2.2 平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及應(yīng)用

平面連桿機(jī)構(gòu)是由若干個構(gòu)件用低副（轉(zhuǎn)動副或移動副）聯(lián)接組成的平面機(jī)構(gòu)。由于低副是面接觸，故傳力時壓強(qiáng)低，磨損小，壽命長；另外，低副的接觸面為平面或圓柱面，便于加工制造和保證精度。因此，平面連桿機(jī)構(gòu)廣泛用于各種機(jī)械和儀器中。

平面連桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是：低副中存在間隙，易引起運(yùn)動誤差；而且它的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，不易精確地實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的運(yùn)動規(guī)律。

平面連桿機(jī)構(gòu)的類型很多，其中最簡單、應(yīng)用最廣泛的是由四個構(gòu)件組成的平面四桿機(jī)構(gòu)。掌握了四桿機(jī)構(gòu)有關(guān)知識和設(shè)計(jì)方法可為多桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。下面重點(diǎn)討論四桿機(jī)構(gòu)的基本類型、特性及其常用的設(shè)計(jì)方法。

2.2.1 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

四個構(gòu)件全部用轉(zhuǎn)動副相聯(lián)接的機(jī)構(gòu)稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，它是平面四桿機(jī)構(gòu)的基本形式。如圖2-14（圖中序號1～4均指構(gòu)件，下同）所示，機(jī)構(gòu)中固定不動的構(gòu)件4稱為機(jī)架；與機(jī)架相聯(lián)接的構(gòu)件1、3稱為連架桿，其中能做整周回轉(zhuǎn)的連架桿稱為曲柄，只能做往復(fù)擺動的連架桿稱為搖桿；不與機(jī)架相聯(lián)接的構(gòu)件2稱為連桿。

1. 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本形式

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中可按兩連架桿是否成為曲柄或搖桿分為三種基本形式。

（1）曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩連架桿中，若一個為曲柄，另一個為搖桿，則稱此機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。當(dāng)曲柄為原動件，搖桿為從動件時，可將曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復(fù)擺動，如圖2-15所示的雷達(dá)天線的調(diào)整機(jī)構(gòu)；若搖桿為原動件，則可將搖桿的往復(fù)擺動轉(zhuǎn)變?yōu)榍恼苻D(zhuǎn)動，如圖2-16所示的縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)。

（2）雙曲柄機(jī)構(gòu) 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩連架桿均為曲柄，則此機(jī)構(gòu)稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。它可將原動曲柄的等速轉(zhuǎn)動變換成從動曲柄的等速或變速轉(zhuǎn)動。如圖2-17所示的慣性篩機(jī)構(gòu)，當(dāng)主動曲柄1等速轉(zhuǎn)動時，從動曲柄3做變速轉(zhuǎn)動，從而使篩子做變速移動，以獲得篩分材料顆粒所需要的加速度。

在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，若相對的兩組桿平行且長度相等，則該機(jī)構(gòu)稱為平行四邊形機(jī)構(gòu)。平行四邊形機(jī)構(gòu)兩曲柄以相同角速度同向轉(zhuǎn)動，連桿做平移運(yùn)動。圖2-18所示的攝影平臺升降機(jī)構(gòu)就利用了連桿BC做平移運(yùn)動的特點(diǎn)；圖2-19所示的機(jī)車車輪的聯(lián)動機(jī)構(gòu)則利用了曲柄AB、CD、EF等速同向轉(zhuǎn)動的特點(diǎn)。如圖2-20所示的反平行四邊形機(jī)構(gòu)，桿AB、CD的長度相等，但不平行，故該機(jī)構(gòu)稱為反平行四邊形機(jī)構(gòu)。反平行四邊形機(jī)構(gòu)主動曲柄做等速轉(zhuǎn)動時，從動曲柄做反向變速轉(zhuǎn)動。圖2-21所示的車門啟閉機(jī)構(gòu)就是利用此機(jī)構(gòu)曲柄AB、CD轉(zhuǎn)向相反的運(yùn)動特點(diǎn)，使兩扇車門同時開啟或關(guān)閉。

（3）雙搖桿機(jī)構(gòu) 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，兩連架桿均為搖桿的稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)。圖2-22所示的港口起重機(jī)，利用兩搖桿的擺動，使得懸掛在連桿E上的重物能沿近似水平的直線運(yùn)動；圖2-23所示的飛機(jī)起落架放收機(jī)構(gòu)，則是利用雙搖桿機(jī)構(gòu)完成飛機(jī)著陸時推出和起飛后收起著陸輪的工作。

2. 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)形式的判別

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)三種基本形式的區(qū)別在于機(jī)構(gòu)是否存在曲柄，而有無曲柄又與各桿的相對長度和機(jī)架的選擇有關(guān)。

通過論證，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在的條件為：

1）連架桿和機(jī)架中必有一桿為最短桿。

2）最短桿與最長桿長度之和小于或等于其他兩桿長度之和。

由上可知，判別鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)形式時應(yīng)先判別機(jī)構(gòu)是否滿足桿長條件，若滿足，則可按下述方法判別出機(jī)構(gòu)的形式：①若最短桿為連架桿，則得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；②若最短桿為機(jī)架，則得到雙曲柄機(jī)構(gòu)；③若最短桿為連桿，則得到雙搖桿機(jī)構(gòu)。不滿足桿長條件的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，無論取哪個桿件作機(jī)架，都無曲柄存在，則機(jī)構(gòu)只能是雙搖桿機(jī)構(gòu)。

2.2.2 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化

如圖2-24a所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，搖桿上C點(diǎn)的軌跡是以D為中心，以CD為半徑的圓弧。若搖桿CD的長度趨于無窮大時，則C點(diǎn)的軌跡變成直線。于是該鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)就演化成含有滑塊的機(jī)構(gòu)，如圖2-24b所示。

對含有一個移動副的四桿機(jī)構(gòu)，若改取不同構(gòu)件作機(jī)架或擴(kuò)大轉(zhuǎn)動副等，可得到不同形式。

1. 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

如圖2-24b所示，當(dāng)連架桿1為曲柄時，該機(jī)構(gòu)稱為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。根據(jù)滑塊導(dǎo)路是否通過曲柄轉(zhuǎn)動中心A，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可分為對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（圖2-24b）和偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（圖2-24c）兩種，其中e為偏置距離。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)、空氣壓縮機(jī)、壓力機(jī)等機(jī)械中。

2. 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

在圖2-24b所示的對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，若改取構(gòu)件1為機(jī)架，即得導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。當(dāng)l₁<l₂時（圖2-25a），機(jī)架是最短構(gòu)件，它的相鄰構(gòu)件2與導(dǎo)桿4均能做整周回轉(zhuǎn)，稱為轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)；當(dāng)l₁>l₂時（圖2-25b），機(jī)架1不是最短構(gòu)件，它的相鄰構(gòu)件導(dǎo)桿4只能來回?cái)[動，稱為擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)常用于牛頭刨床（圖2-25c）、插床等機(jī)械中。

3. 搖塊機(jī)構(gòu)

在圖2-24b所示的對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，若取構(gòu)件2作機(jī)架，即得到圖2-26a所示的搖塊機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)廣泛用于擺缸式內(nèi)燃機(jī)和液壓驅(qū)動裝置等機(jī)械中。如圖2-26b所示的載貨汽車車廂的自動翻轉(zhuǎn)卸料機(jī)構(gòu)（自卸貨車），卸料時液壓缸3中的壓力油推動活塞4運(yùn)動，使車廂1繞B點(diǎn)轉(zhuǎn)動，當(dāng)達(dá)到一定角度時，物料便自動卸下。

4. 定塊機(jī)構(gòu)

在圖2-24b所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，若取構(gòu)件3作機(jī)架，即可得到圖2-27a所示的定塊機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)常用于手動抽水泵（圖2-27b）和抽油泵中。

5. 偏心輪機(jī)構(gòu)

在平面四桿機(jī)構(gòu)中，若需曲柄很短，或要求滑塊行程較小時，通常都把曲柄做成盤狀，因圓盤的幾何中心與轉(zhuǎn)動中心不重合也稱為偏心輪，即得到圖2-28所示的偏心輪機(jī)構(gòu)。圓盤的幾何中心B與轉(zhuǎn)動中心A之間的距離e稱為偏心距。偏心輪機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于傳力較大的剪切機(jī)、壓力機(jī)、顎式破碎機(jī)等機(jī)械中。

按同樣的演化方式，若將鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中兩桿長度趨于無窮大，則兩個轉(zhuǎn)動副由兩個移動副替代，且分別取不同構(gòu)件作機(jī)架，可演化出下列機(jī)構(gòu)：如圖2-29所示的正弦機(jī)構(gòu)，其從動件3的位移y=l₁ sinφ；如圖2-30所示的正切機(jī)構(gòu)，其從動件3的位移y=ltanφ。正弦機(jī)構(gòu)和正切機(jī)構(gòu)常用于儀表和計(jì)算裝置中。如圖2-31a所示的雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)，其主動件1與從動件3具有相等的角速度，可用于圖2-31b所示的滑塊聯(lián)軸器；如圖2-32a所示的雙滑塊機(jī)構(gòu)，其兩個滑塊都可沿機(jī)架移動，可用于圖2-32b所示的橢圓儀中。

生產(chǎn)中常見的某些多桿機(jī)構(gòu)，也可以看成是由若干個四桿機(jī)構(gòu)組合擴(kuò)展形成的。

圖2-33所示的手動壓力機(jī)是一個六桿機(jī)構(gòu)，它可以看成是由兩個四桿機(jī)構(gòu)組成的，即由構(gòu)件1、2、3、4組成的雙搖桿機(jī)構(gòu)和由構(gòu)件3、5、6、4組成的搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。在此，前一個四桿機(jī)構(gòu)中的從動件3作為后一個四桿機(jī)構(gòu)的主動件，扳動手柄1，沖桿6就上下移動。作用在手柄上的力，通過手柄1和構(gòu)件3的兩次增大，從而增大了沖頭上的作用力。這種增力作用在連桿機(jī)構(gòu)中經(jīng)常應(yīng)用。