任务描述

机构是指两个或两个以上的构件通过活动连接以实现规定运动的构件组合。或者说，机构是具有确定的相对运动的构件的组合体，是用来传递运动和力的构件系统。机构不能代替人的劳动做功或进行能量转换，主要用于传递或转变运动的形式。机器一般由机构组成。机构按其运动空间进行分类，可分为平面机构和空间机构。其中平面机构是指机构中所有构件都在同一平面或相互平行平面内运动的机构。

相关知识

一、运动副

（一）运动副的概念

机构中各个构件之间必须有确定的相对运动，因此，构件的连接要使两个构件既能直接接触，又能产生一定的相对运动。这种两构件直接接触，且能产生一定相对运动的连接称为运动副。内燃机中，活塞与气缸体组成可相对移动的连接，活塞和连杆、连杆和曲轴、曲轴和机架分别组成可相对转动的连接。各构件均保持直接接触，并能产生一定的相对运动，因而都构成了运动副。

（二）运动副的类型

根据运动副中两构件的接触形式不同，运动副可分为低副和高副两大类。

1.低副

低副是指两构件以面接触的运动副。按两构件的相对运动形式分类，常见的低副有以下几种。

（1）转动副：组成运动副的两构件只能绕某一轴线做相对转动的运动副称为转动副，如图4-1所示。

图4-1　转动副

（2）移动副：组成运动副的两构件只能做相对直线移动的运动副称为移动副，如图4-2所示。

图4-2　移动副

（3）螺旋副：组成运动副的两构件只能沿轴线做相对螺旋运动的运动副称为螺旋副，如图4-3所示。

图4-3　螺旋副

提示：转动副和移动副属于平面运动副，而螺旋副为空间运动副。

2.高副

高副是指两构件以点或线接触的运动副。图4-4所示为常见的几种高副接触形式：图4-4（a）所示为车轮与钢轨的接触，图4-4（b）所示为齿轮的啮合，它们都属于线接触的高副；图4-4（c）所示为凸轮与从动杆的接触，属于点接触的高副。

图4-4　高副

低副和高副由于两构件直接接触部分的几何特征不同，在使用上也具有不同的特点。

低副是面接触的运动副，其接触表面一般为平面或圆柱面，容易制造和维修，承受载荷时单位面积上的压力较小（故称低副），但低副不能传递较复杂的运动。

高副是点或线接触的运动副，承受载荷时单位面积上的压力较大（故称高副），两构件接触处容易磨损，寿命短，制造和维修也较困难，但高副能传递较复杂的运动。

3.低副机构和高副机构

机构中所有运动副均为低副的机构称为低副机构，机构中至少有一个运动副是高副的机构称为高副机构。

（三）机构运动简图

对机构进行分析时，实际构件的形状和结构往往较复杂，为了使问题简化，可以忽略那些与运动无关的构件外形和运动副的具体构造，仅用简单的线条和符号表示构件和运动副，并按比例绘制出各运动副的位置。这种表达机构各构件间相对运动关系的简化图形称为机构运动简图。

图4-5所示为颚式破碎机的实物图和机构运动简图。

图4-5　颚式破碎机

1—曲柄；2—破碎机颚头（连杆）；3—摇杆；4—机架；5—飞轮

二、铰链四杆机构

机构按其运动空间分为平面机构和空间机构两类。平面机构是指所有构件都在同一平面或相互平行平面内运动的机构；空间机构则相反，它主要传递空间复杂运动。

平面连杆机构是将所有刚性构件以转动副或移动副连接而成的平面机构，属于低副机构。它能够实现某些较为复杂的平面运动，在生产中广泛用于动力的传递或运动形式的改变。

在平面连杆机构中，最常见的是由四个构件组成的四杆机构，而构件间全部以转动副连接成的四杆机构称为铰链四杆机构。铰链四杆机构是四杆机构的基本形式，也是其他多杆机构的基础。图4-6所示为一铰链四杆机构，它由四根杆状的构件分别以转动副连接而成。图4-6（b）所示为此铰链四杆机构的简图。

图4-6　铰链四杆机构

1、3—连架杆；2—连杆；4—机架

（一）铰链四杆机构的基本类型

铰链四杆机构由机架、连架杆和连杆组成。选定其中一个构件作为机架之后，直接与机架连接的构件称为连架杆，其中能够做整周回转的连架杆称为曲柄，只能在某一角度范围内往复摆动的连架杆称为摇杆。不直接与机架连接的构件称为连杆。在铰链四杆机构中，按照连架杆是否可以做整周转动，可以将其分为三种基本形式，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

在铰链四杆机构的两个连架杆中，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。图4-7所示为雷达天线俯仰角度调整装置，当原动曲柄1转动时，通过连杆2，使与摇杆3固定连接的抛物面天线可以做一定角度的摆动，以调整天线的俯仰角度。图4-8所示为缝纫机踏板机构，当原动摇杆（踏板）CD上下摆动时，通过连杆BC使曲柄（曲轴）AB转动，从而将动力输出。

图4-7　雷达天线俯仰角度调整装置

1—曲柄；2—连杆；3—摇杆

图4-8　缝纫机踏板机构

提示：曲柄摇杆机构的功能是将主动曲柄的等速转动转换为从动摇杆的往复摆动，或者将主动摇杆的往复摆动转换为从动曲柄的转动。

在生产生活中，曲柄摇杆机构应用很广，图4-9所示为一些应用实例：图4-9（a）所示为剪板机，图4-9（b）所示为汽车雨刮器，图4-9（c）所示为搅拌机，图4-9（d）所示为颚式破碎机。在曲柄AB连续回转的同时，摇杆CD可以往复摆动，分别完成剪切、刮雨、搅拌、矿石破碎等动作。

图4-9　曲柄摇杆机构的应用实例

2.双曲柄机构

若四杆机构的两个连架杆均为曲柄，则此四杆机构称为双曲柄机构。图4-10所示为惯性筛机构，其中ABCD为双曲柄机构，当主动曲柄AB做等角速度转动时，从动曲柄DC做变角速度转动，通过构件CE使筛体做变速往复直线移动，筛面上的物料由于惯性而来回抖动，从而实现筛选功能。

图4-10　惯性筛机构

图4-11所示为插床的主运动机构运动简图。当主动曲柄AB做等速回转时，连杆BC带动从动曲柄构件CDE做周期性变速回转，再通过构件EF使滑块带动插刀做上下往复运动，实现慢速工作行程（下插）和快速退刀行程的工作要求。

图4-11　插床的主运动机构运动简图

提示：双曲柄机构的功能是将主动曲柄的等速转动转换为从动曲柄的变速转动。

在双曲柄机构中，除了不等长的双曲柄机构外，还有平行四边形机构和反向平行双曲柄机构，如图4-12所示。

（1）平行四边形机构。连杆与机架的长度相等且两个曲柄的长度也相等，若两曲柄的转向相同，则此机构称为平行四边形机构，如图4-12（a）所示。可以看出，平行四边形机构的运动特点是：两曲柄的回转方向相同，角速度相等。图4-13所示的铲斗机构和图4-14所示的机车车轮联动装置，均采用了平行四边形机构。

图4-12　等长双曲柄机构

图4-13　铲斗机构

图4-14　机车车轮联动装置

（2）反向平行双曲柄机构。连杆与机架的长度相等且两个曲柄的长度也相等，若两曲柄的转向不同，则此机构称为反向平行双曲柄机构，如图4-12（b）所示。可以看出，反向平行双曲柄机构的运动特点是：两曲柄的回转方向相反，角速度不等。图4-15所示的车门启闭机构采用了反向平行双曲柄机构，以实现两车门同时开关的功能。

图4-15　车门启闭机构

3.双摇杆机构

在铰链四杆机构中，若两个连架杆都是摇杆，则称其为双摇杆机构。

图4-16所示为鹤式起重机的提升机构。当主动摇杆AB摆动时，从动摇杆DC也随之摆动，并使连杆BC上E点的轨迹近似于水平直线，该点所吊重物做水平移动，从而避免了由不必要的升降所引起的能耗。

图4-16　鹤式起重机的提升机构

图4-17所示为采用双摇杆机构的飞机起落架收放机构。与机架相连的连架杆AB和DC都是摇杆。实线表示着陆时轮子伸出位置，双点画线表示起飞后轮子收进机身位置。

图4-17　飞机起落架收放机构

图4-18所示为采用双摇杆机构的自卸翻斗装置。杆AD为机架，当液压缸活塞杆向右伸出时，可带动双摇杆AB与DE向右摆动，使翻斗中的货物自动卸下；当液压缸活塞杆向左缩回时，可带动双摇杆AB与DE向左摆动，使翻斗回到原来的位置。

图4-18　自卸翻斗装置

提示：双摇杆机构的功能是将主动摇杆的摆动转换为从动摇杆的摆动。

（二）曲柄存在的条件

曲柄是能做整周回转的连架杆，只有这种能做整周回转的构件才能用电动机等连续转动的装置来驱动，所以，曲柄是机构中的关键构件。铰链四杆机构中是否存在曲柄，取决于各构件长度之间的关系。

在如图4-19所示的曲柄摇杆机构中，设曲柄AB、连杆BC、摇杆CD和机架AD的杆长分别为a、b、c、d，当曲柄AB回转一周时，B点的轨迹是以A为圆心，半径等于a的圆。当B点通过B1和B2点时，曲柄AB与连杆BC出现两次共线，AB能否顺利通过这两个位置，是AB能否成为曲柄的关键。下面根据处于这两个位置时各构件的几何关系来分析曲柄存在的条件。

图4-19　曲柄摇杆机构

当构件AB与BC在B1点共线时，由△AC1D可得b-a+c≥d；b-a+d≥c（AB、BC、CD在极限情况下重合成一直线时取等号）。

当构件AB与BC在B2点共线时，由△AC2D可得a+b≤c+d。

综合两种情况有(www.daowen.com)

将式（4-1）中的三个不等式两两相加，经简化可得

由式（4-1）与式（4-2）可得，铰链四杆机构中曲柄存在的条件如下。

（1）连架杆与机架中必有一个是最短杆。

（2）最短杆与最长杆的长度之和必小于或等于其余两杆的长度之和。

上述两个条件必须同时满足，否则铰链四杆机构中无曲柄存在。

（三）铰链四杆机构基本类型的判别

根据曲柄存在的条件，可以推导出铰链四杆机构三种基本类型的判别方法。

（1）若铰链四杆机构中最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆的长度之和，则：

①取最短杆为连架杆时，构成曲柄摇杆机构；

②取最短杆为机架时，构成双曲柄机构；

③取最短杆为连杆时，构成双摇杆机构。

（2）若铰链四杆机构中最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆的长度之和，则无曲柄存在，只能构成双摇杆机构。

三、铰链四杆机构的演化

在生产实际中，除了上述三种类型的铰链四杆机构以外，还广泛地采用其他形式的四杆机构。这些机构一般是通过改变铰链四杆机构某些构件的形状、相对长度，或者选择不同构件作为机架等方式演化而来的。

（一）曲柄滑块机构

在图4-20（a）所示的机构中，当摇杆DC和机架AD的长度同时趋于无穷大，铰链D无限远移时，摇杆DC上C点的运动轨迹将由图4-20（a）的圆弧mm变为图4-20（b）的直线mm，杆DC的运动变为移动。这样就演化为图4-20（c）所示的新机构，称为曲柄滑块机构。

由图可知：曲柄滑块机构是具有曲柄、连杆、滑块和机架的平面四杆机构，它是由曲柄摇杆机构演化而来的。根据滑块的导路中心线是否通过曲柄回转中心，曲柄滑块机构又分为对心曲柄滑块机构［图4-20（c）］和偏置曲柄滑块机构［图4-20（d）］。

图4-20　曲柄滑块机构

在对心曲柄滑块机构中，曲柄AB连续回转，滑块做往复直线移动，其行程H等于曲柄长度r的2倍；在偏置曲柄滑块机构中，要想使构件1与相邻杆2或机架做连续相对转动，杆件间长度必须满足公式

式中：l1——曲柄长度；

l2——连杆长度；

e——曲柄回转中心至滑块导路中心线的距离。

曲柄滑块机构在机械中的应用很广，图4-21所示为压力机中的曲柄滑块机构。该机构将曲轴（即曲柄）的回转运动转换成重锤（即滑块）的上下往复直线运动，从而完成对工件的压力加工。

图4-21　压力机中的曲柄滑块机构

图4-22所示为内燃机中的曲柄滑块机构。活塞（即滑块）的往复直线运动通过连杆转换成曲轴（即曲柄）的连续回转运动。

图4-22　内燃机中的曲柄滑块机构

提示：曲柄滑块机构的功能是将主动曲柄的等速转动转换为从动滑块的往复直线移动，或者将主动滑块的往复直线移动转换为从动曲柄的转动。

在曲柄滑块机构中，取不同的构件做机架可以得到不同形式的演化机构，如定块机构、摇块机构和导杆机构等，如图4-23所示。

（二）定块机构

在图4-23（a）所示的曲柄滑块机构中，如果将构件3（滑块）作为机架，则可演化为定块机构，如图4-23（b）所示。该机构通常以杆1为主动件，杆1摆动时，杆2绕C点摆动，杆4仅相对固定滑块做往复移动。图4-24所示的抽水机中即采用了定块机构。摆动手柄1在杆2的支承下（杆2自身绕机架上C点摆动），活塞杆4在固定滑块（唧筒3）内上下往复移动，实现抽水的动作。

图4-23　曲柄滑块机构的演化

图4-24　抽水机中的定块机构

1—手柄；2—连架杆；3—唧筒；4—活塞杆

（三）摇块机构

在图4-23（a）所示的曲柄滑块机构中，若取构件2为机架，则可得到摇块机构，如图4-23（c）所示。这种机构广泛应用于液压驱动装置中，图4-18所示为应用摇块机构的自卸翻斗装置。摇杆AB（相当于杆1）可绕车架（相当于机架2）上的A点摆动，活塞杆（相当于导杆4）、液压缸（相当于摇块3）可绕车架上的C点摆动，当液压缸中的活塞杆运动时，推动摇杆AB摆动，再通过双摇杆机构使车厢绕B点转动，转到一定角度时，货物自动卸下。

（四）导杆机构

在图4-23（a）所示的曲柄滑块机构中，如果将构件1作为机架，则可演化为导杆机构，如图4-23（d）所示。导杆机构分转动导杆机构和摆动导杆机构两种。

1.转动导杆机构

在图4-25（a）所示的导杆机构中，当杆件1（机架）的长度小于杆件2（连杆）长度时，连杆2和4（导杆）均能做整周转动，称为转动导杆机构。这种机构的功能通常是将曲柄的等速转动转变为导杆的变速转动。图4-25（b）所示为插床的插刀机构，其中构件1、2、3和4组成转动导杆机构。工作时，主动曲柄2等速回转，从动导杆4围绕A点做变速回转，然后带动构件5（连杆）及滑块6（插刀）往复运动，进而实现切削。

图4-25　转动导杆机构及应用

2.摆动导杆机构

当导杆机构中杆件1（机架）的长度大于杆件2（连杆）的长度时，导杆4只能绕机架摆动，故称为摆动导杆机构，如图4-26（a）所示。这种机构的功能通常是将主动曲柄的等速转动转换为从动导杆的往复摆动，或者将主动导杆的往复摆动转换为从动曲柄的转动。图4-26（b）所示为摆动导杆机构在牛头刨床主运动机构中的应用。杆BC为主动件，做等速回转运动，带动从动导杆AD在左极限位置AD1与右极限位置AD2之间摆动，从而使牛头刨床的滑枕在D1与D2之间往复移动，实现刨削。

图4-26　摆动导杆机构及其应用

（五）偏心轮机构

当要求滑块的行程H很小时，曲柄的长度必须很小。此时，出于结构的需要，常将曲柄做成偏心轮，用偏心轮的偏心距e来替代曲柄的长度，曲柄滑块机构便演化成偏心轮机构，如图4-27所示。偏心轮机构中滑块的行程等于偏心距的2倍，即H=2e，传动时只能以偏心轮为主动件。

图4-27　偏心轮机构

1—偏心轮；2—曲柄；3—滑块；4—机架

四、四杆机构的基本特性

（一）急回特性

在图4-28所示的曲柄摇杆机构中，当主动曲柄AB在位置AB1与连杆BC成一直线时，从动件DC处于左极限位置DC1；当主动曲柄AB在位置AB2与连杆BC成一直线时，从动件DC处于右极限位置DC2。摇杆两极限位置间的夹角称为摇杆的摆角，用ψ表示。当摇杆处于两极限位置时，对应的主动曲柄两位置之间所夹的锐角称为极位夹角，用θ表示。

图4-28　曲柄摇杆机构的急回特性

当曲柄AB以等角速度ω从位置AB1顺时针转过角φ1到达AB2位置时，摇杆由左极限位置DC1摆动到右极限位置DC2，摇杆摆角为ψ。当曲柄AB继续以等角速度ω顺时针转过角φ2到AB1位置时，摇杆由右极限位置DC2摆回到左极限位置DC1，其摆角仍为ψ。曲柄相应转角φ1和φ2为

φ1=180°+θ　φ2=180°-θ

由于φ1＞φ2，因此当曲柄以等角速度ω转过这两个角度时，对应时间t1＞t2，而摇杆DC由DC1到DC2所需时间为t1，C点的平均速度为；由DC2到DC1所需时间为t2，C点的平均速度为，显然，即摇杆往复摆动的速度一快一慢。一般来说，生产设备都是在慢速运动的行程中工作（称为工作行程），在快速运动的行程中返回（称为空回行程）。机构的这种工作特性称为急回特性，许多机械都利用这种急回特性来缩短非生产时间，以提高生产效率。机构的急回特性用行程速比系数K表示，即

如果已知K，则可以求得极位夹角，即

机构有无急回特性，取决于行程速比系数K的数值。若K＞1，则机构具有急回特性，且K值越大，急回特性越显著，也就是从动件空回行程越快；当K=1时，机构无急回特性。

行程速比系数K与极位夹角θ有关：若θ=0°，则K=1，机构无急回特性；若θ＞0°，则机构有急回特性，且θ越大，急回特性越显著。

图4-29分别标出了偏置曲柄滑块机构和摆动导杆机构的极位夹角θ，以及当主动曲柄按图示方向回转时从动件的急回运动方向。

图4-29　极位夹角

（二）压力角

在图4-30所示的铰链四杆机构中，主动件1经连杆2推动从动件3摆动，若不计构件质量和运动副中的摩擦，则连杆2为二力构件。从动件上C点所受力的方向（沿连杆BC）与C点速度vc方向（与CD垂直）间所夹的锐角α称为压力角。由图可知，力F沿vc方向的分力Ft=Fcosα，它能推动从动件做功，是有效分力；其沿vc垂直方向的分力Fn=Fsinα，产生摩擦阻力，是有害分力。压力角越小，有效分力越大，有害分力越小，机构越省力，效率也高，所以压力角α是判别机构传力性能的重要参数。

图4-30　压力角

工程中，为了度量方便，常将压力角的余角γ称为传动角，即γ=90°-α。很明显，机构的传动角越大，则传力性能越好，反之机构的传力性能就越差，当传动角过小时，机构将发生自锁现象。

机构运动时，α、γ随从动件位置的变化而变化，为了保证机构有良好的传力性能，要限制工作行程的最大压力角αmax或最小传动角γmin。对于一般机械，αmax≤50°或γmin≥40°；对于大功率机械，αmax≤40°或γmin≥50°。

提示：理论推导可以证明，在曲柄摇杆机构中，最小传动角会出现在曲柄AB与机架AD共线的两个位置上，两者中的较小者即为该机构的最小传动角γmin。在曲柄滑块机构中，最大压力角αmax会出现在曲柄与滑槽中心线垂直的位置。

（四）死点位置

在如图4-31所示曲柄摇杆机构中，若以摇杆DC为主动件，曲柄AB为从动件，则当连杆BC与从动件AB共线时，传动角γ=0°（压力角α=90°）。这时连杆BC作用于从动件曲柄AB上的力F通过其转动中心A，转动力矩为零，从动件不转，机构停顿。机构的这种位置，称为死点位置。图4-32所示为双摇杆机构的死点位置。

图4-31　曲柄摇杆机构的死点位置

图4-32　双摇杆机构的死点位置

提示：在曲柄滑块机构中，若滑块为主动件，曲柄为从动件，则死点位置是连杆与从动件共线的位置。在摆动导杆机构中，若以导杆为主动件，曲柄为从动件，则死点位置是导杆与从动曲柄轨迹圆相切的位置。

一般来说，用作传动的机构有死点是不利的，工作中应采取相应措施使机构能顺利通过死点位置。常采用的方法有三种。一是利用从动件本身的质量或附加一转动惯量较大的飞轮，依靠其惯性来通过死点位置，例如，缝纫机就是借助带轮的惯性通过死点位置的。二是增设辅助构件，图4-14所示为机车车轮联动装置，它利用了平行四边形机构两曲柄回转方向相同、角速度相等的特点，使从动车轮具有完全相同的运动，为了防止这种机构在运动过程中变为反向平行四边形机构，机构中增设了一个辅助构件（曲柄EF）。三是采取多组机构错列。图4-33所示为左右两组车轮采用错列结构的示意图，它使左右两组车轮的曲柄相错90°，从而保证了车轮的正常回转。

图4-33　机车车轮错列结构

工程中，有时也利用死点位置的特性来实现某些工作要求。图4-34所示为一种钻床连杆式快速夹具。当工件被夹紧时，铰链中心B、C、D共线，无论工件加在杆1上的反作用力T多大，都不能使杆3转动，这就保证在去掉外力F之后，夹具仍能可靠地夹紧工件。当需要取出工件时，只需向上扳动手柄，使机构脱出死点位置即可。

图4-34　快速夹具