任务一
认识平面连杆机构

任务描述

本任务主要介绍了平面连杆机构的组成、基本形式、特性，常见四杆机构的应用及铰链四杆机构的演化。通过对汽车所应用的典型机构的分析，认识机器、机构、构件、零件等概念。识记曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构的特点，理解曲柄滑块机构、导杆机构、摇块机构和定块机构的特点。

关键点：平面连杆机构的类型、特征及应用。

任务目标

完成本任务的学习后，你应：

★能说出零件、构件、机构、机器的关系和区别；

★能描述铰链四杆机构的组成；

★能识别不同平面连杆机构的类型；

★能说出铰链四杆机构的演化及在汽车上的应用。

任务实施

一、机器和机构

在日常生活和工作中，经常使用的各种生产工具、加工设备等通常被人们称为机器。例如，汽车、洗衣机、缝纫机等都是最常见、最普通的机器。机械是机器和机构的总称。

1. 零件

从制造角度看，机器是由若干个零件组成的。零件是机器组成中不可拆分的最小单元。因此，零件是机器的制造单元。

2. 构件

由一个或几个零件刚性地连接在一起，作为一个整体而运动，这一个整体就称为一个构件。这些刚性连接在一起的零件之间不能产生任何相对运动，构件是机器组成中最基本的运动单元。例如，发动机中的连杆（图1-1）就是由连杆体、连杆盖、螺栓和螺母等零件刚性地连接在一起。在运动过程中，这一刚性连接体就是一个构件，是一个独立的运动单元。一个不与其他任何零件刚性连接的单独零件，构件也可以是一个简单的结构（如发动机的曲轴）。

3. 机构

机构由多个构件以一定的方式连接而成，它的主要功用在于传递运动或转换运动形式，但它不能做机械功，也不能转换能量。例如，发动机中的活塞、连杆、曲轴及机体组合成一个机构，称为活塞连杆机构（亦称为曲柄连杆机构），如图1-2所示，它能实现曲轴的旋转运动与活塞的往复移动的相互转换。

4. 机器

尽管机器种类繁多，构造、性能和用途各异，但它们之间却存在着一些共同的特征。

特征一：任何机器都是人为的实物组合体。如图1-2所示，单缸内燃机是由曲轴、连杆、活塞、气缸等许多实物组成的。

特征二：组成机器的各部分之间具有确定的相对运动。如图1-2所示，活塞在气缸中的运动，可变为曲轴的连续转动。

特征三：能代替或减轻人类的劳动，产生机械功或实现能量转换。例如，汽车发动机把燃料燃烧产生的热能转化为机械能，最终通过传动系将动力传给驱动车轮，驱动汽车行驶。又如发电机是把其他形式的能量转化为电能，而电动机却是把电能转化为机械能。

由此可见，机构只是具备了机器的前两个特征，不做机械功和进行能量转换，其功能在于传递或转换运动形式。而机器是具有确定相对运动的实物的组合，它的功用主要是转换能量或传递运动形式。一般机器包含4个基本组成部分：动力部分、传动部分、控制部分、执行部分。

二、铰链四杆机构的基本形式和应用

构件间只能做平面运动或回转运动的平面机构，被称为平面连杆机构。平面连杆机构的类型很多，应用很广，按其构件的运动形式不同，可分为铰链四杆机构和滑块四杆机构两大类。最简单的是由4个构件组成的铰链四杆机构，滑块四杆机构是由其衍生而成。

铰链四杆机构是指连接构件间都是做回转运动的平面四杆机构，如图1-3所示。其中，固定不动的构件被称为机架，与机架相连的构件被称为连架杆，连接两连架杆的构件被称为连杆。当连架杆能绕与机架相连的固定铰链整周回转时，则该连架杆为曲柄；不能整周回转的连架杆称为摇杆。

1. 曲柄摇杆机构

若组成铰链四杆机构的连架杆中有一个是曲柄，另一个是摇杆，则所组成的铰链四杆机构被称为曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构通常在应用中是将曲柄的旋转运动转变为摇杆的往复摆动，或者将摇杆的往复摆动转换为曲柄的整周运动，如图1-4所示。

图1-5是汽车电动雨刮器传动机构，它是由曲柄摇杆机构组成的。当雨水落在挡风玻璃上时，驾驶员看不清行驶路面，为了行车安全，就使用雨刮器来扫除雨水。其工作时雨刮电机带动曲柄旋转，从而带动连杆、摇杆、刮水片摆动。

2. 双曲柄机构

若铰链四杆机构的两个连架杆均为曲柄，则所组成的铰链四杆机构被称为双曲柄机构。在双曲柄机构中，若两曲柄的长度相同，连杆与机架的长度也相同，则该机构称为平行双曲柄机构。它有正平行双曲柄机构（图1-6）和反向双曲柄机构（图1-7）两种形式。前者的运动特点为两曲柄的转向相同且角速度相同，连杆作平动；后者两曲柄的回转方向相反且角速度不同。

平行双曲柄机构的应用较多，如图1-8所示的机车驱动轮机构是正平行双曲柄机构的应用实例。该机构为防止转化为反向双曲柄机构，采用机构联动方法，利用辅助曲柄消除平行双曲柄机构的运动不确定状态。反向双曲柄机构应用较少，如图1-9所示的汽车车门启闭机构为反向双曲柄机构的应用实例。当主动曲柄 AB 转动时，通过连杆 BC 使从动曲柄 CD 反方向转动，保证两车门能同时开启或关闭。

3. 双摇杆机构

若铰链四杆机构的两连架杆都是摇杆，则被称为双摇杆机构（图1-10）。如图1-11所示是利用双摇杆的自卸翻斗货车。 AD 杆为机架，当油缸活塞向右伸长时，带动双摇杆 AB 、 CD 向右摆动，使翻斗中的货物自动卸下；当油缸活塞向左缩回时，则带动双摇杆 AB 与 CD 向左摆动，使翻斗回到原来的位置。

图1-12所示为汽车前轮转向机构，应用了两个摇杆长度相等的双摇杆机构——等腰梯形机构。当汽车转弯时，通过转向器带动梯形机构，实现车轮的转向。

友情提示

运动副：运动副是两构件直接接触并能产生相对运动的活动联接。

三、铰链四杆机构的演化及应用

将曲柄摇杆机构的摇杆长度取无穷大时，曲柄摇杆机构中的摇杆将转化为沿直线运动的滑块，成为曲柄滑块机构。通过改变铰链四杆机构杆件的相对长度、作为机架的构件等可以获得其他形式的四杆机构，如曲柄滑块机构、导杆机构、摇块机构和定块机构等，如图1-13所示。

1. 曲柄滑块机构

将曲柄摇杆机构的摇杆长度取无穷大时，曲柄摇杆机构中的摇杆将转化为沿直线运动的滑块，成为曲柄滑块机构。曲柄滑块机构常用于回转运动与往复移动之间的转换。如图1-14所示，在汽车发动机活塞—连杆机构中，曲柄滑块机构将曲轴的回转运动转化为活塞的往复运动，或是将活塞的往复运动转化为曲轴的回转运动。

2. 导杆机构

若将曲柄滑块机构的曲柄作为机架，则曲柄滑块机构就演化为导杆机构，连架杆对滑块的运动起导向作用，称为导杆，它包括转动导杆和摆动导杆两种形式，如图1-15所示。导杆能绕机架做整周转动，称为转动导杆机构；若导杆只能在某一角度内摆动，则称为摆动导杆机构。导杆机构具有很好的传力性能，常用于插床、牛头刨床和送料装置等机器中。

3. 摇块机构

若将曲柄滑块机构的连杆作为机架，则曲柄滑块机构就演化为摇块机构。摇块机构常用于气压、液压驱动装置中，如自卸卡车翻斗机构（图1-16）。其原理是：用压力油推动活塞使车厢翻转，完成自卸工作。自卸卡车是工程机械中最为常见的运输工具，它为人类节省了巨大的劳动力。

4. 定块机构

若将曲柄滑块机构的滑块作为机架，则曲柄滑块机构演化为定块机构，这种机构常用于抽油泵和手摇抽水机筒（图1-17）。

四、平面四杆机构的判别

机构中有无曲柄、有几个曲柄是铰链四杆机构的重要特征。曲柄的存在必须满足以下两个条件：最短杆与最长杆之和小于或等于其余两杆之和；最短杆为机架或连架杆。根据以上条件，可以进行铰链四杆机构基本类型的判别，方法如下：

（1）当最短杆与最长杆之和小于或等于其余两杆之和。

①若最短杆为机架，则机构为双曲柄机构（图1-18）。

②若最短杆为连杆，则机构为双摇杆机构（图1-19）。

③若最短杆为连架杆，则机构为曲柄摇杆机构（图1-20）。

（2）当最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和时，则不论取何杆为机架，机构均为双摇杆机构。

任务检测

1. 认识平面连杆机构。

铰链四杆机构的3种基本类型为_____、_____和_____。

其基本类型是按照连架杆的不同来确定的，其中绕固定铰链能作整周旋转运动的连架杆称为_____，绕固定铰链只能来回摇摆一个角度的连架杆称为_____。

请在图1-21中标出铰链四杆机构的类型。

2. 3种铰链四杆机构在汽车上的应用。

汽车雨刮器应用了_____机构；公交汽车车门启闭机构的类型是_____；汽车前轮转向机构的类型是_____。

3. 3种滑块四杆机构在汽车上的应用。

将铰链四杆机构通过改变运动副的形状、改变机架等方式可以得到不同形式的四杆机构，如曲柄滑块机构、_____、_____和定块机构。

汽车发动机中活塞连杆机构属于_____机构；自动货车翻斗机构属于_____机构。

任务拓展

1.曲柄摇杆机构的特性

在如图1-22所示的曲柄摇杆机构中，当主动件曲柄 AB 做等速转动时，从动摇杆 CD 做往复摆动。曲柄 AB 在转动一周的过程中，有两次与连杆 BC 共线，曲柄连杆两次共线时摇杆的所在两个位置称为极位。在极位时曲柄两位置之间的夹角称为极位夹角，当机构存在极位夹角 θ 时，机构便具有急回运动特性，即摆回时的平均速度比摆去时的平均速度要大，这种特性被称为铰链四杆机构的急回特性。且 θ 角越大，机构的急回特性也越显著。

以摇杆 CD 为主动件，则当连杆与从动件曲柄共线时，这时主动件 CD 通过连杆作用于从动件 AB 上的力恰好通过其回转中心，不能使从动曲柄转动，机构处于“卡死”或运动不确定状态，机构的这种位置称为“死点”。汽车发动机中也会出现这样的“死点”位置，即活塞上止点和下止点时发生这样的机械现象。为了克服死点的不确定性，在发动机曲轴上设计了飞轮来储存能量，利用飞轮的惯性越过死点位置，使曲轴连续地转动。另外把两组机构“错列”是更有效的办法，当一组位于“死点”位置，另一组处于正常的转动位置，可有效地克服“死点”。多缸内燃发动机就是几组曲柄摇杆机构的错列排列。

2. 叉臂式玻璃升降器

汽车车门上使用的叉臂式玻璃升降器是根据曲柄滑块机构的原理设计的。如图1-23所示，车门玻璃安装在玻璃安装板上，当电动机旋转时，带动齿轮臂、从动臂、玻璃安装板、车门玻璃上升或下降。

3. 汽车电动刮水器传动机构

汽车电动刮水器传动机构（图1-24）是由两个四杆机构组成，一个是曲柄摇杆机构，另一个是双摇杆机构。曲柄、连杆和摆杆等杆件可以把蜗轮的旋转运动转变为摆臂的往复摆动，使摆臂上的刮水片实现刮水动作。当风窗刮水器电机转动时，蜗轮上的曲臂旋转，经连杆使短臂以电枢中心做扇形运动，此短臂上安装右侧的风窗刮水器臂，另一连杆与左侧的短臂连接，左右两侧的风窗刮水器臂以电枢为中心做同方向左右平行的运动。

试一试

大家在图中找到各零件的所在、功用、结构原理及相互关联作用，理解后才能运用到实际工作中去。

评价与反思

反思

1. 根据所学知识判断，发动机、汽车是机器吗？如何理解二者之间的关系？

2.零件按照使用性能不同，可以分为通用零件和专用零件两大类。请列举相应的通用零件，并根据所学知识列举汽车上的专用零件。 GacLR+40qKRD3QRUfSET34MONeYGPI2DUyEMqdk9c8BTShyNqz+vYeeSWIEhYloI