机械设计基础第二章

第2章平面连杆机构

2.1平面连杆机构的特点和应用

连杆机构是由若干刚性构件用低副连接组成的机构，又称为低副机构。在连杆机构中，若各运动构件均在相互平行的平面内运动，称为平面连杆机构；若各运动构件不都在相互平行的平面内运动，则称为空间连杆机构。

平面连杆机构被广泛应用在各类机械中，之所以广泛应用，是因为它有较显著的优点：（1）平面连杆机构中的运动副都是低副，其构件间为面接触，传动时压强较小，便于润滑，因而磨损较轻，可承受较大载荷。

（2）平面连杆机构中的运动副中的构件几何形状简单（圆柱面或平面），易于加工。且构件间的接触是靠本身的几何约束来保持的，所以构件工作可靠。

（3）平面连杆机构中的连杆曲线丰富，改变各构件的相对长度，便可使从动件满足不同运动规律的要求。另外可实现远距离传动。

平面连杆机构也存在一定的局限性，其主要缺点如下：

（1）根据从动件所需要的运动规律或轨迹设计连杆机构比较复杂，精度不高。

（2）运动时产生的惯性力难以平衡，不适用于高速的场合。

（3）机构中具有较多的构件和运动副，则运动副的间隙和各构件的尺寸误差使机构存在累积误差，影响机构的运动精度，机械效率降低。所以不能用于高速精密的场合。

平面连杆机构具有上述特点，所以广泛应用于机床、动力机械、工程机械等各种机械和仪表中。如鹤式起重机传动机构（图2-1），摇头风扇传动机构（图2-2）以及缝纫机、颚式破碎机、拖拉机等机器设备中的传动、操纵机构等都采用连杆机构。

图2-1鹤式起重机图2-2 摇头风扇传动机构

2.2平面连杆机构的类型及其演化

2.2.1 平面四杆机构的基本形式

全部用转动副组成的平面四杆机构称为铰链四杆

机构，如图2-3所示。机构的固定件4称为机架；与

机架相联接的杆1和杆3称为连架杆；不与机架直接

联接的杆2称为连杆。能作整周转动的连架杆，称为

曲柄。仅能在某一角度摆动的连架杆，称为摇杆。按

照连架杆的运动形式，将铰链四杆机构分为三种基本

型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。

1．曲柄摇杆机构

两连架杆中一个为曲柄而另一个为摇杆的机构。当曲柄为原动件时，可将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动，如图2-4中的搅拌机构；反之，当摇杆为原动件时，可将摇杆的往复摆动转变为曲柄的整周转动，如图2-5所示的缝纫机踏板。

图2-4 搅拌机 图2-5 缝纫机脚踏板机构

2．双曲柄机构

两连架杆均为曲柄的四杆机构为双曲柄机构。通常一个曲柄作等速转动，另一个曲柄作等速或变速转动，图2-6惯性筛驱动机构和图2-7机动车辆机构均为双曲柄机构。惯性筛驱动机构中，主动曲柄AB 等速回转一周时，曲柄CD 变速回转一周，使筛子EF 具有较大变

图2-6 惯性筛驱动机构 图2-7 机动车辆机构

图2-3 铰链四杆机构

化的加速度，从而将被筛选的材料因惯性而分离。

当双曲柄机构的相对两杆平行且相等时，则成为平行四边形机构，如图2-8所示。其运动特点是两曲柄以相同角速度同向转动，连杆作平移移动。图2-9所示的摄影平台升降机构就是平行四边形机构，能保证摄影平台1始终处于水平移动，保证安全工作。

平行四边形机构在运动过程中，曲柄AB顺时针方向转动到B1位置时，曲柄DC转到C1位置，但在下一瞬时，DC杆可能运到到C2’位置，也可能运动到C2位置，即出现运动不确定现象。为克服这种现象，可以在从动曲柄上添加飞轮靠惯性引导保证转向不变；或在机构中增加辅助杆构成虚约束使从动曲柄不能反转，如图2-7机动车辆机构中的杆2就是防止从动曲柄反转的；或使用两组相同机构错位排列，如图2-10所示。当AB杆和DC杆转

图2-8 平行四边形机构图2-9 摄影平台升降机构

向相反时，相对的边长相等，但其中一对边不平行，形成逆平行四边形机构（图2-11）。车门的启闭机构（图2-12）是逆平行四边形机构应用实例，当主动曲柄1转动时，从动曲柄3作相反方向转动，从而使两扇门同时开启或同时关闭。

图2-10 错列机构图2-11 反平行四边形机构

图2-12车门的启闭机构图2-13 汽车前轮转向机构

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。双摇杆机构用于鹤式起重机传动机构（图2-1），当摇杆AB摆动时，另一摇杆CD随之摆动，选用合适的连杆尺寸，可使悬挂点M的轨迹近似为水平直线，避免被吊重物在运送中上下运动而出现危险。

在双摇杆机构中若两摇杆长度相等，则称为等腰梯形机构。汽车前轮转向机构（图2-13）运用的就是该机构。车子转弯时，与前轮轴固联的两个摇杆的摆角α和β如果在任意位置都能使两前轮轴线的交点P落在后轴线的延长线上，则当整个车身绕P点转动时，四个车轮都能在地面上纯滚动，避免轮胎因滑动而产生过大磨损。等腰梯形机构就能近似地满足这一要求。

2.2.2 平面四杆机构的演化

由于运动、受力状况及结构设计上的需要，上述三种型式明显满足不了要求。实际机器中还广泛应用着各种其他型式的四杆机构。它们是由铰链四杆机构演化而来的。

1．含有一个移动副的四杆机构

（1）曲柄滑块机构

图2-14a所示的曲柄摇杆机构中，杆1为曲柄，杆3为摇杆。杆3上C点的轨迹是以D 为圆心，杆3长度CD为半径的圆弧mm。现将转动副D的半径扩大，使其半径等于杆3的长度，并在机架上按C点的近似轨迹mm做成一个弧形槽，摇杆3做成与弧形槽相配的弧形块，如图2-14b所示。此时，虽然转动副D的外形改变，但机构的运动性质没改变。若将弧形槽的半径趋向于无穷大，则mm变成直线，而转动副D转化为移动副，形成了偏置曲柄滑块机构（e≠0），如图2-14c所示。若将mm直线槽移至通过曲柄转动中心A（即e＝0），则形成对心曲柄滑块机构，如图2-14d所示。曲柄滑块机构常用于活塞式内燃机、往复式抽水机、空气压缩机以及冲床等的主要机构都是曲柄滑块机构。

图2-14 曲柄滑块机构