铰链四杆机构的常用机构

第二章 常用机构

学习目标

1.了解和掌握铰链四杆机构的组成、基本类型及其特点和应用

2.了解和掌握凸轮机构的组成、特点、分类、应用及其从动件常用运动规律

3.了解棘轮机构和槽轮机构的组成、分类、特点和应用

一、运动副

使两构件直接接触而又能产生一定相对运动的连接，称为运动副。

在工程上，人们把运动副按其运动范围分为空间运动副和平面运动副两大类。在一般机器中，经常遇到的是平面运动副。平面运动副根据组成运动副的两构件的接触形式不同，可分为低副和高副。

1. 低副

低副是指两构件之间作面接触的运动副（图2—1），包括转动副、移动副和螺旋副。

图 2—1

2. 高副

高副是指两构件之间作点或线接触的运动副（图 2—2）

二、平面连杆机构

平面连杆机构的各构件是用销轴、滑道（低副）等方式连接起来的，各构件间的相对运动均在同一平面或互相平行的平面内。

最简单的平面连杆机构是由4个杆件组成的，简称平面四杆机构，其结构简单，易于制造，工作可靠，因此应用非常广泛。图2—3所示

图 2—2

图2—3

§ 2—1 铰链四杆机构

铰链（即转动副）的形式很多，机械设备中铰链的一般形式如图6—3所示；在日常生活中，门和家具上用的合叶（图2—4）也是铰链联接的具体应用。

图 2—4

铰链四杆机构在生活、生产和工作中广泛用于动力的传递或者改变运动的形式，例如公共汽车车门的开闭（图2—5）、汽车前窗刮雨器（图2—6）的运动等都是利用铰链四杆机构来完成工作任务的。

公共汽车车门上安装了铰链四杆机构，

通过杆件的联动，使两侧车门实现同时开启、

同时关闭的运动。

图2—5

当有雨水或雾气聚集在汽车前挡玻璃上

挡住驾驶员的视线时，开启汽车前窗刮雨器，

雨刮在电动机的带动下就会左右摆动刮去雨

水或雾气。雨刮为什么能将电动机的旋转运

动转变为来回的摆动？这也是铰链四杆机构

的作用。

图2—6

一、铰链四杆机构的组成

如图2—7所示，由4个构件通过铰链（转动副）连接而成的平面机构，称为铰链四杆机构。右图为铰链四杆机构的简图。

在该机构中，固定不动的4称为机架；与机架用转动副相连接的杆1和杆3称为连架杆；不与机架相连接的杆2称为连杆。

曲柄——如果连架杆能绕其回转中心做整周转动，则称为曲柄。

摇杆——如果连架杆只能在一定角度内作摆动，则称为摇杆。

图2—7 4—机架 1,3—连架杆 2—连杆

二、铰链四杆机构的基本类型

对于铰链四杆机构来说，机架和连杆总是存在的，按照曲柄的存在情况，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、曲柄摇杆机构及其应用

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，

如图2—8所示

图2—8 曲柄摇杆机构

曲柄AB为主动件，逆时针等速转动。当曲柄AB的B端从B点回转到B1点时，从动件摇杆CD的C端从C点逆时针摆动到C1点，而当B端从B1点回转到B2点时，C端从C1点顺时针摆动到C2点。当B端继续从B2点回转到B1点时，C端将从C2点逆时针摆回到C1点。C1，C2两个位置是摇杆摇摆的两个极限位置。

曲柄摇杆机构的主要作用是将主动件AB的整周回转运动转换成摇杆CD的往复摆动，曲柄AB是主动件并做匀速回转，摇杆CD是从动件做变速往复摆动。

曲柄摇杆机构的应用如图2—9所示

曲柄摇杆机构的应用举例

图示简图

曲柄AB为主动件且

均匀转动，通过连杆BC带动

摇杆CD作往复摆动，摇杆

延伸端实现剪板机上刃口

的开合剪切动作

曲柄1转动，通过连杆2

使固定在摇杆3上的天线作一

定角度的摆动，以调整天线的

俯仰角

主动曲柄AB回转，从动

摇杆CD作往复摆动，利用摇

杆的延长部分实现刮水动作

踏板（相当于摇杆）为主动

件，当用脚踩踏板时。通过连杆

BC使带轮（相当于曲柄）作

整周转动

图2—9

2、双曲柄机构及其应用

两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构，称为双曲柄机构，如图2—10所示

图2—10 不等长双曲柄机构

曲柄AB为主动件，当主动曲柄AB匀速顺时针回转180°到AB1位置时，从动曲柄CD 顺时针回转到C1D，转过角度，主动曲柄AB继续再匀速回转180°，从动曲柄CD转过角度为，显然 > 。

双曲柄机构的运动特点是主动曲柄匀速回转一周，从动曲柄随之变速回转一周。

图2—10所示的双曲柄机构中两曲柄长度不相等，，称为不等长双曲柄机构，其应用如图2—11所示的惯性筛

图示 简图

主动曲柄AB 作匀速 转动，从动曲柄CD 作变 速转动，通过构件CE 使 筛子产生变速直线运动， 筛子内的物料因惯性而来 回抖动

图2—11 惯性筛

双曲柄机构中，若相对的两杆长度分别相等且转向相同，则称为平行双曲柄机构，如图2—12

图2—12 平行双曲柄机构

平行双曲柄机构的应用如图2—13所示的天平

图示 简图

利用平行双曲柄机构中

两曲柄的转向和角速度均相 同的特性，保证两天平盘始 终处于水平状态。

图2—13 天平

平行双曲柄机构在运动过程中，主动曲柄AB （图2—12）转动一周，从动曲柄CD 将会出现两次与连杆BC 共线位置，这样会造成从动曲柄CD 运动的不确定现象，（即CD 可能顺时针转，也可能逆时针转而变成反向双曲柄机构）。为避免这一现象的发生，可用增设辅助机构方法来解决。图2—14所示为机车主动轮联动装置。，它是增设了一个曲柄EF 的辅助构件，以防止平行双曲柄机构ABCD 变为反向双曲柄机构。

图2—14 机车主动轮联动装置

在双曲柄机构中，若相对的两杆长度分别相等，但曲柄转向不同，称为反向双曲柄机构（图2—15）

图2—15 反向双曲柄机构

反向双曲柄机构的应用如图2—16所示的车门开闭机构

图示 简图 两曲柄的转向相反， 角速度也不相同。牵动 主动曲柄AB 的延伸端E ， 能使两扇车门同时开启 或关闭

图2—16 3、双摇杆机构及其应用

图2—17

双摇杆机构的应用如图

2—18所示

当摇杆AB 摆动时， 摇杆CD 随之摆动，可 使吊在连杆BC 上点E 处的重物G 作近似水平 移动这样可避免重物在 平移时产生不必要的升 降，减少能量消耗

汽车前轮转向机构中， 两摇杆的长度相等，当汽

车直线行驶时，机构保持

为等腰梯形；当汽车转弯

时，两摇杆摆过不同的角

度，使两前轮同时转动。

飞机着陆前，着陆轮

须从机翼（机架）中推放

至图中位置，AB与BC共

线。飞机起飞后，为了减

小飞行中的空气阻力，又

须将着陆轮收回机翼中。

上述动作由主动摇杆AB通

过连杆BC驱动从动摇杆CD

带动着陆轮实现

图2—18

三、铰链四杆机构的基本性质

我们已经研究了铰链四杆机构的组成，了解了机架、连杆、曲柄和摇杆的定义和相互之间的关系。如果改变它们之间的某一尺寸或者位置关系，那么它们的结构性质就会发生变化，就会转化成另外一种性质的铰链四杆机构。下面我们就来研究铰链四杆机构的基本性质。

1、曲柄存在的条件

从上述铰链四杆机构的三种基本形式中可知，它们的根本区别就在于连架杆是否为曲柄，曲柄的存在条件为：

1）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。

2）最短杆为机架或连架杆。

根据曲柄存在的条件，可得出铰链四杆机构基本类型的判别方法。

1）当最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和时：

（1）若最短杆为连架杆，则机构为曲柄摇杆机构。

（2）若最短杆为机架，则机构为双曲柄机构。

（3）若最短杆为连杆，则机构为双摇杆机构。

2）当最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和时，则不论取何杆为机架，机构均为双摇杆机构.

2.急回特性

工作行程：DC1到DC2的过程

空回行程：DC2到DC1的过程

工作行程和空回行程摇杆的摆角相同，

曲柄AB的转角 =180°+θ =180°-θ

图2—19 曲柄摇杆机构

图2—19所示为曲柄摇杆机构，曲柄AB为主动件，当曲柄旋转一周时，在AB1和AB2两位置上与连杆BC共线，同时摇杆CD分别位于两极限位置C1D和C2D,其夹角为摇杆的摆角。曲柄与连杆两次共线位置之间所夹的锐角θ称为极位夹角。

设从动件摇杆CD工作行程所需时间为，C点的平均速度为，曲柄AB从B1转至B2

的转角为，则=C1C2/.

又设从动杆摇杆CD空回行程所需时间为，C点的平均速度为，曲柄AB从B2转回至B1的转角为，则=C2C1/.

因为曲柄AB是以等角速度旋转，所以t=/ω，故>,从而>.

上述分析表明，摇杆在返回过程中运动较快，即机构具有急回特性。

K====

°

3.死点位置

在图2—20所示的曲柄摇杆机构中，设摇杆CD为主动件，曲柄AB为从动件，当机构处于图示的两个虚线位置之一时，连杆与曲柄在一条直线上。这时主动件CD通过连杆作用于从动件AB上的力恰好通过其回转中心，此力对A点不产生力矩。所以不能使构件AB转动而出现“顶死”或者运动不确定状态（即工作件在该位置可能反向转动），这个位置称为死点位置。

图2—20

图2—21

为了使机构能够顺利地通过死点，继续正常运转，可以采用机构错位排列的办法，即将两组以上的机构组合起来，而使各组机构的死点相互错开（如图2—21所示的蒸汽机车车轮联动机构，就是由两组曲柄滑块机构EFG与E1F1G1组成的，而两者的曲柄位置相互错开90°）；也常采用加大惯性的办法，借惯性作用使机构闯过死点。

“死点”位置是有害的，但在某些场合却利用“死点”来实现工作要求。

图2—22所示的飞机起落架机构，在机轮放下时，杆BC与杆CD成一直线，机构出于死点，此时虽然机轮上可能受到很大的力，起落架不会反转（折回），使降落更加可靠。

图2—22 飞机起落架机构

图2—23所示的钻床工件夹紧机构，也是利用机构的死点进行工作的，当工件夹紧后，BCD成一直线，机构处于死点位置，将工件紧紧压住，保证在钻削加工时，工件不会松脱。

图2—23

§ 2—2 凸轮机构

凸轮机构广泛应用于各种自动机械、仪器和操纵控制装置中。凸轮机构之所以得到如此广泛的应用，主要是由于凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。

一、凸轮机构的组成、特点

图2—24所示，凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。凸轮是一个具有曲线轮廓的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复移动。与凸轮轮廓接触的构件一般作往复直线运动或摆动，称为从动杆。

凸轮机构的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，只要根据从动件的运动规律就可以设计出凸轮的轮廓曲线。

图2—24

二、凸轮机构的类型

由于凸轮的形状和从动杆的结构形式、运动方式不同，所以凸轮机构有不同的类型。

1.按照凸轮的形状分类

按照凸轮的几何形状分为三种：盘形凸轮、圆柱凸轮、移动凸轮和圆锥凸轮。

如图2—25所示

凸轮形状图例运动特点

凸轮的最基本形式，是一个绕固定轴

转动且径向尺寸变化的盘形构件，其轮廓

盘形凸轮曲线位于外缘处，当凸轮转动时，可使从（圆盘凸轮）动杆在垂直平面内运动。结构简单，应用

最为广泛，但从动杆的行程不能太大，多

用于行程较短的场合

盘形凸轮回转中心趋向无穷远时就变移动凸轮移动凸轮，可以相对机架作往复直线移动

（板状凸轮）凸轮移动时，可推动从动杆得到预定要求

的运动。

在圆柱端面上做出曲线轮廓或

者在圆柱面上开有曲线凹槽，从动

圆柱凸轮杆一端顶在端面上或夹在凹槽中，

当凸轮转动时从动杆沿端面或沟槽

作直线往复运动或摆动。这种凸轮

与从动杆的运动不在同一平面内，

因此是一种空间凸轮，可以使从动

杆得到较大的行程。主要适用于

行程较大的机械。

圆锥凸轮在圆锥表面上制成合乎要求的封闭

曲线槽使从动杆沿一倾斜导轨移动。

图2—25

2.按照从动杆的运动方式分类

按照从动杆的运动方式由分为移动和摆动两种，如图2—26所示

移动（直动）从动杆凸轮机构

摆动从动杆凸轮机构

图2—26

3.按照从动杆的端部结构形式分

按照从动杆的端部结构分为尖顶式从动杆、滚子式从动杆和平底式从动杆。图2—27所示从动件形式移动摆动主要特点从动杆做

成尖顶能与任意复杂的凸

轮轮廓保持接触。从而保

证从动件实现

尖顶复杂的运动规律，结构简

单动作灵敏，但无论是从

动杆还是凸轮轮廓都容易

磨损，适用于低速、传力

小和动作灵敏等场合。

从动杆顶端装有滚子，与凸轮

的接触为线接触，且滚子与凸滚子轮之间为滚动摩擦，所以凸轮

接触摩擦阻力小，解决了凸轮

机构摩擦过快的问题，可用传

递较大的动力。

从动杆顶端做成较大的平底与

凸轮接触，凸轮对推杆的作用平底力始终垂直于推杆的底边，故

受力比较平稳，而且凸轮与

底面接触面较大，容易形成油

膜，减少摩擦，但灵敏性较差

图2—27

三、凸轮机构的应用

凸轮机构在生活中应用广泛，如图2—28所示

凸轮转动时，依靠凸轮的

轮廓，使从动件(气门)向下移

动打开气门，借助弹簧的作用

力关闭，实现按预定时间打开

或关闭气门，完成内燃机的

内燃机配气机构配气动作。

当凸轮转动时，依靠凸

轮的轮廓可使从动杆作往复自动车床完成进刀和退刀动作。

横刀架进给机构摆动，从动杆上装有扇形齿

轮，通过它可带动横刀架

完成进刀和退刀动作。

移动凸轮，可使从动杆

沿凸轮轮廓运动，带动刀架车床仿形机构进退，完成与凸轮轮廓曲线

相同的工件外形的加工。

图2—28

四、凸轮机构的有关参数

1.基圆半径

在图2—29所示的机构中，从动件（杆）在最低位置时，尖顶在a点（图2—29a），以凸轮的最小半径r b=Oa所作的圆称为基圆，r b称为基圆半径。

2.行程和转角

当凸轮按逆时针方向转过一个角度δ时(图2—29b)，从动件将上升一段距离，即产生一段位移s。当凸轮转过δo时，从动件到达最高位置（图2—29c），此时从动件的最大升距称为行程，用h表示，凸轮转动的角度δ，称为转角（也称为运动角）。

图2—29

§ 2—3 间歇运动机构

间歇机构是能够将主动件的连续运动转换成从动件的周期性运动或停歇的机构。

间歇机构的类型很多，只介绍常用的棘轮机构和槽轮机构。

一.棘轮机构

1.棘轮机构的组成

如图2—30所示，该机构由棘轮、棘爪和机架组成。当摇杆向左摆动时，装在摇杆上的棘爪嵌入棘轮的齿槽内，推动棘轮朝逆时针方向转过一角度；当摇杆向右摆动时，棘爪便在棘轮的齿背上滑回原位，棘轮静止不动。为了使棘轮的静止可靠和防止棘轮的反转，在机架上安装止回棘爪。这样，当曲柄作连续回转时，棘轮只能作单向的间歇运动。

图2—30

2.棘轮机构的类型如图2—31所示

类型简图工作原理特点

单向式棘轮机构如图2—30 原理和2—30所示摇杆往复摆动一

原理相同次，棘爪单向推

动棘轮间歇的

转动一次。

把棘轮的齿制成矩形，

棘爪制成可翻转的。可使从动件实

当棘爪处在图示位置现双向间歇运

B时，棘轮获得逆时动

双向式针单向间歇运动；而

棘轮机构当把棘爪绕其销轴A

翻转到虚线所示位置

B1时，棘轮即可获得

顺时针单向间歇运动。

同时应用两个棘爪

分别与棘轮接触，摇杆往复摆动

当主动件作往复摆一次，棘轮沿双动式动时，两个棘爪都同一方向间歇棘轮机构能先后使棘轮朝同转动两次，停

一方向转动。使棘歇时间较短，

轮转速增加一倍转角也较小

棘轮是一个没有齿

的摩擦轮，靠摩擦无级的调节

力推动棘轮转动和棘轮转角的

摩擦式棘轮机构止动，通过与右棘大小，传递

爪之间的摩擦来能力不大，适

传递转动的，上用于轻载场合

棘爪是用来作反向

制动用的

图2—31

二.槽轮机构

1.槽轮机构的组成

如图2—32所示。它由带圆柱销的主动拨盘与带径向槽的从动槽轮及机架组成。拨角以等角速度作连续回转，槽轮则时而转动，时而静止。当圆柱销未进入槽轮的径向槽时槽轮的内凹弧被拨盘的外凸圆弧卡住，槽轮静止不动。图2—32a为圆柱销刚开始进入槽轮径向槽时的位置，这时槽轮的内凹弧也刚好开始被松开，槽轮受圆柱销的驱使而转动。当圆柱销在另一边离开径向槽时（图2—32b），内凹弧又被卡住，槽轮又静止不动，直至圆柱销再一次进入槽轮的下一个径向槽时，又重复上述的运动。拨盘每转一周，槽轮转过2φ转角。

图2—32

2.槽轮机构的特点与应用

图2—33所示为槽轮机构应用在电影放映机上的卷片机构。为适应人们的视觉暂留现象，要求影片作间歇运动，槽轮开有4个径向槽，当传动轴带动圆柱销每转过一周时，槽轮转过90°，所以能使影片的画面有一段停留时间。

图2—33 图2—34

图2—34为转塔车床的刀架转位机构。为了按照零件加工工艺的要求，能自动的改变