基于曲柄滑塊機構的坐立結合椅設計

李嘉輝 徐啟榮 周杰宇 李錦城 詹國祥 陳楠楷

（北京理工大學 珠海學院機械與車輛學院，廣東 珠海 519088）

0 引言

隨著社會的發展，高等院校的教學設備也在不斷地完善。然而，對于機械專業的學生來說，工程制圖無疑是一件令人身心疲憊的事情。畢竟在繪圖時不僅需要十分專注同時還得長時間站立，故為了減輕學生在制圖過程中的勞累，從而增強學生對制圖的興趣，激發學生對機械課程的熱情，設計出能夠滿足坐立結合的制圖椅，對全日制本科日的常教學有著相當的重要性。

1 坐立結合椅的設想

1.1 坐立結合椅的市場需求

除了上述所說的制圖室之外，坐立結合椅還具有更為廣闊的市場。鑒于市面上提供的辦公椅，大多數是為了保證靠背的舒適度而采取凳面向后傾斜，然而像制圖、繪畫、發廊、前臺服務、個人工作室等需要在站與坐之間頻繁切換動作的工作環境里，一張凳面可向前傾斜的坐立結合椅定能讓人倍感舒適。

1.2 坐立結合椅的功能設想

要對一件產品進行設計，首先應該做的就是明確設計目的。說白了就是將該產品必須滿足功能一一羅列出來，然后為了實現這些所謂的功能要求再做進一步的思考。

對于假想中的坐立結合椅，為了適合不同類別人群的使用，并且考慮到人機結合的實用性，故要求所設計的椅子不僅需要滿足實際使用要求，而且還要結合人機工程學[1]來滿足更多的使用人群。最終對坐立結合椅總結出如下幾點要求：（1）能夠輕松實現升降功能，高度范圍620～700mm；（2）可以將凳面向前傾斜，板面傾斜角度范圍0～40°；（3）升降跟傾斜功能通過兩個完全不同的動作來實現最佳。

1.3 坐立結合椅的設計

為了實現上述三個功能要求，下面來具體分析：

（1）實現升高降采用市面上廣泛運用的氣壓桿，至于高度，用特定長度的支撐架足以滿足相應的要求。

（2）要滿足凳面傾斜，必須要解決的問題是傳動機構與動力來源，由于在設計領域中的平面四桿機構應用極為廣泛，為此，可以采用曲柄滑塊機構來實現。

（3）坐立結合椅采取雙氣壓桿，分別對凳面上升和凳面傾斜提供自鎖力。為了讓使用者更容易操作椅子的升降與凳面的傾斜，故對升降氣壓桿采取腳踏的形式讓針閥上頂，而對傾斜角度氣壓桿則采用省力杠桿的手拉形式讓針閥下壓。這樣便滿足用戶習慣去操作椅子而對升降與傾斜。

2 曲柄滑塊機構的原理與運用

運用曲柄滑塊機構來實現凳面傾斜功能時，必須考慮到傳動機構與動力來源這兩方面的因素，故下面通過兩個實例應用來說明其工作原理，并在此基礎上，進一步作創新性運用。

2.1 公交車氣動門的實例分析

圖1 氣動門的運動工作狀態

通過UG 三維模型[2]對公交車氣動門做進一步剖析，如圖1 所示，從而得出其運動機構簡圖，如圖2 所示。

圖2 氣動門的機構簡圖

如圖2(b)所示，該氣動門傳動裝置實屬曲柄滑塊機構。車廂底部通過氣壓傳動裝置使曲柄1 發生轉動，然后由連桿2 使得滑塊3 沿著導軌進行平移。

值得注意的一點是：由于滑塊3 與機架4 是以移動副的形式相連接，因而限制了連桿2（車門）的位置運動，最終不僅滿足了公交車車門運動的要求，而且使得車廂內相對有限的位置空間得到了充分利用。

運用此工作原理，將櫈面假想作車門，并模仿車門的運動情況來達到凳面傾斜的功能。

2.2 內燃機活塞桿的實例分析

單活塞式內燃機的工作原理[2]是通過曲軸的旋轉，用連桿給予活塞動力，使得活塞往復運動，最終把熱能轉變成機械能。

從基于Pro/E 的發動機曲柄滑塊機構的運動仿真分析[3]可知，實現內燃機往復工作的正是曲柄滑塊機構。如圖3 所示。

圖3 內燃機活塞桿的曲柄滑塊機構[4]

在進氣沖程時，作為主動件的活塞向下運動，燃油和空氣的混和物進入汽缸。

在壓縮沖程時，切換曲軸為主動件，通過連桿活塞向上運動，燃油和空氣的混和氣體被壓縮，將機械能轉化為內能。在做功沖程時，活塞再次成為主動件下行，將內能轉化為機械能。在排氣沖程時，活塞向上運動將燃燒后的廢氣排出，當活塞運動至最頂部時，排氣閥關閉。

同理，將曲軸作為凳面，模仿單活塞桿內燃機的工作模式（即四沖程），間歇地切換曲柄滑塊機構的主動件，從而實現曲軸不停的機械運動。

2.3 曲柄滑塊機構的創新運用

經討論過的兩個實例運用進行仔細比較，不難發現兩例實例有一個共同點：曲柄在一定的條件下充當主動件，借助連桿把動力傳到滑塊上，而滑塊由始至終做的都是直線往復運動，這就是曲柄滑塊機構的實際應用。

圖4 凳面曲柄滑塊機構

因此，我們可以利用這點，做出一個假想：將凳面的傾斜看作是一個轉動副的轉動，通過曲柄滑塊機構將水平方向上凳面的轉動巧妙地轉化為豎直方向上的移動，如圖5 所示。

當人坐上凳板的時候，借助人體的重力給曲柄滑塊機構提供動力來源，通過連桿2 的傳動，帶動滑塊3 沿凳面支撐桿作豎直方向上的移動，從而實現凳面向下傾斜的功能。

若想將凳面復位，則必須在滑塊3 下方添置一根氣壓桿，通過手拉省力杠桿將氣桿里的針閥頂入，氣桿便能提供動力讓滑塊3 向上移動(前提是要保證閥內氣體壓力大于使用者本身的重力)，即使得滑塊3 成為主動件，通過連桿2 傳動將曲柄1(凳面)恢復水平位置。

通過曲柄滑塊機構與氣壓桿的巧妙結合，在調節凳面傾斜度的過程中間歇地切換曲柄滑塊機構的主動件，實現凳面的無障礙自由傾斜功能，同時實現了“無極鎖”的功能，滿足人機工程學的理論要求。如此一來，凳面傾斜的功能得以實現。

3 曲柄滑塊機構的仿真與校驗

鑒于曲柄滑塊機構的MATLAB 仿真[5]，通過分析給定桿長的曲柄滑塊機構的運動情況，并參照基于SimMechanics 的曲柄滑塊機構運動分析[6]，結合該坐立結合椅的實際情況在MATLAB SimMechanics 中進行機構動態仿真，如圖5 所示。

圖5 曲柄滑塊機構的仿真模型

根據上述模型的建立，其動態仿真結果如圖6 圖7 所示。

圖6 曲柄滑塊機構的仿真運動

圖7 曲柄轉過的角度隨時間變化曲線

從仿真結果可見，對于曲柄長度為62mm，連桿長度為98mm 的曲柄滑塊機構，通過傳感器測出，當曲柄在重力的作用下轉過42°時，滑塊的最大位移量是60mm，而所選氣桿的行程足以提供滑塊60mm 的位移，此外，該位移量對于凳子支撐桿的總高度來說，相對較短，即可實現在滑塊3 盡可能小的位移內使得曲柄1 得到較大幅度的轉動，這樣使用起來會更加靈活方便。故經過分析可知，用該曲柄滑塊機構實現凳面傾斜從原理上基本滿足設想的功能與要求。

4 坐立結合椅的三維建模與實物

4.1 坐立結合椅的三維建模

圖8 凳面曲柄滑塊機構三維圖

對坐立結合椅在UG8.0 中進行三維建模，并進行運動仿真，建模結構如圖8 所示。

4.2 坐立結合椅的加工實物圖

對三維建模后的坐立結合椅進行渲染，并用AutoCAD 繪制零件與裝配的工程圖，對各部分零件進行加工，在團隊協作下，歷時兩個多月，該作品的得以完成，如圖9 所示。經過對實物成品作試驗，證實了該設想的可行性，在實際中檢驗了理論知識。

5 結束語

經過本次對曲柄滑塊機構的創新應用，從理論到實際上，切實地驗證了一種新型坐立結合椅的可行性，從客觀上也能看出其必要性和重要性。除此之外，當中的推廣價值也尤其可觀，出于解決學生制圖舒適度而設計的坐立結合椅，不僅適用于日常教學的機械制圖室里，還能用在以站立姿態進行作業的場合以及各種休閑活動集于一體的娛樂場所中。故該作品有著較強的實用性與推廣性。

圖9 坐立結合椅實物圖

［1］呂杰鋒，陳建新，徐進波.人機工程學[M].北京：清華大學出版社，2009，7：19-27.

［2］陳彪，吳凡.基于Pro/E 的公交車門運動仿真[M].湖北第二師范學院學報，2013，30(8)：73-74.

［3］黃經元，王淑芳，賈穎蓮.基于Pro/E 的發動機曲柄滑塊機構的運動仿真分析[J].制造業自動化，2010，32(6)：163-165.

［4］汽車信息交流維修參考資[OL].http：//blog.sina.com.cn/u/2027239423.

［5］陳德為.曲柄滑塊機構 的MATLAB 仿真[J].太原科技大學學報，2005，26(3)：172-175.

［6］徐梓斌，閔劍青.基于SimMechanics 的曲柄滑塊機構運動分析[J].太原科技大學學報，2005，26(3)：172-175.