第2章平面连杆机构

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1、第2章 平面连杆机构平面连杆机构是由若干构件通过低副联接而成的平面机构，也称平面低副机构。 平面连杆机构广泛应用于各种机械和仪表中，其主要优点是：（1）由于运动副是低副，面接触，传力时压强小，磨损较轻，承载能力较高；（2）构件的形状简单，易于加工，构件之间的接触由构件本身的几何约束来保持，故工作可靠；（3）可实现多种运动形式及其转换，满足多种运动规律的要求；（4）利用平面连杆机构中的连杆可满足多种运动轨迹的要求。主要缺点有：（1）由于低副中存在间隙，机构不可避免地存在着运动误差，精度不高，（2）主动构件匀速运动时，从动件通常为变速运动，故存在惯性力，不适用于高速场合。平面机构常以其组成的构件（

2、杆）数来命名，如由四个构件通过低副联接而成的机构称为四杆机构，而五杆或五杆以上的平面连杆机构称为多杆机构。四个机构是平面连杆机构中最常见的形式，也是多杆机构的基础。1.1 四杆机构的基本形式及其演化1.1.1 四杆机构的基本形式构件间的运动副均为转动副联接的四杆机构，是四杆机构的基本形式，称为铰链四杆机构，如图1-1所示。由三个活动构件和一个固定构件（即机架）组成。其中，AD杆是机架，与机架相对的杆（BC杆）称为连杆，与机架相联的构件（AB杆和CD杆）称为连架杆，能绕机架作360°回转的连架杆称为曲柄，只能在小 图1-1于360°范围内摆动的连架杆称为摇杆。根据两连架杆的运

3、动形式的不同，铰链四杆机构可分为三种基本形式并以其连架杆的名称组合来命名。（1）曲柄摇杆机构两连架杆中一个为曲柄另一个为摇杆的四杆机构，称为曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构中，当以 曲柄为原动件时，可将曲柄的匀速转动变为从动件的摆动。如图1-2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固结的抛物面天线作一定角度的摆动，以调整天线的俯仰角度。图1-3为汽车前窗的刮雨器，当主动曲柄AB回转时，从动摇杆作往复摆动，利用摇杆的延长部分实现刮雨动作。也有以摇杆为主动件，曲柄为从动件的曲柄摇杆机构。图1-4所示的缝纫机的踏板机构，踏板为主动件，当脚蹬踏板时，可将踏板的摆动变为曲柄即缝纫机皮

4、带轮的匀速转动。 图1-2 图1-3 图1-4（2）双曲柄机构两连架杆均为曲柄的四杆机构称为双曲柄机构。通常，主动曲柄作匀速转动时，从动曲柄作同向变速转动，如图1-5所示的惯性筛机构，当曲柄1作匀速转动时，曲柄3作变速转动，通过构件5使筛子6获得加速度，从而将被筛选的材料分离。在双曲柄机构中，若相对的两杆长度分别相等，则称为平行双曲柄机构或平行四边形机构，若两曲柄转向相 图1-5同且角速度相等，则称为正平行四边形机构 （图1-6a）。两曲柄转向相反且角速度不同，则为反平行四边形机构（图1-6b），如图1-7a所示的机车车轮联动机构和图1-7b所示的摄影车座斗机构就是正平行四边形机构的实际应用，

5、由于两曲柄作等速同向转动，从而保证了机构的平稳运行。图1-7c所示的车门启闭机构，是反平行四 图1-6边机构的一个应用，但AD与BC不平行，因此，两曲柄作不同速反向转动，从而保证两扇门能同时开启或关闭。 另外，对平行双曲柄机构，无论以哪个构件为机架都是双曲柄机构。但若取较短构件作机架，则两曲柄的转动方向始终相同。图1-7（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。图1-8a所示为港口起重机，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。图1-8b所示的电风扇的摇头机构中，电机装在摇杆4上，铰链A处装有一个与连杆1固结在一起的蜗轮。电机转动时，电机轴上的蜗杆带动

6、蜗轮迫使连杆1绕A点作整周转动， 图 1-8从而使连架杆2和4作往复摆动，达到风扇摇头的目的。图1-9a、b所示的飞机起落架及汽车前轮的转向机构等也均为双摇杆机构的实际应用。汽车前轮的转向机构中，两摇杆的长度相等，称为等腰梯形机构，它能使与摇杆固联的两前轮轴转过的角度不同，使车轮转弯时，两前轮的轴线与后轮轴延长线上的某点P交于点，汽车四轮同时以P点为瞬时转动中心，各轮相对地面近似于纯滚动，保证了汽车转弯平稳并减少了轮胎磨损。 图1-91.1.2 四杆机构的演化 生产中广泛应用的各种四杆机构，都可认为是从铰链四杆机构演化而来的。下面通过实例介绍四杆机构的演化方法。1. 曲柄摇杆机构的演化1）改变

7、机架曲柄摇杆机构可以说是所有四杆机构的基础。如对图1-1a所示的曲柄摇杆机构，通过改变机架，即可得到双曲柄机构和双摇杆机构。（1）以杆1作机架得到双曲柄机构见图1-1b；（2）以杆2作机架得到双摇杆机构见图1-1c。 图1-12） 改变运动副尺寸（1）将运动副D尺寸扩大，大于摇杆做成一环形槽，摇杆做成弧形滑块得到曲柄弧形滑块机构见图1-1（c）；（2）扩大到无穷大，环形槽变成直槽，摇杆的运动变成直线运动，摇杆变成滑块，得到偏置曲柄滑块机构见图1-1（d）。3）改变运动副类型（1）以高副代替转动副，将杆3改成滚子，得到机构如图1-1（e）；（2）将环形槽变为曲线槽，得到凸轮机构如图1-1（f）；

8、 图1-1（3）以两个移动副代替两个转动副，可得 双转块机构见图1-12（a）； 曲柄移动导杆机构见图1-13（a）；双滑块机构见图1-14（a）。 图1-12图1-13 图1-14图1-12b所示的十字沟槽联轴节、图1-13b所示的缝纫机刺布机构及图1-14b所示的椭圆仪分别是它们的应用实例。2. 曲柄滑块机构的演化由曲柄摇杆机构演化而来的偏置曲柄滑块机构，按照上述的方法，又可得到更多的具有滑块的四杆机构。1) 改变机架（1） 使滑块导路与曲柄转动中心的偏距为零，可得对心曲柄滑块机构见图1-15（a）。 曲柄滑块机构在锻压机、空压机、内燃机及各种冲压机器中得到广泛应用，如前述的内燃机中的活塞

9、连杆机构，就是曲柄滑块机构。 杆l1<l2可得转动导杆机构见图1-15（b）；（2） 以杆1作机架 杆l1>l2可得摆动导杆机构见图1-15（c）； 图1-15导杆机构具有很好的传力性能，常用于插床、牛头刨床和送料装置等机械设备中。图1-16所示为爬杆机器人，这种机器人模仿尺蠖的动作向上爬行，其爬行机构就是曲柄滑块机构。图1-17a、b所示分别为插床主机构和刨床主机构。图1-16 图1-17（3）以杆2作机架，得到摇块机构见图1-18（a）；（4）以滑块作机架，得到定块机构见图1-18（b）。摇块机构常用于摆缸式原动机和气、液压驱动装置中，如图1-19所示的货车翻斗机构及的图1-2

10、0所示的液压泵。图1-18 图1-192）改变运动副尺寸（1）扩大转动副C的半径，使其超过杆2的长度，将杆2改成滑块2在环形槽3内绕C点转动可得到移动环形导杆机构见图1-21（b）；（2）转动副C扩大到无穷大，环形槽变成直槽，可得到移动导杆机构见图1-21（c）；（3）将转动副B扩大并超过杆1的长度，杆1变成了圆盘1，可得到偏心轮机构见图1-21（d）。图1-20 图1-21偏心轮机构，实际上就是曲柄滑块机构，偏心圆盘的偏心距AB即为曲柄的长度。这种结构解决了由于曲柄过短，不能承受较大载荷的问题。多用于承受较大载荷的机械中，如破碎机、剪床及冲床等。实际上，还可以将上述各机构进行不同的组合，从而

11、得到更多及功能各异的机构。1.2 平面四杆机构的基本特性1.2.1 铰链四杆机构有曲柄的条件铰链四杆机构三种基本型式的区别在于连架杆是否为曲柄。由于用低副联接的两构件无论固定其中哪一个，其相对运动不变，根据四杆机构的演化原理，存在曲柄的充要条件如下：（1）最长杆与最短杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和；（2）最短杆或其相邻杆为机架。根据有曲柄的条件可知：（1）当最长杆与最短杆长度之和大于其余两杆之和时，只能得到双摇杆机构；（2）当最长杆与最短杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和时， 最短杆为机架时，得到双曲柄机构； 最短杆的相邻杆为机架时，得到曲摇杆机构； 最短杆的相对杆为机架时，得到双摇