四杆机构在机械设计的应用

工程实际中所用四杆机构的形式多种多样，其主要特点是将一种运动形式转变为另一种运动形式，实现一定的运动转换、动作和轨迹要求。四杆结构主要通过面接触，运动副单位面积所受的压力较小，其面接触便于润滑，耐磨损，使用寿命长，可用于传递较大的载荷的优点，其广泛应用于各种机械结构中。

1四杆结构的构成

所有的运动副均为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构，他是平面四杆机构的最基本形式，其固定不动的杆为机架，与机架通过运动副连接的杆为连架杆，能够做整周回转的构件为曲柄，而只能在一定角度范围内摆动的构件为摇杆。

2四杆结构运动特性

同向旋转时两曲柄的角度始终保持相等特性，如图2-1机车车轮联动机构，被联动的各车轮具有与主动轮完全相同的运动。连杆始终与机构平行特性，如图2-2天平机构能始终保证天平始终处于水平位置。运动不确定特性，当主动曲柄转动到与从动曲柄、连杆及机架共线位置时，将出现运动不确定的状态。平面四杆机构的急回特性，图2-3所示曲柄摇杆机构中，可设AB为原动件，摇杆CD为从动件，曲柄AB旋转一周的过程中，有2次与连杆共线，即当曲柄到达AB1位置时，摇杆CD处于左边极限位置C1D,当曲柄继续转到AB2位置时，摇杆CD处于右边极限位置C2D，曲柄摇杆机构的这个极限位置为极位。当从动件摇杆处于两极限位置时，对应的原动件曲柄在AB1和AB2两位置间所夹角为极位夹角。当原动件曲柄做等速旋转运动，从动件摇杆往复摆动的平均速度不同，且摇杆在空回行程中的平均速度大于工作行程速度，这一性质为急回特性。

3四杆机构的应用设计要点

平面四杆机构的运动设计主要根据给定的设计条件（运动条件、几何条件等），确定机构有关的尺寸参数和各个机构间件的相对位置，而不涉及构件的具体机构。通过运动设计，即可确定平面四杆机构运动简图及机构的工作特性。按照给定运动轨迹设计四杆机构，平面四杆机构运转时，其连杆一般做复杂平面运动，连杆上任一点的轨迹是一条封闭曲线，连杆曲线的形状取决于连杆上点的位置和各构件的相对长度，连杆曲线的多样性常被用于工程中的某些机械，用以完成一定的生产要求和动作。按照给定的运动轨迹设计就是通过选择不同的构件参数和连杆上的点，而使该点所描绘的连杆曲线满足预期的运动轨迹要求。如鹤式起重机机构设计中，应保证吊钩能实现沿近似水平方向移动；搅拌机构件设计，应保证搅拌杆端能按照预定轨迹运动。按照给定从动件的运动规律（位置、速度、加速度）设计四杆机构，主要的应用实例为飞机起落架构件设计中，应满足机轮在放下和收起时连杆应占据的2个预期位置；再如牛头刨床构件的应用设计要点，应使设计出的机构能保证给定的行程速度变化系数等。

4机械结构中的基本应用形式

四杆机构在机械中主要以曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构3种基本形式。4.1曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构是具有一个曲柄和一个摇杆的铰链四杆机构，通常以曲柄为原动件，摇杆为从动件，将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摇摆运动。如雷达机构中的雷达天线俯仰角调整机构。也有以摇杆为原动件的曲柄摇杆机构，典型的实例为缝纫机踏板机构。4.2双曲柄机构。双曲柄机构是具有2个曲柄的铰链四杆机构，同层主动曲柄做匀速转动，从动曲柄做变速转动，如惯性筛机构中，当主动曲柄做匀速转动时，铰链四杆机构从动曲柄做变速转动，杆使筛子具有较大的变化速度，筛子中的颗粒物料因为惯性作用到达分筛的目的。若连杆与机架的长度相等，且曲柄长度相等则为平行四边形机构。如曲柄机构中连杆与机架长度相等，且量曲柄长度相等但转向相反，则为逆向平行四边机构，典型事例为车门启闭机构就是利用逆向平行四边机构的运动特性。4.3双摇杆机构。双摇杆机构具有2个摇杆的铰链四杆机构，这种机构长被用于操作机构、仪表机构。在双摇杆机构汇总，若2个摇杆长度相等，则为等腰梯形机构，典型的为汽车前轮转向机构，汽车转弯时，可使2前轮轴线与后轮轴线近似交汇于一点，保证各轮相对于地面近似为纯滚动，避免轮胎因滑动而产生较大磨损。

5结束语

本文通过对四杆机构组成、运动特性以及在机械结构中的运用，简要地分析了四杆机构的特性及其应用。平面四杆机构形式多样，结构简单应用广泛，机械结构中的多杆结构都是从四杆机构基础上扩充而来，掌握了平面四杆机构的有关知识和设计方法，就为平面多杆机构的设计与分析奠定了基础。

参考文献：

[1]谢红杰.铰链四杆机构的基本形式及其眼花[学位论文].西安大学,2009.06.

[2]王春生.平面四杆机构的工作一般特性[学位论文].天津大学,2007.06.

[3]张秋.平面四杆机构的运动设计要点分析[J].机械出版社,2010.09.

[4]木思瀚.机械机构中四杆机构的应用解析[J].机械出版社,2004.03.

作者:胡超 张乐安 张峰 李娜 单位:武昌工学院