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山西轻工职业技术学院轻工分院毕业论文

平面四杆机构的演化与应用

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山西轻工职业技术学院

二零一一年十二月十日

引言

我们现在对平面四杆机构的应用和研究已有多年的历史，目前仍在继续扩展和深入。全国的第三届机构学学术讨论会上关于平面四杆机构的论文只有8篇，涉及设计、运动规律、分析、轮廓的综合的四个研究方向。到第六次会议，已有平面四杆机构方面的论文20篇，增加了动力学、振动、优化设计等研究方向。到第七届会议，又增加了CAD/CAM、误差分析等研究方向。近几年，对平面四杆机构方面的研究又不断深入，并发表了一系列论文，对四杆机构的共轭曲面原理、专家系统等方面也有了相当的研究。现在平面四杆机构已经在包装机械、食品机械、纺织机械、交通运输机械、动力机械、印刷机械等领域得到广泛的应用。本文从传播平面四杆机构基本知识出发，介绍了平面四杆机构的工作原理、演化机制及其相关计算。

1.1与平面四杆机构相关的概念

为了分析机构的组成以及机构具有确定运动的条件，必须首先研究机构间的连接形式，即运动副。按照接触形式，通常把运动副分为高副和低副。两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副，两构件通过面接触组成的运动副称为低副。平面机构的低副又有转动副和移动副，若组成运动的两构件只能在平面内相对做旋转运动，这种运动副称为转动副（或称为铰链），若组成运动副的两构件只能沿某一轴线相对移动，则称为移动副。机构中的机构分为机架、主动件和从动件三类，实际构件的外形和结构往往很复杂，在研究机构运动时，为了是问题简单化，仅有简单的线条和符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置，这种说明机构构件相对运动关系的简图，称为机构运动简图。机构能产生独立运动的数目称为机构的自由度，在平面机构中，各构件只作平面运动，所以，每一个自由构件具有3个自由度。两个以上的构件同时在一处以转动副连接就构成了复合铰链。在有些机构中，某些构件所产生的局部运动，并不影响其他

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构件的运动，这种局部运动的自由度称为局部自由度，在计算机构自由度时，局部自由度应略去不计。机构中与其他约束重复而对机构运动不起新的限制作用的约束，称为虚

约束。计算机构自由度时，应将其除去不计。虚约束对运动虽然不起作用，但可以增强

构件的刚性和使构件受力均衡。

在机构中，固定件为机架，与机架相连的叫连架杆，与机架相对的叫连杆。在连架杆中，能作整周回转运动的叫曲柄，在一定范围内摆动的叫摇杆，若组成转动副的两构件能作整周相对运动，则该转动副叫整转副，不能作整周相对运动的则成为摆动副。

1.2平面四杆机构的基本类型

根据连架杆的运动方式不同，铰链四杆机构分为以下三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。

1.2.1曲柄摇杆机构

在铰链四杆机构，若两个连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆，则此四杆机构叫曲柄连杆机构，在这种机构中，当曲柄为主动件，摇杆为从动件，可将曲柄的连续转动，转变为摇杆的往复摆动。此种机构被广泛应用，如图所示雷达天线俯仰角调整机构。

A A

B C

D

1

2

3

4

雷达天线俯仰角调整机构

当摇杆为主动件时，曲柄为从动件，将主动件的往复摆动转化为从动曲柄的整周转动，

如图所示的脚踏砂轮机机构。

A

B

C

D

脚踏砂轮机机构

1.2.2双曲柄机构

在铰链四杆机构，若两连架杆都是曲柄，则称为双曲柄机构。主动曲柄等速转动，从动曲柄一般为变速转动。如图1-3所示插床六杆机构是以双曲柄机构为基础扩展而成的。

在双曲柄机构中有一种特殊机构，连杆与机构的长度相等、两个曲柄长度相等且转向相同的曲柄机构，称为平行四边行机构，由于这种机构两曲柄的角速度始终保持相等，且连杆始终保持平动，因此应用较广泛，如图所示的天平机构。

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A

B

C

D

A'

B'天平机构

平面四边行机构有以下三个运动特点：

1.两曲柄转速相等

如图所示的机车车轮联动机就是利用平行四边行机构的这一特性。

A B

C

D

机车车轮联动机构

2.连杆始终与机架平行

如图所示的天平机构，始终保证天平1、2处于水平位置。

3.运动的不确定性

如图所示，在平行四边形机构中，当两曲柄转至与机架共线位置时，主动曲柄AB 继续转动，例如到达AB2位置；从动曲柄CD可能按原转动方向转到C2D位置此时机构仍是平行四边形机构，也可能反向转到C3D位置。为了克服运动的不确定性，可以对从动曲柄施加外力或利用飞轮及构件本身的惯性作用，也可以采用辅助曲柄等措施解决。如图所示

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A B C

D

C1

C2

C3 B1

B2

平行四边行机构

A B C

D

E

F

A

B C

D

B1

B2

B3

C1

C2

C3 a

b

带有辅助构件的平行四边行机构

对于两个曲柄转向相反的情况，即连杆与机架的长度相等，两个曲柄长度相等所组成的转向相反的双曲柄机构称为反平行四边形机构。反平行四边行机构不具备平行四边行机构前述两个运动特征，如图所示。

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A

B

C

D

反平行四边行机构

1.2.3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，常由于操纵机构、仪表机构等。如图所示港口起重机机构，可以实现货物的水平移动，以减少功率消耗。

A

B C D

E

B 1

C 1E 1

港口起重机机构

1.3铰链四杆机构的演化及应用

1.3.1曲柄滑块机构