知识要求：

1．了解平面四杆机构的分类与特征；

2．掌握铰链四杆机构中曲柄存在的条件；

3．掌握铰链四杆机构的特性及应用。

技能要求：

1．能判定铰链四杆机构的类型；

2．能分析常见四杆机构的运动特性。

平面四杆机构由四个杆状构件构成，是最简单的平面机构。平面四杆机构不仅可以实现运动形式的转变，而且还可以改变运动参数，比如运动速率、方向等，达到使用目的。由于四杆机构中杆长的变化，故将形成不同类型的四杆机构。那么平面四杆机构可以分为几类呢？平面四杆机构的运动特性有何特点？本任务将作详细介绍。

平面四杆机构可分为铰链四杆机构和滑块四杆机构两大类，前者是平面四杆机构的基本形式，后者是由前者演化而来的。

1．铰链四杆机构的基本类型

铰链四杆机构是将4个构件以4个转动副（铰链）连接而成的平面机构，如图1－35所示。机构中固定不动的构件4称为机架，与机架4相连的构件1和构件3称为连架杆，连架杆若能绕机架做整周转动则称为曲柄，若只能绕机架在小于360°的范围内做往复摆动则称为摇杆。与机架不相连的构件2称为连杆，连杆连接着两个连架杆。

图1－35　铰链四杆机构

依据曲柄的数量，铰链四杆机构可分为三种类型，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

在铰链四杆机构的两连架杆中，若一个为曲柄，另一个为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。如图1－5所示的缝纫机脚踏板机构和图1－6所示的雷达天线俯仰角调整机构即为曲柄摇杆机构。

在曲柄摇杆机构中，若以曲柄为原动件，则可将曲柄的连续回转运动转变为摇杆的往复摆动；如图1－36所示汽车前窗刮水器机构，当主动曲柄AB回转时，从动摇杆CD做往复运动，利用摇杆的延长部分实现刮水动作。

图1－36　汽车前窗刮水器机构

综上所述，曲柄摇杆机构的功能是：将转动转换为摆动，或将摆动转换为转动。

（2）双曲柄机构

如图1－37所示，铰链四杆机构中的两连架杆若都是曲柄，则此四杆机构称为双曲柄机构。通常，主动曲柄做匀速转动时，从动曲柄做同向变速转动。如图1－9所示的惯性筛机构，当曲柄1做匀速转动时，曲柄3做变速转动，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。

图1－37　双曲柄结构

在双曲柄机构中，常见的还有正平行四边形机构（又称正平行双曲柄机构）和反平行四边形机构（又称反平行双曲柄机构）。

图1－38（a）所示为正平行四边形机构，由于两相对构件相互平行，呈平行四边形，因此，两曲柄1与3做同速同向转动，连杆2做平动。如图1－38（b）所示的摄影平台升降机采用正平行四边形机构，摄影机与连杆BC固结，故做平动，从而可使摄影机始终保持水平方位。如图1－29所示的火车机车车轮联动装置同样是平行四边形机构的应用。

图1－38　正平行四边形机构
（a）平行四边形机构；（b）摄影平台升降机

图1－39（a）所示为反平行四边形机构，由于两相对构件相等，但AD与BC不平行，因此，曲柄1与3做不同速反向转动。如图1－39（b）所示的车门启闭机构，采用反平行四边形机构，从而保证两扇门能同时开启或关闭。

图1－39　反平行四边形机构
（a）反平行四边形机构；（b）车门启闭机构

综上所述，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

在铰链四杆机构中，若两连架杆均为摇杆，则此四杆机构称为双摇杆机构。如图1－7所示的鹤式起重机的提升机构，即属于双摇杆机构。当原动件连架杆AB摆动时，连架杆CD也随着摆动，并使连杆CE上E点的轨迹近似于水平直线，在该点所吊重物W做水平移动，从而避免不必要的升降所引起的能量消耗。

在双摇杆机构中，若两摇杆长度相等且最短，则构成等腰梯形机构，图1－40所示为其在汽车、轮式拖拉机前轮的转向机构中的应用。

图1－40　汽车转向机构

综上所述，双摇杆机构的功能是将一种摆动转换为另一种摆动。

2．铰链四杆机构类型的判别

铰链四杆机构3种基本类型的区别在于连架杆是否为曲柄，故下面先讨论连架杆成为曲柄的条件。

图1－41所示为曲柄摇杆机构，其中AB为曲柄，AD为机架。设杆1、2、3、4的长度分别为a、b、c、d，曲柄AB能绕转动副A做整周回转运动，即AB杆应能处于图中以A为圆心、AB杆长为半径的圆周的任何位置，由AB杆与AD杆两次共线时可分别得到△C′B′D和△C″B″D，由三角形边长关系有：

即

将上述三式分别两两相加，则得

图1－41　曲柄存在条件

由式（1－8）可得，a杆应为最短杆，从而推出曲柄存在的条件为：

1）连架杆和机架中必有一杆为最短杆（简称最短杆条件）；

2）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和（简称长度和条件），其最短杆为连架杆或机架。

当以最短杆相邻的杆件为机架时，机构为曲柄摇杆机构，如图1－42（a）和图42（b）所示；当最短杆为机架时，则为双曲柄机构，如图1－42（c）所示；当以最短杆对边的杆件为机架时，则为双摇杆机构，如图1－42（d）所示。

图1－42　取不同构件为机架可以得到不同的机构

当最长杆与最短杆长度之和大于其余两杆长度之和时，无论取哪一杆件为机架，机构均为双摇杆机构。

［例1－9］验证图1－6所示雷达天线仰角调整机构是曲柄摇杆机构。已知l1＝40mm，l2＝110mm，l3＝l4＝150mm。

解：1）由图1－6得知，l1＝lmin＝40mm，l2＝110mm，l3＝l4＝lmax＝150mm；

2）检查各构件长度间的关系

lmin＋lmax＝40＋150＝190（mm）＜l2＋l3＝110＋150＝260（mm）满足长度条件；

3）构件1最短，与它相邻的构件4作为机架，所以图示雷达天线机构是曲柄摇杆机构。

1．急回特性

如图1－43所示的曲柄摇杆机构中，在原动件曲柄AB转动一周的过程中，曲柄AB与连杆有两次共线位置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，即从动件的摆动范围。曲柄的两个对应位置AB1和AB2所夹锐角θ称为极位夹角。

图1－43　曲柄摇杆机构急回特性

设摇杆从C1D到C2D的行程为工作行程——该行程克服生产阻力对外做功，从C2D到C1D的行程为空回行程——该行程只克服运动副中的摩擦力，C点在工作行程和空回行程的平均速度分别为v1和v2。由于曲柄AB在两行程中的转角分别为φ1＝180°＋θ和φ2＝180°－θ，所对应的时间t1＞t2，因而v2＞v1。机构空回行程速度大于工作行程速度的特性称为急回特性。它能满足某些机械的工作要求，如牛头刨床和插床，工作行程要求速度慢而均匀，以提高加工质量，空回行程要求速度快以缩短非工作时间，从而提高工作效率。

急回特性的程度可以用行程速度变化系数K表示，即：

行程速度变化系数K的大小表达了机构的急回特性。若K＞1，表示空回行程速度v2大于工作行程速度v1，机构具有急回特性，θ越大，K值则越大，机构的急回作用越显著；反之，K值越小，机构的急回作用越不显著；若极位夹角θ为零，则机构没有急回特性。由式（1－9）得

极位夹角θ是设计四杆机构的重要参数之一。原动件做等速转动、从动件做往复摆动（或移动）的四杆机构，都可以按机构的极位作出其摆角（或行程）和极位夹角。

机构急回特性在工程上的应用有三种情况：第一种情况是工作行程要求慢速前进，以利切削、冲压等工作的进行，而回程时为节省空回时间，则要求快速返回，如牛头刨床、插床等就是如此，这是常见的情况；第二种情况是工作行程要求快进慢退，如颚式破碎机等；第三种情况是一些设备在正反行程中均在工作，故无急回要求。(www.daowen.com)

2．压力角和传动角

如图1－44所示的铰链四杆机构中，如果不考虑各个构件的质量、惯性和运动副中的摩擦力，则连杆BC可视为二力构件，它作用于从动件CD上的力F是沿BC方向的。作用在从动件上的驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角称为压力角，以α表示。力F可分解为两个相互垂直的分力，即沿C点速度vC方向的分力Ft和沿摇杆CD方向的分力Fn，其公式为

切向分力

Ft＝Fcosα

法向分力

Fn＝Fsinα

图1－44　铰链四杆机构

分力Ft是推动摇杆CD运动的有效分力，它能够做功；而分力Fn对摇杆CD产生拉力，并在运动副中引起摩擦力，是一个有害分力。

压力角大小在机构的运动过程中是变化的，其值越小，机构中有效分力越大。所以判断一连杆机构是否具有良好的传力性能，压力角是标志。在实际应用中，为了度量方便，常以连杆与摇杆所夹锐角γ来衡量机构的传力性能。显而易见，γ角即压力角的余角，称为传动角。

因为γ＝90°－α，故角γ越大，对机构传动越有利。为保证机构有较好的传力性能，应使机构的最小传动角γmin不小于一定的值。通常要求γmin≥40°，对高速重载机械则要求γmin≥50°。

如图1－45所示曲柄摇杆机构中，在主动曲柄与机架共线的位置，都有可能出现γmin。

图1－45　最小传动角

3．死点

如图1－46所示曲柄摇杆机构中，设以摇杆CD为主动件，则当连杆与从动曲柄共线时（虚线位置），机构的传动角γ＝0，这时主动件CD通过连杆作用于从动件AB上的力恰好通过其回转中心，所以出现了不能使构件AB转动的“顶死”现象，机构的这种位置称为死点。

图1－46　死点位置

为了使机构能顺利地通过死点而正常运转，必须采取适当的措施，如可采用将两组以上的相同机构组合使用，而使各组机构的死点相互错开排列的方法（如图1－29所示的机车车轮联动机构，其两侧曲柄滑块机构的曲柄位置相互错开了90°），也可采用安装飞轮加大惯性的方法，借惯性作用闯过死点（如图1－5中缝纫机脚踏机构利用带轮的惯性）等。

图1－47　飞机起落架机构

另一方面，在工程实践中，也常利用机构的死点来实现特定的工作要求。如图1－47所示的飞机起落架机构，在机轮放下时，杆BC与CD成一直线，此时机轮虽然受到很大的力，但由于机构处于死点位置，起落架不会反转（折回），故可使飞机起落和停放更加可靠。

除上述三种型式的铰链四杆机构之外，在机械中还广泛地采用其他型式的四杆机构，不过这些型式的四杆机构可认为是由基本型式演化而来的。机构的演化，不仅是为了满足运动方面的要求，还往往是为了改善受力状况以及满足结构设计上的需要等。各种演化机构的外形虽然各不相同，但它们的性质以及分析和设计方法却常常是相同或类似的，这就为连杆机构的研究提供了方便。下面对各种演化方法及其应用举例加以介绍。

1．改变构件的形状和运动尺寸——演化为曲柄滑块机构

如图1－48（a）所示，曲柄摇杆机构运动时，铰链C将沿圆弧mm做往复运动。如图1－48（b）所示，设将摇杆3做成滑块形式，使其沿圆弧导轨mm往复滑动，显然其运动性质不发生改变，但此时铰链四杆机构已演化为具有曲线导轨的曲柄滑块机构。

如圆弧导轨的半径无限延长时，圆弧导轨将变为图1－48（c）所示的直线mm，于是铰链四杆机构将变为偏心曲柄滑块机构，并将曲柄转动中心至滑块导路的距离e称为偏距。若偏距e＝0，则称为对心曲柄滑块机构，如图1－48（d）所示。曲柄滑块机构在冲床、内燃机、空压机等机械中应用较多。

图1－48　曲柄滑块机构演化过程

2．改变运动副的尺寸——演化为偏心轮机构

如图1－49（a）所示的曲柄滑块机构中，当曲柄AB的尺寸较小时，根据结构的需要，常将曲柄改为如图1－49（b）所示的偏心盘，其回转中心至几何中心的偏心距等于曲柄的长度，这种机构称为偏心轮机构，其运动特性与曲柄滑块机构完全相同。

图1－49　偏心轮机构演化

3．选用不同的构件为机架——演化为不同的机构

1）图1－50（a）所示为曲柄滑块机构，若改取杆1为机架，则成为导杆机构，如图1－50（b）所示，其中导杆2为主动件，带动滑块3相对杆4滑动并随之一起绕A点转动，杆4起导路作用，称为导杆。设杆1、杆2的长度分别为l1、l2，当l1≤l2时，杆2和杆4均可整圈旋转，故称为曲柄转动导杆机构；当l1＞l2时，杆2可整圈旋转，杆4却只能往复摆动，故称为曲柄摆动导杆机构。导杆机构常用于回转式油泵、牛头刨床等工作机构中。

图1－50　曲柄滑块机构取不同构件为机架

2）若取杆2为机架，则成为摆动滑块机构（也称摇块机构），如图1－50（c）所示。这种机构广泛用于摆缸式内燃机和液压驱动装置中。图1－51所示为卡车车厢翻斗机构。

图1－51　卡车车厢翻斗机构

3）若取杆3为机架，则成为定滑块机构，如图1－50（d）所示。这种机构常用于手动抽水机构中，如图1－32所示。

根据已学知识完成以下任务。

1）如图1－52所示，若四杆机构各杆长度为lAB＝45mm，lBC＝100mm，lCD＝70mm，lAD＝120mm，试问：

图1－52　题1图

①当取AD为机架时，是否有曲柄存在？

②若各杆长不变，如何获得双曲柄机构或双摇杆机构？

2）在图1－53所示的铰链四杆机构中，已知lBC＝50mm，lCD＝35mm，lAD＝30mm，AD为机架，试求解下列问题：

图1－53　题2图

①若要得到曲柄摇杆机构，且AB为曲柄，求lAB的最大值；

②若要得到双曲柄机构，求lAB的最小值；

③若要得到双摇杆机构，求lAB的取值范围。

3）画出图1－54所示曲柄滑块机构的最小传动角位置，并判断有无急回特性。

图1－54　题3图
（a）对心曲柄滑块机构；（b）偏置曲柄滑块机构

4）如图1－55所示工件夹紧机构中，当工件被夹紧，撤销作用力F后，工件仍能保持夹紧状态，分析其工作原理，并说明如何取下工件。

图1－55　题4图

1．铰链四杆机构有几种类型？如何判别？各类型的功能是什么？

2．哪些机构是由铰链四杆机构演化而来的？

3．什么是机构的急回特性？在生产中怎样利用这种特性？

4．什么是机构的死点位置？用什么方法可以使机构通过死点位置？

5．试解释机构中的下列名词：

曲柄，摇杆，滑块，导杆

6．根据图1－56中所标注尺寸判断四杆机构的类型。

图1－56　题6图

7．根据所学知识，试分析导杆机构的运动特性。