3.2　平面連桿機構的類型和應用

連桿機構的應用十分普遍，它不僅在各類機械中得到廣泛應用，如織機的開口機構、打緯機構、汽車的轉向機構等，而且諸如人造衛星太陽能板的展開機構、機械手的傳動機構、人體假肢等也都使用連桿機構。在平面連桿機構中，結構最簡單且應用最廣泛的是由四個構件組成的平面四連桿機構。

3.2.1　平面四桿機構的基本形式

如圖3-2所示的平面四桿機構，其運動副全部是轉動副（即鉸鏈），亦被稱為鉸鏈四桿機構。以轉動副與機架相連的桿是連架桿；若連架桿能繞固定鉸鏈中心作360°整周轉動，則稱為曲柄，否則是搖桿；連接兩連架桿的是連桿。依據兩連架桿的運動特征，鉸鏈四桿機構基本形式有：曲柄搖桿機構、雙曲柄機構和雙搖桿機構。鉸鏈四桿機構是其他形式四桿機構進行演化的基礎。

3.2.1.1　曲柄搖桿機構

鉸鏈四桿機構的兩個連架桿中，若一個為曲柄，另一個為搖桿[圖3-2（a）、（c）]，則稱其為曲柄搖桿機構。在曲柄搖桿機構中，若以曲柄為原動件時，可將曲柄的連續轉動轉變為搖桿的往復擺動。

圖3-3所示的雷達天線俯仰角調整機構即為曲柄搖桿機構。當曲柄1緩慢勻速轉動，經連桿2使搖桿3在一定角度范圍內擺動，從而調整天線俯仰角。

圖3-4所示為車窗刮雨器機構，也是曲柄搖桿機構。當曲柄AB連續轉動時，搖桿CD以一定的擺角來回擺動，搖桿上的刮雨器隨其反復擺動，從而刮去汽車車窗上的雨水。

在曲柄搖桿機構中，若以搖桿為原動件時，可將搖桿的擺動轉變為曲柄的整周轉動。圖3-5所示為縫紉機踏板機構；圖3-6所示為腳踏脫粒機機構。

3.2.1.2　雙曲柄機構

若鉸鏈四桿機構中的兩個連架桿均為曲柄[圖3-2（b）]，則稱其為雙曲柄機構。圖3-7所示為慣性篩機構，它利用雙曲柄機構ABCD中的從動曲柄3的變速回轉，使篩子6具有所需的加速度，從而達到篩分物料的目的。

在雙曲柄機構中，若兩對邊構件長度相等且平行，則稱為平行四邊形機構，如圖3-8所示。這種機構的傳動特性是：主動曲柄和從動曲柄均以相同角速度轉動；連桿作平動。

平行四邊形機構的兩個特性在機械工程中的應用很多，圖3-9所示的機車輪機構就是利用了其第一個特性；圖3-10所示的播種機料斗機構利用了其第二個特性。

在雙曲柄機構中，若兩個相對桿的長度分別相等，但不平行，則稱為逆平行四邊形機構，如圖3-11所示。圖3-12所示的車門開關機構利用了逆平行四邊形機構兩曲柄反向轉動的特性。

3.2.1.3　雙搖桿機構

若鉸鏈四桿機構的兩個連架桿都是搖桿[圖3-2（d）]，則稱其為雙搖桿機構。圖3-13所示的鶴式起重機主體機構就是一個雙搖桿機構。

在雙搖桿機構中，若兩搖桿長度相等，則構成等腰梯形機構。圖3-14所示的汽車前輪轉向裝置，選擇了等腰梯形機構。車輛轉彎時，與輪軸固聯的兩個搖桿的擺角β和δ，能確保兩前輪軸線在任意位置都能落在后輪軸的延長線上，避免輪胎因滑動而損傷。

3.2.2　平面四桿機構的演化

鉸鏈四桿機構除上述三種基本形式之外，在機械中還廣泛地采用其他形式的四桿機構。不過，這些形式的四桿機構都可認為是由基本形式演化而來的。機構的演化，不僅是為了滿足運動方面的要求，還往往是為了改善受力狀況以及滿足結構設計上的需要。各種演化機構的外形雖然各不相同，但它們的性質以及分析和設計方法卻常常是相同或類似的。下面對各種演化方法及其應用舉例加以介紹。

3.2.2.1　改變構件運動尺寸及形狀

如圖3-15（a）所示的曲柄搖桿機構，鉸鏈中心C的軌跡是以D為圓心、l4為半徑的圓弧。當l4趨于無窮大時，C點軌跡變為直線即搖桿變滑塊，使轉動副演化成移動副。當C點的運動導路過曲柄轉動中心A時，如圖3-15（b）所示，稱為對心曲柄滑塊機構；存在偏距e時則稱為偏置曲柄滑塊機構，如圖3-15（c）所示。

曲柄滑塊機構廣泛用于活塞式內燃機、空氣壓縮機、沖床等許多機械中。圖3-16所示為曲柄滑塊機構在空氣壓縮機中的應用；圖3-17所示為曲柄滑塊機構在沖床中的應用。

3.2.2.2　選取不同構件為機架

如圖3-2（a）、（c）所示，取最短桿的臨邊為機架，得到曲柄搖桿機構；如圖3-2（b）所示，取最短桿1為機架，得到雙曲柄機構；如圖3-2（d）所示，取最短桿1的對邊3為機架，得到雙搖桿機構。

圖3-18（a）所示為對心曲柄滑塊機構。若以曲柄為機架時，得到導桿機構。滑塊3沿導桿4移動，導桿4繞A點轉動，此機構稱為導桿機構。如圖3-18（b）所示，當l1＜l2時，導桿可整周轉動，稱為轉動導桿機構。圖3-19所示的轉動導桿機構為小型刨床中的主傳動機構。若l1＞l2，則導桿只能往復擺動，稱為擺動導桿機構。圖3-20所示的擺動導桿機構為圖1-2所示牛頭刨床中的主傳動機構。

如果在圖3-18（a）中取連桿為機架，則演化為如圖3-18（c）所示的曲柄搖塊機構。其中構件3僅能繞C點搖擺。圖3-21所示的自動翻轉卸料機構即為一例。油缸內的壓力油可推動活塞桿4運動，使車廂1繞回轉中心傾斜，自動卸下物料。圖中2為機架，3為油缸。

若在圖3-18（a）中取滑塊3為機架時，則演化為如圖3-18（d）所示的定塊機構。圖3-22所示的抽水唧筒機構即為定塊機構的應用實例。

3.2.2.3　改變運動副尺寸

圖3-23（a）所示為曲柄搖桿機構，現將回轉副B擴大至包含回轉副A，便演化成圖3-23（b）所示的機構。該機構圓盤的幾何中心B因繞偏心A轉動，故稱為偏心輪機構。A、B的間距e為偏心距，偏心距e也是曲柄長度。圖3-23（d）所示的偏心輪機構，是由圖3-23（c）所示曲柄滑塊機構演化而成的。

當曲柄搖桿機構或曲柄滑塊機構中的曲柄尺寸較小時，由于結構的需要，將曲柄改為偏心輪，便得到圖3-23（b）、（d）所示的偏心輪機構。選擇偏心輪機構，既能簡化結構，又可提高其強度與剛度。偏心輪機構廣泛用于重載機械，如剪床、沖床、顎式破碎機、內燃機等。

3.2.3　平面多桿機構

四桿機構結構簡單，設計制造比較方便，但其性能有著較大的局限性。采用四桿機構常常難以滿足各方面的要求，而借助多桿機構通常可以達到以下目的。

（1）可以獲得較大的機械利益。圖3-24所示為鍛壓設備中的六桿肘機構，在鍛壓時具有很大的機械增益，以滿足鍛壓工作的需要。

（2）實現機構從動件具有停歇的運動。PAT—A型噴氣織機的打緯機構，屬六連桿式打緯機構，單側轉動。該打緯機構由曲柄搖桿機構和雙搖桿機構組成（圖3-25）。曲柄回轉中心O1、曲軸1、連桿2、搖桿3和搖桿中心O2組成曲柄搖桿機構，而搖桿中心O2、搖桿3、搖桿5和連桿4組成雙搖桿機構。O3為搖軸中心，帶動筘座和異形筘擺動。此機構能滿足筘座處于左極位時有一段相對靜止時間，因此有充分的時間完成引緯動作。

（3）改變從動件的運動特性。如圖3-26所示的某插齒機構的主傳動機構采用了六桿機構，不僅可滿足插齒刀的急回運動要求，而且可使插齒刀在切削行程中得到近似等速運動，以滿足切削質量及刀具刃耐磨性的需要。如圖3-7所示的慣性篩機構，不僅有明顯的急回特性，而且在運轉中加速度變化大，可提高篩分效果。

（4）擴大機構從動件的行程。如圖3-27所示為汽車用空氣泵的機構簡圖。其特點是曲柄CD較短而活塞的行程較長。該行程的大小由曲柄的長度及CE與BC之比值決定。