第一章 平面连杆机构
【学习目标】
1．掌握运动副的概念。
2．熟悉运动副的类型、符号。
3．掌握运动副特点及应用。
4．了解常用机构运动简图及绘制方法。
【学习内容】
一、运动副概念
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机构中各个构件之间必须有确定的相对运动，因此，构件的连接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的相对运动。这种两构件直接接触，又能产生一定相对运动的连接称为运动副。图0-1所示内燃机中，活塞与缸体组成可相对移动的连接，活塞和连杆、连杆与曲轴、曲轴和机架分别组成可相对转动的连接。各构件均保持直接接触，并能产生一定的相对运动，因而都构成了运动副。 二、运动副类型
根据运动副中两构件的接触形式不同，运动副可分为低副和高副两大类。
1．低副 低副是指两构件以面接触的运动副。按两构件的相对运动形式，常见的低副有以下几种：
（1）转动副 组成运动副的两构件只能绕某一轴线作相对转动的运动副称为转动副。如图1-1所示。
（2）移动副 组成运动副的两构件只能作相对直线移动的运动副称为移动副。如图1-2所示。
（3）螺旋副 组成运动副的两构件只能沿轴线作相对螺旋运动的运动副称为螺旋副。如图1-3所示。
提示：转动副和移动副属于平面运动副，而螺旋副为空间运动副。
2．高副
高副是指两构件以点或线接触的运动副。图1-4为常见的几种高副接触形式：图a)是车轮与钢轨的接触，图b)是齿轮的啮合，属于线接触的高副；图c)是凸轮与从动杆的接触，属于点接触的高副。
低副和高副由于两构件直接接触部分的几何特征不同，因此在使用上也具有不同的特点。
低副是面接触的运动副，接触表面一般为平面或圆柱面，容易制造和维修，承受载荷时单位面积压力较低(故称低副)；此外，低副不能传递较复杂的运动。
高副是点或线接触的运动副，承受载荷时单位面积压力较高(故称高副)，两构件接触处容易磨损，寿命短，制造和维修也较困难，但高副能传递较复杂的运动。
3．低副机构和高副机构
机构中所有运动副均为低副的机构称为低副机构。
机构中至少有一个运动副是高副的机构称为高副机构。
三、机构运动简图
对机构进行分析时，实际构件的形状和结构往往较复杂，为了使问题简化，可以撇开哪些与运动无关的构件外形和运动副具体构造，仅用简单线条和符号来表示构件和运动副，并按比例绘制出各运动副的位置。这种表达机构各构件间相对运动关系的简化图形，称为机构运动简图。
图1-5所示为颚式破碎机的机构运动简图。
【习题】
1．什么是运动副？运动副如何分类？
2．运动副中高副和低副如何区分？各有何特点？
3．什么是机构运动简图？机构运动简图有何作用？
第二节 铰链四杆机构
【学习目标】
1．了解铰链四杆机构的类型、特点及应用。
3．掌握铰链四杆机构基本类型的判别方法。
【学习内容】
一、概述
机构按其运动空间分为平面机构和空间机构两类；平面机构是指所有构件都在同一平面或相互平行平面内运动的机构；空间机构则相反，且主要传递空间复杂运动。
平面连杆机构是将所有刚性构件以转动副或移动副连接成的平面机构，属于低副机构。它能够实现某些较为复杂的平面运动，在生产中广泛用于动力的传递或改变运动形式。
平面连杆机构中，最常见的是由四个构件组成的四杆机构，而构件间全部用转动副连接成
的四杆机构称为铰链四杆机构。铰链四杆机构是四杆机构的基本形式，也是其它多杆机构的基础。 图1-6所示为一铰链四杆机构，由四根杆状的构件分别用转动副连接而成。图b）为铰链四杆机构的简图表示。
二、铰链四杆机构的基本类型
铰链四杆机构是由机架、连架杆和连杆组成。选定其中一个构件作为机架之后，直接与机架连接的构件称为连架杆，其中能够作整周回转的连架杆称为曲柄，只能在某一角度范围内往复摆动的连架杆称为摇杆。不直接与机架连接的构件称为连杆。铰链四杆机构中，按照连架杆是否可以作整周转动，可以将其分为三种基本形式，即曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。
1．曲柄摇杆机构
铰链四杆机构的两个连架杆中，若一连架杆为曲柄，另一连架杆为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。如图1-7所示为雷达天线俯仰角度调整装置，当原动曲柄1转动，通过连杆2，使与摇杆3固结的抛物面天线作一定角度的摆动，以调整天线的俯仰角度。图1-8所示为缝纫机踏板机构，当原动摇杆（踏板）CD上下摆动时，通过连杆BC，使曲柄(曲轴)AB转动，从而将动力输出。
提示：曲柄摇杆机构的功能是将主动曲柄的等速转动转换为从动摇杆的往复摆动或将主动摇杆的往复摆动转换为从动曲柄的转动。
在生产生活中，曲柄摇杆机构应用很广，如图墙壁之间1-9所示为一些应用实例： 图a）为剪板机，图b）为汽车刮雨器，图c）为搅拌机，图d）为颚式破碎机。它们在曲柄AB连续回转的同时，摇杆CD可以往复摆动，分别完成剪切、刮雨、搅拌、矿石破碎等动作。
2．双曲柄机构
若四杆机构的两个连架杆均为曲柄，则此四杆机构称为双曲柄机构。图1-10所示为惯性筛机构，其中ABCD为双曲柄机构，当曲柄AB作等角速度转动时，从动曲柄DC作变角速度转动，通过构件CE使筛体作变速往复直线移动，筛面上的物料由于惯性而来回抖动，从而实现筛选。
图1-11所示为插床的主运动机构运动简图，主动曲柄AB作等速回转时，连杆螺母热熔机BC带动从动曲柄构件CDE作周期性变速回转，再通过构件EF使滑块带动插刀作上下往复运动，实现慢速工作行程（下插）和快速退刀行程的工作要求。
提示：双曲柄机构的功能是将主动曲柄的等速转动转换为从动曲柄的变速转动。
双曲柄机构中，除了不等长双曲柄机构外，还有平行四边形机构和反向平行双曲柄机构。如图1-12所示。
（1）平行四边形机构 连杆与机架的长度相等且两个曲柄长度也相等，若转向相同，称为平行四边形机构，如图1-12a）所示。可以看出，平行四边形机构的运动特点是：两曲柄的
回转方向相同，角速度相等。图1-13所示的铲斗机构和图1-14所示的机车车轮联动装置，均采用了平行四边形机构。
（2）反向平行双曲柄机构 连杆与机架的长度相等且两个曲柄长度也相等，若转向不同，称为反向平行双曲柄机构，如图1-12b）所示。可以看出，反向平行双曲柄机构的运动特点是：两曲柄的回转方向相反，角速度不等。图1-15所示的车门启闭机构，采用反向平行双曲柄机构，以实现两车门能同时开关。
3．双摇杆机构
铰链四杆机构中，若两个连架杆都是摇杆，则称为双摇杆机构。
图1-16所示为鹤式起重机的提升机构，主动摇杆AB摆动时，从动摇杆DC也随之摆动，并使连杆BC上E点的轨迹近似水平直线，在该点所吊重物作水平移动，从而避免不必要的升降所引起的能耗。
图1-楼梯组合17所示为采用双摇杆机构的飞机起落架收放机构。与机架相连的连架杆AB和DC都是摇杆。实线表示着陆时轮子伸出位置，虚线表示起飞后轮子收进机身位置。
图1-18所示为利用双摇杆机构的自卸翻斗装置。杆AD为机架，当油缸活塞杆向右伸出时，可带动双摇杆AB与DE向右摆动，使翻斗中的货物自动卸下；当油缸活塞杆向左缩回时，可带动双摇杆AB与DE向左摆动，使翻斗回到原来的位置。
提示：双摇杆机构的功能是将主动摇杆的摆动转换为从动摇杆的摆动。
三、曲柄存在的条件
曲柄是能作整周旋转的连架杆，只有这种能作整周旋转的构件才能用电动机等连续转动的装置来驱动，所以，曲柄是机构中的关键构件。铰链四杆机构中是否存在曲柄，取决于各构件长度之间的关系。
如图1-19所示的曲柄摇杆机构中，设曲柄AB、连杆BC、摇杆CD和机架AD的杆长分别为a、b、c、d，当曲柄AB回转一周，B点的轨迹是以A为圆心，半径等于a的圆。B点通过B1和B2点时，曲柄AB与连杆BC形成两次共线，AB能否顺利通过这两个位置，是AB能成为
曲柄的关键。下面就这两个位置时各构件的几何关系来分析曲柄存在的条件。
当构件AB与BC在B1点共线时，由△AC1D可得：b高频发生器-a+c≥d; b电暖手套-a+d≥c(AB,BC,CD在极限情况下重合成一直线时为等于)。
当构件AB与BC在B2点共线时，由△AC2D可得：a+b≤c+d。
综合两种情况有：
（ 2-1 ）
将式（ 2-1 ）中的三个不等式两两相加，经简化后可得：
a≤b; a≤c; a≤d （ 2-2 ）
由式（ 2-1 ）与式（ 2-2 ）可得铰链四杆机构中曲柄存在的条件：
（1）连架杆与机架中必有一个是最短杆；
（2）最短杆与最长杆长度之和必小于或等于其余两杆长度之和。
上述两个条件必须同时满足，否则铰链四杆机构中无曲柄存在。
四、铰链四杆机构基本类型的判别
根据曲柄存在的条件，可以推导出铰链四杆机构三种基本类型的判别方法：
1．若铰链四杆机构中最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，则：
（1)取最短杆为连架杆时，构成曲柄摇杆机构；
（2)取最短杆为机架时，构成双曲柄机构；
（3)取最短杆为连杆时，构成双摇杆机构。
2．若铰链四杆机构中最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，则无曲柄存在，只能构成双摇杆机构。
【习题】
1．什么是平面连杆机构？什么是铰链四杆机构？
2．铰链四杆机构有哪些基本类型？分类的依据是什么？
3．曲柄摇杆机构有何功能？试举例说明。
4．双曲柄机构有何功能？试举例说明。
5．双摇杆机构有何功能？试举例说明。
6．什么是平行四边形机构？什么是反向平行双曲柄机构？说出它们的运动特点？
7．铰链四杆机构中，曲柄存在的条件是什么？如何判断铰链四杆机构中的曲柄摇杆机构、
双曲柄机构和双摇杆机构？
8．根据图1-20中注明的尺寸，判断各四杆机构的类型。
9．图1-21所示的铰链四杆机构中，已知：AB=130mm，BC=150mm，CD=175mm，AD=200mm。若取AD为机架，试判断此四杆机构属于哪一类型？
10．图1-22所示的铰链四杆机构中，已知：AB=450mm，BC=400mm，CD=300mm，AD=200mm。试问哪一杆为机架，可以得到曲柄摇杆机构？如果以杆BC作为机架，会得到什么机构？如果以AD作为机架，会得到什么机构？
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