1.2.4 平面四杆机构的设计
连杆机构的设计主要包含以下3个方面内容：
1）根据给定的工作要求选定连杆机构的类型，对于平面四杆机构来说，就是要在曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构等各种类型的机构中适当地选定一种类型。
2）根据给定的运动要求以及其他附加的几何条件（如杆长限制）、动力条件（如传动角）等，确定机构的运动尺度（如各杆的长度、偏距等）。
3）根据机构的工作条件及受力状况等，确定构件的结构形式及运动副的结构。
连杆机构的运动设计主要解决两类问题：一类是实现给定的从动件运动规律，即按给定的构件位置或速度（甚至加速度）要求设计连杆机构，实现连杆占有若干指定的位置，或使具有急回作用的从动件实现指定的行程速比系数K；另一类是按照给定的点的运动轨迹设计连杆机构。
连杆机构的运动设计方法有图解法、实验法和解析法3种。图解法几何关系清晰，简明直观，但精确性较差；解析法精确度好，但计算繁杂；实验法形象直观，但过程复杂。以下介绍的是图解法。
1.按给定连杆占有若干给定的位置设计四杆机构
图1-2-18所示为铰链四杆机构ABCD，其连杆BC能实现预定的3个位置B1C1、B2C2、B3C3。因为活动铰链B是绕A做圆周运动的，故A在B1、B2、B3两两连线中垂线交点处。只要利用这些中垂线求出铰链A的位置，则连架杆AB就可以确定了。同理可确定铰链D及杆CD和AD的长度。这时有唯一解。
在作图求解的过程中，选一长度比例尺μl作出连杆已知的三个位置B1C1、B2C2和B3C3。作B1B2和B2B3的中垂线b12和b23交于固定铰链A，作C1C2和C2C3的中垂线c12和c23交于固定铰链D，则AB1C1D就是要求的铰链四杆机构。
图1-2-18 给定连杆动铰链3个位置的设计
【例1-4】 加热炉门启闭时的两个位置如图1-2-19所示（实线和双点画线两个位置）。设计一铰链四杆机构来控制炉门的启闭动作。已知炉门上两铰链B、C的中心距为200mm，要求炉门打开后呈水平位置，且热面朝下（如双点画线所示）。规定与机架相连接的铰链A、D安置在炉体的yy竖直线上，其相应位置的尺寸如图1-2-19所示。用图解法确定此铰链四杆机构其余三杆的尺寸。
图1-2-19 加热炉的启闭机构
解：按上述原理作图的步骤如下：
1）取长度比例尺μl，按给定位置作B1C1和B2C2。
2）连接B1B2、C1C2并分别作它们的垂直平分线b12、c12。
3）铰链中心A位于B1B2线段的中垂线b12上；铰链中心D位于C1C2线段的中垂线c12上，即满足炉门开关要求的铰链四杆机构有无数个。因此，在设计时必须考虑其他附加条件，这里根据安装要求选在直线yy上。
4）炉门启闭铰链四杆机构ABCD设计完毕。各构件具体尺寸可在图中量取，结果为lAD=95.47mm，lAB=67.34mm，lCD=111.97mm。
2.按照给定的行程速比系数设计四杆机构，实现急回特性
（1）曲柄摇杆机构 设计具有急回作用的机构时，常根据机械的工作性质选取适当的行程速比系数K，计算极位夹角θ，然后按机构在极限位置的几何关系，再结合其他辅助条件确定各构件的尺寸。
设已知摇杆CD的长度lCD，摆角ψ，行程速比系数K。试设计该机构。
假设该机构已经设计出来了，如图1-2-20所示。当摇杆处于两极限位置时，曲柄和连杆两次共线，∠C1AC2即为极位夹角θ。若过点C1、C2以及曲柄回转中心A作一个辅助圆K，则该圆上的弦C1C2所对的圆周角为θ。所以圆弧C1AC2上的任意点均可作为曲柄的回转中心。
根据以上分析其设计如下：
由给定的行程速比系数K按式(1-3)算出极位夹角θ，然后，任选一点D，并按摇杆CD的长度lCD和摆角ψ画出摇杆的两个极限位置DC1和DC2。连接C1、C2并作∠C2C1N=90°-θ；作C2M⊥C1C2，得C1N与C2M之交点P。作△PC1C2的外接圆，则圆弧C1PC2上任一点A与C1和C2的连线夹角都等于θ，把两极限位置摇杆线延长，与圆交于E和F两点，则曲柄的回转中心A可在
上任选，如在
上选取无运动意义。设曲柄长度为a，连杆长度为b，则AC1=b+a，AC2=b-a，故AC1-AC2=2a或a=(AC1-AC2)/2，于是，以A为圆心，以AC2为半径作弧交AC1于G，则得
图1-2-20 给定K设计四杆机构
由于曲柄回转中心A可在圆弧C2PE或C1F上任意选取，所以有无穷多解。
若设计时还补充了其他要求，如已知机架的长度，则A的位置唯一。如果机架尺寸未给定，则应以机构在工作行程中具有较大的传动角为出发点来确定曲柄回转中心的位置，使最小传动角尽量大些，即点应在圆周的上方选取。如果给定机架尺寸，此时所设计的机构如不能保证在工作行程中的传动角γmin≥［γ］，则应改选原始数据，重新设计（如选A就比选A′更能满足传动角的要求）。
（2）摆动导杆机构 已知机架AC的长度及行程速比系数K，要求设计导杆机构ABC。
由图1-2-13b可知，摆动导杆的摆角与机构的极位夹角相等，即ψ=θ，故设计导杆机构时，只需确定曲柄的长度。设计步骤如下（参见图1-2-13b）：
1）按公式θ=180°（K-1）／（K+1）算出极位夹角θ。
2）任选一点作为固定铰链中心C的位置，以C为顶点，作∠NCM=ψ=θ。
3）作∠NCM的角平分线，并根据给定的机架长度定出固定铰链中心A的位置。
4）过A点作CM的垂线AB1，曲柄AB的长度为：
。