四桿機(jī)構(gòu)在機(jī)械設(shè)計(jì)的應(yīng)用

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工程實(shí)際中所用四桿機(jī)構(gòu)的形式多種多樣，其主要特點(diǎn)是將一種運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N運(yùn)動(dòng)形式，實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換、動(dòng)作和軌跡要求。四桿結(jié)構(gòu)主要通過(guò)面接觸，運(yùn)動(dòng)副單位面積所受的壓力較小，其面接觸便于潤(rùn)滑，耐磨損，使用壽命長(zhǎng)，可用于傳遞較大的載荷的優(yōu)點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械結(jié)構(gòu)中。

1四桿結(jié)構(gòu)的構(gòu)成

所有的運(yùn)動(dòng)副均為轉(zhuǎn)動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，他是平面四桿機(jī)構(gòu)的最基本形式，其固定不動(dòng)的桿為機(jī)架，與機(jī)架通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接的桿為連架桿，能夠做整周回轉(zhuǎn)的構(gòu)件為曲柄，而只能在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)的構(gòu)件為搖桿。

2四桿結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性

同向旋轉(zhuǎn)時(shí)兩曲柄的角度始終保持相等特性，如圖2-1機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，被聯(lián)動(dòng)的各車輪具有與主動(dòng)輪完全相同的運(yùn)動(dòng)。連桿始終與機(jī)構(gòu)平行特性，如圖2-2天平機(jī)構(gòu)能始終保證天平始終處于水平位置。運(yùn)動(dòng)不確定特性，當(dāng)主動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)到與從動(dòng)曲柄、連桿及機(jī)架共線位置時(shí)，將出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不確定的狀態(tài)。平面四桿機(jī)構(gòu)的急回特性，圖2-3所示曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，可設(shè)AB為原動(dòng)件，搖桿CD為從動(dòng)件，曲柄AB旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，有2次與連桿共線，即當(dāng)曲柄到達(dá)AB1位置時(shí)，搖桿CD處于左邊極限位置C1D,當(dāng)曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)到AB2位置時(shí)，搖桿CD處于右邊極限位置C2D，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的這個(gè)極限位置為極位。當(dāng)從動(dòng)件搖桿處于兩極限位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的原動(dòng)件曲柄在AB1和AB2兩位置間所夾角為極位夾角。當(dāng)原動(dòng)件曲柄做等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)件搖桿往復(fù)擺動(dòng)的平均速度不同，且搖桿在空回行程中的平均速度大于工作行程速度，這一性質(zhì)為急回特性。

3四桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)主要根據(jù)給定的設(shè)計(jì)條件（運(yùn)動(dòng)條件、幾何條件等），確定機(jī)構(gòu)有關(guān)的尺寸參數(shù)和各個(gè)機(jī)構(gòu)間件的相對(duì)位置，而不涉及構(gòu)件的具體機(jī)構(gòu)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，即可確定平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及機(jī)構(gòu)的工作特性。按照給定運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)，平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其連桿一般做復(fù)雜平面運(yùn)動(dòng)，連桿上任一點(diǎn)的軌跡是一條封閉曲線，連桿曲線的形狀取決于連桿上點(diǎn)的位置和各構(gòu)件的相對(duì)長(zhǎng)度，連桿曲線的多樣性常被用于工程中的某些機(jī)械，用以完成一定的生產(chǎn)要求和動(dòng)作。按照給定的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)就是通過(guò)選擇不同的構(gòu)件參數(shù)和連桿上的點(diǎn)，而使該點(diǎn)所描繪的連桿曲線滿足預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡要求。如鶴式起重機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證吊鉤能實(shí)現(xiàn)沿近似水平方向移動(dòng)；攪拌機(jī)構(gòu)件設(shè)計(jì)，應(yīng)保證攪拌桿端能按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)。按照給定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（位置、速度、加速度）設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)，主要的應(yīng)用實(shí)例為飛機(jī)起落架構(gòu)件設(shè)計(jì)中，應(yīng)滿足機(jī)輪在放下和收起時(shí)連桿應(yīng)占據(jù)的2個(gè)預(yù)期位置；再如牛頭刨床構(gòu)件的應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)，應(yīng)使設(shè)計(jì)出的機(jī)構(gòu)能保證給定的行程速度變化系數(shù)等。

4機(jī)械結(jié)構(gòu)中的基本應(yīng)用形式

四桿機(jī)構(gòu)在機(jī)械中主要以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)3種基本形式。4.1曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是具有一個(gè)曲柄和一個(gè)搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，通常以曲柄為原動(dòng)件，搖桿為從動(dòng)件，將曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復(fù)搖擺運(yùn)動(dòng)。如雷達(dá)機(jī)構(gòu)中的雷達(dá)天線俯仰角調(diào)整機(jī)構(gòu)。也有以搖桿為原動(dòng)件的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，典型的實(shí)例為縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)。4.2雙曲柄機(jī)構(gòu)。雙曲柄機(jī)構(gòu)是具有2個(gè)曲柄的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，同層主動(dòng)曲柄做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)曲柄做變速轉(zhuǎn)動(dòng)，如慣性篩機(jī)構(gòu)中，當(dāng)主動(dòng)曲柄做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)從動(dòng)曲柄做變速轉(zhuǎn)動(dòng)，桿使篩子具有較大的變化速度，篩子中的顆粒物料因?yàn)閼T性作用到達(dá)分篩的目的。若連桿與機(jī)架的長(zhǎng)度相等，且曲柄長(zhǎng)度相等則為平行四邊形機(jī)構(gòu)。如曲柄機(jī)構(gòu)中連桿與機(jī)架長(zhǎng)度相等，且量曲柄長(zhǎng)度相等但轉(zhuǎn)向相反，則為逆向平行四邊機(jī)構(gòu)，典型事例為車門啟閉機(jī)構(gòu)就是利用逆向平行四邊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。4.3雙搖桿機(jī)構(gòu)。雙搖桿機(jī)構(gòu)具有2個(gè)搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)長(zhǎng)被用于操作機(jī)構(gòu)、儀表機(jī)構(gòu)。在雙搖桿機(jī)構(gòu)匯總，若2個(gè)搖桿長(zhǎng)度相等，則為等腰梯形機(jī)構(gòu)，典型的為汽車前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，可使2前輪軸線與后輪軸線近似交匯于一點(diǎn)，保證各輪相對(duì)于地面近似為純滾動(dòng)，避免輪胎因滑動(dòng)而產(chǎn)生較大磨損。

5結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)四桿機(jī)構(gòu)組成、運(yùn)動(dòng)特性以及在機(jī)械結(jié)構(gòu)中的運(yùn)用，簡(jiǎn)要地分析了四桿機(jī)構(gòu)的特性及其應(yīng)用。平面四桿機(jī)構(gòu)形式多樣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單應(yīng)用廣泛，機(jī)械結(jié)構(gòu)中的多桿結(jié)構(gòu)都是從四桿機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上擴(kuò)充而來(lái)，掌握了平面四桿機(jī)構(gòu)的有關(guān)知識(shí)和設(shè)計(jì)方法，就為平面多桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析奠定了基礎(chǔ)。

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作者:胡超 張樂安 張峰 李娜 單位:武昌工學(xué)院