2.2 平面连杆机构的类型及应用

平面连杆机构是由若干个构件用低副（转动副或移动副）联接组成的平面机构。由于低副是面接触，故传力时压强低，磨损小，寿命长；另外，低副的接触面为平面或圆柱面，便于加工制造和保证精度。因此，平面连杆机构广泛用于各种机械和仪器中。

平面连杆机构的缺点是：低副中存在间隙，易引起运动误差；而且它的设计比较复杂，不易精确地实现较复杂的运动规律。

平面连杆机构的类型很多，其中最简单、应用最广泛的是由四个构件组成的平面四杆机构。掌握了四杆机构有关知识和设计方法可为多杆机构的设计奠定基础。下面重点讨论四杆机构的基本类型、特性及其常用的设计方法。

2.2.1 铰链四杆机构

四个构件全部用转动副相联接的机构称为铰链四杆机构，它是平面四杆机构的基本形式。如图2-14（图中序号1～4均指构件，下同）所示，机构中固定不动的构件4称为机架；与机架相联接的构件1、3称为连架杆，其中能做整周回转的连架杆称为曲柄，只能做往复摆动的连架杆称为摇杆；不与机架相联接的构件2称为连杆。

1. 铰链四杆机构的基本形式

铰链四杆机构中可按两连架杆是否成为曲柄或摇杆分为三种基本形式。

（1）曲柄摇杆机构 铰链四杆机构的两连架杆中，若一个为曲柄，另一个为摇杆，则称此机构为曲柄摇杆机构。当曲柄为原动件，摇杆为从动件时，可将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动，如图2-15所示的雷达天线的调整机构；若摇杆为原动件，则可将摇杆的往复摆动转变为曲柄的整周转动，如图2-16所示的缝纫机踏板机构。

（2）双曲柄机构 铰链四杆机构中，若两连架杆均为曲柄，则此机构称为双曲柄机构。它可将原动曲柄的等速转动变换成从动曲柄的等速或变速转动。如图2-17所示的惯性筛机构，当主动曲柄1等速转动时，从动曲柄3做变速转动，从而使筛子做变速移动，以获得筛分材料颗粒所需要的加速度。

在双曲柄机构中，若相对的两组杆平行且长度相等，则该机构称为平行四边形机构。平行四边形机构两曲柄以相同角速度同向转动，连杆做平移运动。图2-18所示的摄影平台升降机构就利用了连杆BC做平移运动的特点；图2-19所示的机车车轮的联动机构则利用了曲柄AB、CD、EF等速同向转动的特点。如图2-20所示的反平行四边形机构，杆AB、CD的长度相等，但不平行，故该机构称为反平行四边形机构。反平行四边形机构主动曲柄做等速转动时，从动曲柄做反向变速转动。图2-21所示的车门启闭机构就是利用此机构曲柄AB、CD转向相反的运动特点，使两扇车门同时开启或关闭。

（3）双摇杆机构 铰链四杆机构中，两连架杆均为摇杆的称为双摇杆机构。图2-22所示的港口起重机，利用两摇杆的摆动，使得悬挂在连杆E上的重物能沿近似水平的直线运动；图2-23所示的飞机起落架放收机构，则是利用双摇杆机构完成飞机着陆时推出和起飞后收起着陆轮的工作。

2. 铰链四杆机构形式的判别

铰链四杆机构三种基本形式的区别在于机构是否存在曲柄，而有无曲柄又与各杆的相对长度和机架的选择有关。

通过论证，铰链四杆机构曲柄存在的条件为：

1）连架杆和机架中必有一杆为最短杆。

2）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和。

由上可知，判别铰链四杆机构形式时应先判别机构是否满足杆长条件，若满足，则可按下述方法判别出机构的形式：①若最短杆为连架杆，则得到曲柄摇杆机构；②若最短杆为机架，则得到双曲柄机构；③若最短杆为连杆，则得到双摇杆机构。不满足杆长条件的铰链四杆机构，无论取哪个杆件作机架，都无曲柄存在，则机构只能是双摇杆机构。

2.2.2 铰链四杆机构的演化

如图2-24a所示的曲柄摇杆机构，摇杆上C点的轨迹是以D为中心，以CD为半径的圆弧。若摇杆CD的长度趋于无穷大时，则C点的轨迹变成直线。于是该铰链四杆机构就演化成含有滑块的机构，如图2-24b所示。

对含有一个移动副的四杆机构，若改取不同构件作机架或扩大转动副等，可得到不同形式。

1. 曲柄滑块机构

如图2-24b所示，当连架杆1为曲柄时，该机构称为曲柄滑块机构。根据滑块导路是否通过曲柄转动中心A，曲柄滑块机构可分为对心曲柄滑块机构（图2-24b）和偏置曲柄滑块机构（图2-24c）两种，其中e为偏置距离。曲柄滑块机构广泛应用于内燃机、空气压缩机、压力机等机械中。

2. 导杆机构

在图2-24b所示的对心曲柄滑块机构中，若改取构件1为机架，即得导杆机构。当l₁<l₂时（图2-25a），机架是最短构件，它的相邻构件2与导杆4均能做整周回转，称为转动导杆机构；当l₁>l₂时（图2-25b），机架1不是最短构件，它的相邻构件导杆4只能来回摆动，称为摆动导杆机构。导杆机构常用于牛头刨床（图2-25c）、插床等机械中。

3. 摇块机构

在图2-24b所示的对心曲柄滑块机构中，若取构件2作机架，即得到图2-26a所示的摇块机构。这种机构广泛用于摆缸式内燃机和液压驱动装置等机械中。如图2-26b所示的载货汽车车厢的自动翻转卸料机构（自卸货车），卸料时液压缸3中的压力油推动活塞4运动，使车厢1绕B点转动，当达到一定角度时，物料便自动卸下。

4. 定块机构

在图2-24b所示的曲柄滑块机构中，若取构件3作机架，即可得到图2-27a所示的定块机构。这种机构常用于手动抽水泵（图2-27b）和抽油泵中。

5. 偏心轮机构

在平面四杆机构中，若需曲柄很短，或要求滑块行程较小时，通常都把曲柄做成盘状，因圆盘的几何中心与转动中心不重合也称为偏心轮，即得到图2-28所示的偏心轮机构。圆盘的几何中心B与转动中心A之间的距离e称为偏心距。偏心轮机构广泛应用于传力较大的剪切机、压力机、颚式破碎机等机械中。

按同样的演化方式，若将铰链四杆机构中两杆长度趋于无穷大，则两个转动副由两个移动副替代，且分别取不同构件作机架，可演化出下列机构：如图2-29所示的正弦机构，其从动件3的位移y=l₁ sinφ；如图2-30所示的正切机构，其从动件3的位移y=ltanφ。正弦机构和正切机构常用于仪表和计算装置中。如图2-31a所示的双转块机构，其主动件1与从动件3具有相等的角速度，可用于图2-31b所示的滑块联轴器；如图2-32a所示的双滑块机构，其两个滑块都可沿机架移动，可用于图2-32b所示的椭圆仪中。

生产中常见的某些多杆机构，也可以看成是由若干个四杆机构组合扩展形成的。

图2-33所示的手动压力机是一个六杆机构，它可以看成是由两个四杆机构组成的，即由构件1、2、3、4组成的双摇杆机构和由构件3、5、6、4组成的摇杆滑块机构。在此，前一个四杆机构中的从动件3作为后一个四杆机构的主动件，扳动手柄1，冲杆6就上下移动。作用在手柄上的力，通过手柄1和构件3的两次增大，从而增大了冲头上的作用力。这种增力作用在连杆机构中经常应用。