平面连杆机构1.doc

第3章平面连杆机构平面连杆机构是由若干个构件通过低副联接而成的机构，又称平面低副机构由四个构件通过低副联接的平面连杆机构称为平面四杆机构，是平面连杆机构中最常见的形式 平面连杆机构广泛应用于各种机械和仪表中，具有许多优点：平面连杆机构中的运动副均为低副，组成运动副的两构件之间为低副联接，因而承受的压强小，便于润滑，磨损较轻，能承受较大的载荷；构件形状简单，加工方便，构件之间的接触是由构件本身的几何约束来保持的，所以工作平稳；在主动件等速连续运动的条件下，当各构件的相对长度不同时，可使从动件实现多种形式的运动；利用连杆可满足多种运动轨迹的要求平面连杆机构的主要缺点：低副中存在间隙，会引起运动误差，不易精确地实现复杂的运动规律；连杆机构运动时产生的惯性力难以平衡,不适用于高速场合平面连杆机构常以其所含的构件（杆）数来命名，如四杆机构、五杆机构……，常把五杆或五杆以上的平面连杆机构称为多杆机构最基本、最简单的平面连杆机构是由四个构件组成的平面四杆机构它不仅应用广泛，而且又是多杆机构的基础平面四杆机构可分为铰链四杆机构和衍生平面四杆机构两大类，前者是平面四杆机构的基本形式，后者由前者演化而来3.1 平面四杆机构的基本形式及演化平面四杆机构可分为两类：1. 运动副全为转动副的平面四杆机构，称为铰链四杆机构。

图3-1 铰链四杆机构图3-1为铰链四杆机构示意图,其中AD杆是机架,与机架相对的BC杆称为连杆,与机架相连的AB杆和CD杆称为连架杆,其中能做整周回转运动的连架杆称为曲柄,只能在小于360°范围内摆动的连架杆称为摇杆图3-2 曲柄滑块机构2. 运动副中既有转动副又有移动副的平面四杆机构，称为衍生平面四杆机构，如曲柄滑块机构（如图3-2所示）3.1.1铰链四杆机构的基本类型1．曲柄摇杆机构两连架杆中一个为曲柄另一个为摇杆的铰链四杆机构,称为曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构中，当以曲柄为原动件时，可将曲柄的匀速转动变为从动件的摆动如图3-3所示的雷达天线机构，当原动件曲柄1转动时，通过连杆2，使与摇杆3固结的抛物面天线作一定角度的摆动，以调整天线的俯仰角度图3-4为汽车前窗的刮雨器，当主动曲柄AB回转时，从动摇杆作往复摆动，利用摇杆的延长部分实现刮雨动作 图3-3 雷达天线机构 图3-4 汽车前窗刮雨器 1-曲柄 2-连杆 3-摇杆（天线） 4-机架 1-机架 2-曲柄 3-连杆4-摇杆也有以摇杆为原动件、曲柄为从动件的情况。

如图3-5所示缝纫机的脚踏机构，当脚踏板（原动件）上下摆动时，通过连杆使曲柄（从动件）连续转动，输出动力图3-5 缝纫机2. 双曲柄机构在铰链四杆机构中，若两个连架杆均为曲柄，则称为双曲柄机构如图3-6所示的惯性筛机构,工作时以曲柄2为主动件，做等角速连续转动；通过连杆3带动曲柄4，做周期性的变角速连续转动；再通过构件5使筛体做变速往复直线运动图3-6 惯性筛双曲柄机构中，应用很广的是两曲柄长度相等、连杆与机架的长度也相等且彼此平行的平行四边形机构,也称为平行双曲柄机构其特点是两个曲柄的运动规律完全相同，连杆3始终做平动如图3-7所示的机车车轮机构图3-7机车车轮机构图3-8窗门启闭机构平行四边形机构中，若对边杆彼此不平行，则称为反向双曲柄机构其特点是原动件与其对边从动件做相反方向的转动，如图3-8所示的窗门启闭机构3. 双摇杆机构两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构图3-9a所示为港口起重机，当CD杆摆动时，连杆CB上悬挂重物的点M在近似水平直线上移动图3-9b所示的电风扇的摇头机构中，电机装在摇杆4上，铰链A处装有一个与连杆1固结在一起的蜗轮电机转动时，电机轴上的蜗杆带动蜗轮迫使连杆1绕A点作整周转动，从而使连架杆2和4作往复摆动，达到风扇摇头的目的。

图3-9 图3-10a、b所示的飞机起落架及汽车前轮的转向机构等也均为双摇杆机构的实际应用汽车前轮的转向机构中，两摇杆的长度相等，称为等腰梯形机构，它能使与摇杆固联的两前轮轴转过的角度不同，使车轮转弯时，两前轮的轴线与后轮轴延长线上的某点P交于点，汽车四轮同时以P点为瞬时转动中心，各轮相对地面近似于纯滚动，保证了汽车转弯平稳并减少了轮胎磨损 图3-103.1.2 平面四杆机构的演化在实际机器中，还广泛地采用着其他多种型式的四杆机构这些型式的四杆机构，可认为是通过改变某些构件的形状、改变构件的相对长度、改变某些运动副的尺寸、或者选择不同的构件作为机架等方法，由四杆机构的基本型式演化而成的b)a)图3-11 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化，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，但是它们的运动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1．曲柄滑块机构在如图3-11a所示的曲柄摇杆机构中，当曲柄1绕轴A回转时，铰链C将沿圆弧往复运动现如图b所示，设将摇杆3做成滑块形式，并使其沿圆弧导轨BB往复运动，显然其运动性质并未发生改变但此时铰链四杆机构已演化为曲线导轨的曲柄滑块机构又如在图3-11a所示的铰链四杆机构中，设将摇杆3的长度增至无穷大，则铰链C运动的轨迹将变为直线，而与之相应的图3-11b中的曲线导轨将变为直线导轨，于是铰链四杆机构将演化成为常见的曲柄滑块机构，如图3-12所示其中图3-12a所示的为具有一偏距e的偏置曲柄滑块机构；而图3-12b所示的为没有偏距的对心曲柄滑块机构a)b)图3-12曲柄滑块机构曲柄滑块机构在冲床、内燃机、空气压缩机等各种机械中得到了广泛的应用a)b)c)d)图3-13导杆机构2．导杆机构如图3-13a所示的曲柄滑块机构中，若改选构件AB为机架，则构件4将绕轴A转动，而构件3则将以构件4为导轨沿该构件相对移动将构件4称为导杆，而由此演化成的四杆机构称为导杆机构（如图3-13b所示）。

图3-14回转导杆机构在导杆机构中，如果其导杆能作整周转动，则称其为回转导杆机构如图3-14所示，为回转导杆机构在一小型刨床中的应用实例在导杆机构中，如果导杆仅能在某一角度范围内往复摆动，则称为摆动导杆机构如图3-15a所示为一种牛头刨床的导杆机构图3-15b为图3-15a所示牛头刨床的主机运动简图图3-15 牛头刨床的导杆机构3．摇块机构和定块机构同样，在如图3-12a所示的曲柄滑块机构中，若改选构件BC为机架，则将演化成为曲柄摇块机构（如图3-12c所示）其中滑块3仅能绕点O摇摆，如图3-16所示的液压作动筒，即为此种机构的应用实例，液压作动筒的应用很广泛如图3-17所示的自卸卡车的举升机构即为应用的又一实例a)b)图3-19偏心轮机构 图3-17自卸卡车的举升机构液压作动筒图3-16液压作动筒图3-18抽水唧筒机构在图3-12a所示的曲柄滑块机构中，若改选滑块3为机架，称定块，则将演化成为定块机构（如图3-12d所示）如图3-18所示为定块机构用于抽水唧筒的实例4．偏心轮机构在如图3-19a所示的曲柄滑块机构中，当曲柄AB的尺寸较小时，由于结构的需要常将曲柄改作成如图3-19b所示的一个几何中心不与其回转中心相重合的圆盘，此圆盘称为偏心轮，其回转中心与几何中心间的距离称为偏心距(它等于曲柄长)，这种机构则称为偏心轮机构。

显然，此偏心轮机构与图3-18a所示的曲柄滑块机构的运动特性完全相同而此偏心轮机构，则可认为是将图3-18a所示的曲柄滑块机构中的转动副B的半径扩大，使之超过曲柄的长度演化而成的这种机构在各种机床和夹具中广为采用图3-19双滑块机构5．双滑块机构在图3-19a的曲柄滑块机构中，将摇杆BC改为滑块时，则变为如图3-19b所示的双滑块机构双滑块机构一般用于仪表和计算装置中(如印刷机械、机床、纺织机械等) ，如缝纫机中针杆机构（图3-20a、b）,椭圆规（图3-21） 图3-20 缝纫机针杆机构 图3-21 椭圆规3.2 平面四杆机构的基本特性3.2.1铰链四杆机构的类型的判别1．存在一个曲柄的条件铰链四杆机构是否存在曲柄，取决于两个因素：各杆的相对长度以及选择哪一个构件作为机架图3-22存在曲柄的条件设图3-22所示的机构为曲柄摇杆机构，其中杆1为曲柄，杆3为摇杆各杆长度分别用、、、表示杆1是否能作整周转动，就看其是否能顺利通过与机架共线的两个位置AB′和AB″当曲柄位于AB′时机构折叠成三角形B′C′D，根据三角形任意两边之差小于（极限状态等于）第三边的条件可得-≤ -+≤+ （3-1）或 -≤ -即 +≤+ （3-2）当曲柄位于AB″时机构折叠成三角形B″C″D，根据三角形任意两边之和大于等于第三边的条件可得+≤+ （3-3）将式(3-1)、(3-2)、(3-3)两两相加可得≤，≤，≤ （3-4）由式(3-1)、(3-2)、(3-3) 、(3-4)可得构成曲柄摇杆机构的必要条件：(1)曲柄为最短杆；(2)最短杆与最长杆长度之和小于等于另外两杆长度之和。

2．铰链四杆机构类型的判别通则上述分析得出了铰链四杆机构存在一个曲柄的条件，但铰链四杆机构三个基本类型的演化取决于“取不同的构件作为机架”如图3-22a所示曲柄摇杆机构中，杆AD为机架，杆AB为曲柄，杆AB与杆AD可作相对整周转动，以大于半圆的单箭头弧线表示CD为摇杆，与杆AD只能作相对摆动，以小于半圆的双箭头弧线表示图3-22 机架变更对机构类型的影响若以杆BC为机架，仍然满足构成曲柄摇杆机构的两个条件，因此，杆AB为曲柄，杆AB与杆BC可作相对整周转动，以大于半圆的单箭头弧线表示CD为摇杆，与杆BC只能作相对摆动，以小于半圆的双箭头弧线表示，如图3-22b所示当四杆机构中各杆的长度确定之后，构件与构件之间相对运动的范围即已确定，与选择哪一构件作为机架无关若以杆AB为机架，根据图3-22a所示的关系，杆AD、BC相对于杆AB之间均可作整周转动，成为双曲柄机构，如图3-22c所示；若以杆CD为机架，杆AD、BC相对于杆CD之间都只能作摆动，成为双摇杆机构，如图3-22d所示根据以上分析可得铰链四杆机构类型的判别通则：(1) 若最短杆与最长杆长度之和大于另外两杆长度之和，无论以哪一个构件作为机架，均不存在曲柄，都只能是双摇杆机构。

2) 若最短杆与最长杆长度之和小于另外两杆长度之和，是否存在曲柄取决于哪一个构件作为机架：1) 以最短杆邻边作为机架，构成曲柄摇杆机构，如图3-22a、3-22b所示；图3-23 。