传动特性分析：平面四杆机构

平面四杆机构在传递运动和动力时所显示的传动特性，在实际中有着重要的作用。

（一）平面四杆机构位置和极位夹角

在图6-1-33所示的曲柄摇杆机构中，铰链B的轨迹，是以铰链A的转动中心为圆心，曲柄B的长度为半径的圆周，称为曲柄圆；铰链C的轨迹，是以铰链D的转动中心为圆心，摇杆CD的长度为半径的圆弧，称为摇杆弧。当曲柄为主动构件时，摇杆做往复摆动。以A为圆心，连杆BC和曲柄AB之和为半径交摇杆弧于C1点，C1D就是摇杆的右极限位置，这时曲柄与连杆伸展共线；以A为圆心，连杆BC和曲柄AB之差为半径交曲柄圆于C2点，C2D就是摇杆的左极限位置，这时曲柄与连杆重叠共线。摇杆的两极限位置C1D和C2D所夹锐角称为摇杆摆角，用Ψ表示；摇杆的两极限位C1D和C2D所对应的两曲柄位置AB1和AB2所夹锐角称为极位夹角，用θ表示。

图6-1-33　四杆机构的位置

（二）急回特性

机构有无急回特性取决于机构的极位夹角θ。

当θ=0，K=1，快速=慢速，机构没有急回特性，如对心式曲柄滑块机构，其θ=0。

当θ≠0，K＞1，机构就有急回特性，如曲柄摇杆机构、偏置曲柄滑块机构和摆动导杆机构等都具有急回特性。

机构的极位夹角越大，机构的急回特性越明显。

（三）传动角和压力角

在机构的从动件上，主动力作用点的速度方向与主动力方向所夹锐角，称为机构压力角，用α表示；机构压力角α的余角γ=90°-α称为机构的传动角。在图6-1-34所示的曲柄摇杆机构中，曲柄1为主动件，摇杆3为从动件。曲柄1通过连杆2，作用于摇杆3的主动力作用点是铰链C点；该点的速度方向vC垂直于摇杆CD；该点受到的主动力F沿连杆BC方向（若忽略各杆的质量和运动副中的摩擦影响，连杆BC是二力杆）。力F与速度vC所夹锐角就是机构压力角α。真正推动从动摇杆克服阻力产生转动的力是机构有效分力Ft=Fcosα=Fsinγ，它是主动力F在速度vC方向的分力。

图6-1-34　曲柄摇杆机构的传动角和压力角

可以看出：机构压力角α越小（传动角γ越大），有效分力Ft越大，机构传力性能越好，机构的传动效率越高。由于γ角便于观察和测量，工程上常以传动角来衡量机构的传力性能。

在机构运动过程中，压力角和传动角的大小是随机构位置而变化的，传动角变动范围必有最大角和最小角。为保证机构的良好传力性能，设计时通常应使γmin≥40°。

在图6-1-34所示的曲柄摇杆机构中，曲柄为主动件时，其最小传动角出现在曲柄与机架共线的两个位置，其最小的传动角，就是机构的最小传动角。对于曲柄滑块机构，当主动件为曲柄时，最小传动角出现在曲柄与机架垂直的位置，如图6-1-35所示。

图6-1-36所示的导杆机构，由于在任何位置时主动曲柄通过滑块传给从动杆的力的方向，与从动杆受力的速度方向始终一致，所以传动角始终等于90°。

图6-1-35　偏置曲柄滑块机构的最小传动角图

图6-1-36　摆动导杆机构的传动角(www.xing528.com)

（四）机构死点

机构运动到某一位置时，机构的压力角α=90°（传动角γ=0°）称为机构的死点位置。

在图6-1-37所示的曲柄摇杆机构中，若摇杆CD为原动件，曲柄AB为从动件，当摇杆CD摆到C1D或C2D的极限位置时，连杆BC与曲柄AB两次共线，此时，摇杆经连杆施加给曲柄的力F1或F2必然通过铰链中心A，曲柄不能获得转矩，机构将趋于静止状态，机构所处的这个位置即为死点位置。死点位置存在的条件是从动件和连杆共线。

由于机构在死点位置的有效分力Ft=0，则不论主动力多大都不能使从动件产生运动，会出现从动件卡死不动或运动不确定的现象。

在曲柄滑块机构中，当滑块为主动件，曲柄为从动件时，死点位置是连杆与曲柄伸展和重叠共线位置，如图6-1-38所示；摆动导杆机构中，当导杆为主动件，曲柄为从动件时，死点位置是导杆与曲柄垂直的两个位置。

图6-1-37　曲柄摇杆机构的死点位置图

图6-1-38　曲柄滑块机构的死点位置

在机构传动中，为了使机构能够顺利地通过死点，继续正常运转，可以采用下述两种方法。

（1）利用构件自身或飞轮的惯性使机构顺利通过死点，如图6-1-39所示的缝纫机踏板机构就是利用带轮的惯性通过死点。

（2）两组机构错位排列，使两组机构的死点相互错开，如图6-1-40所示的铁路机车车轮的联动机构左右两侧机构曲柄位置相错90°。

图6-1-39　缝纫机的飞轮机构图

图6-1-40　铁路机车车轮的联动机构

对有夹紧或固定要求的机构，则可在设计中利用死点的特点，来达到目的。如图6-1-41所示的飞机起落架，当机轮放下时，BC杆与CD杆共线，机构处在死点位置，地面对机轮的力不会使CD杆转动，使飞机降落可靠。图6-1-42所示的夹具，工件夹紧后B、C、D连成一条线，工作时工件的反力再大，也不能使机构反转，使夹紧牢固可靠。

图6-1-41　飞机起落架机构图

图6-1-42　工件夹紧机构

1—工件；2—夹具。