单元二
铰链四杆机构

学习目标

1．能叙述铰链四杆机构定义。

2．能掌握铰链四杆机构的分类。

3．能掌握根据杆长判断铰链四杆机构的种类的方法。

4．能通过探究分析汽车刮水器应用的四杆机构类型。

5．能通过探究分析汽车转向器应用的四杆机构类型。

内容概要

铰链机构应用于汽车的如刮水器、转向机构等机构中。通过对铰链四杆机构的学习，能正确定义铰链四杆机构并能准确根据杆长对铰链四杆机构进行分类，掌握其应用，简单分析汽车上的铰链四杆机构的运动轨迹，为以后的检测与维修工作打下良好的基础。

知识准备

一、铰链四杆机构

引导问题：平面连杆机构中，构件与构件之间是以低副相连形成的。思考是否存在一种平面连杆机构，构件之间全部以移动副或者转动副相连？阅读下面资料，回答何为铰链四杆机构？

平面四杆机构是平面连杆机构中最常见的形式，也是组成多杆机构的基础。当平面四杆机构中的运动副都是转动副时，称为铰链四杆机构，如图3-2-1所示，它是平面四杆机构中最基本的形式。固定不动的杆 AD 称之为机架；与机架相连的杆 AB 、 CD 称之为连架杆；连接两连架的杆 BC 称之为连杆，连杆与机架不相连。在铰链四杆机构中，由于组成的尺寸不同，导致连架杆可以形成两种不同的运动结果，一是360°整周回转，另一是往复摆动。当连架杆做整周回转时称之为曲柄，做摆动时称之为摇杆。

引导问题：铰链四杆机构中的四条杆件是否一定有能做整周回转的杆件？当存在有整周回转的曲柄时，是有几条可以同时做整周回转呢？阅读资料，回答铰链四杆机构的分类。

根据铰链四杆机构中是否有曲柄可以分成三种基本形式。

1．曲柄摇杆机构

两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆的四杆机构，称为曲柄摇杆机构。如图3-2-1所示，两个连架杆中一个是曲柄（与机架组成周转副的连架杆 AB ），一个是摇杆（与机架组成摆转副的连架杆 CD ）的铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。汽车刮水器中曲柄的整周回转通过连杆转变为刮水器的往复摆动，如图3-2-2所示。

2．双曲柄机构

两个连架杆都为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构，如图3-2-3所示。 AD 固定不动为机架，连架杆 AB 和连架杆 CD 都可以绕机架做圆周运动。当主动曲柄 AB 做匀速转动时，从动曲柄 CD 做周期性的变速转动，实现将主动曲柄的整周匀速旋转运动，转换为从动曲柄的整周变速旋转运动。

当两曲柄的长度相等而且平行，连杆与机架也等长时，这种机构称为平行四边形机构，如图3-2-4所示。此时，从动曲柄 CD 跟随主动曲柄做周转运动，两条曲柄的运动速度相同，连杆做平动，例如摄影平台车升降机构，如图3-2-5所示。这种机构当曲柄转到与机架共线的位置时，机构会处于一种运动不确定状态，可能会出现两曲柄转向相反、角速度不相等的状况，即逆平行四边形机构，又称为反向双曲柄机构，即两曲柄的长度相同，但互不平行，如图3-2-6所示，此时，两曲柄旋转方向相反，角速度不相等。为避免出现这种运动不确定状态，即反向双曲柄机构，一般会在机构中采取增加构件，形成虚约束的方式进行改善，以确定机构运动状态。

3．双摇杆机构

双摇杆机构就是两连架杆均是摇杆的铰链四杆机构，如图3-2-7所示。汽车转向机构也是双摇杆机构，如图3-2-8所示。

二、铰链四杆机构中曲柄存在的条件

引导问题：铰链四杆机构存在曲柄摇杆、双曲柄和双摇杆三种不同机构，阅读资料，回答存在曲柄的条件是什么？

通过对铰链四杆机构的三种基本形式的分析可以看到，铰链四杆机构三种类型是由是否存在曲柄或有几个曲柄而区分的。而曲柄是否存在是由杆长和机架的位置决定的。

如图3-2-9所示曲柄摇杆机构中， AB 为曲柄， BC 为连杆， CD 为摇杆， AD 为机架，分别用杆长 L 1、 L 2、 L 3和 L 4表示。 AB 做整周回转过程中，必定存在两个位置与 AD 共线，形成两个三角形 B ^N C ^N D 和 B ^F C ^F D 。为了使 AB 能成为曲柄，它必须能顺利通过这两个共线位置。由三角形的边长关系可得到铰链四杆机构中曲柄存在的条件如下。

1）连架杆与机架中必有一杆为最短杆。

2）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。

以上两条件是曲柄存在的必要条件，这个结论称为杆长之和条件。当满足以上两条件，根据机架的位置又可分为以下三种。

1）以最短杆的邻边为机架时，铰链四杆机构为曲柄摇杆机构。

2）以最短杆为机架时，铰链四杆机构为双曲柄机构。

3）以最短杆的对边为机架时，铰链四杆机构为双摇杆机构。

若机构不满足杆长之和条件则只能成为双摇杆机构。

例3-2-1 如图3-2-10所示的铰链四杆机构中，已知 AB 、 BC 、 CD 、 AD 各杆长度为： a =300mm、 b =200mm、 c =350mm、 d =100mm。分析该铰链四杆机构属于哪类机构。

解： AD 为最短杆， CD 为最长杆，故 c + d =350+100＜ a + b =300+200，满足杆长和条件。因此可知。

当 AD 为机架，最短杆为机架，故此机构是双曲柄机构。

当 AB 或 CD 为机架，最短杆为连架杆，故此机构是曲柄摇杆机构。

当 BC 为机架，最短杆为连杆，故此机构是双摇杆机构。