汽车机械基础：平面连杆机构的应用广泛

1.平面连杆机构的特点及应用

平面连杆机构是由若干构件以低副连接而成的机构，也称平面低副机构。主要特点：平面连杆机构能进行多种运动的变换及实现一些比较简单的运动规律和运动轨迹；由于它的运动副全部都为低副，是面接触，故压力小、耐磨损、寿命较长；而且转动副和移动副的接触表面是圆柱面和平面，易于加工、成本低。但是，由于低副中存在着间隙，机构将不可避免地产生运动误差，使运动精度降低；此外它的设计比较复杂，不易精确地实现复杂的运动规律。

平面连杆机构由于具有以上特点，因此广泛应用于汽车以及其他各种机械、仪表和操纵机构中。

最简单的平面连杆机构是由四个构件组成的，称为四杆机构。它不仅应用广泛，而且还是组成多杆机构的基础。

2.铰链四杆机构

在四杆机构中各杆之间均以转动副相连时，称为铰链四杆机构。如图7-17所示，构件4称为机架，与机架4相连的构件1、3称为连架杆，构件2称为连杆。相对机架可360°转动的连架杆又称为曲柄；相对机架摆动的连架杆又称为摇杆。按两连架杆是曲柄还是摇杆的不同组合，可将铰链四杆机构分为三种基本类型：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。

图7-17 铰链四杆机构

（1）曲柄摇杆机构 两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆的铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构，其主要用途是将转动变为摆动。图7-18所示为雷达天线俯仰角调整机构，天线固定在连架杆3（摇杆）上，由主动件1（曲柄）通过连杆2使天线缓慢摆动以调整俯仰角。

图7-19所示为汽车前窗的刮水器机构，当主动曲柄AB回转时，从动摇杆往复摆动，利用摇杆的延长部分实现刮水作用。

图7-18 雷达天线调整机构

图7-19 汽车刮水器机构

（2）双曲柄机构 铰链四杆机构的两个连架杆均为曲柄时，称为双曲柄机构。当两个曲柄的长度相等，机架与连杆的长度也相等时，称为平行四边形机构或平行双曲柄机构，如图7-20所示。

图7-21所示的机车车轮联动机构，是平行双曲柄机构的应用实例。在双曲柄机构中，若主动曲柄为等速转动时，从动曲柄一般为变速转动；只有在平行双曲柄机构中，当两曲柄转向相同时，它们的角速度才在任何瞬时相等。但平行双曲柄机构在两个曲柄与机架共线

图7-20 平行四边形机构

图7-21 机车车轮联动机构

时，可能由于某些偶然因素的影响而使两个曲柄反向回转，机车车轮联动机构采用三个曲柄的目的就是为了防止其反转。

（3）双摇杆机构 铰链四杆机构的两个连架杆均为摇杆时，称为双摇杆机构。图7-22所示的汽车转向四杆机构及图7-23所示的起重机都为双摇杆机构。

图7-22 汽车转向四杆机构

图7-23 起重机

3.铰链四杆机构的演化

铰链四杆机构通过将转动副演化成移动副或选取不同构件为机架等途径，还可获得平面四杆机构的其他演化形式。

（1）曲柄滑块机构 如图7-24所示，1为曲柄，2为连杆，3为滑块。若滑块移动方位线mm通过曲柄回转中心，则称为对心曲柄滑块机构，如图7-24a所示；若滑块移动方位线mm不通过曲柄回转中心，则称为偏置曲柄滑块机构，如图7-24b所示，其中e为偏心距。

图7-24 曲柄滑块机构

曲柄滑块机构能将回转运动变为往复直线运动，或进行相反的转换，它广泛应用于内燃机、空气压缩机及各种冲压机器中。

图7-25 导杆机构(www.xing528.com)

（2）导杆机构 导杆机构可看成是由改变曲柄滑块机构中的固定构件演化而来的。如图7-25a所示，曲柄滑块机构如取构件1为机架，构件2为主动件，构件4为导杆，滑块3相对导杆滑动并一起绕A点转动，构件2的长度小于机架1，则当构件2整周回转时，导杆4只能往复摆动，故称摆动导杆机构。如图7-25b所示，构件2的长度大于机架1，则当构件2整周回转时，导杆4也整周回转，此机构称为转动导杆机构。

（3）摇块机构 在转动导杆机构中，如取构件2为机架，构件1整周回转，构件4与滑块3组成移动副，滑块3与机架2组成转动副，滑块3成了绕机架上C点来回摆动的摇块，如图7-26a所示，故称摇块机构。图7-26b所示的摆动液压泵为摇块机构的应用。

（4）定块机构 在摇块机构中若将滑块3作为机架，称为定块，构件2绕C点摆动，构件4相对滑块3往复移动，如图7-27a所示，则称这种机构为定块机构。图7-27b所示的手动压水机为定块机构的应用实例。

图7-26 摇块机构

图7-27 定块机构

4.平面四杆机构的基本特性

（1）曲柄存在的条件 在铰链四连杆机构中是否存在曲柄，取决于机构中各杆的长度关系，即要使连架杆能做整圆周转动而成为曲柄，各杆的长度必须满足一定的条件，这就是所谓曲柄存在的条件。图7-28所示为铰链四连杆机构。a、b、c、d分别表示构件AB、BC、CD、AD的长度，若AD为机架，AB为曲柄，在AB转动的过程中，AB与AD拉直共线和重叠共线有两个位置。要使AB成为曲柄，它必须能顺利地通过这两个共线位置。由此可知，在四连杆机构中，要使连架杆成为曲柄，必须同时具备以下两个条件：

①连架杆与机架中必有一个是最短杆件。

图7-28 曲柄存在条件

②最短杆件与最长杆件长度之和必小于或等于其余两杆件的长度之和。

根据曲柄存在的条件，还可以做出如下推论。如果铰链四连杆机构中，最短杆件与最长杆件的长度之和小于或等于其余两杆件的长度之和，则可有以下三种情况：

①以与最短杆件相邻的杆件做机架时，该机构为曲柄摇杆机构。

②以最短杆件做机架时，该机构为双曲柄机构。

③以与最短杆件相对的杆件做机架时，该机构为双摇杆机构。

如果铰链四连杆机构中，最短杆件与最长杆件的长度之和大于其余两杆件的长度之和，则无论以哪一杆件为机架，均为双摇杆机构。

（2）急回运动特性图7-29所示为曲柄摇杆机构，当曲柄AB沿顺时针方向以等角速度从与BC共线位置AB₁转到共线位置AB₂时，转过的角度为φ₁（180°＋θ），摇杆CD从左极限位置C₁D摆到右极限位置C₂D。设所需时间为t₁，C点平均速度为v₁，当曲柄AB再继续转过角度φ₂（180°-θ），即从AB₂到AB₁，摇杆CD自C₂D摆回到C₁D，设所需时间为t₂，C点的平均速度为v₂。由于φ₁>φ₂，则t₁>t₂。又因摇杆CD往返的摆角都是ψ，而所用的时间却不同，往返的平均速度也不相同，即v₁>v₂。由此可见，当曲柄等速转动时，摇杆来回摆动的平均速度是不同的，摇杆的这种运动特性称为急回运动特性。

为了表明摇杆的急回运动特性的程度，通常用行程速比系数K来衡量，K与极位夹角θ的关系是

图7-29 急回运动特性

当给定行程速比系数K后，机构的极位夹角可由式（7-2）确定，即

若K>1，表示机构返回行程的速度v₂大于工作行程的速度v₁，机构具有急回特性，能够减少返回时间，提高生产率。由式（7-2）可知，θ愈大，急回特性愈显著。若θ＝0，则K＝1，机构就不具有急回特性。因此，极位夹角是判断平面连杆机构急回特性的依据。

（3）压力角和传动角 图7-30所示为曲柄摇杆机构，主动曲柄通过连杆BC传递到C点上的力F的方向与从动摇杆受力点C的绝对速度v_C的方向之间所夹的锐角α，称为压力角。压力角α的余角γ称为传动角。力F可分解为沿C点绝对速度v_C方向的分力F_t及沿摇杆CD方向的分力F_n，F_n只能对摇杆CD产生径向压力，而F_t则是推动摇杆运动的有效分力。α越小，γ越大，有效分力F_t越大，而F_n越小，对机构传动越有利。在机构运动过程中，其传动角γ的大小是变化的，为保证机构传动良好，设计时通常要使γ_min≥40°，传动力矩较大时，则要使γ_min≥50°。

图7-30 压力角和传动角

（4）死点位置 在如图7-31a所示的曲柄摇杆机构中，若摇杆主动，则当摇杆处于两个极限位置（即机构处于两个虚线位置B₁C₁、B₂C₂）时，连杆与曲柄共线，此时传动角γ＝0。这时，主动件摇杆CD通过连杆作用于从动曲柄AB上的力，恰好通过曲柄的回转中心A，所以理论上不论用多大的力，都不能使曲柄转动，因而产生了“顶死”现象，机构的这种位置状态称为死点位置。在图7-31b所示的偏置曲柄滑块机构中，当滑块主动并处于极限位置B₁C₁、B₂C₂时，或在图7-31c所示的曲柄摆动导杆机构中，当导杆主动并处于极限位置B₁C₁、B₂C₂时，都是死点位置。

为了使机构能顺利通过死点而连续正常运转，曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构可以安装飞轮，增大转动惯量（如缝纫机、汽车发动机等）；对曲柄摆动导杆机构和双摇杆机构，则通常是限制其主动构件的摆动角度。

图7-31 四连杆机构的死点位置