一种杆长可调的多功能铰链四杆机构模型的设计.pdf

第2 8 卷第1期2024年3月扬州职业大学学报Jourmal of Yangzhou Polytechnic CollegeVol.28No.1Mar.2024一种杆长可调的多功能铰链四杆机构模型的设计朱丹凤（扬州职业大学，江苏扬州摘要：设计出一款多功能铰链四杆机构，可使不同机构类型在同一模型上实现。阐述了设计原理，完成了杆长调节机构、限位装置、杆长锁紧装置、机架、多功能连接装置、铅笔固定滑块机构的设计，通过数字化模型呈现其功能。关键词：多功能；铰链四杆机构；杆长调节；数字化模型中图分类号：TH112.1Design of a Multifunctional Hinged Four-barMechanism Model with Adjustable Rod Length1225009)文献标识码：A文章编号：10 0 8-36 9 3(2 0 2 4)0 1-0 0 44-0 5ZHU Dan-feng(Yangzhou Polytechnic College,Yangzhou 225009,China)Abstract:A multifunctional hinged four-bar mechanism is designed to realize different mechanism types on thesame model.This paper elaborates the design principles,the design of rod length adjustment mechanism,thelimit device,rod length locking device,the frame,multi-functional connection device and pencil fixed slidermechanism,and then presents all of the above-mentioned through a digital model.Key words:multifunction;hinged four bar mechanism;rod length adjustment;digital model在对于铰链四杆机构的基本类型以及传动特性等相关内容的教学中，模型教学能直观地展示铰链四杆机构的组成、类型以及传动特点。然而目前的大多数教学模型只能展示其中某一种类型的运动，有很大局限性。针对这一问题，设计出一款可以集成多种类型的铰链四杆机构。铰链四杆机构存在三种基本类型,其主要区别在于杆件的长度,因此使杆件的长度可调并具有高度自由化的特点是本次设计的重中之重，除此之外还应考虑杆件之间的连接等结构设计，使用这种模型可以让学生更直观地感受铰链四杆机构不同类型之间的关系以及它们的运动方式。收稿日期:2 0 2 3-0 9 -2 4作者简介：朱丹风（19 8 3一），女，扬州职业大学机械工程学院讲师，硕士。1多功能平面连杆机构模型的设计要素铰链四杆机构主要由机架、连架杆、连杆组成，能作整周回转运动的连架杆称为曲柄，只能在小于36 0 范围内摆动的连架杆叫摇杆 143。饺链四杆机构可分为三种基本形式：双曲柄机构、曲柄摇杆机构和双摇杆机构 14-45。本次设计主要是以格拉霍夫定理 2 为研究基础，格拉霍夫定理的内容可分为转动副为整转副的条件（即杆长之和条件）和机架条件两部分。1.1杆长之和条件最短杆与最长杆之和小于或等于其余两杆长度之和。若满足杆长之和条件，则该铰链四杆机第1期构中存在整转副；若不满足杆长之和条件，则该铰链四杆机构中不存在整转副,只能是双摇杆机构。1.2机架条件机架条件可分为：（1）当取最短杆为机架时，该铰链四杆机构为双曲柄机构。（2）当取最短杆的邻边为机架时，该铰链四杆机构为曲柄摇杆机构。（3)当取最短杆的对边为机架时，该铰链四杆机构为双摇杆机构。从上述理论可以得出，通过改变杆件的长度就可以实现不同类型机构的转换。如图1所示的平面连杆机构示意图，机构由AB杆、BC杆、CD杆和AD杆组成,其中AD杆为机架,AB杆和CD杆为连架杆,BC杆为连杆。AB杆和CD杆既可为曲柄,也可为摇杆。BA图1平面连杆机构示意图本次设计需要完成杆长的调节，因此首先应该确定杆长的变化范围，杆长的变化范围需根据各自的功能来确定。1.3确定机架AD杆的尺寸机架AD需考虑模型底板尺寸，由于教具模型需要便于携带与课堂展示，模型过大过重携带不方便；过小,课堂展示不清晰。所以综合考虑确定底板的尺寸为40 0 mm600mm，机架在6 0 0 mm以内。1.4确定连架杆AB和CD的尺寸AB和CD杆可为曲柄也可为摇杆，既需要考虑一定范围内摆动的长度，也要考虑整周转动的长度。底板的宽在40 0 mm,因此AB杆、CD杆长度最大只能为其一半，最小长度需要考虑能清楚展示,且为了方便区分两杆,故将CD杆做得长一些。1.5确定连杆BC的尺寸BC杆会随着曲柄进行转动，需考虑其长度不能超过底板尺寸。且本次模型需有画图功能，因此须考虑杆件不能超过A3纸张的尺寸。除上述因素外，各杆件长度确定时,还需要考虑杆件自身的结构（例如杆件的厚度、宽度等）、杆件之间的连接结构需预留空间等因素，最终确定各杆的长度变化范围（表1）。朱丹凤：一种杆长可调的多功能铰链四杆机构模型的设计D2.4多功能连接装置该模型还需设计一个装置既要保证连架杆与机架的正常连接，又能满足机架上两转动副之间的间距可以自由调节。2.5辅助绘图装置该模型还需一个辅助绘图的部件，用于绘制铰链四杆机构的运动位置或绘制运动简图等。3多功能平面连杆机构模型的结构设计3.1抽拉盒式杆长调节结构的设计为实现杆长的自由调节，采用抽拉盒式的设45表1各杆件长度调节的范围表杆件杆件长度调节范围/mmAD杆44 520AB杆90150CD杆110 190BC杆1101902多功能平面连杆结构模型的设计内容杆件长度变化范围确定以后，还需完成下面五项设计任务。2.1主要零件的材料选择该模型主要考虑轻巧便捷的特点，且设计的零件结构比较复杂，机加工难以实现，而3D打印具有个性化特点，可以制作出复杂的内部结构零件，所以最终选择以3D打印的方式来实现实物的制作，但3D打印材料丰富且价格不等，因此材料上选用了性价比较高的光敏树脂。2.2杆长的自由调节结构杆长的自由调节是完成此次设计的研究重点。本次设计的杆件均为3D打印件，材料是光敏树脂。通过研究该材料特性和多次实践，使用了抽拉盒式的设计解决杆长自由调节问题，此设计的稳定性更好，既可以防止杆件的变形，也可以防止杆件在长度变化时脱落。2.3长度限位装置以及杆长锁紧装置该模型需考虑杆长在拉到极限位置时的限位，以防止超程而掉落。限位装置还需保证不影响杆件长度的调节，为此采用弹簧定位销来限位。除此之外，杆长锁紧装置确定拉伸后尺寸时的锁紧。借鉴游标卡尺的锁紧，锁紧装置采用螺母和锁紧螺丝配合来实现锁紧，46计，具体内部结构如图2 所示。该结构的优点是稳定性更好，在调节杆长时，可以防止杆件多次滑动而发生脱落的现象，中间做矩形通槽是为了方便绘图，但中间开槽又容易使杆件因刚度不足而发生变形,因此在杆件内部结构上设计了凸槽和凹槽的配合来防止杆件发生变形，如图3所示。AB杆、BC杆和CD杆均采用此设计结构,长度略作改变即可。一矩形通槽图2 杆件结构3.2限位装置的设计为防止杆件在调节长度时，因杆长拉到最大极限位置而发生脱落，需设计一个限位装置来解决这个问题。此装置既要不影响杆长的调节，又要起到极限位置的限位作用，故而采用了弹簧定位销作为锁紧装置。除此之外，在杆件的外层设计一个安放孔,安放孔做通孔，目的是为方便弹簧定位销的安装；在杆件内层的端部设计一个过渡斜坡结构，目的是防止在安装弹簧定位销时出现卡死而装不上；杆件内层还需根据杆件调节的最大长度设计一个限位孔，目的是当杆长调节至最大时，弹簧定位销卡人限位孔而产生限位，以上结构均可见图4所示。该限位装置以及相关结构设计均可用于AB杆、BC杆和CD杆。3.3杆长锁紧装置的设计杆件长度的锁紧装置的设计采用类似游标卡尺的锁紧机构,由于3D打印材料的强度问题,如果将螺钉直接拧人杆件，长期以往会导致滑丝现象，因此采用螺母和锁紧螺钉的配合（即螺母套)来实现锁紧，其在杆件上的安放位置如图5所示，配合使用后的锁紧装置如图6 所示。该锁紧装置以及相关结构设计均可用于AB杆、BC杆和 CD杆。3.4机架AD杆的设计机架分为单层机架的设计和双层机架的设计。3.4.1单层机架的设计为了精确控制杆长，也为了从多个方向进行扬州职业大学学报弹簧定位厂销安放孔一过渡斜坡弹簧定位销限位孔图4限位结构的设计图5杆件中螺母套放置位置刻度的读取,该模型中四个杆件均设计了双向刻度。机架AD杆为了与底板配合，设计了相关形状的凸槽与底板的凹槽进行配合。除此之外还设西槽四槽图3杆件结构细节第2 8 卷锁紧螺母放置孔计了机架与底板的锁紧固定装置（图7），该装置可将机架固定于底板上，防止在高底板时，机架的滑落，造成模型损坏或人员受伤。一底板下层机架图6 锁紧装置工作图图7 下层机架与底板配合为了能与上层机架进行连接，在机架的两侧还需设计一个与上下层机架连接装置（工字型支撑柱)配合的卡槽结构，并且配备了2 个锁紧装置，即前面所述的锁紧螺母套装置，以此来限制工字型支撑柱的左右晃动，保证杆件运动时的稳定性,如图8、9 所示。锁紧螺母放置位机架与工字型支撑栈配合卡槽图8 上层机架结构图9 上层机架和下层机架配合套3.4.2双层机架的设计双层机架的设计初衷是为解决运动的干涉问题,由于双曲柄机构在运动时，曲柄1和曲柄2 都需要做整周转动，再加上尺寸上的限制，这必然会导致两曲柄相撞而产生运动干涉。曲柄相撞是因为在同一平面内运动，如若两曲柄在上下两个平行平面内各自运动，便不会再有相撞的干涉问题，于是便设计了双层机架。双层机架将两曲柄的回转中心点分设在上下两个平面，这样便可解决两曲柄的运动干涉问题。双层机架有上层机架和下层机架之分，上层机架的设计原理与下层机架基本相同，结构略有不同。由于上层机架与底板无配合要求，因此上一锁紧固定装置上层机架一一锁紧装置一工字型支撑柱下层机架一第1期层机架去掉了与底板配合的凸槽结构，并在相同位置处增加了个凸台，增强上机架的强度，如图8所示。3.5多功能连接装置的设计如图10(a）所示，多功能连接装置在下机架上使用,主要的作用是用于机架AD与连架杆AB和CD的连接，同时也兼顾机架上的刻度指示作用,方便其读数。该装置设计有圆形卡位结构，它与机架内部滑槽相配合，使其在机架上可以自由滑动不至于脱落;U型槽结构是为了贴合机架;装置中还配有3D打印的锁紧螺钉的锁紧,其作用是当机架长度调节至相应位置时进行锁紧固定，如图10（a)所示。如图10(b)所示，多功能连接装置在上机架上使用,所具备的功能与（a)图相同，但结构略有改动。由于上机架与下机架的本身结构不同，将多功能连接装置的刻度指示的部分改成双向指示，上机架与连杆的连接部分结构也略作改动，如图10(b)所示。连杆连接部位刻度指示部位一U型槽锁紧装置一(a)图10 多功能连接装置3.6铅笔固定滑块机构本次铰链四杆机构模型还需具备绘制连杆机构运动位置的功能,因此专门为此设计了辅助绘图机构一铅笔固定滑块机构（图11)。朱丹凤：一种杆长可调的多功能铰链四杆机构模型的设计提升了用户体验感。为了配合平时使用的绘图铅笔的尺寸，铅笔固定滑块机构设计有直径8 mm的圆孔；下端采用方形设计，不仅使其与各杆件中的矩形通槽之间更好地贴合，还可防止其变形；另外还设计了铅笔的锁紧装置，防止铅笔在绘图的过程中来回晃动，锁紧装置采用螺母套来实现（如前所述）。4多功能平面连杆机构的数字模型展示根据上述各零件的结构，组装成一个多功能铰链四杆机构。图12 所示为单层多功能铰链四杆机构数字化模型图，图13所示为单层多功能铰链四杆机构爆炸图。图14所示为双层多功能铰链四杆机构数字化模型图，图15所示为双层多功能铰链四杆机构爆炸图。图12 单层多功能铰链四杆机构数字模型(b)4471O31锁紧螺钉；2 铅笔固定滑块；3AB杆；4BC杆；图11铅笔固定滑块机构在绘制机构运动位置图时，该装置既可固定铅笔，又能保证铅笔的中心与转动副的中心在同一条直线上，从而保证了图形绘制的准确性，大大5一连杆连接装置的连接螺栓；6 一连杆连接装置的定位挡圈;7 一螺母;8 CD杆;9 锁紧装置的螺母；10 一锁紧装置的螺钉；11一下机架；12 一多功能连接装置；13一底板图13单层多功能铰链四杆机构爆炸图48扬州职业大学学报机构类型之间的转换关系；功能单一，不能用于铰链四杆机构的设计；在教学中,机构的极限位置和工作特性等都不能够有效演示 。该多功能铰链四杆机构改善了这些问题，本次设计产品具备以下特点：（1）可以演示包括曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构多种形式的铰链四杆机构。（2)可以展示不同机构类型之间的演变过程。（3)解决了双曲柄机构运动干涉问题。单层机架仅能支持双摇杆机构、曲柄摇杆机图14双层多功能铰链四杆机构数字模型构等机构的运动，当双曲柄机构运动时，两曲柄的整周转动会出现运动干涉问题，双层机架很好解决了此问题。（4)可以直观地看到机构的极限位置的状态，图16 为铰链四杆机构的死点位置示意图。（5)在学习四杆机构设计时，可以在底板上放置图纸，利用连杆中间开设矩形通槽，借助通槽画线，方便快捷地完成铰链四杆机构的设计。C1第2 8 卷图16 机构死点位置示意图参考文献：1一底板；2 一下机架；3一上机架；4一螺母套；5一工字型支撑柱；6 一AB杆；7 一铅笔固定滑块；8 一多功能连接装置；9一锁紧螺钉；10 一连杆连接装置的螺钉；11一连杆连接装置的定位挡圈；12 一连杆连接装置的螺母；13一多功能连接装置1;14BC杆;15CD杆;16 螺母套图15双层多功能铰链四杆机构爆炸图5结论传统的平面四杆机构教具所能演示的机构类型单一 3，一般都是固定杆长的，不能展示各种1陈立德,罗卫平.机械设计基础 M.北京：高等教育出版社,2 0 19.2于靖军，赵宏哲.机械原理 M.北京：机械工业出版社,2 0 2 3.3林晓强，肖耘亚,黄仁庚，等.一种平面四杆机构新教具的设计 J.韶关学院学报,2 0 15（6：2 5-2 8.4吴晨杰，何学军，胡杰华，等.平面连杆机构教学设计中的若干问题J.黑龙江生态工程职业学院学报,2 0 2 2(6):117 -12 0.(责任编辑：疆涌）