3.2 平面四桿機(jī)構(gòu)的基本類型及其演化

在平面連桿機(jī)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單且應(yīng)用最廣泛的是平面四桿機(jī)構(gòu)，其他機(jī)構(gòu)可看成是由平面四桿機(jī)構(gòu)演化而來。

3.2.1 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本類型

全部用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的平面四桿機(jī)構(gòu)稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，它是平面四桿機(jī)構(gòu)最基本的形式。在圖3.5（a）所示的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，AD為機(jī)架。AB、CD兩桿與機(jī)架相連稱為連架桿，如果連架桿相對(duì)于機(jī)架能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，則稱為曲柄；如連架桿相對(duì)于機(jī)架只能在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)，則稱為搖桿。連接兩連架桿的構(gòu)件BC稱為連桿。若組成轉(zhuǎn)動(dòng)副的兩構(gòu)件能作整周相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，則稱該轉(zhuǎn)動(dòng)副為整轉(zhuǎn)副，如圖3.5（a）中的A、B副。而不能作相對(duì)整周轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副，則稱為擺轉(zhuǎn)副，如圖3.5（a）中的C、D副。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)可分為三種基本形式：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如圖3.5（a）、（c）所示；雙曲柄機(jī)構(gòu)，如圖3.5（b）所示；雙搖桿機(jī)構(gòu)，如圖3.5（d）所示。

1．曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩連架桿中一個(gè)能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)只能作往復(fù)擺動(dòng)的機(jī)構(gòu)，稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如圖3.5（a）、（c）所示。它在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，如顎式破碎機(jī)中的機(jī)構(gòu)（見圖3.2）、雷達(dá)天線俯仰機(jī)構(gòu)（見圖3.6）、縫紉機(jī)中的腳踏板機(jī)構(gòu)（見圖3.7）和腳踏砂輪機(jī)機(jī)構(gòu)（見圖3.8）等。這類機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄為原動(dòng)件，搖桿為從動(dòng)件時(shí)，可將曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復(fù)擺動(dòng)。如圖3.2所示顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)，把曲柄1（輪1）的整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成搖桿3（顎板3）的往復(fù)擺動(dòng)，以軋碎礦石。圖3.6所示為雷達(dá)天線俯仰機(jī)構(gòu)，它把曲柄1的整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成搖桿3（雷達(dá)天線3）的往復(fù)擺動(dòng)，以調(diào)整雷達(dá)天線的仰角。在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，搖桿也可為原動(dòng)件，如圖3.7所示的縫紉機(jī)腳踏板機(jī)構(gòu)，踏板3是搖桿，輪軸1是曲柄，腳踏動(dòng)搖桿3作往復(fù)擺動(dòng)，通過連桿2，使曲柄1作整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而完成縫紉工作。圖3.8所示的腳踏砂輪機(jī)機(jī)構(gòu)，踏板3是搖桿，砂輪1是曲柄，腳踏動(dòng)搖桿3作往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，通過連桿2，使砂輪1作整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而完成磨削工作。

2．雙曲柄機(jī)構(gòu)

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的兩連架桿均能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)，如圖3.5（b）所示。當(dāng)主動(dòng)曲柄連續(xù)等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)曲柄一般不作等速轉(zhuǎn)動(dòng)，而作變速轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3.9所示的慣性篩中，主動(dòng)曲柄AB作等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)曲柄CD作變速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使篩網(wǎng)具有較大變化的加速度，利用加速度所產(chǎn)生的慣性力，將材料篩分。

在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，若相對(duì)的兩桿長(zhǎng)度分別相等，則稱為平行雙曲柄機(jī)構(gòu)或平行四邊形機(jī)構(gòu)。若相對(duì)的兩桿長(zhǎng)度相等且平行，兩曲柄轉(zhuǎn)向相同且角速度相等，則稱為正平行四邊形機(jī)構(gòu)，如圖3.10所示，該機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是主動(dòng)曲柄1和從動(dòng)曲柄3轉(zhuǎn)向相同且角速度相等，即ω1=ω3，連桿2作平動(dòng)。圖3.11所示的機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)就是正平行四邊形機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用，由于兩曲柄作等速同向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保證了機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)行。若相對(duì)的兩桿長(zhǎng)度相等，但連桿與機(jī)架不平行，兩曲柄轉(zhuǎn)向相反且角速度不同，則為反平行四邊形機(jī)構(gòu)，如圖3.12所示，該機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是主動(dòng)曲柄1和從動(dòng)曲柄3轉(zhuǎn)向相反且角速度不同，即ω1≠ω3，連桿2作平面運(yùn)動(dòng)。圖3.13所示的車門開閉機(jī)構(gòu)是反平行四邊機(jī)構(gòu)的一個(gè)應(yīng)用，AD與BC不平行，因此，兩曲柄作不同速反向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保證兩扇門能同時(shí)開啟或關(guān)閉。

另外，對(duì)平行雙曲柄機(jī)構(gòu)，無論以哪個(gè)構(gòu)件為機(jī)架都是雙曲柄機(jī)構(gòu)。但若取較短構(gòu)件作機(jī)架，則兩曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)方向始終相同。

3．雙搖桿機(jī)構(gòu)

兩連架桿均不能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的，即兩連架桿都是搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，則稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)，如圖3.5（d）所示。圖3.14所示的鶴式起重機(jī)中的四桿機(jī)構(gòu)即為雙搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)原動(dòng)搖桿AB擺動(dòng)時(shí)，從動(dòng)搖桿CD也隨之?dāng)[動(dòng)，位于連桿BC延長(zhǎng)線上的重物懸掛點(diǎn)M將沿近似水平直線移動(dòng)。在雙搖桿機(jī)構(gòu)中，若兩搖桿長(zhǎng)度相等并且最短，則構(gòu)成等腰梯形機(jī)構(gòu)，汽車前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)就是其應(yīng)用之一，如圖3.15所示。

3.2.2 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化

通過改變機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)副的形狀及尺寸、改變構(gòu)件的形狀及尺寸、選不同構(gòu)件為機(jī)架等方法，可以得到鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的其他演化機(jī)構(gòu)。

1．曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

圖3.16所示為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的演化過程。圖3.16（a）為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，搖桿上轉(zhuǎn)動(dòng)副C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是以D為圓心，以CD為半徑的圓弧；將曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中C點(diǎn)處的轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)換成沿弧形導(dǎo)槽運(yùn)動(dòng)的圓弧移動(dòng)副，搖桿CD演變成滑塊，如圖3.16（b）所示；若使圖3.16（b）中的圓弧移動(dòng)副半徑CD趨于無窮大，則圖3.16（b）所示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的圓弧移動(dòng)副演變成圖3.16（c）中的直線移動(dòng)副，此時(shí)機(jī)構(gòu)演化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中滑塊C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡稱為導(dǎo)路，C點(diǎn)在兩個(gè)極限位置之間的距離稱為行程，用H表示?；瑝K移動(dòng)的導(dǎo)路到曲柄回轉(zhuǎn)中心之間的距離e稱為偏距。如果e等于零，則為對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖3.17（a）所示；如果e不為零，稱為偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖3.17（b）所示。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在活塞式內(nèi)燃機(jī)、沖床、空氣壓縮機(jī)等中得到了廣泛的應(yīng)用。內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將活塞4（相當(dāng)于滑塊）的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲軸2（相當(dāng)于曲柄）的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖3.18所示。滾輪送料機(jī)中的送料機(jī)構(gòu)應(yīng)用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將曲軸1（相當(dāng)于曲柄）的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為推頭3（相當(dāng)于滑塊）的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，如圖3.19所示。

在圖3.17（a）所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，由于鉸鏈B相對(duì)于鉸鏈C運(yùn)動(dòng)的軌跡為β—β圓弧，如圖3.20（a）所示，所以將連桿2做成滑塊形式，并使之沿滑塊3上的圓弧導(dǎo)軌β—β運(yùn)動(dòng)，如圖3.20（b）所示，顯然其運(yùn)動(dòng)性質(zhì)并未發(fā)生改變，但是此時(shí)已演化成為一種具有兩個(gè)滑塊的四桿機(jī)構(gòu)，即雙滑塊機(jī)構(gòu)。將圖3.17（a）所示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的連桿2的長(zhǎng)度增至無窮長(zhǎng)，則圓弧導(dǎo)軌β—β將成為直線，于是該機(jī)構(gòu)將演化成為圖3.20（c）所示的正弦機(jī)構(gòu)。對(duì)正弦機(jī)構(gòu)取不同的構(gòu)件做機(jī)架，可得正切機(jī)構(gòu)、雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)以及雙滑塊機(jī)構(gòu)等，如圖3.21所示。

2．導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)可看成是改變曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的固定構(gòu)件而演化來的。圖3.22（a）為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，若選構(gòu)件1為機(jī)架，如圖3.22（b）所示，各構(gòu)件的形狀和相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系都未改變，當(dāng)構(gòu)件2為原動(dòng)件時(shí)，滑塊3將在可轉(zhuǎn)動(dòng)（或擺動(dòng)）的構(gòu)件4上作相對(duì)移動(dòng)，構(gòu)件4稱為導(dǎo)桿，此機(jī)構(gòu)稱為導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。

當(dāng)l1＜l2時(shí)，如圖3.22（b）所示，兩連架桿2和4均可整周回轉(zhuǎn)，稱為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，或轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。圖3.23所示的插床插刀機(jī)構(gòu)，就是轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例，曲柄2作整周連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿4和構(gòu)件5，驅(qū)動(dòng)切削頭6上固定的插刀，完成往復(fù)切削運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)l1＞l2時(shí)，如圖3.24所示，連架桿2可整周回轉(zhuǎn)，連架桿4只能往復(fù)擺動(dòng)，稱為曲柄擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，或擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。圖3.25所示的刨床驅(qū)動(dòng)刨刀往復(fù)移動(dòng)的機(jī)構(gòu)，就是擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例，曲柄2作整周連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過擺動(dòng)導(dǎo)桿4和構(gòu)件5，驅(qū)動(dòng)滑枕6上固定的刨刀，完成往復(fù)切削運(yùn)動(dòng)。

3．搖塊機(jī)構(gòu)和定塊機(jī)構(gòu)

在圖3.22（a）所示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，若選構(gòu)件2為機(jī)架，滑塊3僅能繞機(jī)架上的鉸鏈C作擺動(dòng)，即可得擺動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)，或稱搖塊機(jī)構(gòu)，如圖3.22（c）所示。這種機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于擺缸式液壓驅(qū)動(dòng)裝置中，如圖3.26所示的卡車車廂自動(dòng)翻轉(zhuǎn)卸料機(jī)構(gòu)，當(dāng)油缸3（搖塊）中的壓力油推動(dòng)活塞桿4運(yùn)動(dòng)時(shí)，車廂1將繞回轉(zhuǎn)中心B翻轉(zhuǎn)，達(dá)到某一角度時(shí)物料傾倒。

在圖3.22（a）所示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，若取滑塊3為機(jī)架，即可得圖3.22（d）所示的固定滑塊機(jī)構(gòu)，或稱定塊機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)常用于抽水唧筒和抽油泵中，圖3.27所示為抽水唧筒的定塊機(jī)構(gòu)。

4．偏心輪機(jī)構(gòu)

圖3.28（a）所示為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，當(dāng)曲柄AB的實(shí)際尺寸很短、曲柄銷需要傳遞較大動(dòng)力而承受較大沖擊載荷時(shí)，由于結(jié)構(gòu)需要，通常將運(yùn)動(dòng)副B的半徑擴(kuò)大，直至超過曲柄AB的長(zhǎng)度，得到如圖3.28（b）所示的機(jī)構(gòu)。此時(shí)，曲柄1變成了一個(gè)幾何中心為B、回轉(zhuǎn)中心為A的偏心圓盤，回轉(zhuǎn)中心至幾何中心的偏心距即為原曲柄的長(zhǎng)度，這種機(jī)構(gòu)稱為偏心輪機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)與原曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性相同，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖也完全一樣。偏心輪機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于傳力較大的沖床、剪床、鍛壓設(shè)備和柱塞泵中。