4.1 铰链四杆机构的基本形式和特性

构件之间全部用回转副连接的平面四杆机构称为铰链四杆机构，它是平面四杆机构的最基本的形式，如图4-1所示。其中，固定不动的杆4称为机架，与机架用回转副相连的杆1和杆3称为连架杆，不与机架直接连接的杆2称为连杆。杆2通常作平面运动，连架杆1和连架杆3能绕各自回转副中心A、D作转动。其中，能作整周回转运动的连架杆称为曲柄，仅能在小于360°的某一角度范围内摆动的连架杆称为摇杆。

在铰链四杆机构中，机架和连杆总是存在的，因此可按照连架杆是曲柄还是摇杆，将铰链四杆机构分为三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。

4.1.1 曲柄摇杆机构

在铰链四杆机构中，若两个连架杆中一个为曲柄而另一个为摇杆，则此铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。通常，曲柄1为原动件，作匀速转动，摇杆3为从动件，作变速往复摆动。

图4-2为调整雷达天线俯仰角的曲柄摇杆机构。曲柄1缓慢地匀速转动，通过连杆2，使摇杆4在一定角度范围内摆动，从而调整天线俯仰角的大小。

在曲柄摇杆机构中，摇杆也可作原动件。图4-3（a）为缝纫机的踏板机构，图4-3（b）为其机构运动简图。踏板1（原动件）往复摆动，通过连杆2驱使曲柄3（从动件）作整周转动，再经过带传动使机头主轴转动。

曲柄摇杆机构有下述重要特性。

1.急回特性

在图4-4所示的曲柄摇杆机构中，曲柄AB转动一周的过程中，有两次与连杆BC共线。

1—踏板；2—连杆；3—曲柄；4—支座

1—曲柄；2—连杆；3—摇杆；4—机架

在这两个位置，铰链中心A与C之间的距离AC1和AC2分别为最短和最长，因而摇杆CD的位置C1D和C2D分别为其左右极限位置。摇杆在两极限位置间的夹角ψ称为摇杆的摆角，曲柄在这两极限位置时所夹锐角θ称为极位夹角。

当曲柄由位置AB1顺时针转过φ1=180°+θ到达位置AB2时，摇杆由左极限位置C1D摆到右极限位置C2D，摇杆摆角为ψ，所需时间为t1。当曲柄顺时针再转过角度φ2=180°-θ时，摇杆由位置C2D摆回到位置C1D，其摆角仍然是ψ，但所需时间为t2。虽然摇杆来回摆动的摆角相同，但对应的曲柄转角不等（φ1＞φ2）。当曲柄匀速转动时，对应的时间也不等（t1＞t2），从而反映了摇杆往复摆动的快慢不同。令摇杆自C1D摆至C2D为工作行程，这时铰链C的平均速度；摇杆自C2D摆回C1D是空回行程，这时C点的平均速度，显然v2＜v2。这表明摇杆具有急回运动的特性，可利用急回特性来缩短非生产时间，提高生产率。急回运动特性可用行程速比系数K表示，即

或

式中：θ为极位夹角，即曲柄在两极限位置时所夹锐角。

式（4-2）表明：机构的极位夹角θ越大，K也越大，则机构的急回特征越显著。因此，四杆机构有无急回运动特性取决于机构运动中有无极位夹角。

对于一些要求有急回作用的机械，如牛头刨床、往复式运输机械等，常常根据所需要的K值，先由式（4-2）算出极位夹角θ，再进行设计。

2.压力角和传动角

在生产中，设计平面连杆机构时，不仅要求连杆机构能实现预定的运动规律，而且要求机构运转轻便，传动效率高。图4-5所示的曲柄摇杆机构，若不考虑各构件的重力及运动副中摩擦力的影响，则力由主动件AB通过连杆BC传递给从动件CD上。C点的力F将沿着BC方向，C点速度vC的方向将垂直于CD，则力F与vC之间的夹角α称为压力角。力F在vC方向的有效分力F′=Fcosα，在杆CD方向的分力F′=Fsinα。力F′是摇杆的驱动力，F′使回转副中的摩擦和磨损增加。显然，压力角α越小，有效分力F′就越大，传动效率也就越高。因而，压力角可作为判断机构传动性能的标志。

1—曲柄；2—连杆；3—摇杆；4—机架

在四杆机构设计中，为了度量方便，习惯用压力角α的余角γ（连杆与从动摇杆之间所夹的锐角）来判断四杆机构的传动性能的好坏，γ称为传动角。由图4-5可知，γ=90°-α，所以α角越小，γ角越大，机构传力性能越好，传动效率愈高。反之，α角越大，γ角越小，机构传力越费劲，传动效率越低。

由于机构运转时，传动角γ是变化的。传动角的大小取决于各杆的尺寸和位置，曲柄摇杆机构的最小传动角γmin将出现在曲柄与机架两次共线的位置。为了保证机构正常工作，必须规定最小传动角γmin。对于一般机械，通常取γmin≥40°；对于颚式破碎机、冲床等大功率机械，最小传动角应当取大一些，可取γmin≥50°；对于小功率的控制机构和仪表，γmin可略小于40°。

3.死点位置

在图4-4所示的曲柄摇杆机构中，若摇杆3为原动件，则曲柄1为从动件。当摇杆3摆到极限位置C1D和C2D时，连杆与从动件曲柄1处于共线位置，传动角γ=0°，压力角α=90°。若不计各杆的质量，则这时连杆加给曲柄的力将通过铰链中心A。此力对A点不产生力矩，因此不能使曲柄转动。机构所处的这一位置称为死点位置，死点位置会使机构的从动件出现卡死或运动不确定的现象。为了消除死点位置的不良影响，可以对从动曲柄施加外力，或利用飞轮及构件自身的惯性作用，使机构顺利通过死点位置。

在图4-3所示的缝纫机的踏板机构中，在正常使用中，缝纫机有时会出现踏不动或倒车现象，这就是由于机构处于死点位置引起的。在正常运转时，借助安装在机头主轴上的飞轮（上带轮）的惯性作用，可以使缝纫机踏板机构的曲柄冲过死点位置。

死点位置对传动虽然不利，但是对某些夹紧装置却可用于防松。在如图4-6所示的铰链四杆机构中，当工件5被夹紧时，铰链中心B、C、D共线，工件加在杆1上的反作用力Fn无论多大，也不能使杆3转动。这就保证在去掉力F之后，仍能可靠地夹紧工件。当需要取出工件时，只需向上扳动手柄，即能松开夹具。

4.1.2 双曲柄机构

当铰链四杆机构的两连架杆均为曲柄时，称为双曲柄机构。在一般的双曲柄机构中，原动曲柄匀速回转时，从动曲柄作同向周期性的非匀速回转。在图4-7所示的插床机构中，四杆机构ABCD即为双曲柄机构，原动曲柄AB等速转动，从动曲柄CD作周期性变速转动，再通过连杆EF带动滑块往复运动，从而可使插刀在空回行程实现快速退刀，从而提高了机床的生产效率。

1、3—杆；2—连杆；4—机架；5—工件

双曲柄机构中用得最多的是平行双曲柄机构，或称为平行四边形机构，机构的对边长度相等，组成平行四边形（见图4-8（a）中的AB1C1D）。当杆1等角速转动时，杆3也以相同角速度同向转动，连杆2则作平移运动。这种机构的特点是：两曲柄以相同的角速度同向转动，连杆作平移运动。必须指出，这种机构当四个铰链中心处于同一直线上时（见图4-8（a）中的AB2C2D），将出现运动不确定状态。当曲柄1由AB2转到AB3时，从动曲柄3可能转到DC′3，也可能转到DC′3。为了消除这种运动不确定状态，可以在主从动曲柄上错开一定角度再安装一组平行四边形机构（见图4-8（b））。当上面一组平行四边形转到AB′DC′共线位置时，下面一组平行四边形AB′1C′1D却处于正常位置，故机构仍然保持确定运动。图4-9所示的机车车轮的联动机构就是利用了其两曲柄等速同向转动的特性。

1—杆；2—连杆；3—杆；4—机架

4.1.3 双摇杆机构

两个连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。图4-10为飞机起落架机构的运动简图。飞机着陆前，需要将着陆轮1从机翼4中推放出来（图中实线所示）；起飞后，为了减小空气阻力，又需将着陆轮收入翼中（图中虚线所示）。这些动作是由原动摇杆3，通过连杆2、从动摇杆5带动着陆轮来实现的。图4-11为双摇杆机构在鹤式起重机中的应用。当摇杆AB摆动时，另

一摇杆CD随之摆动，连杆BC上的点E作近似水平的直线运动，从而使重物作相应的运动。

1—着陆轮；2—连杆；3—原动摇杆；4—机翼；5—从动摇杆