第三章 平面连杆机构及其设计-样稿-李瑞琴汇编

第三章 平面连杆机构及其设计

内容提要：本章以平面四杆机构的运动学特性和综合为主线。其主要内容有：介绍平面连杆机构的特点和应用；阐明平面连杆机构的基本类型及其演化方法；探讨平面连杆机构的运动特性，重点探讨平面四杆机构的设计的图解法及解析法；给出平面连杆机构的计算机辅助设计的流程及实例；拓展阅读部分介绍平面多杆机构的设计。

§3.1 平面连杆机构的类型和应用

3.1.1 平面连杆机构的特点

连杆机构是由低副将若干构件联接而成的，故又称为低副机构。

连杆机构可根据其构件之间的相对运动是平面运动还是空间运动，分为平面连杆机构和空间连杆机构；又可根据机构中构件数目的多少分为五杆机构、六杆机构等。一般将五个或五个以上的构件组成的连杆机构称为多杆机构。单闭环的平面连杆机构的构件数至少为4，因而没有平面三杆机构；单闭环的空间连杆机构的构件数至少为3，因而可由三个构件组成空间三杆机构。

平面连杆机构是若干个构件用平面低副(转动副、移动副)连接而成，各构件在相互平行的平面内运动，又称为平面低副机构。

由于平面连杆机构能够实现多种运动轨迹曲线和运动规律，且低副不易磨损而又易于加工，以及能由本身几何形状保持接触等特点，因此广泛应用于各种机械及仪表中。平面连杆机构的不足之处主要有两点，其一是连杆机构中作变速运动的构件惯性力及惯性力矩难以完全平衡；其二是连杆机构较难准确实现任意预期的运动规律，设计方法较复杂。

连杆机构中应用最广泛的是平面四杆机构，它是构成和研究平面多杆机构的基础。本章主要讨论平面四杆机构及其运动设计问题。

3.1.2 平面四杆机构的基本型式

如图3.1所示，所有运动副均为转动副的平面四杆机构称为铰链四杆机构，它是平面四杆机构的基本型式。其它型式的四杆机构都可以看成是在它的基础上通过演变而成的。在此机构中，构件4称为机架，与机架以运动副相联的构件1和构件3称为连架杆。在连架杆中，能绕其轴线回转360° 者称为曲柄；仅能绕其轴线往复摆动的，称为摇杆。不与机架相连的构件2作平面复杂运动，称为连杆。按照两连架杆运动形式的不同，可将铰链四杆机构分为三种基本型式。

1．曲柄摇杆机构（Crank-rocker mechanism ）

图3.1 铰链四杆机构的基本型式

3

连架杆

2

在铰链四杆机构中，若两连架杆中有一个为曲柄，另一个为摇杆，则称为曲柄摇杆机构。图3.2所示的调整雷达天线俯仰角的机构和图3.3所示的电影放映机拉片机构均是曲柄摇杆机构的应用实例。

2．双曲柄机构（Double-crank mechanism ）

两连架杆均为曲柄的机构称为双曲柄机构。在双曲柄机构中，若两组对边的构件长度相等，则可得如图3.4（a ）所示的平行四边形机构和图3.4（b ）所示的反平行四边形机构。

平形四边形机构的特点是：两曲柄的回转方向相同，且角速度时时相等，连杆作平动。平行四边形机

构有一个位置不确定的问题，如图3.5中的位置2C ，2

C 所示。为解决此问题，可以在从动曲柄C

D 上加装一个惯性较大的轮子，利用惯性维持从动曲柄转向不变。也可以通过加虚约束使机构保持平行四边形，

如图3.6所示的机车车轮联动的平行四边形机构，从而避免机构运动的不确定性。

反向平行四边形机构中的两曲柄回转方向相反，且角速度不等。图3.7所示的汽车车门启闭机构即为其应用实例。

图3.4 双曲柄机构

C

（a ）平行四边形机构

（b ）反平行四边形机构

图3.7 汽车车门启闭机构

3．双摇杆机构(Double-rocker mechanism)

在铰链四杆机构中，若两连架杆均为摇杆，则称为双摇杆机构。图3.8所示的鹤式起重机中的四杆机构ABCD 即为双摇杆机构，当主动摇杆AB 摆动时，从动摇杆CD 也随之摆动，位于连杆CB 延长线上的重物悬挂点E 将近似沿水平方向作直线移动。

B 1

C 2

A

B C D E

F 1 2

3

4

5

图3.6 机车车轮联动机构

图3.5 平行四边形机构的位置不确定性

A B

C

D

2

C C 1 C 2

B 1

B 2

1 2

3

4

C'

B'

C

E B

E'

D

Q Q

A

图3.8 鹤式起重机中的双摇杆机构

3.1.2 平面四杆机构的演化

除了上述铰链四杆机构外，工程实际中还广泛应用着其它类型的四杆机构，这些四杆机构都可以看作是由铰链四杆机构通过不同的方法演化而来的，掌握这些演化方法，有利于对平面连杆机构进行创新设计。下面介绍一些常用的演化方法。

1．转动副转化成移动副

4

在图3.9（a ）所示的曲柄摇杆机构中，摇杆3上的点C 的运动轨迹是以D 为圆心，以摇杆长CD l 为半径所作的圆弧。若将构件3改为滑块，使其在以D 点为圆心，以CD l 为半径的弧形槽中运动，则机构的运动特性完全一样，此时机构演化成图3.9（b ）所示的具有弧形滑道的连杆机构。若此弧形槽的半径增至无穷大，则弧形槽变成直槽，转动副也就转化成移动副，构件3也就由摇杆变成了滑块，这样，曲柄摇杆机构就演化成了图3.9（c ）所示的曲柄滑块机构。该机构中滑块3上的转动副中心在定参考系中的移动方位线不通过连架杆1的回转中心，称为偏置曲柄滑块机构。图中e 为连架杆转动中心至滑块上转动副中心的移动方位线的垂直距离，称为偏距。若偏距0e =，则滑块上的转动副中心移动方位线通过曲柄回转中心，称为对心曲柄滑块机构，如图3.9（d ）所示。

（a ）

α

（b ）

图3.9 一个转动副转化成移动副

（a ）曲柄摇杆机构

（b ）曲线导轨曲柄滑块机构

（d ）对心曲柄滑块机构

（c ）偏置曲柄滑块机构