铰链四杆机构

平面连杆机构中最基本的机构是四个构件组成的四杆机构。四杆机构包括铰链四杆机构和滑块四杆机构。

铰链四杆机构是将四个构件分别用四个转动副组成的机构。如图3-2所示，机构中固定不变的构件4称为机架，用转动副与机架相连的构件1和3，称为连架杆。其中，能绕机架作整周回转的连架杆1，称为曲柄；不能绕机架作连续转动，只能在一定范围内摆动的连架杆3，称为摇杆；与机架不相连的构件2，称为连杆。

图3-2 雷达天线俯仰机构

一、铰链四杆机构的基本类型

铰链四杆机构按有无曲柄、摇杆，分成三种基本类型：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。

1.曲柄摇杆机构

在铰链四杆机构中，若其两个连架杆一为曲柄，一为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。在这种机构中，当曲柄为原动件，摇杆为从动件时，可将曲柄的连续转动，转变成摇杆的往复摆动。这种机构应用广泛。如图3-2所示的雷达天线俯仰机构，当曲柄AB缓慢地转动时，通过连杆BC使与摇杆CD固结的抛物面天线作一定角度的摆动，从而达到调整天线的俯仰角。如图3-3所示的搅拌机构也是如此。

在曲柄摇杆机构中也有以摇杆作为原动件的，图3-4所示的缝纫机踏板机构便属于这种情况。

图3-3 搅拌机构

图3-4 缝纫机踏板机构

2.双曲柄机构

在铰链四杆机构中，若两个连架杆都是曲柄，则称为双曲柄机构。这种机构的运动特点是当原动曲柄连续转动时，从动曲柄也能作连续转动。如图3-5所示的惯性筛四杆机构中， ABCD为双曲柄机构。当曲柄1作等角速转动时，曲柄3作变角速转动，通过构件5使筛体6发生等速直线运动，筛体内的物料由于惯性而来回抖动，从而达到筛选物料的目的。

图3-5 双曲柄机构

在双曲柄机构中，若其相对两杆平行且相等，如图3-6（a）所示，则称为平行四边形机构。这种机构的运动特点是两曲柄可以以相同的角速度同向转动，而连杆作平移运动。因此，两曲柄1与3作同速同向转动，连杆2作平动。如图3-6（b）所示的铲斗机构，采用平行四边形机构，铲斗与连杆2固结，作平动，可使铲斗中的物料在运行时不致倒出。

图3-6 平行四边形机构

平行四边形机构在运动过程中，当两曲柄与连杆共线时，在原动曲柄转向不变的条件下，从动曲柄会出现转动方向不确定的现象。为了避免这种现象，常在机构中安装一惯性较大的轮形构件（称为飞轮），借助它的转动惯性，使从动曲柄转向不变。

在图3-7所示的车门开闭机构中，虽然对边的杆长度相等，但不平行，称为反平行四边形机构。其运动特点是原动件与其对边从动件3作转向相反的转动。

图3-7 反平行四边形机构

3.双摇杆机构

若铰链四杆机构中两连架杆都是摇杆，如图3-8（a）所示，则称为双摇杆机构，如图3-8（b）所示的港口起重机的起重机构。当AB杆摆动时，CD杆也作摆动，连杆CM上的M点作近似于水平直线的运动，使其在起吊重物时，可避免由于不必要的升降而增加能量的损耗。

图3-8 双摇杆机构和起重机构

（a）双摇杆机构；（b）港口起重机

二、铰链机构形式的判定

铰链四杆机构中相邻两构件是否能连续相对整周转动，与机构中各构件的相对长度有关。条件有两条，通常称为格拉肖夫定律：

（1）四个构件中，最长构件长度Lmax与最短构件长度Lmin之和小于或等于另外两构件长度L′、L″之和。即

Lmax+Lmin≤L′+L″

（2）两相邻构件之一必须为最短构件。

注意：机架可以为任意构件。

由上可见，在满足构件长度和的条件下，将机构中各构件轮换作为机架，便可获得铰链四杆机构的三种形式：

（1）若最短构件为连架杆，则该机构一定是曲柄摇杆机构，见图3-9（a）、（c）。

（2）若最短构件为机架，则该机构一定是双曲柄机构，见图3-9（b）。

（3）若最短构件为连杆，则该机构一定是双摇杆机构，见图3-9（d）。

（4）若四个构件中，最长构件长度Lmax与最短构件长度Lmin之和大于另外两构件长度L′、L″之和，则不论取哪个构件为机架，都无曲柄存在，机构只能是双摇杆机构。

图3-9 取不同构件为机架时的机构形式