第十一章 汽车典型机构的分析与应用(常见四杆机构)
平面四杆机构的演化及应用
平面四杆机构的演化及应用摘要：平面连杆机构是由若干个结构通过低副连接而而成的机构。
最简单的平面连杆结构是由四个构件组成的，即为平面四杆机构。
通过改变铰链四杆机构的各杆长度，铰链四杆机构可以区分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构、平行四边形机构、反平行四边形机构和双摇杆机构。
平面四杆机构可通过改变构件的形状与尺寸、改变运动副的尺寸、互换运动副元素和选择不同构件作机架进行演化。
本文就这些四杆机构的演化方法及简单应用予以阐述，掌握这些演化方法，有利于对连杆机构进行创新设计，更好的应用。
关键词：平面四杆机构演化应用正文：平面连杆机构是常用的低副机构，其中以由四个构件组成的四杆机构应用最广泛，而且是组成多杆机构的基础。
上图中AD为机架，AB、CD与机架组成运动副称为连架杆，BC 不与机架直接相连而作平面一般运动，称为连杆。
在连架杆中，相对于机架作整周回转的称为曲柄，只能在一定范围内摆动的称为摇杆。
通过改变铰链四杆机构的各杆长度，铰链四杆机构又可以区分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构、平行四边形机构、反平行四边形机构和双摇杆机构。
一、四杆机构的类型1．曲柄摇杆机构（如图5.2）两连架杆一为曲柄，一为摇杆。
功能：将等速转动转换为变速摆动或将摆动转换为连续转动。
应用：雷达天线机构、缝纫机踏板机构。
2．双曲柄机构（如图5.3）两连架杆都为曲柄功能：将等速转动转换为等速同向、不等速同向、不等速反向转动。
应用：惯性筛机构若两曲柄的长度相等，连杆与机架的长度也相等，则该机构称为平行双曲柄机构。
如铲斗机构还有反平行四边形机构，例：公共汽车车门启闭机构。
3．双摇杆机构两连架杆都为摇杆功能：一种摆动转换为另一种摆动。
应用：鹤式起重机、飞机起落架平行四边形机构是双曲柄机构的一个特例。
组成四边形对边的构件长度分别相等。
曲柄a和c的回转方向相同，角速度时时相等。
反平行四边形机构是组成四边形的对边构件长度分别相等。
曲柄a和c回转方向相反，主动曲柄等速转动，从动曲柄变速转动。
常用机构的原理及应用
常用机构的原理及应用1. 概述机构（Mechanism）是由多个构件组成的系统，通过各个构件之间的相对运动或相互作用来实现特定功能的装置。
常用机构是指广泛应用于各个领域的机械装置，如连杆机构、齿轮机构、摆线机构等。
本文将介绍常用机构的原理及其在实际应用中的情况。
2. 连杆机构连杆机构是最简单、最基础的机构之一，由多个连杆构成，通过连杆之间的连接点的相对运动实现特定的工作效果。
连杆机构具有以下特点：•运动可控性好。
通过控制不同连杆的运动轨迹和角速度，可以实现各种复杂的运动要求。
•可承受大量载荷。
连接点处的力可以传递到其他连杆上，从而实现力的传递和分配。
•可靠性高。
通过调整各个连杆的尺寸和形状，可以提高机构的刚度和稳定性。
连杆机构在行业中的应用非常广泛，例如：•内燃机：连杆机构将活塞运动转化为曲轴输出，从而实现发动机的正常工作。
•工程机械：连杆机构用于挖掘机、压路机等工程机械的动力传递和控制系统中。
•机床：连杆机构用于形成传统的数控机床结构，实现工件在不同方向上的运动。
3. 齿轮机构齿轮机构是一种利用齿轮传递运动和力的机构，由多个齿轮组成。
通过调整齿轮的尺寸和齿数，可以实现不同的运动比例和力传递效果。
齿轮机构的特点包括：•功效稳定。
齿轮的传动比例是固定的，可以保证运动连续和传动可靠。
•运动平稳。
由于相对滚动的齿面接触运动，传递的力和运动都比较平稳。
•传动效率高。
齿轮的传动效率一般在95%以上，能够有效地减少功耗。
齿轮机构在许多领域都有广泛的应用，例如：•汽车变速器：利用不同齿轮的组合，实现汽车在不同速度下的运动和驱动力。
•机床传动：通过齿轮机构实现机床的主轴和进给轴之间的传动和控制。
•工业生产线：利用齿轮机构实现工业生产线上各种设备的传动和同步控制。
4. 摆线机构摆线机构是一种通过摆线齿轮传递运动的机构，由摆线齿轮和连杆组成。
利用摆线齿轮的特殊形状，可以将旋转运动转化为直线运动。
摆线机构的特点包括：•运动精度高。
铰链四杆机构类型的判定
铰链四杆机构类型的判定1. 什么是铰链四杆机构？铰链四杆机构是一种常见的机械传动装置，由四个连杆通过铰链连接而成。
它主要用于将旋转运动转化为直线运动或者将直线运动转化为旋转运动。
铰链四杆机构由以下几个部分组成：•固定基座：提供支撑和固定机构的作用。
•两个连接杆：连接在基座上，通过铰链与其他连杆相连。
•输入连杆：通过铰链与基座和输出连杆相连。
•输出连杆：通过铰链与输入连杆相连，完成运动转换。
2. 铰链四杆机构的分类根据铰链四杆机构的结构和特点，可以将其分为以下三种类型：（1）平面平行四杆机构平面平行四杆机构中，输入连杆和输出连杆均为平行，并且位于同一平面上。
这种机构常用于需要保持物体水平移动的场合。
汽车后轮悬挂系统中的独立悬挂就是一种典型的平面平行四杆机构。
（2）空间平行四杆机构空间平行四杆机构与平面平行四杆机构相比，多了一个维度的自由度，可以在三维空间内进行运动。
输入连杆和输出连杆仍然是平行的，但它们不再位于同一平面上。
这种机构常用于需要进行复杂直线运动的场合。
（3）球面四杆机构球面四杆机构中，输入连杆和输出连杆不再是平行的，而是相交于一个固定点。
这种机构常用于需要将旋转运动转化为其他运动形式的场合。
汽车发动机中的曲轴连杆机构就是一种典型的球面四杆机构。
3. 铰链四杆机构类型的判定方法判定铰链四杆机构的类型可以通过以下步骤进行：（1）确定基座和铰链根据实际情况确定基座和铰链的位置。
基座通常是固定不动的，而铰链则连接各个连杆以实现运动传递。
（2）绘制连杆图根据已知信息，在纸上绘制出各个连杆的位置和长度。
可以使用CAD软件或者手工绘制。
（3）确定输入连杆和输出连杆根据机构的功能需求，确定哪根连杆是输入连杆，哪根连杆是输出连杆。
输入连杆通常与动力源相连，输出连杆则负责传递运动。
（4）判断平行关系通过观察绘制的连杆图，判断输入连杆和输出连杆是否平行。
如果它们平行且位于同一平面上，则为平面平行四杆机构；如果它们平行但不在同一平面上，则为空间平行四杆机构。
四杆机构分析
基于matlab和ADMAS的四杆机构运动仿真摘要：铰链四杆机构是机械设备中最基本的机构类型之一，文中以它为研究对象建立数学模型，应用MATLAB编程与ADMAS建模分别对四杆机构进行仿真分析，获得各点的运动曲线，进行对比，两种方法各有所长，分析结果显示直观。
1 引言平面四杆机构是连杆机构中最常见的机构组成，由于其结构简单，可承受载荷大，连杆曲线具有多样性等优点，它在工程中得到广泛的运用，设计四杆机构的方法有很多，比如解析法、作图法、实验法，但这些方法都存在一定的缺点，图解法精度差，解析法的计算工作量大,不直观使其在工程运用中受到约束，如果设计平面四杆机构时能显示其运动轨迹从而将图示结果与设计要求进行对比，可以使设计显得更加直观，提高工作效率。
本文以MATLAB、ADMAS为平台，开发了一个平面四杆机构运动轨迹仿真系统，模拟四杆机构的运动仿真，并获得各点的运动轨迹坐标，使设计显得直观，更好的帮助了工程技术人员在机构分析与设计过程中进行优化，提高了工作效率，降低产品开发成本2 建立机构运动的数学模型设原动件OA以n转/min的速度匀速转动，求各杆的运动轨迹。
将平面四杆机构看成1个封闭的四边形,连接OB、AC相交于E点，令t2=∠AOC、t4=∠BCD、t3=∠BAF、a=∠ACO、b=∠ACB、e=AC，AD、DC、CO的杆长分别为r1、r2、r3、r4，如图1所示。
图1 四杆机构数学建模由原动件OA以n转/min的速度匀速转动可得OA的角速度为：①w=2**n/60则∠AOC在任意时刻的角度为：22t = t deg*/180π ②其中2t deg 为任意时刻的∠AOC 的弧度，是已知常量。
在三角形AOC 中根据余弦定理得e = ③在三角形ADC 中根据余弦定理得cos()g = ④在三角形AOC 中根据正弦定理得2sin()sin()*2/a t r e = ⑤在三角形ADC 中根据正弦定理得sin()sin()*3/b g r e = ⑥联立①-⑥式即可解得a 、b 、g 、t2则4t = 180*d2r - a - b34t = t -g由此可得任意时刻a 点的运动轨迹坐标为（ax ，ay ），其中：x 22a =r *cos(t ) y 22a =r *sin(t )任意时刻b 点的运动轨迹坐标为（bx ，by ），其中：x 441b =r *cos(t )+r y 44b =r *sin(t )3．matlab 程序设计平面四杆机构运动轨迹仿真程序设计当数学模型完成后，紧接着我们在M 文件中来编写程序实现平面四杆机构的运动轨迹仿真（当然也可直接在notebook 里进行编写与仿真）。
平面铰链四杆机构分类
平面铰链四杆机构分类一、引言平面铰链四杆机构是一种常见的机械传动结构，由四个杆件通过铰链连接而成。
它具有简单、可靠、刚性好等优点，在机械领域有着广泛的应用。
本文将对平面铰链四杆机构进行分类和分析，以期更好地了解和应用这一机构。
二、分类平面铰链四杆机构可以根据其杆件的链接关系和机构的运动方式进行分类。
2.1 根据杆件链接关系分类•对称四杆机构：四个杆件两两对称连接，形成一个对称的结构。
常见的具有对称结构的平面铰链四杆机构有平行四杆机构和梯形四杆机构。
•非对称四杆机构：四个杆件之间没有对称关系，形成一个非对称的结构。
常见的非对称平面铰链四杆机构有双曲线四杆机构和椭圆四杆机构。
2.2 根据机构的运动方式分类•旋转运动四杆机构：机构中至少有一个连杆可以绕铰链进行旋转运动。
例如，摇杆机构和滑块机构都属于旋转运动四杆机构。
•平动运动四杆机构：杆件只能以平动的方式运动，不能绕铰链进行旋转运动。
典型的平动运动四杆机构有单滑块机构和双滑块机构。
三、对称四杆机构3.1 平行四杆机构四杆机构中的两个杆件平行于彼此，并且与另外两个杆件相互垂直。
平行四杆机构有两组平行链接的杆件，因此具有对称的结构。
其机构特点是：•杆件a和b平行，杆件c和d平行；•杆件a和d通过铰链连接，形成了机构的链接框架；•杆件b和c通过其他的铰链连接。
3.2 梯形四杆机构四杆机构中的两个杆件不平行，而是呈现出梯形的形状。
梯形四杆机构同样具有对称结构，其机构特点是：•杆件a和b不平行，杆件c和d不平行；•杆件a和d通过铰链连接，形成了机构的链接框架；•杆件b和c通过其他的铰链连接。
四、非对称四杆机构4.1 双曲线四杆机构四杆机构中的杆件连接形成一个双曲线的形状，因此称为双曲线四杆机构。
其机构特点是：•杆件a和b彼此相交，杆件c和d彼此相交；•杆件a和d通过铰链连接，形成了机构的链接框架；•杆件b和c通过其他的铰链连接。
4.2 椭圆四杆机构四杆机构中的杆件连接形成一个椭圆的形状，因此称为椭圆四杆机构。
平面四杆机构的基本类型及应用
总结：平面连杆机构的演化
感谢下 载
可编辑
图 3－11
3、双摇杆机构
双摇杆机构:铰链四杆机构中的两连架杆均不能作 整周转动的机构。
如图3－12所示鹤式起重机的双摇杆机构ABCD， 它可使悬挂重物作近似水平直线移动，避免不 必要的升降而消耗能量。在双摇杆机构中，若 两摇杆的长度相等称等腰梯形机构，如图3— 13中的汽车前轮转向机构。
二、平面连杆机构的演化
铰链四杆机构可分为以下三种类型
1、曲柄摇杆机构
铰链四杆机构的两连架杆中一个能作整 周转动，另一个只能作往复摆动的机构。
2、双曲柄机构
铰链四杆机构的两连架杆均能作整周转 动的机构。
在双曲柄机构中，若相对两杆平行相 等，称为平行双曲柄机构（图3－9）。 这种机构的特点是其两曲柄能以相同 的角速度同时转动，而连杆作平行移 动。图3－10a所示机车车轮联动机构 和图3－10b所示的摄影平台升降机构 均为其应用实例。
前面介绍的三种铰链四杆机构， 还远远满足不了实际工作机械的 需要，在实际应用中，常常采用 多种不同外形、构造和特性的四 杆机构，这些类型的四杆机构可以看作是由铰链
四杆机构通过各种方法演化而来的。
这些演化机构扩大了平面连杆机构的应用，丰 富了其内涵。
1、改变相对杆长、转动副演化为移动副
在曲柄摇杆机构中，若摇杆的杆长增大至无穷长，则
其与连杆相联的转动副转化成移动副。 ——曲柄滑块机构
曲柄滑块机构——偏心轮机构
当曲柄的实际尺寸很 短并传递较大的动力 时，可将曲柄做成几 何中心与回转中心距 离等于曲柄长度的圆 盘，常称此机构为偏 心轮机构。
双滑块机构
若继续改变图3—14b中对心曲柄滑块机构中杆 2长度，转动副C转化成移动副，又可演化成双 滑块机构（图3－15）。该种机构常应用在仪 表和解算装置中。
常用机构(四连杆机构)
三、平面四杆机构的传动特性
急回特性 死点位置 压力角和传动角
急回特征
当回程所用时间小于工作行程所用时间时，称该机构具有急回特征
极位夹角： 对应从动杆的两个极限位置, 主动件两相应位置所夹锐
角.
急回特性分析： 1 = C 1 = 1 t1 =1800 + 2 = 1 t2 =1800 -
慢 快
(3) 传力特性
压力角和传动角
压力角 从动杆(运动输出件)受力点的力作用线与该点 速度方位线所夹锐角. (不考虑摩擦)
传动角
压力角的余角.(连杆轴线与从动杆轴线所夹锐角)
F
d
V
d
d
1800 d
传动不利，设计时规定 4050 通常，机构在运动过程中传动角是变化的，最小值在哪？
设计
已知活动铰点B、C中心位置，求固定铰链A、D 中心位置。
B1
C1
B2
A●
●D
C2
四杆机构 AB1C1D 为所求.
实现连杆给定的三个位置
C1 C2
B1 B2
B3 C3
D
A
四杆机构 AB1C1D 为所求.
2.具有急回特性的机构
按给定的 K 值,设计曲柄摇杆机构
1） 给定 K、y、LCD
① 分析.
(1) 曲柄存在条件
（以曲柄摇杆机构为例）
设 AB 为曲柄, 且 a<d . 由 △BCD :
b+c>f 、 b+f >c 、 c+f >b 以 fmax = a + d ， fmin = d - a 代入并整理得：
2汽车常见四杆机构精编版
图3 缝纫机的踏板机构
曲柄为 从动件， 机构工 作时会 出现什 么现象？
2、双曲柄机构
两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄 机构。
固定轴 D
3
A
C 2
1 大齿轮
小齿轮
图4 插床双曲柄机构
平行四边形机构
在双曲柄中常见的是平行四边形机构，但平行 四边形会出现运动的不确定。
B1
2
C1
C3
1
3
A
B2
滑块联轴器就是这种机构的应用实例，它可用来 连接中心线不重合的两根轴。
滑块联轴器
（4）两个移动副都与机架相关连。 所示椭圆仪就是这种机构的例子。当滑块1和3沿 机架的十字槽滑动时，连杆2上的各点便描绘出长 短不同的椭圆。
椭圆仪
3 四杆机构的特性
曲柄摇杆机构的主要特性有。 1. 急回特性 2. 压力与传动角 3. 死点
即：l 1+ l 2 ≤l 3+ l 4
l 1+ l 3≤l 2+ l 4
当曲柄处于AB”位置时，形成三角形B”C”D。
可写出以下关系式：
l 1+ l 4≤l2+ l3
将以上三式两两相加可得：
l 1≤l 2 l 1≤l 3 l 1≤l 4
曲柄存在的必要条件：
（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。
图14 自卸卡车翻斗机构及其运动简图
( B)
4．定块机构 图a）所示曲柄滑块机构。
3
C 4
2
3
C 4
2
若取块3为固定件，即可得图 B
B
d）所示的固定滑块机构或 称定块机构。
1 A
1 A
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惯性筛机构
在双曲柄机构中， 若相对的两杆长度分别 相等，则称为平行四边 形机构。它有如图6-5a 所示的正平行双曲柄机 构和如图6-5b所示的反 平行双曲柄机构两种形 式。前者的运动特点是 两曲柄的转向相同且角 速度相等，连杆作平动； 后者的运动特点是两曲 柄的转向相反且角速度 不等。
图6-6所示的机车驱动轮联动机 构是正平行双曲柄机构的应用实例。 图6-7所示为车门启闭机构，是反平 行双曲柄机构的一个应用，它使两 扇车门朝相反的方向转动，从而保 证两扇门能同时开启或关闭。
在正平行双曲柄机构中，当各 构件共线时，可能出现从动曲柄与 主动曲柄转向相反的现象，即运动 不梯形；当汽车转弯时，两摇杆摆 过不同的角度，使两前轮转动轴线 汇交于后轮轴线上的O点，以确保车 辆转弯的每一瞬时，四个轮子与地 面之间均绕O点作纯滚动。
3、完成课后习题1~5。
1）曲柄滑块机构 在如图6-9所示的汽车发动机活塞一连杆机构中，将
曲轴的回转运动转化为活塞的往复运动，或是将活塞 的往复运动转化为曲轴的回转运动。
曲柄滑块动画
汽车发动机活塞动画
2）导杆机构
若将图6-9所示的曲柄滑块机构的构件作为机架，则 曲柄滑块机构就演化为导杆机构，连架杆对滑块的运 动起导向作用，称为导杆，它包括转动导杆机构和摆 动导杆机构两种形式。如图6-10所示，导杆均能绕机 架作整周转动，称为转动导杆机构。如图6-11所示， 导杆4只能在某一角度内摆动，称为摆动导杆机构。导 杆机构具有很好的传力性能，常用于插床、牛头刨床 和送料装置等机器中。
转动导杆机构动画
摆动导杆机构动画
3）摇块机构
若将图6-9所示曲柄滑块机构的构件作为机架，则 曲柄滑块机构就演化为如图6-12所示的摇块机构。构 件l作整周转动，滑块3只能绕机架往复摆动。这种机 构常用于摆缸式原动机和气、液压驱动装置中，如图 6-13所示的自动货车翻斗机构。
曲柄滑块动画
曲柄摇块机构动画
第十一章 汽车典型机构的分析与应用
第一节 常见四杆机构
汽车中存在的平面连杆机构
为什么汽车能转向自如？ 为什么雨天刮雨器能把汽车前窗水滴刮
干净？ 为什么汽车转弯不与地面打滑？ 为什么卡车能自卸翻斗？ 为什么汽车车门能开关自如？ 这就是汽车中存在许许多多的平面连杆
机构。
一、平面连杆机构
4）定块机构
若将图6-9所示曲柄滑块机构的滑块作为机架，则 曲柄滑块机构就演化为如图6-14所示的定块机构。这 种机构常用于抽油泵和手摇抽水唧筒（图6-15）。
机构简图
3、平面四杆机构的特性参数*
课后练习
1、铰链四杆机构有哪几种基本类型？试举例说明其 应用。
2、什么叫曲柄？铰链四杆机构存在曲柄的条件是什 么？
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。
功能:将一种摆动转换成另 一种摆动。
双摇杆机构的使用：如港 口起重机、飞机起落架、 车辆前轮转向机构等。
港口起重机
2
B
3
E
D 1
A4
飞机起落架
车辆前轮转向机构 两摇杆长度相等的双摇杆机构，称为等腰梯形机构。
2、其他形式的四杆机构及应用
1、 铰链四杆机构的基本形式及应用 2、 其他形式的四杆机构及应用 3、 平面四杆机构的特性参数*
1、铰链四杆机构的基本形式及应用
铰链四杆机构是由四个杆件通过铰链连接而成的 传动机构，简称四杆机构。如图6-1所示。
铰链四杆机构中各构件名称 机架：机构的固定构件，如杆4 。 连杆：不直接与机架连接的构件，如杆2。 连架杆：与机架用转动副相连接的构件，如杆1、3。
连架杆可分为：
曲柄：能绕机架作整周转动的连架杆，如杆a；
摇杆：只能绕机架作小于360°的某一角度摆动 的连 架杆，如c。
按两连架杆是曲柄还是摇杆的不同，可将铰链四杆 机构分为以下三种形式。
1）曲柄摇杆机构 2） 双曲柄机构 3） 双摇杆机构
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 Байду номын сангаас构，称为曲柄摇杆机构。
曲柄摇杆机构主要用以实现将曲柄的匀速转动变 成摇杆的摆动，如图6-2所示的雷达天线俯仰角调整机 构；
或是将摇杆的往复摆动变成曲柄的整周转动，如 图6-3所示的缝纫机脚踏板机构。
雷达天线俯仰角调整机构
缝纫机脚踏板机构
曲柄为从动件， 机构工作时会 出现什么现象？
2）双曲柄机构
两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构，称为双曲柄 机构。