Ｑ： Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 创新教育 浅析铰链四杆机构的演化 王芸 （机电职业技术学院 乌鲁木齐８３００１ １） 摘要：基于教学的实践，本文针对大学生学习《机械设计基础》课程之铰链四杆机构的演化时存在的一些模糊概念，以及理解较为困难 的演化方法等此类问题，实事求是的对演化过程进行了详实的分析，总结出一些有效的学习方法和分析此类问题的技， ，从而提高谊课程 的教学质量和学生的学习效率。 关键词：机构 曲柄 摇杆 演化 运动特性 中图分类号：ＴＨＩ ２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ６７４—０９８Ｘ（２０１ ２）０６（ｃ）一０１ ２２－０２ 在各种机床和实际生产中广泛应用着 各种四杆机构，这些机构虽然具有不同的 外形和构造，但都具有相同的运动特性，只 要运动特性不变，机构中构件的形状可以 有好多种，而这些机构都可以看作是从铰 链四杆机构演化而来的，下面通过分类介 绍平面四杆机构的演化方法与过程。 简单而言，铰链四杆机构的演化过程 可以全部总结为下列两种。 １改变构件的形状和尺寸，同时扩大转动 副，使转动副变成移动副 １．１曲柄摇杆机构演化曲柄滑块机构 如图ｌａ）所示曲柄摇杆机构中，假定杆１ 为曲柄，杆３为摇杆，根据演化方法把杆３作 成滑块（结构变化），Ｄ点的转动副扩大，杆４与 机架相连，可转化成环形槽，如图１ｂ）所示，演 化之后３构件仍然以Ｄ为圆心做圆周摆动，２、 ３构件的相对运动未发生变化，３、４构件间的 动副Ｄ的中心移到无穷远处，则环形槽变成 了直槽，此时转动副变成了移动副，如图１ｄ） 所示，机构演化成偏置曲柄滑块机构，ｅ为偏 置距，当ｅ＝Ｏ，称为对心曲柄滑块机构。 １．２曲柄滑块机构演化偏心轮机构 如图２所示曲柄滑块机构，假定杆１长 度为Ｌ．，当曲柄较短时，如图２ａ）所示，往往 由于工艺，结构强度等方面的要求，将转动 副Ｂ的曲柄销半径逐渐扩大，如图２ｂ）所示， 直到超过曲柄长度Ｌ ，如图２ｃ）所示，使曲柄 成为绕Ａ点转动的偏心轮（运动副尺寸变 化），由于偏心轮的几何中心Ｂ与其回转中 心Ａ的偏心距ｅ等于曲柄长度Ｌ，，所以该机 构各构件间的相对运动与曲柄滑块机构没 有差别运动特性未发生变化。这种机构工 程上用的较多，主要是因为此机构减少了 曲柄的驱动力，增加了转动副的尺寸，提高 了曲柄的强度和刚度，广泛应用于冲压机 构，破碎机等承受较大冲击载荷的机械中。 如图３ａ）所示，假定为曲柄摇杆机构，其 中ｌ构件为曲柄，３构件为摇杆，曲柄１相邻 的转角度０【和Ｄ可达３６０。，即满足圆周转 动的条件，而摇杆３相邻的转角０和６均小 于３６０。，不满足整周转动的条件。 据此，若以杆４或杆２为机架，其相邻转 角分别为Ｇ【和６、Ｄ和０，此时可得到曲柄 摇杆机构（图３ａ、Ｃ）；若以杆ｌ为机架，其相邻 转角为ｏｌ和Ｂ，故得到双曲柄机构（图３ｂ）； 若以杆３为机架其相邻转角为６和０，此时 可得到双摇杆机构（图３ｄ）。 ２．２曲柄滑块机构中取不同的构件为机架， 同样得到不同的类型 同理，对于曲柄滑块机构来说，选取不 同的机构为机架也可以的到不同形式的机 构。如图４ａ）所示，假定是以构件４为机架的 曲柄滑块机构，当以构件１为机架时，可得 到导杆机构（图４ｂ），杆４为导杆，当杆２的长 度Ｌ，＞Ｌ．时，构件２和构件４均能作整周转 动，称为转动导杆机构，小型刨床是它的应 用实例。当杆２的长度Ｌ，＜Ｌ．时，导杆４只能 作来回摆动，称为摆动导杆机构。当以构件 ２为机架时，可演化成曲柄摇块机构（图４ｃ）， 运动副类型也未发生变化，即机构的运动特 性不变 由于秆３在环形槽的一部分中运动， ２改变机架 因此，可将环形槽的多余部分出去，如图ｌｃ） ２．１曲柄摇杆机构中取不同的构件为机架 所示。如果再将槽的半径增加到无穷大，转 可以得到不同的演化类型 Ｃ Ａ Ａ Ａ ｂ） ｃ） 图１ 曲柄摇杆机构向曲柄滑块机构的演化 Ａ ｎ） 一 Ｃ ｂ） 图２ 曲柄滑块机构问偏心轮机构的转化 ｃ） 酝 ａ） １ ２２ ｂ） ｃ） ｄ） （下转１ ２４页） 图３选取不同的构件为机架 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ ２Ｑ！ Ｑ： Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 创新教育 实现低能（减少对过大、过粗浇口、冒ＩＺｌ的 尺寸及减少燃料多少的实际控制，从而实 ， 现数字生产、数字管理的目的）、低排（减少 对金属溶化量的多少控制，从而减少铸件 粉尘的大气排放及废砂的地面排放）、低碳 ｆ （精铸、精造，减少使用冲天炉熔化金属，尽 可能采用中频炉熔化金属，）从而达到节能 环保的目的。 ２．６“数字”铸造对企业生存的影响 铸造产品多属毛坯产品，这是我国生 产力所决定地。在建国初期为追求生产率 虚似成绩而败环了几千年文明历史的中华 创造力和创新精神（见图４湖北省博物馆陈 列的编钟制品）。如今，国家倡导中国 将由“中国制造”向“中国创造”转型，对我 国传统行业提出了更高的要求，对粗加工、 粗制品提出了改进的目标，并通过低排、低 能、低碳的控制，最终实现精制、精造、高 图３数字浇道 效、环保地目的，这对企业的生存和发展提 浇Ｉ：１大小（（即：“三三制”，三个图（如图２所 出了新的挑战。 示）、三句话（一头大一头小，上面大下面小， ２．７“数字”铸造对产品提升及竟争力的影 头深一头浅）、三个尺寸（浇ＩＺｌ深度尺寸 响 ２５－３０ｍｍ，浇ＩＺｌ宽度尺寸８一ｌ２ｍｍ，浇１：７高 在机加工行业有着材料加人工成本等 度尺寸４—６ｍｍ））并依据铸型大小选择浇ＩＩ 于产品价格的“潜规则”，这就是说：企业产 大小（可分为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ七种规格大 品的竞争力有一半决定于加工的材料，而 小的浇１：３），实现标准（数字）铸造，达到节能 加工材料几何形状存在的粗、精加工量、加 增效（浇道、浇Ｉ１大小即可满足生产要求， 工尺寸、加工手段是可以通过“数字控制” 又可节约金属液）、高效高产、产品达标（浇 来实现的。而“数字”铸造为实现精确尺寸 口颈实现数字控制，减少去掉浇口时易损 的材料提供了数字保证，从而可降纸企业 坏铸件的不足）、重量一致的目的，（见图２） 生产成本，提高社会竞争力创造了物质条 图４编钟 实现数字控制。 件。 眼的光茫。中国人最先采用泥模生产法批 ２．４”数字”浇道 ２．８“数字”铸造对技能培训及教学教材的 量生产泥制品（陶器），而形状大小的（质量） 浇道的大小需耗损金属液，需空耗大 影响 控制则采用“木尺”来衡量，这就是最早的 量燃料，而浇道大小确与型腔充型有着直 “数字”铸造，对技能培训及教学中教 “数字”铸造。 接的关系。（一头大一头小，上面大下面小， 材改进、充实来说是全新概念和目标（全新 铸造，谓一种“标准”（模具）制造法，是 头深一头浅）如何通过数字尺寸控制浇 知识和技能示范规则、全新生产手段、全新 “通过一种标准去复制若干个与这个标准 道大小（浇道制作大小存在“任意性”与“随 产品目标），因此需对在职老师进行新知识 相一致的产品。”而谓“标准”（模具）就是一 意性”，缺少科学性）是企业走低耗高效，产 的学习和新概念的知识更新。在工业加工 种用形状（大小）数字复制产品的过程。 品实现精品道路上必备的条件和手段（目 领域虽然巳有数控加工和数字控制手段， ２．１“数字”砂箱 前，在铸造行业无浇道大小国际及国家标 但在产品始段的生产中还未注入“数字”铸 所谓的“数字”砂箱即用数字来标注砂 准）。 造的思想，因此，任重道远。 箱的尺寸大小及合型时的参照记号和模具 ２．５“数字”铸造对节能环保的影响 安置的具体（数字）位置，（见图１）实现数字 铸造在我国多属老（上千年历史）、大 ３结语 控制。 （产品几何尺寸较大，且属粗加工毛坯产 “数字”铸造是未来机械行业制造产品 ２．２“数字”型腔 品）、差（外型几何形状变形大、缺陷多、废品 的一种规范、规则，是指导企业生产、员工 所谓的“数字”型腔即用数字方位置 率高、粉尘污染大、工作环境差）的生产行 技能培训、学校教材更新充实都有很强的 模，并对号入座。（见图１）主要解决砂箱有限 业，对地方经济影响较大（即喜欢又讨厌， 指导意义和强化用数字指导产品生产手段 位置内安置木模的准确性，并对浇道和浇 喜欢的是纳税大户，讨厌的是重污染企 和要求的过程，从而最终实现党和国家要 口留有相应位置，实现数字控制。 业），对国防、来说又是离不开的行业。 求的产品精品、科学管理、富裕中华”的最 ２．３“数字”浇口 “数字”铸造的实现能彻底改变铸造原有存 终目的而努力。 所谓的“数字”浇口即用数字大小表示 在的老、大、差的不足，并通过“数字”铸造 ． 一一（上接１ ２２页） 果采取一些针对性的教法，使得整个演化 过程变得重点突出且具体，那么教育教学 质量的提高就会显著！ 参考文献 【ｌ】张建中．机械设计基础．徐州：中国矿业 大学出版社，２００６．１． 【２】杨可桢，程光蕴，李仲生．机械设计基 础．北京：高等教育出版社，２００６．５． ［３］刘跃南．机械基础．北京：高等教育出版 社，２０ｌ０．６． 图４导杆机构 插齿机中的驱动机构是它的应用实例。当 以构件３为机架时，可演化成移动导杆机构 （图４ｄ），这种机构常应用于手摇唧筒中。 以上的演化方法及过程全面有效，如 １ ２４ 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
