平面连杆机构的结构与应用

平面连杆机构是一些刚性构件，用转动副或移动副相互连接，组成在同一平面内运动的机构，所以也称平面低副机构。平面连杆机构可以实现多种运动形式和运动轨迹的要求；低副为面接触，压强小，便于润滑，不易磨损，易于加工，能承受较大的载荷；利用连杆机构的杠杆效应，可起增力和扩大行程的作用。但是，平面连杆机构中有些构件所产生的惯性力难以平衡，高速时将引起很大的振动和动载荷。因此，平面连杆机构不宜用于高速运动的场合。它常与机器的工作部分相连，起执行和控制作用，应用很广泛。

一、铰链四杆机构的类型及应用

当平面四杆机构中的运动副均为转动副时，称为铰链四杆机构，如图6－17所示。

图6－17　铰链四杆机构

机构中与机架4相连的构件1、3称为连架杆，不与机架相连的构件2称为连杆。连架杆中相对于机架能做整周转动的构件称为曲柄，不能做整周转动而只能在一定范围内摆动的构件称为摇杆。

根据两连架杆运动形式的不同，铰链四杆机构分为三种基本类型。

1.曲柄摇杆机构

在铰链四杆机构中，两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆，此四杆机构称为曲柄摇杆机构。它可实现连续转动与往复摆动之间运动形式的变换。

曲柄摇杆机构中，当以曲柄为原动件时，可将匀速转动变成从动件的摆动。图6－18所示为调整雷达天线俯仰角的曲柄摇杆机构，曲柄1缓慢地匀速转动，通过连杆2，使摇杆3在一定角度范围内摆动，从而调整天线俯仰角的大小。如图6－19所示搅拌机机构也是曲柄摇杆机构的应用。

图6－18　雷达天线的俯仰角调整机构

图6－19　搅拌机机构

2.双曲柄机构

两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。双曲柄机构中，若曲柄长度不等，则通常主动曲柄做匀速转动，从动曲柄做变速转动。如图6－20所示的惯性筛机构，ABCD为双曲柄机构。当主动曲柄1做等速转动，从动曲柄3做变速转动时，通过杆4带动滑块5上的筛子，使其具有所需的加速度，从而使筛子的颗粒物料因惯性作用而达到分筛的目的。

图6－20　惯性筛中的双曲柄机构

在双曲柄机构中，如果两个曲柄的长度相等，连杆与机架的长度也相等，则称为平行双曲柄机构，如图6－21所示。其中图6－21（a）中主动曲柄1做等速转动时，从动曲柄3做同向的等速转动，称为正平行双曲柄机构，如火车车轮的联动机构。图6－21（b）中主动曲柄1做等速转动时，从动曲柄3做反向的等速转动，称为反平行双曲柄机构，如图6－2所示的车门启闭机构。

图6－21　平行双曲柄机构

（a）正平行双曲柄机构；（b）反平行双曲柄机构

3.双摇杆机构

两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构，它可实现相同运动规律或不同运动规律往复摆动间的变换，常用于操纵机构、仪表机构等。

如图6－22（a）所示的机构中，当CD杆摆动时，连杆CB上悬挂重物的点M在近似水平直线上移动。如图6－22（b）所示的机构中，电动机安装在摇杆座上，铰链A处装有一个与连杆1固接在一起的蜗轮。电动机转动时，电动机轴上的蜗杆带动蜗轮迫使连杆1绕A点做整周转动，从而使连架杆2和4做往复摆动，以达到风扇摇头的目的。

图6－22　双摇杆机构

（a）鸽式起重机；（b）风扇摇头机构

二、铰链四杆机构基本类型的判别

显然，铰链四杆机构属于哪一种类型，与机构中是否存在曲柄及存在曲柄多少有关。

分析表明，铰链四杆机构中要想存在曲柄必须满足下列两个条件：

（1）四杆机构中最长杆与最短杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和（简称杆长之和条件）；

（2）连架杆或机架中必有一杆是最短杆（简称最短杆条件）。

上述两个条件必须同时满足，否则四杆机构不存在曲柄。

如果满足杆长之和条件，则铰链四杆机构的类型取决于最短杆的类型：

①以最短杆作连架杆，为曲柄摇杆机构；

②以最短杆作机架，为双曲柄机构；

③以最短杆作连杆，为双摇杆机构。

如果不满足杆长之和条件，则铰链四杆机构只能为双摇杆机构。

三、含移动副的四杆机构

通过用移动副取代转动副、变更杆件长度、变更机架和扩大转动副等途径，还可以得到铰链四杆机构的其他演化形式，即含有移动副的四杆机构。(www.xing528.com)

1.曲柄滑块机构

由图6－23（a）可知，在曲柄摇杆机构中，杆1为曲柄，杆3为摇杆。如图6－23（b）所示，把杆4做成环形槽，槽的中心在D点，而把杆3做成弧形滑块，与环形槽相配合。显然其运动性质并未改变，但此时已演化为曲线导轨的曲柄滑块机构。当杆3的长度趋于无穷大时，C点的轨迹将从圆弧演变为直线，如图6－23（c）所示。摇杆3转化为沿直线导路m－m移动的滑块，成为如图6－23（d）所示的曲柄滑块机构。图6－23（c）中曲柄转动中心距移动导路的距离e称为偏心距。

图6－23　曲柄摇杆机构的演化

若e＝0，如图6－24（a）所示，称为对心曲柄滑块机构；若e≠0，如图6－24（b）所示，称为偏置曲柄滑块机构。保证AB杆成为曲柄的条件是r≤1。

图6－24　曲柄滑块机构

（a）对心曲柄滑块机构；（b）偏置曲柄滑块机构

曲柄滑块机构用于连续转动与往复移动之间的运动转换，广泛应用于内燃机、空压机和自动送料机等机械中，如图6－25所示。

图6－25　曲柄滑块机构的应用

（a）内燃机；（b）自动送料机构

2.偏心轮机构

对于如图6－24（a）所示的对心曲柄滑块机构，如果曲柄较短，则曲柄结构形式较难实现，故常采用如图6－26（a）所示的偏心轮结构形式，称为偏心轮机构，其偏心圆盘的偏心距，即等于原曲柄长度。偏心轮的特点是几何中心B和转动中心A不重合。当偏心轮绕转动中心A转动时，其几何中心B绕转动中心A做圆周运动，从而带动套装在偏心轮上的连杆运动，进而使滑块在机架滑槽内往复移动。这种结构增大了转动副的尺寸，提高了偏心轴的强度和刚度，并使结构简化且便于安装，如图6－26（b）所示，多用于承受较大冲击载荷的机械中，如破碎机、剪床及冲床等。

图6－26　偏心轮机构

3.导杆机构

若将图6－24（a）所示的曲柄滑块机构的构件1作为机架，则曲柄滑块机构就演化为导杆机构，如图6－27所示。构件4称为导杆，滑块3相对导杆滑动并一起绕A点转动。通常将构件2作为原动件。当l1＜l2时，构件2和导杆4均能绕机架做整周转动，形成如图6－27（a）所示的转动导杆机构；当l1＞l2时，构件2能整周转动，导杆4只能在某一角度内摆动，形成如图6－27（c）所示的摆动导杆机构。导杆机构具有很好的传力性能，常用于机床、电气等装置中，如图6－27（b）和图6－27（d）所示。

图6－27　导杆机构

（a）转动导杆机构；（b）小型刨床机构；（c）摆动导杆机构；（d）电气开关

4.摇块机构

若将图6－24（a）所示曲柄滑块机构的构件2作为机架，则曲柄滑块机构就演化为如图6－28（a）所示的摇块机构。构件1做整周转动，滑块3只能绕机架往复摆动。这种机构常用于摆缸式原动机和气、液压驱动装置中，如图6－28（b）所示的自动货车翻斗机构。

图6－28　摇块机构及其应用

5.定块机构

若将图6－24（a）所示曲柄滑块机构的滑块3作为机架，则曲柄滑块机构就演化为如图6－29（a）所示的定块机构。这种机构常用于抽油泵和手摇抽筒中，如图6－29（b）所示。

图6－29　定块机构及其应用