汽车机械基础（第二版）课件：平面连杆机构

平面连杆机构◆掌握铰链四杆机构的组成和基本类型。◆掌握铰链四杆机构曲柄存在的条件。◆熟悉平面四杆机构的性质。课题一铰链四杆机构

如图4—1—1所示为单缸内燃机原理模型图，其中，活塞、连杆、曲轴等组成了平面连杆机构。在做功行程中，活塞承受燃气压力在汽缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并由曲轴对外输出动力。这就是平面连杆机构在汽车上的运用。课题一铰链四杆机构图4—1—1单缸内燃机原理a）实物图b）原理图平面连杆机构能够实现一些较为复杂的平面运动，在生产中应用很广泛。如图4—1—2所示为车门的启闭机构，当主动曲柄AB转动时，通过连杆BC使曲柄CD朝着反向转动，从而保证两扇车门的同时开启和关闭到预定的各自工作位置。可见平面连杆机构是一些刚性构件用转动副和移动副相互连接而组成的机构。构件之间的连接处是圆柱面或平面接触，其承载能力强，耐磨损，使用寿命长，易于制造；另外，平面连杆机构能够进行多种机械运动形式的转换，实现较复杂的平面运动，所以在生产设备和机械中得到广泛应用。课题一铰链四杆机构图4—1—2车门启闭机构示意图一、铰链四杆机构

平面连杆机构的种类较多，其中最基本的是铰链四杆机构，即四个杆全部用铰链（转动副）连接的平面四杆机构，如图4—1—3所示。图4—1—3铰链四杆机构图4-1-4曲柄摇杆机构1.铰链四杆机构的组成由图4—1—3，铰链四杆机构结构上的最基本特征是四个构件均为杆状，且构件之间的连接是铰链连接。铰链四杆机构中四个构件的名称分别为：机架——机构中固定不动的杆，图4—1—3中的杆4。连架杆——与机架直接连接的杆，图4—1—3中杆1和杆3。连杆——机构中不与机架直接连接的杆，图4—1—4中杆2。在铰链四杆机构中连杆通常作平面运动，连架杆1和3绕各自的回转中心A和D转动。其中能作整周回转运动的连架杆称为曲柄；而仅能在一定角度范围内摆动的连架杆称为摆杆。课题一铰链四杆机构2.铰链四杆机构的基本类型

铰链四杆机构有三种类型：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。（1）曲柄摇杆机构在铰链四杆机构中，若两连架杆分别为曲柄和摇杆，则该机构为曲柄摇杆机构，如图4—1—4所示：当曲柄AB为主动件并作等速转动时，从动件摇杆CD将在C1D到C2D范围内作变速往复摆动。图4—1—5；图4—1—6；图4—1—7就是曲柄摇杆机构的具体应用。图4—1—4曲柄摇杆机构图4—1—5刮雨器机构

图4—1—6搅拌机机构图4—1—7家用缝纫机的踏板机构课题一铰链四杆机构（2）双曲柄机构在铰链四杆机构中，若两连架杆均为曲柄时，则称为双曲柄机构，如图4—1—8、4—1—9所示。在双曲柄机构中，若连杆与机架相等，且两曲柄的转向相同、长度也相等时，则称为平行双曲柄机构，如图4—1—9a所示；若两曲柄转向相反的情况，则称为反向双曲柄机构，如图4—1—9b及图4—1—2车门启闭机构。

课题一铰链四杆机构（3）双摇杆机构两连架杆均为摇杆的机构称为双摇杆机构，如图4—1—10汽车转向机构。

图4—1—10汽车前轮转向机构课题一铰链四杆机构3.曲柄存在的条件

在铰链四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周的转动而成为曲柄,各杆必须满足一定的条件，这就是曲柄存在的条件。如图4—1—11中，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[BC?是的]存在拉直共线和重叠共线两个位置。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，在四杆机构中，要使连架杆成为曲柄，必须同时具备两个条件，即：（1）连架杆与机架中必须有一个是最短杆；（2）最短杆与最长杆长度之和必小于或等于其余两杆的长度之和。根据曲柄存在的条件，还可以做出如下推论：（3）以最短杆相邻的杆做机架时，该机构为曲柄摇杆机构；（4）以最短杆做机架时，该机构为双曲柄机构；（5）以最短杆相对的杆做机架时，该机构为双摇杆机构。如果铰链四杆机构中最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆的长度之和，则无论以哪一杆件为机架，均为双摇杆机构。课题一铰链四杆机构课题一铰链四杆机构图4—1—11急回运动特性图4—1—12压力角和传动角二、平面四杆机构的性质1.急回运动特性如图4—1—11所示为曲柄摇杆机构，当曲柄AB沿顺时针方向以等角速度ω从与BC共线位置ABl转到共线位置AB2时，转过的角度为φ1(180º+θ)；摇杆CD从左极限位置ClD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(180º一θ)，即从AB2到ABl，摇杆CD自C2D摆回到ClD，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往返的摆角都是相同的，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表示，K值越大，回程越快。（4—1）式中，θ称为极位夹角，即从摇杆处于左、右两极限位置时，主动曲柄相应两位置所夹的锐角。由式（4－１）可知，行程速比系数K与极位夹角θ有关，θ越大，Ｋ越大。当θ＝０时，Ｋ＝１，说明机构无急回运动。由式（4－１）可得：（4—2）由式（4－2）可见，如果要得到既定的行程速比系数，只要设计出相应的极位夹角θ即可。在各种机器中，应用四杆机构的急回运动特性，可以节省空回行程的时间，以提高生产效率。课题一铰链四杆机构2.压力角和传动角

如图4—1—12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BC[CD?是的]受力点Ｃ的绝对速度Vc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Vc方向的分力Ｆt，及沿摇杆ＣＤ的径向力Fn，而Ｆt则是推动摇杆运动的有效分力。α越小，γ越大，有效分力Ft越大，而Fn越小，对机构传动越有利，为保证机构传动良好，设计时通常要使γmin≥40°，传动力矩较大时，则要使γmin≥50°课题一铰链四杆机构3.死点位置于两个极限位置时，连杆与曲柄共线，此时传动角γ＝０°。这样主动件摇杆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，所以理论上不论作用多大的力，均不能使曲柄ＡＢ转动，因而产生“顶死”现象，如图4—1—１3（b）的偏置曲柄滑块机构，当滑块主动并处于极限位置时，机构的这种状态位置称为死点位置。

图4—1—13四杆机构的死点位置课题一铰链四杆机构

机构顺利通过死点位置的方法

为了使机构能够顺利地通过死点位置，继续正常运转，常采用以下方法：

（1）利用从动曲柄本身的质量或附加一转动惯量大的飞轮，如图4-1-14所示，依靠其惯性作用来导向通过死点位置。

（2）采用多组机构错列，如图4-1-15所示的两组车轮的错列装置，两组机构的曲柄错列成90°。

（3）增设辅助构件。如图4-1-16所示机车车轮联动装置，在机构中增设了一个辅助曲柄EF。

图4-1-14依靠惯性作用通过死点位置图4-1-15采用多组机构错列通过死点位置图4-1-16增设辅助构件通过死点位置课题一铰链四杆机构死点位置有不利的一面，也有其有利的一面。工程上常用机构的死点位置的性质来实现某些要求。如图4—1—17所示的飞机的起落架就是利用双摇杆机构处于死点位置，来保证飞机起降安全的。图4—1－18为机床夹紧机构，使机构处于死点位置来夹紧工件。图4—1—17飞机起落架机构图4—1—18夹紧机构课题一铰链四杆机构课题一铰链四杆机构◆熟悉铰链四杆机构的演化形式。

◆掌握曲柄滑块机构的特点、工作原理与应用。

◆掌握导杆机构的类型、工作原理与应用。

铰链四杆机构是平面四杆机构的基本形式，在实际机械中，平面连杆机构的形式是多种多样的，当铰链四杆机构尺寸关系作某种特殊变化或者取不同杆件为机架时，可演化为其他形式。

图4—2—1曲轴连杆机构图4—2—2曲轴连杆机构工作原理示意图如图4—2—2曲轴连杆机构工作运动简图所示，活塞受气体推动作上下往复的直线运动，通过连杆BC带动曲轴AB作旋转运动，从而实现发动机的动力输出。那么，这种机构是怎样从铰链四杆机构演化而来的呢？铰链四杆机构又能演化哪些不同的机构呢？一、曲柄滑块机构

如图4—2—3所示的曲柄摇杆机构中，摇杆3上C点的轨迹为以D为圆心，杆3的长度为半径的圆弧。若将转动副D的半径扩大，使其半径等于L3，并在机架上按C点的近似轨迹作成一弧形槽，摇杆3作成与弧形槽相配的弧形块，如图4—2—3b所示。此时，虽然转动副D的中心外形改变，但机构的运动特性并没有改变。若将弧形槽的半径增至无穷长，则转动副D的中心移到无穷远处，弧形槽变为直槽，转动副D则转化为移动副，构件3由摇杆变成为滑块，于是曲柄摇杆机构就演化为曲柄滑块机构，如图4—2—3C所示。此时移动方位线不通过曲柄回转中心，故称为偏置曲柄滑块机构。曲柄转动中心至其移动方位线的垂直距离称为偏距e；当移动方位线通过曲柄转动中心A时（e=0），则称为对心曲柄滑块机构，如图4—2—3d所示。曲柄滑块机构广泛应用在活塞式内燃机、空气压缩机、冲床等机械中。图4—2—3曲柄滑块机构的形成 图4—2—4偏心轮机构图4—2—3曲柄滑块机构的形成在曲柄滑块机构中，当曲柄较短时，往往用一个旋转中心与几何中心不相合的偏心轮代替曲柄，如图4—2—4所示，称为偏心机构。图中构件1为偏心轮，偏心距e（轮的几何中心B点至旋转中心A点的距离）相当于曲柄长度。偏心轮机构用于受力较大且滑块行程较小的剪床、冲床、颚式破碎机等机械中。图4—2—4偏心轮机构1—偏心轮2—连杆3—滑块4—机架二、导