3.4 平面四杆机构设计
3.4.1 平面四杆机构运动设计的基本问题
机构设计就是根据给定的要求选定机构的形式，确定机构各构件的尺寸参数，并且还要满足结构条件、动力条件和连续传动条件等技术要求。根据机械的用途和性能要求的不同，对连杆机构设计的要求是多种多样的，但是这些设计要求可以归纳为以下三类问题。
（1）实现连杆给定位置的设计。在这类问题中，要求连杆能有序的占据一系列的预定位置。图3-38所示的铸造造型机沙箱翻转机构，沙箱与连杆BC成为一体，要求所设计的机构中，连杆能依次到达位置Ⅰ和Ⅱ，以便引导沙箱实现造型振实和拔模。
（2）实现从动件给定的运动规律。此类设计问题要求所设计机构的主、从连架杆之间的关系能满足某种给定的函数关系。图3-12所示的车门开关机构，工作要求两连架杆的转角满足大小相等而转向相反的运动关系，以实现车门的开启和关闭；图3-14所示的汽车前轮转向机构，工作要求两连架杆的转角满足某函数关系，以保证汽车顺利转弯。
（3）实现给定点的运动轨迹。要求在机构运动过程中，连杆上某些点的轨迹能符合预定的轨迹要求。图3-13所示的鹤式起重机构，为避免货物运送过程中上下起伏运动，连杆上吊钩滑轮中心点E应沿水平直线移动；图3-39所示的搅拌机机构，应保证连杆上E点能按预定的轨迹运动，以完成搅拌动作。
图3-38 沙箱翻转机构
图3-39 搅拌机机构
3.4.2 按给定连杆位置设计平面四杆机构
如图3-40所示，设连杆两活动铰链中心B、C的位置已确定，四杆机构的连杆在运动过程中能依次到达位置B1C1、B2C2和B3C3。设计的任务是要确定两固定铰链A、D的位置。由于B1、B2和B3位于以固定铰链A为圆心的圆弧上，设计问题转化为给定圆上3个点求圆心的问题；同理，通过C1、C2和C3也能求得固定铰链D。具体作法如下：分别作B1B2和B2B3线段的垂直平分线，其交点即为固定铰链A的位置；同理分别作C1C2和C2C3线段的垂直平分线，其交点即为固定铰链D的位置，连接AB1、C1D，即得所求的四杆机构。
图3-40 按给定连杆位置设计四杆机构
3.4.3 按给定行程速比系数设计平面四杆机构
3.4.3.1 曲柄摇杆机构的设计
设已知曲柄摇杆机构的行程速比系数K，摇杆的长度L和摆角Ψ（图3-41），设计曲柄摇杆机构。
（1）计算极位夹角。
θ=180°×（K-1）/（K+1）
（2）定出摇杆的两个极限位置。任选铰链D，由摇杆长L和摆角Ψ作摇杆的两极限位置C1D、C2D。
（3）以C1C2为弦作圆周角为θ的辅助圆。具体过程如下：连接C1C2，作直角三角形C1PC2，其中∠C1=90°，∠C2=90°-θ。
（4）在辅助圆上任取铰链A都能满足∠C1AC2=θ的要求，A、D为四杆机构机架。
图3-41 曲柄摇杆机构的设计
（5）确定曲柄和连杆长度。
∵AC1=L连杆-L曲柄，AC2=L连杆+L曲柄
∴L曲柄=（AC2-AC1）/2，L连杆=（AC2+AC1）/2
求得铰链B，则AB1C1D即为所设计的四杆机构。
设计时，应注意铰链A不能选在劣弧段EF上，否则机构将不满足运动连续性的要求；而铰链A具体位置的确定尚需要给出一些其他的附加技术条件。
3.4.3.2 曲柄滑块机构的设计
对于偏置曲柄滑块机构，行程H就是两极限位形成的弦（图3-42），铰链A可由偏距e确定，其余设计步骤与曲柄摇杆机构完全相同。
3.4.3.3 导杆机构的设计
如图3-43所示，设已知机架长度l4、行程速比系数K，设计导杆机构。设计步骤如下。
图3-42 滑块机构的设计
图3-43 导杆机构的设计
（1）计算极位夹角。
θ=180°×（K-1）/（K+1）
（2）确定导杆两极限位置（注意：θ=ψ）。
（3）过A点作导杆的垂线AB1。
（4）确定曲柄l1=AB1。
思考题与习题
题图3-1
题图3-2
题图3-3
题图3-4