鉸鏈四桿機構的基本型式及其演化

摘要：平面四桿機構屬于連桿機構中的一種，應用極其廣泛，而鉸鏈四桿機構是平面連桿機構的基本形式。本文主要對鉸鏈四桿機構的三種基本形式及其演化形式進行介紹，闡述其各自的特點與應用。

關鍵字：曲柄搖桿機構 雙曲柄機構雙搖桿機構 曲柄滑塊機構 導桿機構

一、鉸鏈四桿機構的基本型式

構件間只有低副連接的機構稱為連桿機構，也稱為低副機構。幾個構件通過低副聯接，且所有構件均做平行于某一平面的平面運動的機構稱為平面連桿機構。由四個構件（包括固定的機架）通過低副連接而成的平面連桿機構，則稱為平面四桿機構。它是組成多桿機構的基礎，是平面連桿機構中最常見、最簡單、應用最廣泛的形式。鉸鏈四桿機構是所有運動副均為轉動副的平面四桿機構，它是平面四桿機構最基本的形式，其它形式的平面四桿機構都是由它演化而來。

平面連桿機構具有潤滑條件好、磨損較輕；構件結構簡單，加工方便，工作可靠；由于組成運動副為低副，所以組成運動副的兩構件之間為面接觸，因而單位面積承受的壓強小，可以承受較大載荷；根據不同的工作需要，能實現復雜的運動規律，獲得多種運動軌跡；能方便的實現轉動、擺動和移動等基本運動形式及之間的轉換等優點。但是也具有機構中各構件在運動時產生的慣性力不適用于高速的場合；低副中存在間隙會引起運動誤差，設計計算比較復雜，整個機構存在較大的累積誤差；累積誤差又產生運動誤差，不能準確反映機構運動要求，不能實現精確的運動規律等缺點。

這類機構常應用于各種機械、儀表和機電產品中。如：攪拌機，電動刮水機，縫紉機踏板機構，機械篩，牛頭刨床中的橫向進給機構，汽車搖窗機，車門啟閉機構等。

在鉸鏈四桿機構中，它的組成非常簡單，固定不動的桿稱為機架，與機架相連的兩桿稱為連架桿，連接兩連架桿的桿稱為連桿。若組成轉動副的兩構件能做整周相對轉動，則稱為整轉副，否則成為擺動副。若能作整周回轉的連架桿（即與機架組成整轉副的連架桿）稱為曲柄，僅能做一定角度擺動的連架桿（既與機架組成擺動副的連架桿）稱為搖桿。鉸鏈四桿機構根據根據連架桿是曲柄還是搖桿分為三種基本型式：曲柄搖桿機構、雙曲柄機構和雙搖桿機構。

1、曲柄搖桿機構

在鉸鏈四桿機構中，若兩個連架桿中，一個為曲柄，另一個為搖桿，則稱為曲柄搖桿機構。一般情況下曲柄為主動件，作勻速轉動，曲柄帶動連桿，連桿帶動搖桿在一定范圍內做變速往復擺動，將曲柄的周轉運動轉換為搖桿的往復運動。例如調整雷達天線俯仰角的曲柄搖桿機構。曲柄緩慢地勻速轉動，通過連桿使搖桿在一定角度范圍內擺動，從而調整雷達天線俯仰角的大小。其它如攪拌機、機械篩等都是曲柄搖桿機構。

2、雙曲柄機構

在鉸鏈四桿機構中，若兩連架桿均為曲柄，則稱為雙曲柄機構。一般情況下主動曲柄做等速轉動，從動曲柄做變速轉動。在雙曲柄機構中，若其相對兩桿長度分別相等且平行，兩曲柄的轉向相同、角速度相等稱為平行雙曲柄機構或平行四邊行機構，因為在此機構中，連桿做的平移運動，因此應用非常廣泛。此外，還有反平行四邊形機構，此機構連桿與機架長度相等，兩個曲柄長度相等組成轉向相反的雙曲柄機構，也稱為逆平行四邊形機構。如車門啟閉機構中，當主動曲柄轉動時，通過連桿帶動從動曲柄朝相反方向轉動，從而保證兩扇車門同時開啟或同時關閉。

3、雙搖桿機構

在鉸鏈四桿機構中，若兩連架桿均為搖桿，則稱為雙搖桿機構。一般情況下，兩搖桿往復擺動的擺角是不相等的。前輪轉向機構、飛機起落架機構均為雙搖桿機構。

二、鉸鏈四桿機構的演化

在實際機械中，平面連桿機構的形式多種多樣，大部分由鉸鏈四桿機構演化而來，一般演化途徑有以下幾種：

1、轉動副轉化成移動副

（1）鉸鏈四桿機構中一個轉動副轉化為移動副

典型的例子就是曲柄滑塊機構，曲柄滑塊機構就是用移動副取代曲柄搖桿機構中的轉動副，使曲柄搖桿機構的搖桿轉化為滑塊演化而來的。移動副可以認為是轉動副轉動中心位于垂直于移動副導路的無限遠處的的一種特殊情況。曲柄滑塊機構廣泛應用于活塞式內燃機、空氣壓縮機、沖床等機械中。

（2）鉸鏈四桿機構中二個轉動副轉化為移動副

兩個移動副相鄰，且其中一個移動副與機架相關聯，此機構從動件的位移與原動件轉角的正弦成正比，故稱為正弦機構。兩個移動副不相鄰，從動件位移與原動件轉角的正切成正比，因此稱為正切機構。

2、取不同構件為機架

采用不同構件為機架的演化方式稱為機構的倒置。對曲柄滑塊機構變更機架，曲柄滑塊機構可以演化為（1）導桿機構，根據桿長關系分為曲柄轉動導桿機構和曲柄擺動導桿兩種，導桿機構常用于插床、牛頭刨床等；（2）搖塊機構，搖塊機構廣泛應用擺缸式內燃機和液壓驅動裝置中；（3）定塊機構，定塊機構常用于抽油泵和抽水唧筒等。

3、有偏心輪的四桿機構

當曲柄長度很小時，把曲柄滑塊機構或曲柄搖桿機構的曲柄演化為偏心輪，曲柄長度為偏心輪的偏心距。把曲柄做成偏心輪，不僅可以增大軸頸的尺寸，提高偏心軸的強度和剛度，還可以當軸頸位于中部時，安裝整體式連桿，使結構簡化，偏心輪廣泛應用于傳力較大的剪床、沖床、內燃機等機械中。

文獻參考：

[1]邱宣懷等. 《機械設計》.高等教育出版社 .

[2]吳克堅，于小紅，錢瑞明.《機械設計》.高等教育出版社.

[3]楊可楨等. 《機械設計基礎》.高等教育出版社.

[4]劉孝民等. 《機械設計基礎》.華南理工大學出版社.

[5]范思沖等. 《機械基礎》.機械工業出版社.