机械原理中连杆机构的分析！！！

案例介绍:通过对雷达天线、汽车雨刮器、搅拌机等实际机构的分析，引入四杆机构的概念，介绍四杆机构的组成、基本形式和工作特点。

第一节铰链四杆机构

1.铰链四杆机构的组成和基本形式

1.铰链四杆机构的组成

如图1-14所示，铰链四杆机构是由一个封闭的四杆系统组成，其中每个构件的头尾由一个转动副连接，其中一个构件是固定的。固定构件4称为车架，与车架直接铰接的两个构件1和3称为连杆，不与车架直接铰接的构件2称为连杆。连杆如果能做一整圈运动就叫曲柄，否则就叫摇杆。

2.铰链四杆机构的类型

根据其两个连杆的运动形式不同，铰链四杆机构可分为三种基本形式:曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。

(1)曲柄摇杆机构。在铰链四杆机构中，如果一个连杆作圆周运动，而另一个连杆摆动，则称之为曲柄摇杆机构。图2-1所示的曲柄摇杆机构是雷达天线调整机构的示意图。该机构由组件AB和BC、与天线固定连接的CD和齿条d a组成，组件AB可做整圈转动形成曲柄。天线3作为该机构的另一个连杆，可以在一定范围内摆动，形成摇杆；随着曲柄的缓慢转动，天线的仰角被改变。如图2-2所示，随着电机随曲柄AB转动，刮雨胶随摇杆CD摆动，完成刮雨功能。如图2-3所示，搅拌器随着电机的曲柄AB转动，搅拌爪和连杆一起来回摆动，爪的端点E以椭圆轨迹运动，实现搅拌功能。

(2)双曲柄机构。在铰链四杆机构中，两个连杆可以全方位移动，所以这种机构称为双曲柄机构。图2-4所示惯性筛的工作机构原理是双曲柄机构的应用实例。由于从动曲柄3的长度与主动曲柄1的长度不同，当主动曲柄1匀速转动时，从动曲柄3变速转动，该机构利用这一特点加速筛子6的往复运动，从而提高工作性能。当两个曲柄长度相等并平行布置时，就形成了平行双曲柄机构，如图2-5a所示。它的特点是两个曲柄同向转动，转速相等，连杆平动，因此应用广泛。火车驱动轮的联动机构利用了同向恒速的特性；路灯维修车的载人斗利用平移的特性，如图2-6a和B)所示。如图2-5b)所示，是一种反平行双曲柄机构，其特点是两个曲柄反向不同。门的开关机构利用了两个曲柄反向旋转的特性，如图2-6c)。

(3)双摇杆机构。两个连杆只能在不到一个周期内运动的铰链四杆机构称为双摇杆机构。如图2-7所示，是港口起重机吊臂的结构原理。其中ABCD构成双摇杆机构，AD为框架。在主动摇杆AB的驱动下，连杆BC的外伸端点M随着机构的运动近似直线运动，使得吊重物Q可以水平运动，大大节省了移动吊重物所需的动力。图2-8是电风扇摇动机构的原理，其中电机外壳作为摇杆AB，蜗轮作为连杆BC，组成双摇杆机构ABCD。蜗杆与扇叶同轴旋转，带动BC作为主动部分绕C点摆动，使摇杆AB随电机和扇叶摆动，实现一个电机同时驱动扇叶和摇动机构。图2-9所示的汽车转向轮转向机构采用等腰梯形双摇杆机构。这个机构的两个摇杆AB和CD长度相同。如果两个摇杆的长度选择得当，汽车转弯时两个方向盘的轴线可以近似相交于另两个车轮轴线延长线上的某一点P，整车绕瞬时中心点P转动，从而获得每个车轮相对于地面的近似纯滚动，以减少转弯时的轮胎磨损。

二、铰链四杆机构中曲柄存在的条件

1.铰链四杆机构中曲柄存在的条件

铰链四杆机构的三种基本类型的区别在于机构中有无曲柄，曲柄有多少。机构中是否有曲柄，与各构件的相对大小以及哪个构件是框架有关。可以证明铰链四杆机构中曲柄存在的条件如下:

条件1:最短的一根杆和最长的一根杆的长度之和不大于另外两根杆的长度之和。

条件2:至少有一个连杆或框架是最短的杆。

2.铰链四杆机构基本类型的判定准则

(1)双摇杆机构满足第一个条件但不满足第二个条件；

(2)是满足第一个条件，以最短杆为框架的双曲柄机构；

(3)满足第一个条件的是曲柄摇杆机构，最短的杆是连杆；

(4)不满足的第一个条件是双摇杆机构。

铰链四杆机构的训练示例2-1 ABCD如图2-10所示。根据基本类型准则，请说明AB、BC、CD、AD分别作为框架时，该机构属于哪种机构。

解决方法:每根杆件的实测长度如图2-10所示。分析题目给出铰链四杆机构的知识。最短的条形是AD = 20，最长的条形是CD = 55，另外两个条形是AB = 30和BC = 50。

因为ad+CD = 20+55 = 75。

AB+BC = 30+50 = 80 > Lmin+Lmax

因此，曲柄存在的第一个条件得到满足。

1)当以AB或CD为框架时，即最短的杆AD变成了连杆，所以是曲柄摇杆机构；

2)以BC为框架时，即最短的杆变成了连杆，所以该机构为双摇杆机构；

3)以AD为框架时，即以最短的杆为框架，机构为双曲柄机构。

第二节平面四杆机构的其它形式

一、曲柄滑块机构

在图2-11a)所示的铰接四杆机构ABCD中，如果要求C点轨迹的曲率半径很大，甚至C点作直线运动，那么摇杆CD的长度就特别长，甚至是无穷大，这显然给布局和制造带来困难或不可能。所以在实际应用中，只需要根据需要制作一个导轨，将C点制作成与连杆铰接的滑块，沿着导轨移动，而不需要专门制作一个CD杆。这种带有移动副的四杆机构称为滑块四杆机构，当滑块运动轨迹为曲线时，称为曲线滑块机构，当滑块运动轨迹为直线时，称为直线滑块机构。直线滑块机构可分为两种情况:如图2-11b)所示，是偏置曲柄滑块机构，导向轨迹距曲柄转动中心有一个偏移量e；当e = 0，即导向轨迹经过曲柄转动中心时，称为定心曲柄滑块机构，如图2-11c)。定心曲柄滑块机构因其结构简单、受力良好，在实际生产中得到广泛应用。因此，除非将来另有说明，所提出的曲柄滑块机构是指定心曲柄滑块机构。

需要指出的是，滑块的运动轨迹并不仅限于圆弧和直线，还可以是任意曲线甚至多条曲线的组合，这远远超出了铰链四杆机构的简单演化，使曲柄滑块机构的应用更加灵活和广泛。

图2-12显示了曲柄滑块机构的应用。图2-12a)所示为应用于内燃机、空气压缩机和蒸汽机的活塞-连杆-曲柄机构，其中活塞相当于滑块。图2-12b)所示为自动送料装置的曲柄滑块机构，曲柄每旋转一周，活塞送出一个工件。当需要使曲柄更短时，很难实现这种结构。通常采用图2-12c所示的偏心轮机构，偏心盘的偏心距e为曲柄的长度。这种结构减小了曲柄的驱动力，增大了转动副的尺寸，提高了曲柄的强度和刚度。广泛应用于冲压机、破碎机等承受较大冲击载荷的机器。

二、导杆机构

在定心曲柄滑块机构中，导向路径是固定的。如果把导轨做成导杆4铰接在A点，使其能绕A点转动，AB杆固定，就成了导杆机构，如图2-13所示。当AB < BC时，导杆能做一整圈旋转，称为旋转导杆机构，如图2-13a =。当AB > BC时，导杆4只能做小于一周的转动，称为摆动导杆机构，如图2-65438+3b)。

导杆机构具有良好的传力性能，在开槽机、刨床等需要重载荷传递的地方得到了应用。如图2-14a)，是插床的工作机构，如图2-14b)，是牛头刨床的工作机构。

三。摇块机构和固定块机构

定心曲柄滑块机构中，与滑块铰接的构件固定在一个框架内，使滑块只能摆动不能移动，就成了摇杆机构，如图2-15a)。摇臂机构广泛应用于液压和气压传动系统，如图2-15b)，这是摇臂机构在自卸车上的应用。以车架为车架AC，液压缸缸筒3与车架在C点铰接形成摇杆，驱动活塞和活塞杆2可沿缸筒中心线前后移动形成导轨，带动车架1绕A点摆动，实现卸荷或复位。将滑块作为框架固定在定心曲柄滑块机构中，就成了固定块机构，如图2-16a)。图2-16b)显示了固定块机构在手动泵上的应用。用手上下拉动驱动部分1，使活塞和作为导向路径的活塞杆4沿泵的中心线来回移动，以泵送水或油。表2-1显示了铰链四杆机构的主要类型及其演变。

第三节平面四杆机构的工作特性

一、运动特征

在图2-17所示的曲柄摇杆机构中，曲柄AB是驱动部分。曲柄在转动过程中一周重叠连杆两次，如图2-17: B1AC1和AB2C2。此时摇杆位置C1D和C2D称为极限位置，简称极限位置。C1D与C2D的夹角称为最大摆角。当曲柄处于两极时，AB1与AB2之间的锐角θ称为极角。让曲柄以等角速度ω1顺时针旋转。AB1到AB2和AB2到AB1的角度分别为(π+θ)和(π-θ)，所需时间为t1和t2，摇杆上C点对应的路线为C1C2弧和C2C655。这种回程速度大于推进速度的现象称为急回特性，通常用v1与v2的比值K来描述，K称为冲程速比系数，即，

K= (2-1)

意外情况(2-2)

可以看出，θ越大，K值越大，急回特性越明显。在机械设计中，可以先设定k的值，然后计算θ的值，再计算各部件的长度和尺寸。

急回特性在实际应用中广泛应用于单向工作，缩短了空回花费的非生产时间，提高了生产率。例如成形机压头的运动。

二、力的传递特性

1.压力角和传动角

在工程应用中，连杆机构既要满足运动要求，又要有良好的传力性能，以减小结构尺寸，提高机械效率。在忽略重力、惯性力和摩擦力的前提下，分析了曲柄摇杆机构的力传递特性。如图2-18所示，驱动曲柄的驱动力通过连杆作用在摇杆上的C点，驱动力F必然是沿BC方向，将分解为两个分量，即切向分量Ft和径向分量Fr，切向分量Ft与C点的运动方向vc同向..从图中知道

Ft = F或Ft = F

Fr = F或Fr = F

角度α是Ft与F的夹角，称为机构的压力角，即驱动力F与C点运动方向的夹角..机构位置不同，α值也不同。显示了驱动力f不变时推动摇杆摆动的有效分力Ft的变化规律，α越小，Ft越大。

压力角α的余角γ是连杆与摇杆之间的锐角，称为传动角。因为γ比较容易观察，所以通常用来测试机构的传力性能。传动角γ随着机构的不断运动而变化。为了保证机构具有较好的传力性能，应控制机构的最小传动角γmin。一般情况下，γ min ≥ 40是可以接受的，重载高速场合，γ min ≥ 50是可以接受的。曲柄摇杆机构的最小传动角出现在曲柄与机架连线上的两个位置之一，如图2-18中的B1或B2所示。

偏置曲柄滑块机构以曲柄为主动件，滑块为工作件，传动角γ为连杆与导轨垂线间的锐角，如图2-19所示。最小传动角γmin出现在曲柄垂直于导轨的位置，并位于偏置方向的相反侧。对于定心曲柄滑块机构，即偏移量e = 0，很明显最小传动角γmin出现在曲柄垂直于导轨的位置。

对于以曲柄为主动件的摆动导杆机构，由于滑块作用在导杆上的力始终垂直于导杆，其传动角γ始终为90°，即γ=γmin =γmax = 90°，说明导杆机构具有最佳的传力性能。

停止点

由Ft = F cosα可知，当压力角α= 90°时，作用在从动件上的力或力矩为零，此时连杆不能带动从动件工作。机构的这个位置称为死点，也称为死点。对于图2-20a)所示的曲柄摇杆机构，当从动曲柄AB与连杆BC***直线时，出现压力角α= 90°，传动角γ= 0°。在图2-20b)所示的曲柄滑块机构中，如果以滑块为驱动力，当从动曲柄AB与连杆BC对准时，外力F不能推动从动曲柄转动。机构处于死点位置，一方面驱动力降至零，从动部分依靠惯性越过死点；另一方面，方向不确定，可能会因为偶然的外力而逆转。

四杆机构是否有死点，取决于从动件是否与连杆成一直线。例如，在图2-20a)所示的曲柄摇杆机构中，如果摇杆改为曲柄驱动，则摇杆为从动件，由于连杆BC与摇杆CD之间没有* *线，所以不存在死点。另一个例子是图2-20b所示的曲柄滑块机构。如果曲柄变为活动状态，则没有死点。

死点的存在不利于机构的运动，应尽量避免。当无法避开死点时，一般可采用增加从动件惯性的方法，靠惯性帮助通过死点。例如内燃机曲轴上的飞轮。也可以采用机构交错排列的方法，在两组机构挡块的位置差的作用下通过各自的挡块。

在实际工程应用中，有很多场合是利用死点位置来达到一定的工作要求。如图2-21a)，是快速夹具，夹紧工件后夹紧反作用力不能自动松开夹具。因此，卡盘构件1视为主动件，当连杆2与从动件3***直线时，机构处于死端，夹紧反作用力n对摇杆3的作用力矩为零。这样，无论N有多大，都不能推动摇杆3松开夹具。当我们用手移动连杆2的延伸部分时，工件很容易松动，因为驱动部件的改变破坏了停止位置。如图2-21b)，飞机起落架处于放下机轮的位置，地面反作用力作用在机轮上使AB成为驱动部分，从动件CD与连杆BC成一直线，机构处于死点。只要很小的锁定力作用在CD杆上，就能有效地保持支撑状态。当飞机从地面起飞，想收轮时，只要用较小的力推动CD，就可以很容易地收轮，因为驱动部分改为CD，破坏了停止位置。此外还有汽车发动机罩、折叠椅等。

第四节平面四杆机构运动设计简介

四杆机构的设计方法有三种:图解法、实验法和解析法。本节只介绍图解法。

1.根据给定的连杆长度和位置，设计一个平面四杆机构。

1.根据连杆的预定位置设计四杆机构。

例2-2:已知连杆BC的长度和依次占据的三个位置B1C1、B2C2、B3C3，如图2-22所示。确定铰链四杆机构中满足上述条件的其他杆的长度和位置。

解:显然，B点的轨迹是由B1、B2和B3确定的圆弧，C点的轨迹是由C1、C2和C3确定的圆弧。分别求出这两个圆弧的圆心A和D，完成这个四杆机构的设计。因为这个时候，架AD已经设置好了，甚至架条CD和AB也已经设置好了。具体做法如下:

(1)确定比例，画出给定连杆的三个位置。实际机构往往需要按比例缩小或放大，以方便绘图设计，应根据实际情况选择合适的比例，如公式(1-1)所示。

(2)连接B1B2和B2B3，分别作直线段B1B2和B2B3的中垂线b12和b23(图中细实线)。这两条垂直平分线的交点A是由B2和B3这三个点B1确定的弧的中心。

(3)连接C1C2和C2C3，使直线段C1C2和C2C3的中垂线c12和c23(图中细实线)相交于D点，D点是c1、C2和C3三点确定的圆弧的中心。

(4)以A点和D点为连接架的铰链中心，分别连接AB3、B3C3和C3D(图中粗实线)，得到所需的四杆机构。从图中测出每根杆的长度，乘以刻度，得到实际的结构长度尺寸。

在实际工程中，有时只需要连杆的两个极限位置。这样设计满足条件的四杆机构会有很多结果，要根据实际情况提出附加条件。

训练示例2-3图2-23所示加热炉炉门的开闭机构，其中I为炉门的关闭位置，要求全开的后门背面水平放置，略低于炉口下缘，如图II所示。

解法:如果把炉门看成连杆BC，两个已知位置B1C1和B2C2，B和C就成了两个铰点，分别求出直线B1B2和C1C2的平分线，另外两个铰点A和D就位于这两个铰点上。为了确定A和D的位置，根据实际安装需要，希望将铰链A和D都安装在炉前墙上，即图中的yy位置，需要yy线分别与b12和c12的交点A和D。

第二，根据给定的行程速比系数设计一个四杆机构。

设计具有急回特性的四杆机构，一般是根据运动要求选取行程速比系数，然后根据机构极限位置的几何特性和其他辅助条件进行设计。

例2-4:给定行程速比系数k、摇杆长度lCD和最大摆角，请用图解法设计这种曲柄摇杆机构。

解决方案:设计流程如图2-24所示，具体步骤如下:

(1)从速比系数k计算极限角θ..根据公式(2-2)

(2)选择合适的标尺，画出图表，求摇杆的极限位置。取摇杆长度lCD并除以标度图中的摇杆长度CD。以CD为半径，任一固定点D为圆心，任一固定点C1为起点作一圆弧C，使圆弧C对应的圆心角等于或大于最大摆角。连接D点和C1点的线段C1d是摇杆的一个极限位置，与D点的夹角等于最大摆角。

(3)找到曲柄铰链的中心。过点C1，作C1C2与点D同侧的垂线H，与点C2相交，作与直线C1C2成(900-θ)夹角的直线J相交于点P，连接C2P，在直线C2P上截距C2P/2得点O，以点O为圆，OP为半径画圆。

(4)找到曲柄和连杆的铰链中心。连接A点和C2的直线段AC2是曲柄和连杆的长度之和，以A点为圆心，AC1为半径，在E点作圆弧交点AC2，可以证明曲柄长度AB = C2E/2，于是画出以A点为圆心，C2E/2为半径，B2点处的圆弧交点AC2为曲柄和连杆的铰链中心。

(5)计算每根杆的实际长度。分别测量图中AB2、AD和B2C2的长度，计算:

曲柄长度lAB = AB2，连杆长度lBC = B2C2，齿条长度lAD = AD。

练习2

2-1铰链四杆机构按运动形式可分为三种？他们有什么特点？尝试给出它们的应用实例。

2-2铰链四杆机构中曲柄存在的条件是什么？

2-3机构的急回特性的作用是什么？判断四杆机构是否具有急回特性的依据是什么？

在图2-4所示的铰链四杆机构中，每个构件的长度是已知的。当A、B、C、D分别作为框架时，你会得到什么样的机制？

2-5在图示位置标出各机构的压力角和传动角。

练习2:设计一个平面四杆机构

1.培训目的

掌握平面四杆机构的图解设计方法，初步了解和掌握计算机辅助设计在平面四杆机构设计中的应用。

2.培训内容和要求

(1)设计一个铰链四杆机构。已知摇杆长度LC D = 0.12m，摆角= 45°，齿条长度LAD = 0.10m，行程速比系数K=1.4。用图解法求曲柄和连杆的长度。

(2)用图解法设计摆动导杆机构。已知行驶速度比系数K=1.5，帧长LAD = 0.18m..

可以选择一个题目，使用计算机辅助设计(用AutoCAD进行平面设计)。

3.培训过程。参考培训示例2-4。

4.用AutoCAD进行平面设计的训练步骤。

根据自选题目，拟定绘图步骤，然后在电脑上操作:①进入AutoCAD工作界面；(2)按照绘图步骤进行；③使用查询功能测量设计结果；④保存设计结果。