汽车平面连杆机构常用设计方案

任务介绍

平面机构是指机构内各构件的相对运动都在同一平面或互相平行的平面内。平面连杆机构是由若干构件用低副（转动副和移动副）连接组成的机构，各构件间的相对运动都在同一平面或平行平面内。低副是面接触，便于制造，容易获得较高的制造精度，并且压强低、磨损小、承载能力大。但是，低副中存在难以消除的间隙，从而产生运动误差，不易准确地实现复杂的运动，不宜用于调整的场合。

平面连杆机构的类型很多，应用很广，最简单的是由4个构件组成的铰链四杆机构。下面介绍 几种汽车常用的平面连杆机构。

学习目标

1.掌握铰链四杆机构的概念及基本类型。

2.掌握铰链四杆机构的演化类型及曲柄存在的条件。

3.掌握铰链四杆机构的基本性质。

相关知识

一、平面四杆机构的类型及应用

如图4-10所示，4个构件之间都是用转动副连接而成的，该机构称为铰链四杆机构。其中，固定不动的杆4称为机架，与机架相连的杆1和杆3称为连架杆，连接两连架杆的杆2称为连杆。当连架杆能绕与机架相连的固定铰链整周回转时，称该连架杆为曲柄；不能整周回转的连架杆称为摇杆。

图4-10　铰链四杆机构

1、3—连架杆；2—连杆；4—机架

根据两个连架杆运动形式的不同，可将铰链四杆机构分为3种基本形式，即曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。

1.曲柄摇杆机构

若铰链四杆机构两连架杆之一为曲柄，另一连架杆为摇杆，则称该铰链四杆机构为曲柄摇杆机构。

曲柄摇杆机构可以实现转动与摆动的转换，即将曲柄的整周转动转换为摇杆的往复摆动，或将摇杆的往复摆动转换为曲柄的整周转动。通常曲柄做等速转动，摇杆做变速往复摆动。图4-11所示为雷达天线俯仰角调整机构，其中，天线固定在连架杆3（即摇杆）上，由主动件1（曲柄）通过连杆2使天线缓慢摆动以调整俯仰角。

图4-12所示为汽车刮水器，当曲柄AB转动时，从动杆CD做往复摆动，利用摇杆的加长部分实现刮水动作。

图4-11　雷达天线俯仰角调整机构

1—主动件；2—连杆；3—连架杆；4—机架

图4-12　汽车刮水器

2.双曲柄机构

若铰链四杆机构的两连架杆均为曲柄则称为双曲柄机构，如图4-13所示，构件1和构件3为曲柄，构件4为机架，构件2为连杆。

图4-14所示为惯性筛机构，它是以双曲柄机构为基础扩展而成的六杆机构。其中，ABCD为双曲柄机构，当曲柄1做等角速度转动时，曲柄3做变角速度转动，通过构件5使筛体6做变速往复直线运动，由于筛体上物料的惯性作用实现筛选。

图4-13　双曲柄机构

图4-14　惯性筛机构

在双曲柄机构中，如连杆与机架的长度相等，两个曲柄的长度也相等，并组成平行四边形，则称为平行四边形机构，如图4-15所示。其特点为两曲柄AB与CD长度相等，始终做等速、同向转动，连杆也始终做平动。图4-16所示的机车车轮联动机构为平行四边形机构的应用实例。

图4-15　平行四边形机构

图4-16　机车车轮联动机构

如果双曲柄机构的对边构件长度相等而不平行，则称为反向双曲柄机构。图4-17所示的公共汽车车门启闭机构就是这种机构的应用实例。

图4-17　公共汽车车门启闭机构

双曲柄机构的功能是将等速转动转换为等速同向、不等速同向、不等速反向等多种转动。

3.双摇杆机构

若铰链杆机构的两连架杆都是摇杆，则称为双摇杆机构。

双摇杆机构可将主动件的往复摆动经过连杆转换为从动件的往复摆动。图4-18所示为飞机起落架的机构运动简图，其中AB与CD均为摇杆，当飞机将要着陆时，需将胶轮放下，如图4-18（a）所示；当飞机飞离地面时，则需将胶轮收起，如图4-18（b）所示。

图4-18　飞机起落架的机构运动简图

在双摇杆机构中，若两摇杆长度相等，则称为等腰梯形机构，如图4-19所示的汽车前轮转向机构。如图4-19所示，摇杆AB和CD分别与两前轮轴固连在一起，当汽车转弯时（图4-19中为向右转弯），左右两前轮摆动的角度β 和δ 不相等，四构件的相对长度保证两前轮轴线的延长线与后轮轴线的延长线相交于一点O，从而使汽车绕O点转动时，4个车轮都在地面上做纯滚动，减少了转弯时轮胎相对地面的滑动磨损。

图4-19　汽车前轮转向机构

二、铰链四杆机构的类型判别

铰链四杆机构的类型既与组成机构的各杆长度有关，又与机架的选取有关。在铰链四杆机构中是否存在曲柄取决于机构中各杆的长度关系，即要使连架杆能做整周的转动而成为曲柄，各杆必须满足一定的条件，这就是曲柄存在的条件。如图4-20所示，若AD为机架，AB为曲柄，在AB转动的过程中，AB与BC存在拉直共线和重叠共线两个位置。要使AB成为曲柄，它必须能顺利地通过这两个共线位置。由此可知，在铰链四杆机构中，要使连架杆成为曲柄，必须同时具备两个条件，即连架杆与机架中必须有一个是最短杆；最短杆与最长杆长度之和必不大于其余两杆的长度之和。

根据四杆机构有曲柄存在的条件，一般可按下述方法判定其类型：

若最短杆与最长杆的长度之和不大于其余两杆的长度之和，则

1）当取最短杆的邻边为机架时，该机构称为曲柄摇杆机构。

2）当取最短杆为机架时，该机构称为双曲柄机构。

3）当取最短杆的对边为机架时，该机构称为双摇杆机构。

若最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆的长度之和，则无论取哪一构件为机架，均无曲柄存在，该机构是双摇杆机构。

图4-20　曲柄摇杆机构

三、铰链四杆机构的演化

铰链四杆机构通过将转动副演化成移动副或选取不同构件为机架等途径，还可获得平面四杆机构的其他演化形式。

在实际应用的机械中，将各式各样带有移动副的平面四杆机构，称为滑块四杆机构，简称滑块机构。滑块机构都可以看作由铰链四杆机构演化而来，下面介绍几种常用的滑块机构。

1.曲柄滑块机构

曲柄滑块机构可以看作由曲柄摇杆机构演变而来，如图4-21（a）所示的曲柄摇杆机构，摇杆上C点的运动轨迹是圆弧mm。若摇杆CD的长度趋于无穷大，即如图4-21（b）所示时，回转副中心D将位于无穷远处，C点的运动轨迹变成了直线，转动副D变成移动副，从而演变成如图4-21（c）所示的曲柄滑块机构。根据滑块导路中心线是否通过曲柄转动中心A，曲柄滑块可分为如图4-21（c）所示的对心曲柄滑块机构和图4-22所示的和偏置曲柄滑块机构（偏距为e）。

图4-21　曲柄滑块机构的形成

图4-22　偏置曲柄滑块机构(www.xing528.com)

心曲柄滑块机构中曲柄存在的条件为l1≤l2，偏置曲柄滑块机构中曲柄存在的条件为l1+e ≤l2。

在曲柄滑块机构中，当以曲柄为原动件时，可将曲柄的转动转化为滑块的往复移动，它广泛应用于活塞式内燃机（图4-23）、空气压缩机、冲床等机械中；当以滑块为原动件时，可将滑块的往复移动转化为曲柄的转动，它广泛应用于蒸汽机、内燃机等机械中。

图4-23　内燃机曲柄滑块机构

2.曲柄导杆机构

导杆机构可以看作通过改变曲柄滑块机构中的机架演变而成。图4-24（a）为曲柄滑块机构。图4-24（b）所示的铰链四杆机构中，杆件AB的长度小于机架AC，可以绕机架做圆周运动，但导杆BC只能做摆动，称为曲柄摆动导杆机构。图4-24（c）所示的铰链四杆机构中，杆件AB的长度大于机架AC，杆件AB和BC都可以绕机架做圆周运动，称为曲柄转动导杆机构。曲柄导杆机构常用于回转式油泵、牛头刨床等的工作机构中。

图4-24　曲柄导杆机构的演化

（a）曲柄滑块机构；（b）曲柄摆动导杆机构；（c）曲柄转动导杆机构；（d）曲柄揺块机构

3.曲柄摇块机构

如图4-24（d）所示，杆件AC的长度小于机架AB，可以做圆周运动，杆件BC与滑块组成移动副，滑块与机架AB组成转动副，滑块只能做定轴转动，称为曲柄摇块机构。图4-25所示的自动卸料机构就是曲柄揺块机构应用的实例。

图4-25　自动卸料卡车

4.定块机构

在摇块机构中若将滑块3作为机架，称为定块，构件2绕C点摆动，构件4相对滑块3做往复移动，如图4-26（a）所示，则称这种机构为定块机构。图4-26（b）所示的手动压水机即为定块机构的应用实例。

图4-26　定块机构

四、平面四杆机构的基本性质

1.急回特性

图4-27所示的曲柄摇杆机构中，曲柄AB为主动件并作匀速圆周转动时，曲柄AB转动一周的过程中，曲柄AB与连杆BC有两次共线位置AB1和AB2，这时从动件摇杆CD分别位于左、右两个极限位置C1D和C2D，其夹角Ψ称为摇杆摆角，它是从动件的摆动范围，故又称行程。曲柄在摇杆处于两个极限位置时其对应的两个位置所夹锐角θ称为极位夹角。

图4-27　曲柄摇杆机构的运动特性

若曲柄AB以等角速度ω顺时针从与BC共线位置AB1转到共线位置AB2，转过的角度为φ1=180°+θ，摇杆CD则从左边极限位置C1D摆到右边极限位置C2D，所需时间为t1，C点的平均速度为v1；当曲柄AB继续转过角度φ2=180°-θ，即从AB2到AB1，摇杆CD从C2D摆回到C1D，所需时间为t2，C点的平均速度为v2，因为φ1>φ2，所以t1>t2，v2>v1，机构中摇杆的这种返回行程速度（v2）大于工作行程速度（v1）的特性称为急回特性。

摇杆做往复运动时急回的程度通常用行程速比系数K来表示，即

当给定行程速比系数K后，机构的极位夹角为

若K>1，表示机构返回行程速度v2大于工作行程速度v1，机构具有急回特性，能够减少返回时间，提高生产率。由式（4-1）可知，θ越大，K值越大，急回特性越显著。

当θ>0°时，说明该机构有急回特性；若θ=0°，则K=1，机构不具有急回特性。因此，极位夹角θ是判断平面连杆机构急回特性的依据。

2.压力角与传动角

实际生产对连杆机构的要求，一是能实现预定的运动规律；二是有较好的传力性能，使机构运转灵活、轻便及高效。机构的传力性能与其压力角有关。

在图4-28所示的曲柄摇杆机构中，取曲柄AB为原动件，摇杆CD为从动件。若忽略各构件的质量和运动副中的摩擦，则曲柄通过连杆作用于摇杆上C点的力F沿BC方向，它与受力点C的绝对速度vc之间所夹的锐角称为压力角，力F沿vc方向的分力Ft=Fcosα，Ft是推动从动件运动的有效分力；而沿摇杆轴心线方向的分力Fn=Fsinα会增大运动副中的摩擦和磨损，对机构传动不利，故称为有害分力。显然，压力角α 的大小是判别机构传力性能好坏的一个重要参数。

图4-28　曲柄摇杆机构的压力角与传动角

为了便于在机构运动简图中直接观察和进行测量，特引入传动角的概念。我们将压力角α的余角γ 称为传动角。显然，γ =90°-α，故γ 越大α越小，机构的传力性能越好。

不难看出，在机构运动过程中，传动角γ 是不断变化的。为了保证机构具有良好的传力性能，需要对传动角的最小值加以限制。一般情况下，机构的最小传动角即γmin≥40°；传递较大功率时，应取γmin≥50°。出现最小传动角的机构位置可从机构运动简图中直观地判定。

对于图4-28所示的曲柄摇杆机构，当以曲柄为原动件时，最小传动角必定出现在曲柄与机架两个共线位置中的一处，其中γ 较小的即为最小传动角。

3.死点位置

图4-29所示的曲柄摇杆机构中，当以摇杆CD为主动件时，在摇杆摆到两个极限位置C1D和C2D时，连杆BC与曲柄AB两次共线。在这个位置上，若不计铰链中摩擦和各杆的质量，主动件摇杆CD通过连杆作用于从动曲柄AB上的力，恰好通过曲柄的回转中心A，不会产生力矩，不能推动曲柄转动，这时，机构出现“卡死”的现象。机构处在连杆与从动件曲柄重合为一直线的极限位置，称为死点位置。

图4-29　死点位置

一般来说，死点的存在对机构运动是不利的，应尽量避免出现死点。在无法避免的情况下，为了保证机构连续正常运转，设计时必须设法使机构顺利通过死点位置。工程上常借助于装在曲柄上飞轮的惯性带动曲柄转过死点位置。例如，内燃机上的曲柄连杆机构（活塞连杆机构），在曲轴上安装飞轮，就是利用飞轮的惯性，使连杆和曲轴重合时能越过死点位置，使曲轴连续地转动。

在实际应用中也有利用死点位置的性质来进行工作的。例如，图4-30所示夹具夹紧机构，夹紧工件后，机构处于死点位置（BCD 3点共线），工件的反力F′可阻止工件松开，使工件可靠夹紧。

图4-30　夹具夹紧机构

任务小结

1）铰链四杆机构的基本类型：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。

2）曲柄存在的条件：连架杆与机架中必须有一个是最短杆；最短杆与最长杆长度之和必不大于其余两杆的长度之和。

3）铰链四杆机构的类型判别：若最短杆与最长杆的长度之和不大于其余两杆的长度之和，则

① 当取最短杆的邻边为机架时，该机构称为曲柄摇杆机构。

② 当取最短杆为机架时，该机构称为双曲柄机构。

③ 当取最短杆的对边为机架时，该机构称为双摇杆机构。

若最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆的长度之和，则无论取哪一构件为机架，均无曲柄存在，该机构是双摇杆机构。

4）急回特性：机构中摇杆返回行程速度大于工作行程速度的特性。

5 ）死点位置：机构处在连杆与从动件曲柄重合为一直线的极限位置。

拓展提高

偏心轮机构

偏心轮机构是平面四杆机构的另一种演化形式，它其实是一种凸轮机构。在曲柄滑块机构或其他含有曲柄的四杆机构中，如果曲柄长度很短，则在杆状曲柄两端装设两个转动副将存在结构设计上的困难。而如果曲柄需安装在直轴的两支承之间，则将导致连杆与曲柄轴的运动干涉。为此，工程中常将曲柄设计成偏心距为曲柄长的偏心圆盘，此偏心圆盘称为偏心轮。曲柄为偏心轮结构的连杆机构称为偏心轮机构，如图4-31所示。

图4-31　偏心轮机构

此外，在要求曲柄长度和从动件行程可调节的场合，常采用双偏心轮机构。例如，图4-32所示的曲柄滑块机构，曲柄由偏心距分别为e1=AO1和e2=O1O2的两个偏心轮1、2组成，通过改变两偏心轮相对周向位置（即改变A、O1、O23点相对位置）可实现曲柄长度AB在（e2-e1+O2B）～（e2+e1+O2B）的连续调节，从而使滑块4具有不同的行程。

图4-32　双偏心轮机构