第三章 常用机构

第三章 常用机构§3-1 平面连杆机构一、铰链四杆机构及其应用平面连杆机构是由一些刚性构件用低副（转动副和移动副）连接而成的机构。

它广泛地用于各种机械和仪器中，例如，金属加工机床、起重运输机械、采矿机械、农业机械和仪表等。

它在机械中用以传递动力和改变运动形式。

平面连杆机构的种类较多，但常用的最基本的是铰链四杆机构。

其它较复杂的平面连杆机构都是由铰链四杆机构演变和发展而成的。

铰链四杆机构是由四个构件通过铰链连接而成的。

四杆机构的基本特性取决于各构件的运动特性。

图3-1所示的铰链四杆机构中，固定不动的构件AD 称为机架，与机架相连的构件AB 和CD 称为连架杆，不与机架相连接的构件BC 称为连杆。

如果连架杆能绕轴线作360°回转运动，则称为曲柄；若只能在某一角度（小于360°）内摆动，则称为摇杆。

对于铰链四杆机构而言，机架和连杆总是存在的，因此，铰链四杆机构可按两连架杆是否成为曲柄或摇杆分为下述三种基本型式。

图3-1 铰链四杆机构1．曲柄摇杆机构在铰链四杆机构中，若两个连架杆中的一个是曲柄，而另一个是摇杆，则此机构称为曲柄摇杆机构（图3-2）。

在这种机构中，曲柄通常为主动件，并作等速回转运动，而摇杆为图3-3所示为雷达天线机构。

曲柄1缓慢的匀速转动，通过从动件，作变速往复运动。

有时，也可以是摇杆为主动件。

连杆2使摇杆3在一定角度图3-2 曲柄摇杆机构 图3-3 雷达天线机构范围3摆动，利用连杆2上E ）为主动件，摇杆往复摆动，通过机构（图特点是当主动曲柄AB 等速回转时，则从动曲柄CD 变速回转。

平行四边形机构，它能保证被联动的内摆动，从而调整天线俯仰角的大小，扩大雷达的搜索范围。

图3-4所示为搅拌器机构。

曲柄1匀速转动，通过连杆2使摇杆点的轨迹以及容器绕z -z 轴的转动而将溶液搅拌均匀。

图3-5所示为缝纫机的脚踏板机构。

该机构以摇杆3（踏板连杆2带动固接在曲柄1上的大带轮转动，再通过带传动驱动缝纫机工作。

在铰链四杆机构中，若两个连架杆都能作整周回转运动，则该机构称为双曲柄123图3-4 搅拌器机构 2．双曲柄机构3-6）。

这种机构的图3-7所示为惯性筛机构。

当主动曲柄1等速回转一周时，从动曲柄3将变速回转一周，使筛 6获得较大加速度，被筛物料会因惯性而被筛选。

在双曲柄机构中，若两曲柄长度相等，连杆和机架的长度也相等且彼此平行，则该机构称为平行四边形机构。

平行四边形机构的运动特点是：主动曲柄和从动曲柄的瞬时角速度相等，连杆始终作平动。

图3-8所示的机车车轮联动机构即为各车轮与主动轮都具有完全相同的运动。

图3-9所示为户外摄影车座斗升降机构，由驱动油缸及两个平行四边形机构ABCD 和EFGH 组合而成。

该机构利用平行四边形机构中连杆的平动而保持方向不变的特点，使座斗平台在升降过程中始终保持铅垂方向不变。

图3-5 缝纫机脚踏板机构图3-6 双曲柄机构 图3-7 惯性筛机构应该指出的是，在这种平行四边形机构中，当两曲柄同时转到与机架重合的位置时，会产生运动不确定情况。

如图3-10所示，原动件曲柄AB 转到AB 1位置时，四个铰链中心处于同一直线上，AB 继续转动到AB 2位置时，从动曲柄CD 可能仍按原来方向转动而保持平行四边形3．双摇杆机构在铰链四杆机构中，若两连架杆都是摇杆，则该机构称为双摇杆机构，如图3-12所示。

图3-13所示的鹤式起重机，是双摇杆机构的应用实例。

当摇杆AB 摆动时，连杆BC 上的延AB 2C 2D ，也可能朝相反方向转动而构成反平行四边形机构AB 2C 2’D 。

为了克服这种运动不确定性，通常可在从动轴上安装飞轮或者增加辅助连杆（图3-11）或者增加辅助曲柄。

图3-8所示的机车车轮联动机构就是增加辅助曲柄的实例。

伸点E 做近似水平直线运动，使重物水平移动，避免重力做功，以减少功率损耗。

在双摇杆机构中，若两摇杆的长度相等，则称为等腰梯形机构。

图3-14所示的汽车前图3-9 摄影车座斗升降机构图3-8 机车车轮联动机构图3-10 平行四边形的运动不确定图3-11 增加辅助连杆图3-12 双摇杆机构图3-13 鹤式起重机轮的转向机构即为等腰梯形机构。

汽车转向时，两摇杆AB 和CD 分别摆过角度ϕ和ψ，且ψ＜ϕ，以使两前轮轴线的交点尽可能落在后轮轴线的延长线上，这时整个车身绕O点转动，使四个车轮都能在地面上做纯滚动，这样可尽量避免轮胎因滑动而造成的磨损。

二、平面四杆机构的演化图3-14 汽车前轮的转向机构 采取扩大运动副或固定不同构件为机架,可以从铰链四杆机构演化得到一些其它形式的机构。

1．曲柄滑块机构演化而来的。

图3-15（a ）所示为一曲柄摇杆机构，若将摇杆CD 的长度增加至无穷大，则转动副D 将移至无穷远处（如图移动副可认为是由转动副b ）所示），转动副C 的轨3该机构将演化为曲柄滑（c ）所示。

若滑块上转动副中心mn 通过曲柄的转动中心A 时，该机构称为对心曲柄滑3-15(c)所示；若C 的移动方位线mn 不通过曲柄的转如图3-15(d)所示。

曲柄的转动中心A 至mn 线的例如活塞式内燃机、蒸汽机、空气压缩机以块机构。

图3-16（a ）所示为冲压机床上的曲柄滑块机构， 图3-16（b ）所示为内燃机中图3-15 曲柄滑快机构3-15（迹mn 将变为直线，于是构件和4之间的转动副D 将转化为移动副，块机构，如图3-15C 的移动方位线块机构，简称为曲柄滑块机构，如图动中心A ，该机构称为偏置曲柄滑块机构，距离称为偏距，以e 表示。

曲柄滑块机构在机械工程中应用比较广泛。

及冲床等的主要机构都是曲柄滑它由齿轮驱动曲轴转动，使滑块作往复直线运动来冲压工件。

的曲柄滑块机构，活塞作往复直线运动经连杆驱动曲轴转动，从而带动其他机构运动。

2．导杆机构图3-17(a)所示的曲柄滑块机构中，如果把构件1作为机架，则机构演化成如图（c）所示的导杆机构。

习惯上把引导滑块滑动的杆状活动构件4称为导杆。

若杆长3-17(b)、，杆2整周回转时，杆4也作整周回转，这种导杆机构称为转动导杆机构，如图示；若杆长，杆2整周回转时，杆4只能绕点A 作往复摆动，这种导杆机构称为摆动导杆机构，如图3-17（b）所示。

刨床机构中，构件1、2、3和4组成转动导杆机21l l ＜3-17（c）所21l l ＞导杆机构在工程上常用作回转式油泵、牛头刨床和插床等的工作机构。

图3-18所示某图3-17 曲柄滑块机构的演化a ）b ）图3-16 曲柄滑块机构的应用图3-18 牛头刨床的主体机构56构，以驱动滑块6上的刨刀做往复运动。

图3-19所示为某送料装置中使用的六杆机构，其中构件1、2、3和4组成摆动导杆机构，用来把曲柄2的连续转动变为导杆4的往复摆动，然后通过连杆5推动滑快6作往复移动，达到送料的目的。

3．摇块机构若把图3-17(a)中构件2作为机架和定块机构，如图3-17(d)所示，则构件l 的一端固接着活塞。

油缸下端进油时，推动活固接的构件1，使之绕铰链B 转动，达到自得到活动导杆所示的端装有汲4．偏心轮机图3-22(a)所示的曲柄摇杆机构中，构件1为曲柄，构件3为摇杆，当曲柄的长度r较图3-19 送料机构成为可绕固定铰链中心B 转动的曲柄，而滑块3则成为绕机架上C 点做定轴往复摆动的摇块，故此机构称为曲柄摇块机构，简称为摇块机构。

这种机构常用于摆缸式内燃机和液压驱动装置中。

图3-20所示卡车自动卸料机构中，摇块3即做成绕定轴C 摆动的油缸，导杆4塞4上移，从而推动与车斗动卸料目的。

若把图3-17(a)中的滑块作为机架，如图3-17（e）所示，则图3-21 手摇唧筒机构图3-20 卡车自动卸料4在固定滑块3中移动的移动导杆机构，也简称为定块机构。

图3-21手摇唧筒中所采用的即为该种机构，其中，唧筒外壳为固定滑块，移动导杆4的下水活塞，它在唧筒内部上下移动，即可达到汲水的目的。

构转动副的扩大也是一种常见的极具实用价值的演化方法。

3-22 图偏心轮机构短时，要在曲柄两端A 和B 装设两个转动副，不仅结构设计困难，而且还会影响构件的强度。

在这种情况下，可以逐渐扩大转动副B 的半径，直至其半径超过曲柄长度r ，形成一圆盘，如图，AB 等于曲柄长度r 3-22(a)同样，示。

该偏心轮冲床等机械中。

三、平面四杆机构的主要特性在平面四杆机构的设计中，通常需要考虑它的某些工作特性，因为这些特性不仅关系到机构的运动性质和受力情况，而且还是一些机构设计的主要依据。

1．曲柄存在的条件3-22(b)所示。

该圆盘的回转中心A 与其几何中心B 不重合，有一偏距AB 。

该圆盘称为偏心轮，该机构称为偏心轮机构。

显然，此偏心轮机构与图所示的曲柄摇杆机构的运动特性完全相同。

对于图3-23中点划线所示的曲柄滑块机构，当曲柄长度较短时，也可以将曲柄演化为偏心轮，如图3-23实线所机构多应用于小型往复式泵、图3-23 偏心轮机构如前所述，铰链四杆机构分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种基本类型，其主要区别在于连架杆是曲柄还是摇杆。

下面讨论铰链四杆机构中曲柄存在的条件。

图3-24所示铰链四杆机构中，a 、b 、c 和d 分别为杆1、2、3和4的长度。

如果杆1为曲柄，则杆1必能通过与机架4处于共线的两个极限位置AB 1和AB 2。

下面就来分析在这两个位置时各杆长度应当满足的条件。

当杆1处于AB 1位置时，机构形成三角形B 1C 1D 。

根据三角形任意两边长之和应大于第三边长的定理，可得图3-24 曲柄存在条件 c b d a ++＜ （3-1）当杆1处于AB 2位置时，机构形成三角形B 2C 2D ，同理可得d b c a ++＜ （3-2）d c b a ++＜ （3-3）考虑到，当杆1与杆2共线时，杆3与杆2也共线，即机构处于四杆重合成一直线的特殊情况，可将式（3-1）、（3-2）和（3-3）改写成+≤+d c b a 将式（3-4）中任意两式相加并化简，可得⎬≤≤≤d a c a b a （3-5）由式（3-4）、（3-5）可知，如果连架杆1是最短杆，且最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和，则杆能作整周转动，即为曲柄。

综上所述，铰链四杆机构曲柄存在的条件是：1）连架杆或机架是最短杆；显然，如果最短杆与最长杆长度之和大于其他两杆长度之和，则无曲柄存在，两连架杆皆为摇杆。

在生产实际中，常要求做往复运动的从动件，在工作行程中，其平均速度（或角速度）应尽生产时间，提高生产效率。

机构的这种性质称为急回特性。

析讨等角速度ω1按中两到达极限位置DC 1和DC 2。

此时，⎬⎫+≤++≤+d b c a c b d a （3-4）⎪⎭⎪⎪⎫⎪⎭12）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和。