3.2 平面四杆机构的基本类型及其演化

在平面连杆机构中，结构最简单且应用最广泛的是平面四杆机构，其他机构可看成是由平面四杆机构演化而来。

3.2.1 铰链四杆机构的基本类型

全部用转动副相连的平面四杆机构称为铰链四杆机构，它是平面四杆机构最基本的形式。在图3.5（a）所示的铰链四杆机构中，AD为机架。AB、CD两杆与机架相连称为连架杆，如果连架杆相对于机架能作整周转动，则称为曲柄；如连架杆相对于机架只能在一定角度范围内摆动，则称为摇杆。连接两连架杆的构件BC称为连杆。若组成转动副的两构件能作整周相对转动，则称该转动副为整转副，如图3.5（a）中的A、B副。而不能作相对整周转动的运动副，则称为摆转副，如图3.5（a）中的C、D副。铰链四杆机构可分为三种基本形式：曲柄摇杆机构，如图3.5（a）、（c）所示；双曲柄机构，如图3.5（b）所示；双摇杆机构，如图3.5（d）所示。

1．曲柄摇杆机构

铰链四杆机构的两连架杆中一个能作整周转动，另一个只能作往复摆动的机构，称为曲柄摇杆机构，如图3.5（a）、（c）所示。它在工业中得到广泛的应用，如颚式破碎机中的机构（见图3.2）、雷达天线俯仰机构（见图3.6）、缝纫机中的脚踏板机构（见图3.7）和脚踏砂轮机机构（见图3.8）等。这类机构中，当曲柄为原动件，摇杆为从动件时，可将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动。如图3.2所示颚式破碎机机构，把曲柄1（轮1）的整周回转运动转变成摇杆3（颚板3）的往复摆动，以轧碎矿石。图3.6所示为雷达天线俯仰机构，它把曲柄1的整周回转运动转变成摇杆3（雷达天线3）的往复摆动，以调整雷达天线的仰角。在曲柄摇杆机构中，摇杆也可为原动件，如图3.7所示的缝纫机脚踏板机构，踏板3是摇杆，轮轴1是曲柄，脚踏动摇杆3作往复摆动，通过连杆2，使曲柄1作整周回转运动，从而完成缝纫工作。图3.8所示的脚踏砂轮机机构，踏板3是摇杆，砂轮1是曲柄，脚踏动摇杆3作往复摆动时，通过连杆2，使砂轮1作整周回转运动，从而完成磨削工作。

2．双曲柄机构

铰链四杆机构的两连架杆均能作整周转动的机构称为双曲柄机构，如图3.5（b）所示。当主动曲柄连续等速转动时，从动曲柄一般不作等速转动，而作变速转动。图3.9所示的惯性筛中，主动曲柄AB作等速回转运动，从动曲柄CD作变速转动，从而使筛网具有较大变化的加速度，利用加速度所产生的惯性力，将材料筛分。

在双曲柄机构中，若相对的两杆长度分别相等，则称为平行双曲柄机构或平行四边形机构。若相对的两杆长度相等且平行，两曲柄转向相同且角速度相等，则称为正平行四边形机构，如图3.10所示，该机构的特点是主动曲柄1和从动曲柄3转向相同且角速度相等，即ω1=ω3，连杆2作平动。图3.11所示的机车车轮联动机构就是正平行四边形机构的实际应用，由于两曲柄作等速同向转动，从而保证了机构的平稳运行。若相对的两杆长度相等，但连杆与机架不平行，两曲柄转向相反且角速度不同，则为反平行四边形机构，如图3.12所示，该机构的特点是主动曲柄1和从动曲柄3转向相反且角速度不同，即ω1≠ω3，连杆2作平面运动。图3.13所示的车门开闭机构是反平行四边机构的一个应用，AD与BC不平行，因此，两曲柄作不同速反向转动，从而保证两扇门能同时开启或关闭。

另外，对平行双曲柄机构，无论以哪个构件为机架都是双曲柄机构。但若取较短构件作机架，则两曲柄的转动方向始终相同。

3．双摇杆机构

两连架杆均不能作整周转动的，即两连架杆都是摇杆的铰链四杆机构，则称为双摇杆机构，如图3.5（d）所示。图3.14所示的鹤式起重机中的四杆机构即为双摇杆机构，当原动摇杆AB摆动时，从动摇杆CD也随之摆动，位于连杆BC延长线上的重物悬挂点M将沿近似水平直线移动。在双摇杆机构中，若两摇杆长度相等并且最短，则构成等腰梯形机构，汽车前轮转向机构就是其应用之一，如图3.15所示。

3.2.2 铰链四杆机构的演化

通过改变机构中运动副的形状及尺寸、改变构件的形状及尺寸、选不同构件为机架等方法，可以得到铰链四杆机构的其他演化机构。

1．曲柄滑块机构

图3.16所示为曲柄滑块机构的演化过程。图3.16（a）为曲柄摇杆机构，摇杆上转动副C点的运动轨迹是以D为圆心，以CD为半径的圆弧；将曲柄摇杆机构中C点处的转动副转换成沿弧形导槽运动的圆弧移动副，摇杆CD演变成滑块，如图3.16（b）所示；若使图3.16（b）中的圆弧移动副半径CD趋于无穷大，则图3.16（b）所示曲柄滑块机构的圆弧移动副演变成图3.16（c）中的直线移动副，此时机构演化为曲柄滑块机构。

曲柄滑块机构中滑块C点的运动轨迹称为导路，C点在两个极限位置之间的距离称为行程，用H表示。滑块移动的导路到曲柄回转中心之间的距离e称为偏距。如果e等于零，则为对心曲柄滑块机构，如图3.17（a）所示；如果e不为零，称为偏置曲柄滑块机构，如图3.17（b）所示。曲柄滑块机构在活塞式内燃机、冲床、空气压缩机等中得到了广泛的应用。内燃机应用曲柄滑块机构将活塞4（相当于滑块）的往复直线运动转换为曲轴2（相当于曲柄）的旋转运动，如图3.18所示。滚轮送料机中的送料机构应用曲柄滑块机构将曲轴1（相当于曲柄）的旋转运动转换为推头3（相当于滑块）的往复直线运动，如图3.19所示。

在图3.17（a）所示的曲柄滑块机构中，由于铰链B相对于铰链C运动的轨迹为β—β圆弧，如图3.20（a）所示，所以将连杆2做成滑块形式，并使之沿滑块3上的圆弧导轨β—β运动，如图3.20（b）所示，显然其运动性质并未发生改变，但是此时已演化成为一种具有两个滑块的四杆机构，即双滑块机构。将图3.17（a）所示曲柄滑块机构中的连杆2的长度增至无穷长，则圆弧导轨β—β将成为直线，于是该机构将演化成为图3.20（c）所示的正弦机构。对正弦机构取不同的构件做机架，可得正切机构、双转块机构以及双滑块机构等，如图3.21所示。

2．导杆机构

导杆机构可看成是改变曲柄滑块机构中的固定构件而演化来的。图3.22（a）为曲柄滑块机构，若选构件1为机架，如图3.22（b）所示，各构件的形状和相对运动关系都未改变，当构件2为原动件时，滑块3将在可转动（或摆动）的构件4上作相对移动，构件4称为导杆，此机构称为导杆机构。

当l1＜l2时，如图3.22（b）所示，两连架杆2和4均可整周回转，称为曲柄转动导杆机构，或转动导杆机构。图3.23所示的插床插刀机构，就是转动导杆机构的应用实例，曲柄2作整周连续转动，通过转动导杆4和构件5，驱动切削头6上固定的插刀，完成往复切削运动。

当l1＞l2时，如图3.24所示，连架杆2可整周回转，连架杆4只能往复摆动，称为曲柄摆动导杆机构，或摆动导杆机构。图3.25所示的刨床驱动刨刀往复移动的机构，就是摆动导杆机构的应用实例，曲柄2作整周连续转动，通过摆动导杆4和构件5，驱动滑枕6上固定的刨刀，完成往复切削运动。

3．摇块机构和定块机构

在图3.22（a）所示曲柄滑块机构中，若选构件2为机架，滑块3仅能绕机架上的铰链C作摆动，即可得摆动滑块机构，或称摇块机构，如图3.22（c）所示。这种机构广泛应用于摆缸式液压驱动装置中，如图3.26所示的卡车车厢自动翻转卸料机构，当油缸3（摇块）中的压力油推动活塞杆4运动时，车厢1将绕回转中心B翻转，达到某一角度时物料倾倒。

在图3.22（a）所示曲柄滑块机构中，若取滑块3为机架，即可得图3.22（d）所示的固定滑块机构，或称定块机构。这种机构常用于抽水唧筒和抽油泵中，图3.27所示为抽水唧筒的定块机构。

4．偏心轮机构

图3.28（a）所示为曲柄滑块机构，当曲柄AB的实际尺寸很短、曲柄销需要传递较大动力而承受较大冲击载荷时，由于结构需要，通常将运动副B的半径扩大，直至超过曲柄AB的长度，得到如图3.28（b）所示的机构。此时，曲柄1变成了一个几何中心为B、回转中心为A的偏心圆盘，回转中心至几何中心的偏心距即为原曲柄的长度，这种机构称为偏心轮机构。该机构与原曲柄滑块机构的运动特性相同，其机构运动简图也完全一样。偏心轮机构广泛应用于传力较大的冲床、剪床、锻压设备和柱塞泵中。