3.2 平面四桿機構的基本類型及其演化

在平面連桿機構中，結構最簡單且應用最廣泛的是平面四桿機構，其他機構可看成是由平面四桿機構演化而來。

3.2.1 鉸鏈四桿機構的基本類型

全部用轉動副相連的平面四桿機構稱為鉸鏈四桿機構，它是平面四桿機構最基本的形式。在圖3.5（a）所示的鉸鏈四桿機構中，AD為機架。AB、CD兩桿與機架相連稱為連架桿，如果連架桿相對于機架能作整周轉動，則稱為曲柄；如連架桿相對于機架只能在一定角度范圍內擺動，則稱為搖桿。連接兩連架桿的構件BC稱為連桿。若組成轉動副的兩構件能作整周相對轉動，則稱該轉動副為整轉副，如圖3.5（a）中的A、B副。而不能作相對整周轉動的運動副，則稱為擺轉副，如圖3.5（a）中的C、D副。鉸鏈四桿機構可分為三種基本形式：曲柄搖桿機構，如圖3.5（a）、（c）所示；雙曲柄機構，如圖3.5（b）所示；雙搖桿機構，如圖3.5（d）所示。

1．曲柄搖桿機構

鉸鏈四桿機構的兩連架桿中一個能作整周轉動，另一個只能作往復擺動的機構，稱為曲柄搖桿機構，如圖3.5（a）、（c）所示。它在工業中得到廣泛的應用，如顎式破碎機中的機構（見圖3.2）、雷達天線俯仰機構（見圖3.6）、縫紉機中的腳踏板機構（見圖3.7）和腳踏砂輪機機構（見圖3.8）等。這類機構中，當曲柄為原動件，搖桿為從動件時，可將曲柄的連續轉動轉變為搖桿的往復擺動。如圖3.2所示顎式破碎機機構，把曲柄1（輪1）的整周回轉運動轉變成搖桿3（顎板3）的往復擺動，以軋碎礦石。圖3.6所示為雷達天線俯仰機構，它把曲柄1的整周回轉運動轉變成搖桿3（雷達天線3）的往復擺動，以調整雷達天線的仰角。在曲柄搖桿機構中，搖桿也可為原動件，如圖3.7所示的縫紉機腳踏板機構，踏板3是搖桿，輪軸1是曲柄，腳踏動搖桿3作往復擺動，通過連桿2，使曲柄1作整周回轉運動，從而完成縫紉工作。圖3.8所示的腳踏砂輪機機構，踏板3是搖桿，砂輪1是曲柄，腳踏動搖桿3作往復擺動時，通過連桿2，使砂輪1作整周回轉運動，從而完成磨削工作。

2．雙曲柄機構

鉸鏈四桿機構的兩連架桿均能作整周轉動的機構稱為雙曲柄機構，如圖3.5（b）所示。當主動曲柄連續等速轉動時，從動曲柄一般不作等速轉動，而作變速轉動。圖3.9所示的慣性篩中，主動曲柄AB作等速回轉運動，從動曲柄CD作變速轉動，從而使篩網具有較大變化的加速度，利用加速度所產生的慣性力，將材料篩分。

在雙曲柄機構中，若相對的兩桿長度分別相等，則稱為平行雙曲柄機構或平行四邊形機構。若相對的兩桿長度相等且平行，兩曲柄轉向相同且角速度相等，則稱為正平行四邊形機構，如圖3.10所示，該機構的特點是主動曲柄1和從動曲柄3轉向相同且角速度相等，即ω1=ω3，連桿2作平動。圖3.11所示的機車車輪聯動機構就是正平行四邊形機構的實際應用，由于兩曲柄作等速同向轉動，從而保證了機構的平穩運行。若相對的兩桿長度相等，但連桿與機架不平行，兩曲柄轉向相反且角速度不同，則為反平行四邊形機構，如圖3.12所示，該機構的特點是主動曲柄1和從動曲柄3轉向相反且角速度不同，即ω1≠ω3，連桿2作平面運動。圖3.13所示的車門開閉機構是反平行四邊機構的一個應用，AD與BC不平行，因此，兩曲柄作不同速反向轉動，從而保證兩扇門能同時開啟或關閉。

另外，對平行雙曲柄機構，無論以哪個構件為機架都是雙曲柄機構。但若取較短構件作機架，則兩曲柄的轉動方向始終相同。

3．雙搖桿機構

兩連架桿均不能作整周轉動的，即兩連架桿都是搖桿的鉸鏈四桿機構，則稱為雙搖桿機構，如圖3.5（d）所示。圖3.14所示的鶴式起重機中的四桿機構即為雙搖桿機構，當原動搖桿AB擺動時，從動搖桿CD也隨之擺動，位于連桿BC延長線上的重物懸掛點M將沿近似水平直線移動。在雙搖桿機構中，若兩搖桿長度相等并且最短，則構成等腰梯形機構，汽車前輪轉向機構就是其應用之一，如圖3.15所示。

3.2.2 鉸鏈四桿機構的演化

通過改變機構中運動副的形狀及尺寸、改變構件的形狀及尺寸、選不同構件為機架等方法，可以得到鉸鏈四桿機構的其他演化機構。

1．曲柄滑塊機構

圖3.16所示為曲柄滑塊機構的演化過程。圖3.16（a）為曲柄搖桿機構，搖桿上轉動副C點的運動軌跡是以D為圓心，以CD為半徑的圓弧；將曲柄搖桿機構中C點處的轉動副轉換成沿弧形導槽運動的圓弧移動副，搖桿CD演變成滑塊，如圖3.16（b）所示；若使圖3.16（b）中的圓弧移動副半徑CD趨于無窮大，則圖3.16（b）所示曲柄滑塊機構的圓弧移動副演變成圖3.16（c）中的直線移動副，此時機構演化為曲柄滑塊機構。

曲柄滑塊機構中滑塊C點的運動軌跡稱為導路，C點在兩個極限位置之間的距離稱為行程，用H表示。滑塊移動的導路到曲柄回轉中心之間的距離e稱為偏距。如果e等于零，則為對心曲柄滑塊機構，如圖3.17（a）所示；如果e不為零，稱為偏置曲柄滑塊機構，如圖3.17（b）所示。曲柄滑塊機構在活塞式內燃機、沖床、空氣壓縮機等中得到了廣泛的應用。內燃機應用曲柄滑塊機構將活塞4（相當于滑塊）的往復直線運動轉換為曲軸2（相當于曲柄）的旋轉運動，如圖3.18所示。滾輪送料機中的送料機構應用曲柄滑塊機構將曲軸1（相當于曲柄）的旋轉運動轉換為推頭3（相當于滑塊）的往復直線運動，如圖3.19所示。

在圖3.17（a）所示的曲柄滑塊機構中，由于鉸鏈B相對于鉸鏈C運動的軌跡為β—β圓弧，如圖3.20（a）所示，所以將連桿2做成滑塊形式，并使之沿滑塊3上的圓弧導軌β—β運動，如圖3.20（b）所示，顯然其運動性質并未發生改變，但是此時已演化成為一種具有兩個滑塊的四桿機構，即雙滑塊機構。將圖3.17（a）所示曲柄滑塊機構中的連桿2的長度增至無窮長，則圓弧導軌β—β將成為直線，于是該機構將演化成為圖3.20（c）所示的正弦機構。對正弦機構取不同的構件做機架，可得正切機構、雙轉塊機構以及雙滑塊機構等，如圖3.21所示。

2．導桿機構

導桿機構可看成是改變曲柄滑塊機構中的固定構件而演化來的。圖3.22（a）為曲柄滑塊機構，若選構件1為機架，如圖3.22（b）所示，各構件的形狀和相對運動關系都未改變，當構件2為原動件時，滑塊3將在可轉動（或擺動）的構件4上作相對移動，構件4稱為導桿，此機構稱為導桿機構。

當l1＜l2時，如圖3.22（b）所示，兩連架桿2和4均可整周回轉，稱為曲柄轉動導桿機構，或轉動導桿機構。圖3.23所示的插床插刀機構，就是轉動導桿機構的應用實例，曲柄2作整周連續轉動，通過轉動導桿4和構件5，驅動切削頭6上固定的插刀，完成往復切削運動。

當l1＞l2時，如圖3.24所示，連架桿2可整周回轉，連架桿4只能往復擺動，稱為曲柄擺動導桿機構，或擺動導桿機構。圖3.25所示的刨床驅動刨刀往復移動的機構，就是擺動導桿機構的應用實例，曲柄2作整周連續轉動，通過擺動導桿4和構件5，驅動滑枕6上固定的刨刀，完成往復切削運動。

3．搖塊機構和定塊機構

在圖3.22（a）所示曲柄滑塊機構中，若選構件2為機架，滑塊3僅能繞機架上的鉸鏈C作擺動，即可得擺動滑塊機構，或稱搖塊機構，如圖3.22（c）所示。這種機構廣泛應用于擺缸式液壓驅動裝置中，如圖3.26所示的卡車車廂自動翻轉卸料機構，當油缸3（搖塊）中的壓力油推動活塞桿4運動時，車廂1將繞回轉中心B翻轉，達到某一角度時物料傾倒。

在圖3.22（a）所示曲柄滑塊機構中，若取滑塊3為機架，即可得圖3.22（d）所示的固定滑塊機構，或稱定塊機構。這種機構常用于抽水唧筒和抽油泵中，圖3.27所示為抽水唧筒的定塊機構。

4．偏心輪機構

圖3.28（a）所示為曲柄滑塊機構，當曲柄AB的實際尺寸很短、曲柄銷需要傳遞較大動力而承受較大沖擊載荷時，由于結構需要，通常將運動副B的半徑擴大，直至超過曲柄AB的長度，得到如圖3.28（b）所示的機構。此時，曲柄1變成了一個幾何中心為B、回轉中心為A的偏心圓盤，回轉中心至幾何中心的偏心距即為原曲柄的長度，這種機構稱為偏心輪機構。該機構與原曲柄滑塊機構的運動特性相同，其機構運動簡圖也完全一樣。偏心輪機構廣泛應用于傳力較大的沖床、剪床、鍛壓設備和柱塞泵中。