从动曲柄忽快忽慢地转动一周，即两曲柄转动的角速度不相等。如图6-1-9所示的惯性筛机构就是利用从动曲柄变速产生的惯性，使物料来回抖动，从而提高了筛选效率。

图6-1-8　双曲柄机构

图6-1-9　惯性筛机构

（2）平行双曲柄机构。

在双曲柄机构中，若两对边平行并且相等，且两曲柄转动方向相同，则称为平行双曲柄机构，如图6-1-10所示。平行双曲柄机构的主动曲柄与从动曲柄的运动状态完全相同，瞬时角速度恒相等，连杆BC做平行移动。

图6-1-10　双曲柄机构

平行双曲柄机构特殊的构件运动特点使其在生产和生活中有广泛的应用。图6-1-11所示的铁道车辆车轮联动机构，就是利用平行双曲柄机构，将固定于曲柄上的两个车轮全部变成主动轮，使它们的转动状况完全相同；图6-1-12所示的天平机构，利用平行双曲柄机构的连杆做平行移动，使天平盘始终处于水平位置。

图6-1-11　铁路机车车轮联动机构(www.xing528.com)

图6-1-12　天平机构

（3）反向双曲柄机构。

反向双曲柄机构如图6-1-13所示，连杆与机架的长度相等且两个曲柄长度相等，曲柄转向相反的双曲柄机构。反向双曲柄的应用如图6-1-14所示的公共汽车车门开闭机构。

图6-1-13　反向双曲柄机构

图6-1-14　车门启闭机构（车门启闭机构运动动画见AR）

3. 双摇杆机构

在铰链四杆机构中，若两个连架杆均为摇杆，则称该机构为双摇杆机构，如图6-1-15所示。在双摇杆机构中，主动摇杆摆动一次，从动摇杆也摆动一次，其应用也很广泛。如图6-1-16所示的鹤式起重机机构，当摇杆AB摆动时，另一摇杆CD随之摆动，使得悬挂在E点的重物能沿水平直线的方向移动。

图6-1-15　双摇杆机构图

图6-1-16　鹤式起重机机构（鹤式起重机机构运动动画见AR）

图6-1-17所示为飞机起落架中所用的双摇杆机构。

图6-1-17　飞机起落架机构（飞机起落架机构运动动画见AR）

图6-1-18所示为汽车前轮转向操纵机构，是两摇杆长度相等的等腰梯形机构。车轮分别固连在两摇杆上，当推动摇杆时，两前轮以不同的速度转动，使汽车转弯时，两轮能与地面做纯滚动，减小了轮胎的磨损。

图6-1-18　汽车前轮转向操纵机构（汽车前轮转向操纵机构运动动画见AR）

（三）铰链四杆机构曲柄存在的条件

上述铰链四杆机构的三种形式，其区别在于机构中有几个曲柄。铰链四杆机构是否有曲柄则由各杆相对长度来决定，铰链四杆机构的杆长是指每个杆上两个转动副中心之间的距离。

1. 铰链四杆机构曲柄存在条件

（1）连架杆或机架杆是最短杆（最短条件）。

（2）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和（杆长条件）。

2. 铰链四杆机构曲柄存在条件的推论

（1）若四杆机构中最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，则

① 当最短杆为连架杆时，为曲柄摇杆机构。

② 当最短杆为机架时，为双曲柄机构。

③ 当最短杆为连杆时，为双摇杆机构。

（2）若四杆机构中最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆之和，则不论取任何杆为机架，都是双摇杆机构。如图6-1-18所示的汽车前轮转向操纵机构就是这种双摇杆机构。

铰链四杆机构判别示例见表6-1-1。

表6-1-1　铰链四杆机构基本形式的判别示例

注：1. a—最短杆长度；d—最长杆长度；b，c—其余两杆长度。
2. 单向旋转箭头表示整周回转，对应的构件为曲柄，双向回转箭头表示左右摆动，对应的构件为摇杆。

例6-1-1 判断图6-1-19所示的机构各是什么类型的四杆机构？

图6-1-19　四杆机构判断图

解 （a）根据杆长条件：45+120≤100+70，最短杆是连架杆，所以为曲柄摇杆机构。

（b）根据杆长条件：40+110≤90+70，最短杆是机架，所以为双曲柄机构。

（c）根据杆长条件：50+100≤90+70，最短杆是连杆，所以为双摇杆机构。

（d）根据杆长条件：50+100＞60+70，不满足杆长条件，所以为双摇杆机构。