林曉強，肖耘亞，黃仁庚，彭浩宇，葉曉文，鄺浩豐

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

一種平面四桿機構(gòu)新教具的設(shè)計

林曉強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)巴圖機電技術(shù)服務(wù)有限公司，廣東 韶關(guān)512005；2.韶關(guān)學院 物理與機電工程學院，廣東韶關(guān)512005）

摘要：為克服組合式教學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構(gòu)教學模型，使用了柔性桿和磁性材料，使得新教具具有桿機構(gòu)教學中自由改變桿長、桿位、曲柄滑塊機構(gòu)教學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)，可直觀演示四桿機構(gòu)獲得任意軌跡的方法及曲柄滑塊機構(gòu)任意偏置/對心及急回特性，為改善桿機構(gòu)的課堂教學效果創(chuàng)造條件.

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

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

1　新教具方案的提出

平面四桿機構(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構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)；將鉸鏈副演化成移動副，則可構(gòu)成曲柄滑塊機構(gòu)，在此基礎(chǔ)上選取不同構(gòu)件作為機架，又可構(gòu)成轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)、擺動導(dǎo)桿機構(gòu)、移動導(dǎo)桿機構(gòu)、曲柄搖塊機構(gòu)等.在傳統(tǒng)教學模型中，由于桿機構(gòu)尺寸不變，每一款形式的桿機構(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)桿上的位置以實現(xiàn)機架變桿長；綜合兩種變桿長的方式，將所有形態(tài)的桿機構(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，易于學生理解和掌握，對改善課堂教學效果將起到有益的促進作用.

2　新教具的結(jié)構(gòu)

全新的四桿機構(gòu)教學模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由盒體、手柄、變桿長機構(gòu)、定長桿組、導(dǎo)軌移動機構(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)軌移動機構(gòu)，凹槽底部和兩側(cè)標有刻度，緊挨著凹槽的盒體兩側(cè)還設(shè)有強磁體腔，在腔內(nèi)裝強磁體，用以吸附導(dǎo)軌移動機構(gòu)的固定塊.手柄呈Z字形，以盒體左端的通孔為安裝基準，從后端穿過盒體，手柄前端為方形，以便安裝并驅(qū)動變桿長機構(gòu)的原動桿.導(dǎo)軌移動機構(gòu)包括滑塊、平行導(dǎo)軌、固定塊和強磁體，活動滑塊安裝在平行導(dǎo)軌上，平行導(dǎo)軌依靠強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字形手柄進行動力的輸入從而使整個機構(gòu)運作.為方便桿機構(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.為突顯四桿機構(gòu)的任意點運動軌跡，還配有燈光展示系統(tǒng).

圖1　四桿機構(gòu)教學模型機構(gòu)

圖2　變桿長機構(gòu)

2.1變桿長機構(gòu)

柔性變桿長機構(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)軌移動機構(gòu)

2.2導(dǎo)軌移動機構(gòu)

導(dǎo)軌移動機構(gòu)包括滑塊、平行導(dǎo)軌、定位塊、強磁體和裝在盒體中的強磁體，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，以實現(xiàn)曲柄滑塊的對心和正負偏置.

圖4　燈光展示機構(gòu)

2.3燈光展示系統(tǒng)

燈光展示系統(tǒng)由指示桿、強磁鐵和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)固定塊與強磁鐵分別設(shè)置在連桿兩側(cè)，將連桿夾在中間，通過強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)特定點的運動軌跡，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構(gòu)任意點的運動軌跡.

3　新教具工作原理與典型應(yīng)用

新平面四桿機構(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構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)；去除導(dǎo)軌移動機構(gòu)中強磁體對滑塊的限制，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，則機構(gòu)演變成曲柄滑塊機構(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構(gòu)，進而演示機構(gòu)的急回特性；再選取不同構(gòu)件作為機架，同時結(jié)合柔性桿改變桿長，又可演示轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)、擺動導(dǎo)桿機構(gòu)、移動導(dǎo)桿機構(gòu)和曲柄搖塊機構(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　同步切斷機構(gòu)

其典型應(yīng)用包括同步切斷機構(gòu)，如圖5所示.只需使用桿長調(diào)節(jié)輔助機構(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的運動.

圖6　曲柄滑塊機構(gòu)

如圖6所示的為曲柄滑塊機構(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偏置.圖中所示為曲柄滑塊的負偏置演示，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，該平面四桿機構(gòu)教具還能極為方便地演示攝影升降平臺、鶴式起重機、雙搖桿、曲柄搖桿、曲柄滑塊、雙曲柄、平行四邊形機構(gòu)、等腰梯形機構(gòu)等典型四桿機構(gòu)運動實例,鶴式起重機機構(gòu)如圖7所示，圖8為攝影機升降機構(gòu).

圖7　鶴式起重機機構(gòu)

4　結(jié)語

圖8　攝影機升降機

新型四桿機構(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)四桿機構(gòu)所具備的實現(xiàn)任意運動軌跡的能力.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作操作演示，又可用作實驗儀器以開展四桿機構(gòu)設(shè)計及參數(shù)測量實驗，方便實用，對激發(fā)學生的探索精神和創(chuàng)新意識有益.該教具已應(yīng)用到某校機械專業(yè)的《機械原理》課堂教學，取得了良好的教學效果.

參考文獻：

［1］趙連生.《機械原理》中四桿機構(gòu)的運動分析［J］.常熟理工學院學報.2011(6):115-117.

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

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

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

（責任編輯：李婉）

中圖分類號：TG385

文獻標識碼：A

文章編號：1007-5348（2015）06-0025-04

［收稿日期］2015-04-26

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

［作者簡介］林曉強（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