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机 构 篇
课题三 变速和变向机构
课题二 凸轮机构
课题一 铰链四杆机构
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目录
学习目标
知识目标：
1．掌握铰链四杆机构的组成和基本类型；
2．掌握铰链四杆机构的特性；
3．了解铰链四杆机构的演变。
能力目标：
具有判定铰链四杆机构的基本类型的能力。
课题一 铰链四杆机构
图 2-1-1 所示为铰链四杆机构，已知 LAB=130mm，LBC=150mm，LCD=175mm，LAD=200mm。若取AD为机架，该机构属于哪一种类型？
图2-1-1
连杆传动是利用常用的低副传动机构进行的传动，连杆传动能方便地实现转动、摆动、移动等运动形式的转换。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，因此本课题着重讨论铰链四杆机构的基本类型、性质及演变。
一、铰链四杆机构的组成和基本类型
铰链四杆机构的组成如图2-1-2所示。
图2-1-2 铰链四杆机构的组成
机架：机构的固定构件；
连杆：不直接与机架连的构件；
连架杆：与机架用转动副连接的构件；
连架杆可分为曲柄和摇杆。
曲柄：能绕机架做整周转动的连架杆；
摇杆：只能绕机架做小于360°的某一角度摆动的连架杆。
铰链四杆机构有3种类型：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构，如图2-1-3所示。
图2-1-3 铰链四杆机构的基本类型
1．曲柄摇杆机构
特点：一连架杆为曲柄，另一连架杆为摇杆，曲柄摇杆机构如图2-1-4所示。
（a）雷达 （b）缝纫机 （c）汽车雨刮器 （d）搅拌机
图2-1-4 曲柄摇杆机构
2．双曲柄机构
特点：两连架杆均为曲柄。有正平行双曲柄机构和反平行双曲柄机构。
正平行双曲柄机构：对边平行且相等，主、从动曲柄匀速且相等。如机车车轮，如图2-1-5（a）所示。
反平行双曲柄机构：对边平行但不相等。如公交车车门启闭机构，如图2-1-5（b）所示。
（a）机车车轮 （b）公交车车门启闭机构
图2-1-5 双曲柄机构
3．双摇杆机构
特点：两连架杆都是摇杆（摆动）。如起重机吊臂结构，如图2-1-6所示。
图2-1-6 起重机吊臂结构
二、铰链四杆机构存在曲柄的条件
类型的判别关键在于机构中有无曲柄，有几个曲柄。有无曲柄可由机构中各构件的相对位置及最短杆所处的位置判断。
如图2-1-7所示的曲柄摇杆机构中，设各杆长依次为L1、L2、L3、L4，且L1L1+L2；如图2-1-7（c）所示，在AC2D中有：L2-L1+L4>L3，L2-L1+L3>L4。考虑共线的情况，如图2-1-7（d）所示，整理得：L1+L2≤L3+L4，L1+L3≤L2+L4，L1+L4≤L2+L3。
则得出：L1≤L2，L1≤L3，L1≤L4。
结论：
（1）铰链四杆机构存在曲柄的条件如下。
① 最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和；
② 机架或连架杆为最短杆。
（a） （b） （c） （d）
图2-1-7 曲柄存在的条件推论
（2）铰链四杆机构存在两个曲柄的条件如下。
① 最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和；
② 曲柄为最短杆。
（3）铰链四杆机构存在一个曲柄的条件如下。
① 最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和；
② 连架杆为最短杆。
根据曲柄存在的条件，还可以做出如下推论：
① 以最短杆相邻的杆做机架时，该机构为曲柄摇杆机构；
② 以最短杆做机架时，该机构为双曲柄机构；
③ 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。
三、铰链四杆机构的急回运动特性
如图2-1-8所示，急回运动特性可用行程速比系数（或行程速度变化系数）K表示
式中，θ为摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄所夹的锐角称为极位夹角（∠C2AC1）。曲柄摇杆机构的极位夹角θ越大，K值越大，急回运动的性质越显著。θ=0°，K=1时，无急回特性。极位夹角计算公式为：
图2-1-8 急回运动特性
四、压力角和传动角
压力角：如图2-1-9所示，在不计摩擦力、惯性力和重力的条件下，曲柄摇杆机构中驱使物体运动的力F与物体上受力点的速度v方向间所夹的锐角，称为压力角，通常用α表示。
传动角：如图2-1-9所示，压力角α的余角，通常用γ表示。传动角是指连杆和从动摇杆之间所夹的锐角，且γ+α=90°。
在连杆设计中，为度量方便，习惯用传动角γ来判断机构传力性能。α↓ γ↑ F1↑，机构传力性能越好；反之，机构传力越费劲，传动效率越低。
机构运转时，传动角是变化的，为了保证机构的正常工作，机构的传动角规定：γ≥[γ]；[γ]= 40°～50°；[γ]为许用传动角。曲柄摇杆机构的最小传动角γ出现在曲柄与机架共线（即曲柄转角φ= 0°或φ= 180°）的位置。
图2-1-9 传动角判断机构传力性能
五、死点位置（存在死点位置的标志是连杆与从动件共线）
曲柄摇杆机构处在两个极限位置时，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，机构的这种状态位置称为死点位置。
如图2-1-10所示，两机构停在曲柄与连杆共线位置，若摇杆为主动件，则不能启动，运转时，靠惯性冲过死点，如家用缝纫机的踏板机构；若曲柄为主动件，则不存在死点位置。
（a） （b）
图2-1-10 死点位置
工程上常利用机构的死点位置，例如，飞机的起落架（如图2-1-11（a））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；机床夹紧机构（如图2-1-11（b））使机构处于死点位置来夹紧工件。
（a）飞机的起落架 （b）机床夹紧机构
图2-1-11 死点位置应用实例
六、铰链四杆机构的演化
演化方法：①转动副 移动副（滑块机构）；
②选取不同构件作为机架。
1．转动副转化成移动副
（1）铰链四杆机构中一个转动副转化为移动副
转化后类型：
对心曲柄滑块机构
偏置曲柄滑块机构
2．铰链四杆机构中两个转动副转化为移动副
3．取不同构件为机架
铰链四杆机构 含有一个移动副的四杆机构 含有两个移动副的四杆机构
（a）曲柄摇杆机构 e）曲柄（摇杆）滑块机构
（i）曲柄移动导杆机构
（b）双曲柄机构 f）曲柄转动导杆机构
（j）双转块机构
（c）曲柄摇杆机构 （f）曲柄摆动导杆机构 （g）曲柄摇块机构
（k）双滑块机构
（d）双摇杆机构 （h）定块机构 （l）摆动导杆滑块机构
1．如图2-1-14所示的运动链中，已知各构件长度LAB=60mm，LBC=40mm，LCD= 50mm，LAD=20mm，回答下列问题：
（a）判断是否存在曲柄？
（b）固定哪个构件可获得曲柄摇杆机构？
（c）固定哪个构件可获得双曲柄机构？
（d）固定哪个构件可获得双摇杆机构？
图2-1-14 题1图
2．如图2-1-15所示，下面铰链四杆机构属于什么类型。
（a） （b） （c） （d）
图2-1-15 题2图
3．根据图2-1-16中所注尺寸判断下列铰链四杆机构是曲柄摇杆机构、双曲柄机构还是双摇杆机构，并说明为什么。
（a） （b） （c） （d）
图2-1-16 题3图
谢谢聆听

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