两齿轮曲柄摇杆机构简图

（一）平面连杆机构

平面连杆机构是实现平面运动转换的机构。由四个构件组成的平面连杆机构成为四杆机构。实际上，四杆机构中的四个构件未必都是杆状的，但在运动示意图中均可用杆件那样的线条来表示和分析它们。四杆机构在日常生活中应用广泛。

1.四杆机构的基本类型

平面四杆机构可分为铰链四杆机构和滑块四杆机构两大类。前者是平面四杆机构的基础，后者可看成由前者演化而来。

2.铰链四杆机构

以4个转动副（铰链）连接4个构件而成的机构称为铰链四杆机构，如图4.12所示。图中固定不动的构件为机架，与机架相连的构件称为连架杆，不与机架直接相连的构件称为连杆。连架杆中能作整圈回转的称为曲柄，不能作整圈回转、只能作往返摆动的称为摇杆。

图4.12

铰链四杆机构按其中的两个连架杆是曲柄还是摇杆，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。

（1）曲柄摇杆机构

铰链四杆机构的两个连架杆中，一个是曲柄，另一个是摇杆，则称为曲柄摇杆机构。

曲柄摇杆机构能实现以下两种运动转换：

①以曲柄为原动件，可将曲柄的连续转动转换为摇杆的往返摆动。

②以摇杆为原动件，可将摇杆的往返摆动转换为曲柄的连续转动。

图4.12（a）所示为搅拌机原理图，就是曲柄摇杆机构：以连续转动的曲柄1为原动件，带动摇杆3作摆动，使爪钩搅拌液体。这类机构的运动空间主要是平面，因此，运动平面的最大尺寸，是以曲柄工作状态在直径最左端到曲柄工作到最右端，摇杆摆至最右端时，以及摇杆垂直地面高度为依据，来确定运动空间的。

图4.12（b）给出了以曲柄AB为原动件的曲柄摇杆机构所示，该机构为破碎机的破碎机构，曲柄AB连续转动，使摇杆CD绕铰链D往返摆动，间歇地对物料施加压力，将物料压碎。对于具体的实用机构，就不能象理论机构那样计算运动空间了，必须加上填料空间、杆件的厚度、安装空间等。

（2）双曲柄机构

若铰链四杆机构的两个连架杆均为曲柄，则称为双曲柄机构。

双曲柄机构中的任一个曲柄均可作为原动件，由原动曲柄旋转带动从动曲柄旋转。应注意，双曲柄机构与齿轮传动、带轮传动等实现的运动转换在性质上有所不同。在图4.13（a）中所示的双曲柄机构中，设曲柄AB为原动件，当曲柄AB顺时针转过180°时，从动曲柄DC转过180°回到起始位置AB时，曲柄DC则回到DC的起始位置。其运动空间长度为两曲柄长度与固定链接距离之和，即AB+DC+AD。

图4.13　双曲柄机构的运动

平行四边形机构的这种特性使它获得了广泛应用。如图4.13（b）所示的火车车轮的联动机构，另两个轮毂由于连杆连接得以同步转动，使火车顺利行驶。此时，运动空间的计算，不可忽略连杆连接点到轮子中心的距离。

（3）双摇杆机构

若铰链四杆机构的两个连架杆均为摇杆，则称为双摇杆机构。双摇杆机构中的任一个活动件（摇杆或连杆）均可作为原动件，使两个摇杆实现往返摆动，如图4.14所示。

图4.14

3.滑块四杆机构

若四杆机构中含有移动副，则称为滑块四杆机构，简称滑块机构。其基本形式有曲柄滑块机构、导杆机构、摇杆机构和定块机构。下面简要介绍其中常见的曲柄滑块机构。

在图4.15中，与机架4用移动副相连，同时又与连杆2用转动副相连的构件3，称为滑块。由曲柄、连杆、滑块和机架组成的机构称为曲柄滑块机构。若滑块上转动副中心的移动方向线通过曲柄的转动中心，则称为对心曲柄滑块机构，如图4.15（a）所示；否则是偏置曲柄滑块机构，如图14.15（b）所示。机构中，滑块往返运动两极限点间的距离称为滑块行程，如图4.15（a）中的H。图4.15（b）中的尺寸e称为偏心距。

曲柄滑块机构应用很广泛，也属于平面运用机构，其单元空间计算较为简单，对心曲柄滑块机构长为2AB+BC，高为AB。

图4.15　曲柄滑块机构

上面介绍了3种铰链四杆机构、4种滑块四杆机构，并列举了相应的应用实例，初步说明了其应用的广泛。实际上，四杆机构不仅局限在工农业机械方面，在日用品、车辆、科教仪器、游乐设施、玩具等方面也有广泛的应用，与设计师的工作密切相关。下面再介绍一些四杆机构在不同方面的实例。

案例4-2：家庭医用护理病床设计

家庭医用护理床设计主要解决久卧病床病人的生活自理的问题。如图4.16所示，床身分为三段，上部分可通过电机旋转带动摇杆，实现病人仰和靠姿势的转换；下部分可通过另一电机旋转，带动连杆机构，使其上下移动；中间部分虽然固定，但当所含齿轮与丝杆差动系统啮合时，可完成一次性马桶的横向开合，实现病人大小便自理、仰卧转坐姿等功能。

图4.16　家庭医用护理病床

案例4-3：公共汽车的车门开关机构

公共汽车门的上方装有一个压缩空气气缸，驾驶员在驾驶室按电门开关，气缸活塞杆伸出或缩回，就可实现开关车门，这个动作是通过四连杆机构来实现的。

图4.17中，构件6、5分别是左车门和右车门，图中活塞杆7处于从汽缸8伸出的位置，对应着左右车门处于关闭，该四杆机构由主动曲柄1、从动曲柄3、连杆2和机架4组成；左车门6与曲柄1固结，右车门5与从动曲柄3固结，主动曲柄1的延伸段A E与活塞杆以铰链E连接。当活塞杆缩回汽缸，铰链E带动主动曲柄1和左车门6均逆时针转过α角度，主动曲柄1的一端从B₁到达B₂位置，通过连杆2把从动曲柄3的一端从C₁推到C₂位置，使从动曲轴3和右车门5均顺时针转过α角度，于是左右两车门就打开了。图中用双点画线表示开门状态下双门和机构的位置。

图4.17　汽车门开关机构