連桿機構

由若干剛性構件用低副聯接而成的機構稱為連桿機構，其特徵是有一作平面運動的構件，稱為連桿，連桿機構又稱為低副機構。其廣泛應用於內燃機、攪拌機、輸送機、橢圓儀、機械手爪、牛頭刨牀、開窗、車門、機器人、摺疊傘等。

平面連桿機構在各種機械和儀器中獲得廣泛應用。最簡單的平面連桿機構是由四個構件組成的，稱為平面四杆機構。它的應用非常廣泛，而且是組成多杆機構的基礎。

由若干個剛性構件通過低副（轉動副、移動副）)聯接，且各構件上各點的運動平面均相互平行的機構，又稱平面低副機構。低副具有壓強小、磨損輕、易於加工和幾何形狀能保證本身封閉等優點，故平面連桿機構廣泛用於各種機械和儀器中。與高副機構相比，它難以準確實現預期運動，設計計算複雜。

平面連桿機構中最常用的是四杆機構，它的構件數目最少，且能轉換運動。多於四杆的平面連桿機構稱多杆機構，它能實現一些複雜的運動，但杆多且穩定性差。

根據構件之間的相對運動為平面運動或空間運動，連桿機構可分為平面連桿機構和空間連桿機構。平面連桿機構是一種常見的傳動機構。它是指剛性構件全部用低副聯接而成，故又稱低副機構。平面連桿機構廣泛應用於各種機器、儀器以及操縱控制裝置中。如往復式發動機、抽水機和空氣壓縮機以及牛頭刨牀、插牀、挖掘機、裝卸機、顎式破碎機、擺動輸送機、印刷機械、紡織機械等的主要機構都是平面連桿機構。在連桿機構中，若構件不在同一平面或相互平行的平面內運動的機構稱為空間機構（spatial mechanism）。 ^[3]  根據機構中構件數目的多少分為四杆機構、五杆機構、六杆機構等，一般將五杆及五杆以上的連桿機構稱為多杆機構。當連桿機構的自由度為1時，稱為單自由度連桿機構；當自由度大於1時，稱為多自由度連桿機構。

根據形成連桿機構的運動鏈是開鏈還是閉鏈，亦可將相應的連桿機構分為開鏈連桿機構（機械手通常是運動副為轉動副或移動副的空間開鏈連桿機構）和閉鏈連桿機構。單閉環的平面連桿機構的構件數至少為4，因而最簡單的平面閉鏈連桿機構是四杆機構，其他多杆閉鏈機構無非是在其基礎上擴充杆組而成；單閉環的空間連桿機構的構件數至少為3，因而可由三個構件組成空間三杆機構。

連桿機構構件運動形式多樣，如可實現轉動、擺動、移動和平面或空間複雜運動，從而可用於實現已知運動規律和已知軌跡。

優點：（1）採用低副：面接觸、承載大、便於潤滑、不易磨損，形狀簡單、易加工、容易獲得較高的製造精 度。

（2）改變杆的相對長度，從動件運動規律不同。

（3）兩構件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維繫的，它不像凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來 保持接觸。

（4）連桿曲線豐富，可滿足不同要求。

缺點：（1）構件和運動副多，累積誤差大、運動精度低、效率低。

（2）產生動載荷（慣性力），且不易平衡，不適合高速。

（3）設計複雜，難以實現精確的軌跡。

因此，平面連桿機構廣泛應用於各種機械、儀表和機電產品中。隨着連桿機構設計方法的發展，電子計算機的普及應用以及有關設計軟件的開發，連桿機構的設計速度和設計精度有了較大的提高，而且在滿足運動學要求的同時，還可考慮到動力學特性。尤其是微電子技術及自動控制技術的引入，多自由度連桿機構的採用，使連桿機構的結構和設計大為簡化，使用範圍更為廣泛。

動力機的驅動軸一般整週轉動，因此機構中被驅動的主動件應是繞機架作整週轉動的曲柄在形成鉸鏈四杆機構的運動鏈中，a、b、c、d既代表各杆長度又是各杆的符號。當滿足最短杆和最長杆之和小於或等於其他兩杆長度之和時，若將最短杆的鄰杆固定其一，則最短杆即為曲柄。

若鉸鏈四杆機構中最短杆與最長杆長度之和小於或等於其餘兩杆長度之和，則

a、 取最短杆的鄰杆為機架時，構成曲柄搖桿機構；

b、 取最短杆為機架時，構成雙曲柄機構；

c、 取最短杆為連桿時，構成雙搖桿機構；

若鉸鏈四杆機構中最短杆與最長杆長度之和大於其餘兩杆長度之和，則無曲柄存在，不論以哪一杆為機架，只能構成雙搖桿機構 ^[2]  。

在曲柄等速運動、從動件變速運動的連桿機構中，要求從動件能快速返回，以提高效率。即k稱為急回係數。

如圖2a中的曲柄搖桿機構，若不計運動副的摩擦力和構件的慣性力,則曲柄a通過連桿b作用於搖桿c上的力P，與其作用點B的速度vB之間的夾角α稱為搖桿的壓力角，壓力角越大，P在vB方向的有效分力就越小，傳動也越困難,壓力角的餘角γ稱為傳動角。在機構設計時應限制其最大壓力角或最小傳動角。

在曲柄搖桿機構中，若以搖桿為主動件，則當曲柄和連桿處於一直線位置時，連桿傳給曲柄的力不能產生使曲柄迴轉的力矩，以致機構不能起動，這個位置稱為死點。機構在起動時應避開死點位置，而在運動過程中則常利用慣性來過渡死點。