第四章 平面连杆机构 内容提要 本章着重讨论机械中常见的平面四杆机构。首先介绍了平面四杆机构的基本型式及其演化方 法，其次分析了平面四杆机构的运动特性和传力特性，最后介绍了平面四杆机构设计的图解法、 解析法等。 4.1概述 连杆机构(linkage mechanism)是由若干刚性构件用低副联接所组成的机构，故又称为低副 机构(lower pair mechanism)。在连杆机构中，若各运动构件均在同一平面或相互平行的平面内 运动，则称为平面连杆机构(planar linkage mechanism);若各运动构件不都在同一平面或相互平 行的平面内运动，则称为空间连杆机构(spatial linkage mechanism)。平面连杆机构的构件运动 形式多样，可实现转动、摆动、移动和平面复杂运动，也可实现已知的运动规律及轨迹，因此平 面连杆机构被广泛应用于各种机械和仪表中。如图4-1所示的铸造造型机砂箱翻转机构、图4-2 所示的车门开闭机构、图4-3所示的搅拌机构等。 平面连杆机构之所以应用如此广泛，因其具有以下显著的优点：(1)其运动副元素为面接触， 压力较小，承载能力较大，且面接触便于润滑，磨损小：(2)由于两构件接触面是圆柱或平面， 加工制造方便，且易获得较高的精度；(3)两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，不 像其它机构有时需利用弹簧或其它措施的力封闭来保持接触，对保证工作的可靠性有利。 当然平面连杆机构也存在一定的缺点：(1)一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动 轨迹，且设计较为复杂；(2)当给定的运动要求较多或较复杂时，需增加构件或运动副，使机构 结构复杂，积累误差增大，传动效率降低，影响其传动的精度和效率：(3)平面连杆机构中作平 面复杂运动和往复运动的构件所产生的惯性力往往难以平衡，在高速时易引起较大的振动和动载 荷，故常用于速度较低的场合。 近年来，随着连杆设计方法的发展，电子计算机的普及应用及相关设计软件的开发，连杆机 构的研究取得了长足的发展，不再局限于单自由度四杆机构的研究，也注重对多杆多自由度连杆 机构的研究，并提出了一些有关这类机构的分析及综合的方法。在设计要求上已不再局限于运动 学要求，而是同时兼顾机构的动力学特性，特别是对于高速机械，考虑构件弹性变形的运动弹性 动力学己得到很快的发展。在研究方法上，优化方法和计算机辅助设计的应用已成为研究连杆机 构的重要方法，并已相应地编制出大量的，适用范围广、计算耗时少、使用方便的通用软件。随 着计算机的发展和现代数学工具的日益完善，以前不易解决的复杂平面连杆机构的设计问题，正 逐步得到解决。 53 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
This document is produced by trial version of Print2Flash. Visit www.print2flash.com for more information
图4-1铸造造型机砂箱翻转机构 图4-2搅拌机构 0 A 图4-3车门开闭机构 4.2平面四杆机构的基本形式 在平面连杆机构中，结构最简单、应用最广泛的是由4个构件所组成的平面四杆机构，其它 多杆机构都是在此基础上依次增加杆组扩充而成的，本章重点讨论四杆机构及其设计。 4.2.1铰链四杆机构的组成 所有运动副均为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构，如图4-4所示，它是平面四杆机构的 最基本型式，其它型式的平面四杆机构都可看作是在它的基础 上通过演化而成。在此机构中，固定不动的构件2为机架，通 过运动副A、D与机架直接相连的构件1、3称为连架杆(side 1ik),不直接与机架相连的构件4称为连杆。若组成转动副的 两构件能作整周相对转动，则称此转动副为整转副(revolute pair of revolving motion),如转动副A、B;不能作整周相对运动的 7777779D 称为摆转副(revolute pair of swing motion),如转动副C、D。 与机架组成整转副，能作整周回转的连架杆称为曲柄(crank), 图4-4铰链四杆机构 如构件1；与机架组成摆转副，仅能在某一角度范围内往复摆 54 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
This document is produced by trial version of Print2Flash. Visit www.print2flash.com for more information
动的连架杆称为摇杆(rocker),如构件3。 4.2.2铰链四杆机构的基本型式 铰链四杆机构可按两连架杆运动形式它分为3种基本型式：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，若两连架杆中的一杆为曲柄，另一杆为摇杆，则称该四杆机构为曲柄摇 杆机构(crank-rocker mechanism),如图4-5a所示。曲柄摇杆机构中，若以曲柄为原动件，可将 曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动；若以摇杆为原动件，可将摇杆的摆动转变为曲柄的整周 转动。此种机构广泛地应用于各种机械中，如图4-6所示的雷达天线俯仰搜索机构（曲柄1转动时， 可带动摇杆3摆动以调整雷达天线仰角)，图4-7所示的缝纫机踏板机构（摇杆3摆动时，可带动 曲柄1整周回转)。 777777777 (a (b)》 (c) 图4-5铰链四杆机构基本型式 天线 C D 图4-6雷达天线俯仰搜索机构 图4-7缝纫机踏板机构 2.双曲柄机构 如图45b所示的铰链四杆机构中，两个连架杆相对机架作整周的回转运动，均为曲柄，此机 构称为双曲柄机构(double-crank mechanism)。在双曲柄机构中，主动曲柄连续等速转动时， 从动曲柄一般作变速转动。如图4-8所示的惯性筛机构，当主动曲柄1等速回转时，从动曲柄3变 速回转，使筛子6具有较大变化的加速度，从而利用加速度所产生的惯性力，达到筛分物料的目 的。 55 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
This document is produced by trial version of Print2Flash. Visit www.print2flash.com for more information
D 图4-8惯性筛机构 图4-9平行四边形机构 在双曲柄机构中，若相对两构件长度相等且平行（如图49所示），则称为平行四边形机构 (parallel-crank mechanism)。这种机构的特点是两曲柄均以相同的角速度转动，连杆作平行移 动。但在平行四边形机构中，有一个位置不确定的问题，如图4-10所示，当主动曲柄运动到B2 位置时，从动曲柄可有两个位置C2和C2。为解决此问题，通常采用两种方法：一是在从动曲柄 上加装一个惯性较大的轮子，利用惯性维持从动曲柄转向不变：二是通过虚约束使机构保持平行 四边形，避免机构运动位置的不确定问题，如4-11所示的机车车轮联动的平行四边形机构。 B C 3 D D B 图4-10平行四边形机构中的位置不确定问题 图4-11机车车轮联动的平行四边形机构 如图412所示的双曲柄机构，两曲柄长度相同，连杆与机架不平行，主、从动曲柄转向相 反，故称为反平行四边形机构(antiparallel-.crank mechanism)。图4-2所示的车门开闭机构即为 其应用实例，它利用反平行四边形机构运动时，两曲柄转向相反的特性，达到两扇车门同时敞开 或关闭的目的。 D 3 图4-12反平行四边形机构 3.双摇杆机构 如图4-5c所示的铰链四杆机构，两连架杆均为摇杆，则称为双摇杆机构(double-rocker mechanism)。它可把一个摇杆的摆动转变为另一个摇杆的摆动。如图4-l3所示的鹤式起重机中 的四杆机构ABCD即为双摇杆机构，当主动摇杆AB摆动时，从动摇杆CD随之摆动，位于连杆 BC延长线上的重物悬挂点E将沿近似水平直线移动。在双摇杆机构中，若两摇杆的长度相等， 56 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
This document is produced by trial version of Print2Flash. Visit www.print2flash.com for more information
则称为等腰梯形机构。如图4-14所示的汽车前轮转向机构中的四杆机构ABCD即为等腰梯形机 构。 图4-13鹤式起重机示意图 图4-14汽车前轮转向机构 4.3平面四杆机构的演化 铰链四杆机构的三种基本型式远远满足不了实际工作机械的需要，在工程实际中还广泛应用 着多种不同外形、构造和特性的其它四杆机构。这些四杆机构可以看作是由铰链四杆机构的基本 形式通过不同方式演化而来的。机构的演化不但能满足运动方面的要求，而且也改善机构受力状 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，但他们的性质以及分析和 设计方法却常常是相同的或类似的，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。 4.3.1将转动副转化为移动副 这种方法是通过改变构件的形状和相对尺寸，把转动副转化为移动副，从而形成滑块机构。 如图4-15a所示曲柄摇杆机构中，当曲柄1转动时，摇杆3上C点的运动轨迹是以D为圆 心，半径为CD的圆弧B-B。现将摇杆3做成滑块形状，使它在一个弧形导槽中运动，弧形导 槽的中心线与圆弧B.B重合，显然其运动性质不发生改变，但此时铰链四杆机构演变成为具有 曲线导轨的曲柄滑块机构，如图4-15b所示。若将圆弧B-B的中心D移至无穷远处，则C点的 运动轨迹就变为直线，弧形导槽相应地变为直线导槽，如图416a所示，这样一个曲柄摇杆机构 就演化成为一个曲柄滑块机构(slide-crank mechanism)。 (a) (b) 图4-15转动副转化为移动副 57 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
This document is produced by trial version of Print2Flash. Visit www.print2flash.com for more information