上篇 機械傳動

單元1 常用機構與軸系零件

課題一 平面連桿機構

本課題學習目標

任務說明

學生在學習相關知識鏈接及教師的指導下，完成以下任務：

任務一 區分低副與高副，判斷鉸鏈四桿機構的三種基本形式。

任務二 四桿機構的演化及應用。

任務一

1.觀察下列圖形（如圖1-1-1和圖1-1-2所示），哪個是低副？哪個是高副？

2.觀察下列鉸鏈四桿機構（如圖1-1-3～圖1-1-5所示），判斷其基本形式。

【相關知識鏈接】

一、平面連桿機構的組成及運動副的分類

1.平面連桿機構的組成

圖 1-1-6 所示為單缸汽油發動機的曲柄連桿機構。它由汽缸、活塞、連桿、曲軸四個構件構成一個平面連桿機構，能將活塞的往復運動轉化成曲軸的回轉運動，或是將曲軸的回轉運動轉化為活塞的往復運動。這些構件組成機構時，每個構件都以一定的方式與其他構件相互連接。這種連接的特點是允許兩構件間存在著一定的相對運動。使兩構件直接接觸而又產生一定相對運動的連接稱為運動副。機構是由若干具有相對運動的構件組成的。

2.運動副及其分類

如圖1-1-7所示，運動副根據接觸方式可分為低副和高副

1）低副

兩構件之間以面接觸組成的運動副稱為低副，它又可分為轉動副、移動副和螺旋副。2）高副

兩構件之間以點或線相接觸組成的運動副稱為高副。

二、鉸鏈四桿機構的基本形式及類型

平面連桿機構是由許多剛性構件用低副連接組成的平面機構，其特點是：采用低副，面接觸、承載大、便于潤滑、不易磨損、形狀簡單、易加工。平面連桿機構在生產中應用較為廣泛，如汽車發動機中的曲柄連桿機構、汽車的前輪轉向機構等都是平面連桿機構在生產中的具體應用。

根據連桿機構中各構件間相對運動范圍分：平面連桿機構與空間連桿機構；根據連桿機構所含構件數可分為：四桿機構與多桿機構。平面四桿機構的基本形式是鉸鏈四桿機構，其他四桿機構都是由它演變得到的。

1.鉸鏈四桿機構的基本形式

當平面四桿機構中的運動副都是轉動副時，可稱為鉸鏈四桿機構，如圖 1-1-8 所示。機架固定不動，兩條連架桿與機架相連，并繞 A、D 做定軸轉動，其中能繞機架做 360°轉動的連架桿稱為曲柄；只能在一定角度內做擺動的連架桿稱為搖桿；與機架相對的構件稱為連桿。

2.鉸鏈四桿機構的類型

連桿的運動狀態較為復雜，一般而言，按兩連架桿是曲柄還是搖桿的不同，可將鉸鏈四桿機構分為以下三種形式：

1）曲柄搖桿機構

兩連架桿中一個為曲柄，另一個為搖桿的鉸鏈四桿機構，稱為曲柄搖桿機構。曲柄搖桿機構的應用非常廣泛，常用于縫紉機踏板機構、牛頭刨床的橫向進給機構等，如圖1-1-9所示。

2）雙曲柄機構

兩連架桿均為曲柄的鉸鏈四桿機構，稱為雙曲柄機構。在雙曲柄機構中，應用最多的是正平行四邊形機構。其相對應的兩桿長度分別相等，從而形成一個平行四邊形，如圖 1-1-10 所示。雙曲柄機構常用于機車車輪聯動機構、天平機構、汽車車門的開閉機構等，如圖1-1-11所示。

3）雙搖桿機構

兩連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機構稱為雙搖桿機構。圖 1-1-12 所示為起重機的變幅機構。當搖桿搖動時，可以使懸掛在連桿 BC 延長部分的吊鉤能近似在水平線上移動。汽車轉向機構是兩個搖桿長度相等的雙搖桿機構。汽車轉彎時，兩個前輪連接的兩搖桿擺動的角度β和α不相等，如果在轉彎的任意位置都能使兩個前輪的軸線交點 P 落在后輪軸線的延長線上，使整個車身繞P點轉動，四個車輪都做純滾動，則可避免輪胎滑動磨損。

任務二

判斷圖1-1-13中哪個是曲柄滑塊機構？哪個是導桿機構？

【相關知識鏈接】

三、鉸鏈四桿機構的演化和應用

在鉸鏈四桿機構中，通過改變桿長，出現了曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構。為了滿足某些機構運動方面的要求，再改變某些構件形狀并選擇不同構件作為機架等，可以獲得其他形式的四桿機構，如曲柄滑塊機構、導桿機構等。

1.曲柄滑塊機構

如圖1-1-14所示，將曲柄搖桿機構中的搖桿3的長度趨向無窮大，機架同時加長，則搖桿的擺動中心移至無窮遠，搖桿與連桿鉸接點的運動軌跡就變成了沿直線導軌往復運動的滑塊，成為曲柄滑塊機構。

在曲柄滑塊機構中，曲柄做圓周運動，如以曲柄為主動件時，則由連桿帶動滑塊做往復直線運動；相反以滑塊為主動件做往復直線運動時，則由連桿帶動曲柄做連續圓周運動，滑塊行程等于曲柄長度的兩倍，即S=2r。由此可知，曲柄、滑塊可以互為主動件。

曲柄滑塊機構在各種機械中應用廣泛，如圖1-1-15所示為曲柄滑塊機構在壓力機和內燃機中的應用。在壓力機中曲柄為主動件，在內燃機中活塞為主動件。

2.導桿機構

導桿機構是通過改變曲柄滑塊機構中的固定件演化而來的，如圖 1-1-16 所示。當曲柄 1固定，機架作為桿4時，即可得到導桿機構。桿2通常為主動件，桿4為導桿，滑塊3可相對導桿4滑動。當桿1長度小于桿2長度時，桿2與桿4均可做圓周運動，稱為轉動導桿機構。當桿1長度大于桿2長度時，桿4只能做往復擺動，稱為擺動導桿機構。導桿機構常用于牛頭刨床、插床和旋轉油泵中。

當連桿2固定，機架作為桿4時，即可得到如圖1-1-17所示的擺動滑塊機構。這種機構一般是以桿1或桿4為主動件。當桿1做轉動或擺動時，桿4相對于滑塊3滑動并一起繞C點擺動。當桿4作為主動件在滑塊3中移動時，桿1即繞B點轉動或擺動。自卸貨車裝置常用此機構，如圖1-1-18所示。

當滑塊3固定，機架作為桿4時，即可得到如圖1-1-19所示的固定滑塊機構。一般取1為主動件，使桿2繞C點擺動，而取桿4僅相對于滑塊3做往復移動，這種機構常用于水泵和油泵，如圖1-1-20所示。

思考與練習

1.什么是四桿機構？什么是鉸鏈四桿機構？

2.鉸鏈四桿機構的常見類型有哪幾種？各有什么應用特點？

3.四桿機構的演化及應用有哪些？