平面连杆机构的构造与应用

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：近年来对平面连杆机构的研究，不论从研究范围上还是方法上都有很大进展。已不再局限于单自由度四杆机构的研究，也已开展对多杆多自由度平面连杆机构的研究，并已提出了一些有关这类机构的分析及综合的方法。在连杆机构中，其构件多呈杆状，故常简称构件为杆。若铰链四杆机构中的两个连架杆均为曲柄，则称为双曲柄机构。

1.连杆机构及其传动特点

连杆机构是一种应用十分广泛的机构，它不仅在众多工农业机械和工程机械中得到广泛应用，而且诸如人造卫星太阳能板的展开机构、机械手的传动机构、折叠伞的收放机构以及人体假肢等，也都用到连杆机构。图6-90（a）所示为铰链四杆机构，图6-90（b）所示为曲柄滑块机构和图6-90（c）所示为导杆机构，是最常见的连杆机构形式。它们的共同特点是，其原动件1的运动都要经过一个不直接与机架相连的中间构件2才能传动给从动件3，中间构件2称为连杆，这些机构统称为连杆机构。

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图6-90　连杆机构

（a）铰链四杆机构；（b）曲柄滑块机构；（c）导杆机构

1）连杆机构的优点

（1）连杆机构中的运动副一般均为低副，因此，连杆机构也称低副机构。低副两运动副元素为面接触，压强较小，故可承受较大的载荷；且有利于润滑，磨损较小；此外，运动副元素的几何形状较简单，便于加工制造。

（2）在连杆机构中，当原动件的运动规律不变，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。

（3）在连杆机构中，连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线（称为连杆曲线），其形状还随着各构件相对长度的改变而改变，从而可以得到形式众多的连杆曲线，我们可以利用这些曲线来满足不同轨迹的设计要求。

此外，连杆机构还可以很方便地用来达到增力、扩大行程和实现远距离传动等目的。

2）连杆机构的缺点

（1）由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传递路线较长，易产生较大的误差积累，同时，也使机械效率降低。

（2）在连杆机构运动过程中，连杆及滑块的质心都在做变速运动，所产生的惯性力难于用一般平衡方法加以消除，因而会增加机构的动载荷，所以连杆机构不宜用于高速运动。

此外，虽然可以利用连杆机构来满足一些运动规律和运动轨迹的设计要求，但其设计却是十分困难的，且一般只能近似地得以满足。正因如此，如何根据最优化方法来设计连杆机构，使其能最佳地满足设计要求，一直是连杆机构研究的一个重要课题。

近年来对平面连杆机构的研究，不论从研究范围上还是方法上都有很大进展。已不再局限于单自由度四杆机构的研究，也已开展对多杆多自由度平面连杆机构的研究，并已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（KED）也得到很快的发展。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、计算时少、使用方便的通用软件。随着计算技术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，正在逐步获得解决。

根据各构件间的相对运动是平面运动还是空间运动，连杆机构可分为平面连杆机构和空间连杆机构两大类，在一般机械中应用最多的是平面连杆机构。

在连杆机构中，其构件多呈杆状，故常简称构件为杆。连杆机构常根据其所含的杆数而命名，如四杆机构、六杆机构等。其中平面四杆机构不仅应用特别广泛，而且常是多杆机构的基础。如图6-91所示，六杆机构就可以看作是由ABCD和DEF两个机构构成的。

2.平面四杆机构的类型和应用

1）平面四杆机构的基本形式

如图6-92所示，它是平面四杆机构的基本形式，其他形式的四杆机构均可认为是它的演化形式。在此机构中，AD为机架，AB、CD两构件与机架相连称为连架杆，BC为连杆。而在连架杆中，能做整周回转者称为曲柄，只能在一定范围内摆动者称为摇杆。

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图6-91　六杆机构

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图6-92　铰链四杆机构

在铰链四杆机构中，各运动副都是转动副。如组成转动副的两构件能相对整周转动，则称为周转副，不能做相对整周转动者，则称为摆动副。

（1）曲柄摇杆机构。铰链四杆机构的两个连架杆中，若其一为曲柄，另一为摇杆，则称其为曲柄摇杆机构。当以曲柄为原动件时，可将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动。其应用甚广，雷达天线俯仰机构即为一例，如图6-93（a）所示。若以摇杆为原动件时，可将摇杆的摆动转变为曲柄的整周转动，此种机构在农用、民用以人力为动力的机械中应用较多，缝纫机踏板机构即为一例，如图6-93（b）所示。

（2）双曲柄机构。若铰链四杆机构中的两个连架杆均为曲柄，则称为双曲柄机构。在一般形式的双曲柄机构中（冲床机构中的双曲柄机构ABCD），当主动曲柄AB做匀速转动时，从动曲柄CD做变速转动，从而可使滑块在冲压行程时慢速前进，而在空回行程中快速返回，以利于冲压工作的进行。

在双曲柄机构中，若相对两杆平行且长度相等则称其为平行四边形机构，如图6-94所示；它有两个显著特性：一是两曲柄以相同速度同向转动；另一是连杆做平动。此两特性在机械工程中均获得广泛应用。机车车轮的联动机构就利用了其第一个特性，如图6-95所示；摄影平台升降机构［图6-96（a）］和播种机料斗机构［图6-96（b）］则是利用了其第二个特性。

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图6-93　曲柄摇杆机构

（a）雷达天线俯仰机构；（b）缝纫机踏板机构

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图6-94　平行四边形机构

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图6-95　机车车轮的联动机构

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图6-96　平行四边形机构的实例

（a）摄影平台升降机构；（b）播种机料斗机构

如双曲柄机构中两相对杆的长度分别相等，但不平行（图6-97），则称其为逆平行（或反平行）四边形机构。当以其长边为机架时［图6-97（a）］，两曲柄沿相反的方向转动，图6-98所示的车门开闭机构就利用了这个特性，它可使两扇车门同时敞开或关闭，当以其短边为机架时［图6-97（b）］，其性能和一般双曲柄机构相似。

（3）双摇杆机构。若铰链四杆机构的两个连架杆都是摇杆，则称为双摇杆机构。铸造用大型造型机的翻箱机构，就应用了双摇杆机构ABCD，如图6-99（a）所示。它可将固定在连杆BC上的沙箱在BC位置进行造型振实后，翻转180°，转到B′C′位置，以便进行拔模。

在双摇杆机构中，若两摇杆长度相等，则形成等腰梯形机构。汽车、拖拉机前轮的转向机构，即其应用实例，如图6-99（b）所示。

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图6-97　逆平行（或反平行）四边形机构

（a）以长边为机架；（b）以短边为机架

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图6-98　车门开闭机构

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图6-99　双摇杆机构的应用实例

（a）翻箱机构；（b）转向机构

2）平面四杆机构的演化形式

除上述三种形式的铰链四杆机构之外，在机械中还广泛地采用其他形式的四杆机构，不过这些形式的四杆机构，可认为是由四杆机构的基本形式演化而来的。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，但它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。

（1）改变构件的形状和运动尺寸。在图6-100（a）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ββ往复运动。如图6-100（b）所示，设将摇杆3做成滑块形式，使其沿圆弧导轨ββ往复滑动，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具有曲线导轨的曲柄滑块机构。

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图6-100　曲柄摇杆机构的演化

（a）曲柄摇杆机构；（b）曲柄滑块机构

又若将图6-100（a）中摇杆3的长度增至无穷大，则图6-100（b）中的曲线导轨将变成直线导轨，于是铰链四杆机构就演化成为常见的曲柄滑块机构，如图6-101所示。图6-101（a）所示为具有偏距e的偏置曲柄滑块机构；图6-101（b）所示为无偏距的对心曲柄滑块机构。曲柄滑块机构在冲床、内燃机、空压机等机械中得到广泛的应用。

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图6-101　曲柄滑块机构

（a）具有偏距e的偏置曲柄滑块机构；（b）无偏距的对心曲柄滑块机构

图6-101（b）所示的曲柄滑块机构还可进一步演化为图6-102所示的双滑块四杆机构。在图6-102（b）所示的机构中，从动件3的位移与原动件1的转角的正弦成正比（s＝lAB sinφ），故称为正弦机构，它多用在仪表和解算装置中。

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图6-102　双滑块四杆机构

（a）普通双滑块四杆机构；（b）正弦机构

由上所述可知，移动副可认为是回转中心在无穷远处的转动副演化而来。

（2）改变运动副的尺寸。在图6-103（a）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，常将曲柄改为图6-103（b）所示的偏心盘，回转中心至几何中心的偏心距等于曲柄的长度，这种机构称为偏心轮机构。其运动特性与曲柄滑块机构完全相同、偏心轮机构可认为是将曲柄滑块机构中的转动副B的半径扩大，使之超过曲柄长度演化而成。偏心轮机构在锻压设备和柱塞泵中应用较广。

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图6-103　曲柄滑块机构的演化

（a）曲柄滑块机构；（b）偏心轮机构

（3）选用不同的构件为机架。在图6-104（a）所示的曲柄滑块机构中，若改选构件1为机架［图6-104（b）］，此时构件4绕轴A转动，而构件3则以构件4为导轨沿其相对移动，构件4称为导杆，机构称为导杆机构。选构件2、滑块3为机架，如图6-104（c）、（d）所示。

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图6-104　选用不同的构件为机架

（a）构件4为机架；（b）构件1为机架；（c）构件2为机架；（d）滑块3为机架

在导杆机构中，如果导杆能做整周转动，则称为回转导杆机构。如图6-105所示，小型刨床中的ABC部分即回转导杆机构。如果导杆仅能在某一角度范围内摆动，则称为摆动导杆机构。牛头刨床的导杆机构ABC即为一例，如图6-106所示。

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图6-105　回转导杆机构

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图6-106　摆动导杆机构

如果在图6-104（a）所示的曲柄滑块机构中，改选构件BC为机架［图6-104（c）］，则演化为曲柄摇块机构。其中构件3仅能绕点C摇摆。自卸卡车车厢的举升机构ABC即为一例，其中摇块3为油缸，用压力油推动活塞使车厢翻转，如图6-107所示。

若在图6-104（a）所示的曲柄滑块机构中改选滑块3为机架［图6-104（d）］，则演化成为直动滑杆机构。手摇系统即为一应用实例，如图6-108所示。

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图6-107　曲柄摇块机构

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图6-108　手摇系统

选运动链中不同构件作为机架以获得不同机构的演化方法称为机构的倒置。铰链四杆机构、双滑块四杆机构等同样可以经过机构的倒置以获得不同形式的四杆机构。

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图6-109　运动副元素的逆换

（a）摆动导杆机构；（b）曲柄摇块机构

（4）运动副元素的逆换。对于移动副来说，将运动副两元素的包容关系进行逆换，并不影响两构件之间的相对运动，但却能演化成不同的机构。如图6-109（a）所示，摆动导杆机构当将构成移动副的构件2、3的包容关系进行逆换后，即演化为图6-109（b）所示的曲柄摇块机构。由此可见，这两种机构的运动特性是相同的。

由上述可见，四杆机构的形式虽然多种多样，但根据演化的概念，可为我们归类研究这些四杆机构提供方便；反之，我们也可根据演化的概念，设计出形式各异的四杆机构。

平面连杆机构的构造与应用

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