四连杆机构及其在断路器操动机构中的应用

操动机构中力的传动、动触头的提升等都是通过几个连杆和轴销组成的连杆机构来实现的。根据运动的需要，在两个固定轴之间如获得有规律的传动，当采用其他数量的连杆组成的机构时，如五连杆机构，主动臂绕固定轴转动时，从动臂的转动并无一定规律，而只有四连杆机构才能实现有规律的传动。所以在各类操动机构中都使用四连杆机构。

图4-7　四连杆机构的示意图

图4-8　四连杆机构中主动臂转角α1和从动臂转角α2的变化

图4-9　四连杆机构传动特性曲线和机械利益的变化曲线

四连杆的结构简图如图4-7所示。图4-8所示为从动轴拐臂转角α2随主动轴拐臂转角α1变化的示意图，对应给出的尺寸O1O2固定轴距离50mm、O1A拐臂1长度29mm、O2B拐臂2长度39mm、AB连杆3长度30mm绘制的α2=f（α1）曲线如图4-9所示，它称为四连杆机构传动特性曲线，由两个转角之间的变化规律、拐臂尺寸、固定轴之间的距离决定。(www.xing528.com)

输出力矩M2与输入力矩M1之比称为四连杆机构的机械利益AM，即AM=M2/M1。对图4-8所示既定尺寸的拐臂和转轴间距，四连杆机构不同的机械利益AM值见表4-1。观察表4-1可发现，对应α1=60°时，连杆3和从动臂2位于同一直线，形成了一个死点，于是无论在主动臂1上施加多大的力矩都无法操纵四连杆动作，这一死点称从动臂死点，此时AM=0。而当α1=140°时，连杆3和主动臂1位于同一直线，形成了另一死点，这时在主动臂上施加较小的力矩即能操纵从动臂处大的负载力矩，这一死点称主动臂死点，此时AM→∞。事实上由于摩擦力的存在，在死点附近区域即已出现上述的AM=0和AM→∞现象，因而该区域称为死区，而对应的从动臂死点附近和主动臂死点附近则称为从动臂死区和主动臂死区。

表4-1　对应图4-3中四连杆的参数计算值

在断路器操动机构中，有几个传动部分都是具有四连杆要素的连接结构，因而了解四连杆机构的传动特性对操动机构中各力臂尺寸和转轴位置的正确设计与优化有着重要的参考意义。四连杆的传动特性概括如下：

（1）从动臂不能处于死区，否则机构将被卡死而不能操纵。还需注意的是，在断路器合闸与分闸的过程中，同一套四连杆机构的主动臂和从动臂是交替的，即在合闸过程中主动臂处于死区，其后在分闸过程中则变成从动臂处于死区，这样断路器合闸后将无法在分闸弹簧作用下进行分闸，这一现象称作断路器的自锁。为防止自锁，应合理设计各拐臂的尺寸以及各转轴间的距离，使之不能处于死区而只能接近死区。

（2）参照图4-1所示的负载特性曲线得知，断路器在合闸过程中接近超程时的阻力越来越大，因而设计在断路器接近合闸时，力传动系统的四连杆主动臂宜应处于接近死区的位置，以达到省力的目的。即在主动臂上只要有一不大的力即可克服很大的阻力完成合闸操作而且能维持断路器的合闸状态。反之，在进行脱扣时，也仅需一个不大的力便可实现脱扣操作，这一特点对减少机件磨损、可靠保证脱扣动作都有非常重要的意义[27]。

了解四连杆的特性对断路器操动机构的设计具有重要意义，如选择合理的力臂尺寸减小合闸保持力、优化机构的出力特性、提高机械效率和机械利益等。