一種平面四桿機(jī)構(gòu)新教具的設(shè)計

林曉強(qiáng)，肖耘亞，黃仁庚，彭浩宇，葉曉文，鄺浩豐

（1.韶關(guān)市湞江區(qū)巴圖機(jī)電技術(shù)服務(wù)有限公司，廣東 韶關(guān)512005；2.韶關(guān)學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005）

一種平面四桿機(jī)構(gòu)新教具的設(shè)計

林曉強(qiáng)1，肖耘亞2*，黃仁庚1，彭浩宇1，葉曉文1，鄺浩豐1

（1.韶關(guān)市湞江區(qū)巴圖機(jī)電技術(shù)服務(wù)有限公司，廣東 韶關(guān)512005；2.韶關(guān)學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005）

摘要：為克服組合式教學(xué)陳列柜展示效果刻板、不便攜帶等弊端，設(shè)計了一種全新的平面四桿機(jī)構(gòu)教學(xué)模型，使用了柔性桿和磁性材料，使得新教具具有桿機(jī)構(gòu)教學(xué)中自由改變桿長、桿位、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)教學(xué)中的對心與任意偏置能力，結(jié)合柔性接長桿及燈光系統(tǒng)，可直觀演示四桿機(jī)構(gòu)獲得任意軌跡的方法及曲柄滑塊機(jī)構(gòu)任意偏置/對心及急回特性，為改善桿機(jī)構(gòu)的課堂教學(xué)效果創(chuàng)造條件.

關(guān)鍵詞：四桿機(jī)構(gòu)；教具；軌跡演示；創(chuàng)新設(shè)計

平面四桿機(jī)構(gòu)在機(jī)械原理課程中占有重要地位，是機(jī)構(gòu)學(xué)的重要組成部分［1］.在教學(xué)中，用具體、直觀的教具模型進(jìn)行操作演示，以增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識，幫助學(xué)生掌握桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計知識是十分有益和必要的.目前在教學(xué)中通常采用動畫模擬結(jié)合四桿機(jī)構(gòu)教學(xué)模型陳列柜來進(jìn)行演示［2］，由于陳列柜笨重、體積大，通常擺放在實(shí)驗(yàn)室，與課堂分離而使教學(xué)效果大打折扣.為克服組合式教學(xué)陳列柜展示效果刻板、不便攜帶等弊端，設(shè)計開發(fā)方便實(shí)用的四桿機(jī)構(gòu)新教具很有必要.

1　新教具方案的提出

平面四桿機(jī)構(gòu)具有非常豐富的表現(xiàn)形態(tài)［3］，其中三種基本形式為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)；將鉸鏈副演化成移動副，則可構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上選取不同構(gòu)件作為機(jī)架，又可構(gòu)成轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、曲柄搖塊機(jī)構(gòu)等.在傳統(tǒng)教學(xué)模型中，由于桿機(jī)構(gòu)尺寸不變，每一款形式的桿機(jī)構(gòu)需要一個模型，數(shù)量繁多，體積龐大，不便攜帶.

新教具的設(shè)計思路是：采用薄銅片作為四桿機(jī)構(gòu)的曲柄、連桿和連架桿，通過彎曲薄銅片來改變桿長；設(shè)計一個盒體作為機(jī)架，且在盒體上設(shè)置滑塊和導(dǎo)桿，通過移動滑塊改變其在導(dǎo)桿上的位置以實(shí)現(xiàn)機(jī)架變桿長；綜合兩種變桿長的方式，將所有形態(tài)的桿機(jī)構(gòu)合成到一個模型中去，一模多用，且各組件都可快速拆裝并能完全裝入盒內(nèi)，使其具備便攜性.與此同時，四桿桿長都可自由變化的新教具，將具備展示任意軌跡的能力，使四桿機(jī)構(gòu)的最大優(yōu)勢得到充分展現(xiàn)，且在演示過程中，將四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計的核心參數(shù)——桿長與桿位的變化直觀呈現(xiàn)出來，易于學(xué)生理解和掌握，對改善課堂教學(xué)效果將起到有益的促進(jìn)作用.

2　新教具的結(jié)構(gòu)

全新的四桿機(jī)構(gòu)教學(xué)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由盒體、手柄、變桿長機(jī)構(gòu)、定長桿組、導(dǎo)軌移動機(jī)構(gòu)和燈光展示系統(tǒng)等組成［4］.盒體采用鋁材或塑料制作，為一個中空的長方體，其左端設(shè)有通孔，前端設(shè)有橫向的內(nèi)凹槽，用以安裝導(dǎo)軌移動機(jī)構(gòu)，凹槽底部和兩側(cè)標(biāo)有刻度，緊挨著凹槽的盒體兩側(cè)還設(shè)有強(qiáng)磁體腔，在腔內(nèi)裝強(qiáng)磁體，用以吸附導(dǎo)軌移動機(jī)構(gòu)的固定塊.手柄呈Z字形，以盒體左端的通孔為安裝基準(zhǔn)，從后端穿過盒體，手柄前端為方形，以便安裝并驅(qū)動變桿長機(jī)構(gòu)的原動桿.導(dǎo)軌移動機(jī)構(gòu)包括滑塊、平行導(dǎo)軌、固定塊和強(qiáng)磁體，活動滑塊安裝在平行導(dǎo)軌上，平行導(dǎo)軌依靠強(qiáng)磁體對固定塊的磁力橫向安裝在盒體的凹槽內(nèi).變桿長機(jī)構(gòu)由三根扁銅桿組成，設(shè)置在盒體前方，扁銅桿為柔性桿，可通過彎曲扁銅來自由改變桿長，構(gòu)成四桿機(jī)構(gòu)的原動桿、連桿和連架桿.原動桿一端與穿過盒體通孔的Z字形手柄尾部的方形頭部固連，另一端與連桿鉸接，連桿另一端與連架桿鉸接，連架桿另一端與滑塊鉸接，通過轉(zhuǎn)動Z字形手柄進(jìn)行動力的輸入從而使整個機(jī)構(gòu)運(yùn)作.為方便桿機(jī)構(gòu)變形時的桿長組合，設(shè)有定長桿組，為若干長度不一的透明扁狀塑料桿，其兩端設(shè)有卡槽，分別連接在Z形手柄的方頭與鉸接頭上.為突顯四桿機(jī)構(gòu)的任意點(diǎn)運(yùn)動軌跡，還配有燈光展示系統(tǒng).

圖1　四桿機(jī)構(gòu)教學(xué)模型機(jī)構(gòu)

圖2　變桿長機(jī)構(gòu)

2.1變桿長機(jī)構(gòu)

柔性變桿長機(jī)構(gòu)設(shè)置在盒體前方，其為三條柔性桿通過鉸鏈連接而成，如圖2所示，包括原動桿、連桿和連架桿及兩個鉸鏈.原動桿、連桿和連架桿分別為純銅構(gòu)件，其截面形狀為扁矩形，矩形長寬比范圍為3∶1～10∶3，以保證柔性桿能在與鉸孔垂直的平面內(nèi)任意彎曲來調(diào)節(jié)兩端鉸孔間的距離，同時具有足夠剛度.原動桿一端采用方形孔，以方便安裝到Z形手柄的頭部并傳遞扭矩，另一端為鉸孔；連桿和連架桿的兩端則均為鉸孔.原動桿一端方形轉(zhuǎn)軸的方孔與方形轉(zhuǎn)軸通過螺釘固定連接，另一端與連架桿一端通過可拆鉸鏈鉸接，連架桿另一端與連桿一端通過可拆鉸鏈鉸接，連桿另一端通過可拆鉸鏈與圖1中導(dǎo)軌上的滑塊鉸接.

圖3　導(dǎo)軌移動機(jī)構(gòu)

2.2導(dǎo)軌移動機(jī)構(gòu)

導(dǎo)軌移動機(jī)構(gòu)包括滑塊、平行導(dǎo)軌、定位塊、強(qiáng)磁體和裝在盒體中的強(qiáng)磁體，如圖3所示.平行導(dǎo)軌為兩條平行的圓柱鐵質(zhì)導(dǎo)軌，其表面鍍有耐磨層.滑塊為非鐵磁材料，平行導(dǎo)軌穿過滑塊，將其活動安裝在平行導(dǎo)軌上.兩塊強(qiáng)磁體設(shè)置在平行導(dǎo)軌的兩側(cè)，起到對滑塊的限位作用.平行導(dǎo)軌則通過裝在盒體內(nèi)的強(qiáng)磁體對鐵質(zhì)定位塊的磁力作用將其吸附在盒體的凹槽內(nèi)，并可手動調(diào)整其高低位置，以實(shí)現(xiàn)曲柄滑塊的對心和正負(fù)偏置.

圖4　燈光展示機(jī)構(gòu)

2.3燈光展示系統(tǒng)

燈光展示系統(tǒng)由指示桿、強(qiáng)磁鐵和LED燈及其電源組成，如圖4所示.指示桿為銅質(zhì)桿件，利用純銅優(yōu)良的塑形，可以方便地彎曲成任意形狀.指示桿的一端設(shè)有帶凹槽的鐵質(zhì)固定塊，另一端設(shè)置有階梯孔，LED燈及其電源設(shè)置在階梯孔內(nèi)，鐵質(zhì)固定塊與強(qiáng)磁鐵分別設(shè)置在連桿兩側(cè)，將連桿夾在中間，通過強(qiáng)磁鐵對鐵磁固定塊的磁力將指示桿吸附固定在連桿上.燈光展示系統(tǒng)的作用是用發(fā)光體突出展現(xiàn)特定點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，通過柔性指示桿變桿長，結(jié)合鐵質(zhì)固定塊在連桿上的位置的改變，就可找出并展示四桿機(jī)構(gòu)任意點(diǎn)的運(yùn)動軌跡.

3　新教具工作原理與典型應(yīng)用

新平面四桿機(jī)構(gòu)教具的工作原理是：利用柔性桿自由改變原動桿、連桿和連架桿的桿長、桿位，從而可任意組合出曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)；去除導(dǎo)軌移動機(jī)構(gòu)中強(qiáng)磁體對滑塊的限制，再用定長桿組中額外的定長桿將原動桿與連桿或連桿與連架桿固連成三角形，則機(jī)構(gòu)演變成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；移動固定塊在盒體凹槽中的上、下位置，又可獲得對心和非對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，進(jìn)而演示機(jī)構(gòu)的急回特性；再選取不同構(gòu)件作為機(jī)架，同時結(jié)合柔性桿改變桿長，又可演示轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、移動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和曲柄搖塊機(jī)構(gòu)等.新教具的所有構(gòu)件都可快速拆解后裝入40 mm×35 mm×250 mm的盒體內(nèi)，蓋上蓋子后攜帶十分方便.

圖5　同步切斷機(jī)構(gòu)

其典型應(yīng)用包括同步切斷機(jī)構(gòu)，如圖5所示.只需使用桿長調(diào)節(jié)輔助機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)原動桿、連桿、連架桿、指示桿的桿長、桿位至特定長度、位置，再將強(qiáng)磁鐵吸附在滑塊兩側(cè)的平行導(dǎo)軌上，將滑塊鎖定，即能演示典型的同步切斷機(jī)的運(yùn)動.

圖6　曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

如圖6所示的為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，在滑塊和原動桿鉸制孔之間連接一根定長桿，解開滑塊，調(diào)節(jié)合適的桿長即可變成曲柄滑塊機(jī)構(gòu).上下移動平行導(dǎo)軌兩側(cè)的鐵磁定位塊即能演示曲柄滑塊的對心與正負(fù)偏置.圖中所示為曲柄滑塊的負(fù)偏置演示，偏置距離可直接從盒體左右兩邊的刻度上面讀出.

除此以外，該平面四桿機(jī)構(gòu)教具還能極為方便地演示攝影升降平臺、鶴式起重機(jī)、雙搖桿、曲柄搖桿、曲柄滑塊、雙曲柄、平行四邊形機(jī)構(gòu)、等腰梯形機(jī)構(gòu)等典型四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動實(shí)例,鶴式起重機(jī)機(jī)構(gòu)如圖7所示，圖8為攝影機(jī)升降機(jī)構(gòu).

圖7　鶴式起重機(jī)機(jī)構(gòu)

4　結(jié)語

圖8　攝影機(jī)升降機(jī)

新型四桿機(jī)構(gòu)教具具有一模多用特性，模型經(jīng)過簡單變化即可演示各種四桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用場景，并且通過燈光顯示系統(tǒng)直觀展現(xiàn)四桿機(jī)構(gòu)所具備的實(shí)現(xiàn)任意運(yùn)動軌跡的能力.本教具巧妙地使用銅質(zhì)柔性扁桿，使四桿機(jī)構(gòu)的桿件能方便迅速地改變桿長,結(jié)合磁力吸附所構(gòu)成的磁性連接，可靈活改變平行導(dǎo)桿高度，實(shí)現(xiàn)對心與偏置的轉(zhuǎn)換.新教具整套產(chǎn)品各零部件可快速裝拆并收納進(jìn)盒子，手動驅(qū)動，方便攜帶和操作演示.

該教具既可用于課堂教學(xué)作操作演示，又可用作實(shí)驗(yàn)儀器以開展四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)，方便實(shí)用，對激發(fā)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識有益.該教具已應(yīng)用到某校機(jī)械專業(yè)的《機(jī)械原理》課堂教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果.

參考文獻(xiàn)：

［1］趙連生.《機(jī)械原理》中四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析［J］.常熟理工學(xué)院學(xué)報.2011(6):115-117.

［2］陳琿.淺論“平面連桿機(jī)構(gòu)”教學(xué)方法［J］.海峽科學(xué).2015(3):91-92.

［3］劉桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理［M］.七版.北京:高等教育出版社.2006.

［4］肖耘亞，李小平，黃仁庚，等.一種桿機(jī)構(gòu)教學(xué)模型：中國，ZL201420234464.4［P］.2014-10-15.

（責(zé)任編輯：李婉）

中圖分類號：TG385

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1007-5348（2015）06-0025-04

［收稿日期］2015-04-26

［基金項(xiàng)目］國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃建設(shè)項(xiàng)目（201410576-003）.

［作者簡介］林曉強(qiáng)（1993－），男，廣東汕頭人，韶關(guān)市湞江區(qū)巴圖科技服務(wù)有限公司；研究方向：機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計開發(fā).*通訊作者.

A New Teaching Aid of the Planar Four-Bar Mechanism

LIN Xiao-qiang1,XIAO Yun-ya2*,HUANG Ren-geng1,PENG Hao-yu1, YE Xiao-wen1,KUANG Hao-feng1
（1.Shaoguan Zhenjiang District Batu Mechanical and Electrical Technology Service co.,LTD., 2.Institule of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 512005,Guangdong,China）

Abstract:To get rid of the shortcomings shown in the combination of teaching showcase,where the display effect of the planar four-bar mechanism is inflexible and it’s inconvenient to carry,the paper designed a new one.The new teaching model is made up of flexible bars and magnetic materials,which make it a reality that the new model could change the length and position of the bars without constraints,and the slider-crank mechanism has the function of moving to central place and offsetting.Combined with flexible extension bars and lighting system,it can intuitively present the procedure of getting arbitrary trajectory by using the four-bar mechanisms and the function of quick-return characteristics and the function of moving to central place and offsetting by slider-crank mechanisms.To sum up,the new model helps improve the effect of classroom teaching about lever mechanism.

Key words:four-bar mechanism;teaching model;trajectory presentation;innovation design