第一节　平面连杆机构

连杆机构是由若干个可相对移动或转动的刚性构件组成的机构，若组成机构的所有构件都在同一平面内运动时，该种机构就称为平面连杆机构；平面机构中构件的形状多种多样，但大多数是形状简单的杆状构件，最常见的是由四根杆状构件组成的平面连杆机构，简称四杆机构。平面连杆机构可实现多种运动形式的转换，因其构件间均为面接触，磨损较慢，且容易加工制造，所以应用广泛，也是养路机械中常用的机构之一。

当平面四杆机构中的各运动构件间均为相对转动时，称为铰链四杆机构，它是平面四杆机构的基本形式。本节主要介绍铰链四杆机构的基本类型及其特征。

一、铰链四杆机构的基本类型及应用

图1-1为铰链四杆机构，它的四根杆状构件分别用铰链（销轴）联结。铰链四杆机构中固定不动的杆4称为机架，与机架相连的两杆1、3称为连架杆，与机架相对，即与两连架杆相连的杆2称为连杆。相对机架能作整周转动的连架杆称为曲柄（图1-1杆1），相对机架只能在一定角度范围内摆动的杆称为摇杆（图杆）。

铰链四杆机构中的两个连架杆，可以有一个是曲柄，另一个是摇杆；也可以两个都是曲柄或都是摇杆。所以，铰链四杆机构根据机构中曲柄和摇杆的存在情况，可以有三种基本类型，即曲柄摇杆机构、双摇杆机构和双曲柄机构。

1.曲柄摇杆机构

若铰链四杆机构中一个连架杆为曲柄，另一个连架杆为摇杆，则称该四杆机构为曲柄摇杆机构，如图1-1所示。

曲柄摇杆机构可以以曲柄为主动件，将曲柄的整周转动变成摇杆的往复摆动。图1-2所示的搅拌机、切割机，是以曲柄为主动件的曲柄摇杆机构在实际生产中的应用，该机构工作时，曲柄连续转动，通过连杆带动摇杆往复摆动，即可实现搅拌及将钢筋切断。

曲柄摇杆机构也可以摇杆为主动件，将摇杆的往复摆动变成曲柄的整周转动。图1-3所示的缝纫机踏板机构，即是当摇杆作为主动件时，曲柄摇杆机构在实际生产中的应用。

2.双摇杆机构

当铰链四杆机构的两连架杆都是摇杆时，则该四杆机构称为双摇杆机构，如图1-4所示。图1-5为双摇杆机构在港口起重机中的应用，当摇杆AB摆动时，另一摇杆CD随之摆动，使悬挂在E点上的重物沿近似水平直线的方向移动。

3.双曲柄机构

当铰链四杆机构的两连架杆均为曲柄时，该四杆机构称为双曲柄机构，如图1-6所示。当曲柄1为主动件顺时针旋转180°时，曲柄3转了α角，曲柄1继续旋转180°时，曲柄3转了β角，显然α＞β。由此可得双曲柄机构的运动特点是：当主动曲柄作匀速转动时，从动曲柄可作变速转动。图1-7所示的惯性筛就是利用了双曲柄机构的这种运动特点，使筛子速度有较大的变化，被筛材料因惯性作用而进行筛分。

在双曲柄机构中，如果两曲柄长度相等且平行，连杆与机架长度也相等，则称为平行双曲柄机构，如图1-8所示。双曲柄机构中，如果两对边杆长度相等但互不平行，则称为反向双曲柄机构，如图1-9所示。平行双曲柄机构两曲柄的旋转方向相同，角速度也始终保持相等，图1-10所示的铲车挖掘机构，就是平行双曲柄机构在生产实际中的应用。而反向双曲柄机构两曲柄的旋转方向相反，且角速度也不等，图1-11所示的车门开关机构就是反向双曲柄机构的应用实例。

二、铰链四杆机构的演变类型及应用

铰链四杆机构除上述三种基本类型外，在生产实际中，常常会遇到与铰链四杆机构具有相同运动特性，而构造不同的机构，这就是铰链四杆机构的演变类型。

1.曲柄滑块机构

如图1-12所示，假设曲柄摇杆机构的摇杆CD的长度趋向无限长，而连杆BC的长度又为有限值时，则摇杆与连杆的连接点C点就不能再沿圆弧作往复运动，而是沿直线作往复移动，即摇杆变成了沿导轨往复移动的滑块，如图1-12（b）所示，这种机构就称为曲柄滑块机构。所以，曲柄滑块机构是由曲柄摇杆机构演变而来的。

曲柄滑块机构在各种机械中应用非常广泛，图1-13所示为冲压机中应用的曲柄滑块机构，该机构将曲轴的连续转动转换成冲压锤的上下直线运动。图1-14所示为内燃机中应用的曲柄滑块机构，该机构将活塞的往复直线运动转换成曲轴的连续转动。

2.摆动滑块机构

如图1-15所示，若将曲柄滑块机构中的连杆2作为机架（固定件），即可得到摆动滑块机构，该机构一般是以杆1或杆4为主动件，当以杆1为主动件转动或摆动时，杆4相对滑块3滑动，并带动滑块3绕C点摆动，故称为摆动滑块机构；而当以杆4为主动件相对滑块3移动时，滑块3即绕C点摆动，杆1绕B点转动或摆动。

图1-16所示为小型液压起拨道器的结构及原理图，该机械即应用了摆动滑块机构。当主动件杆4（液压缸的活塞杆）相对液压缸3（即摆动滑块）移动时，液压缸3可绕C点摆动，迫使杆1绕B点转动，使A点形成一段圆弧形运动轨迹，从而实现起道、拨道作业。

3.固定滑块机构

如图1-17所示，若将曲柄滑块机构中的滑块3作为机架，杆4在滑块3中往复移动，所得到的机构称为固定滑块机构。小型液压起道器即应用了固定滑块机构，图1-18所示为其结构原理，当液压缸的活塞杆5在压力油作用下，相对液压缸4滑动时，起道杠杆3随之运动，实现起道作业。

三、铰链四杆机构基本类型的判别

1.曲柄存在条件

由上述可知，在铰链四杆机构中，相对机架能作整周转动的连架杆称为曲柄。而铰链四杆机构中是否存在曲柄，不仅与机构中各构件的相对长度有关，而且还与机架的选择有关。本节以图1-19所示的曲柄摇杆机构为例，分析曲柄存在的条件。

如图1-19所示的曲柄摇杆机构中，各杆件的长度分别为：曲柄AB=a，连杆BC=b，摇杆CD=c，机架AD=d。当曲柄AB旋转时，摇杆CD会经过两个极限位置C1D、C2D，即曲柄与连杆共线的两个位置。由图中的几何条件可知，要使杆AB成为曲柄并能作整周回转，必须使其顺利通过这两个位置。根据这个条件，可求得各杆件的长度关系。

当曲柄AB与连杆BC重叠共线时，形成三角形△AC1D，根据三角形两边之和大于第三边可得：

（b-a）+c＞d或b+c＞a+d

（b-a）+d＞c或b+d＞a+c

当曲柄AB与连杆BC拉直共线时，形成三角形△AC2D，则有

c+d＞a+b

考虑曲柄AB、连杆BC、摇杆CD共线的极限值，上述关系式改写成：

a+d≤b+c　　（1-1）

a+c≤b+d　　（1-2）

a+b≤c+d　　（1-3）

将式（1-1）～式（1-3）中的每两式相加，经整理得

a≤d　　（1-4）

a≤b　　（1-5）

a≤c　　（1-6）

从式（1-1）～式（1-6）可知，曲柄摇杆机构存在的条件是：

（1）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和。

（2）曲柄为最短杆。

2.铰链四杆机构三种基本类型的判别

铰链四杆机构属于哪种基本类型，不仅与机构中各杆件的相对长度有关，而且还与机架的选择有关。

由图1-19所示的曲柄摇杆机构可知，当曲柄AB作整周旋转时，在四边形ABCD内，以曲柄AB为一边的两个角的变化范围应为0～360°，而其余两角则应小于360°。即杆AB相对于杆BC与杆AD可作360°的回转，而杆CD相对于杆BC与杆AD仅能作小于360°的摆动。由上述分析可得出如下的结论：

（1）若铰链四杆机构中最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，当选择不同的杆件作为机架时，可得到以下三种类型的机构：

①若取最短杆的相邻杆为机架，则得到曲柄摇杆机构，如图1-20（a）所示，其中最短杆为曲柄，最短杆对面的杆为摇杆。

②若取最短杆的对边杆为机架，则得到双摇杆机构，如图1-20（b）所示。

③若取最短杆为机架，则得到双曲柄机构，如图1-20（c）所示。

（2）若最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，则不存在曲柄，无论取何杆件作机架，均为双摇杆机构。

四、铰链四杆机构的特性

1.急回特性

在图1-19所示的曲柄摇杆机构中，当曲柄AB为主动件作匀速转动时，摇杆CD为从动件作往复摆动。曲柄旋转一周中有两次与连杆共线，两杆共线时摇杆的位置称为极限位置。曲柄和连杆两次共线所夹的锐角θ称为极位夹角。

当曲柄AB以等速顺时针转过角度α1=180°+θ时，摇杆CD自C1D摆至C2D（工作行程）经历时间t1；当曲柄继续转过角度α2=180°-θ时，摇杆由C2D摆回至C1D（空载行程）经历时间t2，在曲柄作等速转动的情况下，摇杆往复的位移相同而所用时间却不同，说明摇杆两次摆动的速度不同，曲柄摇杆机构的这种运动性质称为急回特性。

由上面的分析可知，机构有无急回特性取决于有无极位夹角。极位夹角越大，急回特性越明显。不论是曲柄摇杆机构，还是其他的四杆机构，只要机构在运动过程中存在极位夹角，则该机构就具有急回特性。

在实际生产中，当原动机的功率不变时，往往要求作往复运动的从动件，在工作行程时的速度慢些，而空回行程时的速度快些，以缩短非生产时间。所以利用急回特性，既充分利用了功率又提高了生产效率。

2.死点位置

在图1-19所示的曲柄摇杆机构中，若摇杆CD为主动件，当摇杆CD处于两个极限位置时，由于连杆BC和曲柄AB在一条直线上，则摇杆CD通过连杆BC传给曲柄AB的力，通过曲柄回转中心A，该力不能对曲柄产生力矩，所以曲柄AB不会转动。同时，从动件曲柄AB的转动方向也不能确定，把机构的这两个位置称为死点位置。

死点位置不止存在于曲柄摇杆机构，只要从动件与连杆存在共线位置的机构，就存在死点位置，如以滑块为主动件的曲柄滑块机构以及平行双曲柄机构等。

对于传动机构来说，有死点位置是不利的，为了使机构能顺利地通过死点位置，继续正常转动，可以利用从动件的惯性来通过死点位置。通常在曲柄轴上安装飞轮，利用飞轮的惯性来渡过死点位置，也可采用机构错位排列的办法克服死点的问题。

死点的存在虽然给机构带来了弊病，需采取措施克服，但在工程上有时也利用机构的死点位置来满足某些工作的需要。如图1-21所示的夹具，就是应用了铰链四连杆机构死点位置的特性，实现快速夹持、打开工件的例子。当夹具通过手柄施加外力，使铰链中心B、C、D处于同一直线时，工件即被夹紧，即使去除外力也能可靠的保持夹紧工件。当需松开工件时，只需向上抬起手柄即可。