陈维范

判定铰链四杆机构中有曲柄存在的简捷方法

陈维范

（辽宁装备制造职业技术学院，辽宁 沈阳 110161）

铰链四杆机构是工程中应用最广泛的一种机构，按照运动形式的不同，可以分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和曲柄摇杆机构。铰链四杆机构中有曲柄存在的判定是高职机械相关专业教学中的重点和难点，也是工程技术人员在设计时经常遇到的问题。结合多年教学实践总结出了判定铰链四杆机构中有曲柄存在的简捷方法，利用此方法可以大大提高教学效果。

铰链四杆机构；曲柄；连杆机构；机械设计

连杆机构是工程中应用最广泛的一种机构，特别是平面连杆机构的应用尤为广泛，而在平面连杆机构中又以四个构件组成的平面四杆机构最为常用[1-2]。构件间的运动副均为转动副连接的四杆机构，是四杆机构的基本形式，称为铰链四杆机构[3]。铰链四杆机构是高职机械类相关专业“机械设计基础”课程中较为重要的学习内容。判断出铰链四杆机构的基本形式是高职教学是一个重点和难点，也是工程技术人员在机械设计时经常遇到的问题。根据多年的教学经验总结出判定铰链四杆机构中有曲柄存在的简捷方法，利用此方法可以大大提高教学效果。

1 铰链四杆机构的基本形式和曲柄存在的条件

铰链四杆机构如图1所示，固定不动杆件AD称为机架，与机架相连的杆件AB和杆件CD称为连架杆，与机架相对的杆件BC称为连杆。四杆机构中能作整周回转的连架杆称为曲柄，比如杆件AB；只能在小于360°的某一角度内往复摆动的连架杆称为摇杆，比如杆件CD。

图1 铰链四杆机构

铰链四杆机构中，根据两连架杆的运动形式不同，可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种基本形式。

一些教材和文献中给出铰链四杆机构有曲柄存在的条件为：①最长杆与最短杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和（即杆长之和条件）；②最短杆或其相邻杆为机架。

根据有曲柄的条件可知：①当不满足杆长之和条件时，即为双摇杆机构。②当满足杆长之和条件，同时满足三个条件之一，即最短杆为机架时，得到双曲柄机构；最短杆的相邻杆为机架时，得到曲柄摇杆机构；最短杆的相对杆为机架时，得到双摇杆机构。

这需要学生对一个铰链四杆机构经过计算和讨论来判定是否有曲柄存在。在教学中需要花费较长的时间，部分学生在实际判定时经常出现错误。

2 判定铰链四杆机构中有曲柄存在的简捷方法

根据一些教材和文献中给出铰链四杆机构中有曲柄存在的条件判定方法，经过多年的教学实践，总结出判定铰链四杆机构中有曲柄存在的简捷方法：①当机构满足杆长之和条件时，即max+min≤+，则有曲柄存在的可能性，否则为双摇杆机构；②只有最短杆两个端点存在曲柄的可能性；③曲柄一定是连架杆。

下面以实例说明上述判定方法。

例题：两个铰链四杆机构的各杆件长度如图2所示，试判定两个机构分别以杆件AB、BC、CD和AD为机架时，属于何种机构？

图2 各杆件长度（单位：mm）

第一步：当机构满足杆长和条件时，即max+min≤+，有曲柄存在的可能性。

在图2（a）中，max=CD=100 mm，min=BC=50 mm，=AB=70 mm，=AD=60 mm。

max+min≤+不满足杆长之和条件，为双摇杆机构。

在图2（b）中，max=CD=100 mm，min=BC=50 mm，=AB=90 mm，=AD=70 mm。

max+min≤+满足杆长之和条件，有曲柄存在的可能性，因此进行第二步判定。

第二步：只有最短杆两个端点有曲柄存在的条件。

此时在最短杆BC两个端点B和C处画整圆圈，在其他两个端点A和C处画半圆圈，如图3所示。

第三步：曲柄一定是连架杆。按照定义曲柄是能作整周旋转的连架杆。

查看落在机架上有几个整圆圈，如果落到机架上一个整圆圈，为曲柄摇杆机构；如果落到机架上两个整圆圈，为双曲柄机构；如果没有落到机架上整圆圈，为双摇杆机构，如图4所示。

以AB为机架时，如图4（a）所示，只有B点整圆圈落到机架AB上，为曲柄摇杆机构。以BC为机架时，如图4（b）所示，有B、C两点整圆圈落到机架BC上，为双曲柄机构。

以CD为机架时，如图4（c）所示，只有C点整圆圈落到机架CD上，为曲柄摇杆机构。以AD为机架时，如图4（d）所示，没有整圆圈落到机架AD上，为双摇杆机构。

图3 示意图（单位：mm）

3 结语

用此方法判定铰链四杆机构曲柄是否有简单、快捷、准确的特点。实践证明，采用该方法教学效率大大提高。此方法也适用于工程技术人员在设计四杆结构时对平面铰链四杆机构有曲柄存在的判定。

图4 示意图（单位：mm）

［1］孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理［M］.7版.北京：高等教育出版社，2006.

［2］成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版 社，2004.

［3］李海萍.机械设计基础［M］.北京：机械工业出版 社，2011.

TH112.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.004

2095－6835（2019）17－0010－02

陈维范（1967—），男，硕士，高级工程师，研究方向为数控机床、机械设计、机械质量检测、液压与气动技术。

〔编辑：张思楠〕