一种平面连杆机构教学工具

1.本发明涉及平面连杆教学工具，尤其适用于在机械原理课程教学中增强学生对连杆机构传动特性的体验感并激发创新实践能力。


背景技术：

2.平面连杆机构作为一种重要的传动机构，在很多机械设备中得到应用。平面连杆机构将若干构件通过低副联接可实现多种传动形式的转换，仅平面四连杆机构通过改变连杆长度、固定连杆及运动副尺寸等方法就可以形成曲柄摇杆、双曲柄、双摇杆、曲柄滑块、曲柄摇块、移动导杆、转动导杆、摆动导杆等多种传动机构。由于平面连杆机构的多变性和复杂性，对学生的空间运动想象能力要求较高，连杆机构中任何一个元素的改变将会对机构运动规律产生重要影响。为增强学生对连杆机构运动特性的认知能力，目前主要采用运动学仿真软件进行教学，尽管在一定程度上降低了学习难度，但无法使学生亲身体会感知到连杆机构的运动特性，对连杆机构运动特性缺乏深度认知，进而影响学生对传动机构创新与应用能力。尽管目前也有一些平面连杆机构教学工具，但是基本上以实现连杆运动为目的，无法通过改变连杆元素(长度、运动副、固定件)实现运动形式的改变，对启发学生学习能力较差，而且连杆种类繁多、通用性差，一旦一个连杆丢失，将无法实现一类传动形式。因此，针对教学工具使用对象，设计出一种通用性好、组合性强、传动元素改变简单且具有创新启发能力的平面连杆机构教学工具，既能够方便快捷的完成教学任务增强学生对连杆机构的认知体验能力，又能激发学生创新实践能力。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种平面连杆机构教学工具，所设计平面连杆机构中连杆的长度、运动副(滑动副、转动副)和固定形式均具有可调节性，且所有运动副联接单元通用性强，不但能够使学生通过实操学习体验感受连杆机构因改变连杆长度、固定连杆及运动副尺寸而造成运动形式的转变，而且可以通过连杆的不同组合形成多种传动机构，激发学生创新实践能力。
4.为实现上述目的，本发明为一种平面连杆机构教学工具，包括：固定板、手摇轮、圆形孔连杆、u型槽连杆、ⅰ型联接单元和ⅱ型联接单元组成。手摇轮通过固定板与圆形孔连杆或u型槽连杆联接，能过带动圆形孔连杆或u型槽连杆实现转动或摆动。若干个圆形孔连杆或u型槽连杆通过ⅰ型联接单元进行联接，形成的连杆机构两端分别通过ⅰ型联接单元和ⅱ型联接单元与手摇轮和固定板联接，从而形成一种平面连杆传动机构。
[0005]ⅰ型联接单元是由圆柱销、挡板和沉头螺钉组成，能够将不同的圆形孔连杆或u型槽连杆进行联接形成运动副，每个运动副中至少包含圆形孔连杆或u型槽连杆中的一个孔，当另一个联接单元为u型槽连杆中的u型槽时，通过调节ⅰ型联接单元在u型槽中的位置可以调节u型槽连杆的实际工作长度。ⅰ型联接单元中圆柱销在u型槽连杆中的安装长度小于u型槽连杆厚度，当沉头螺钉拧紧时u型槽连杆与另一个连杆形成转动副；当沉头螺钉不拧紧
时，圆柱销可在u型槽中直线滑动形成滑动副，实现转动副与滑动副的转变。
[0006]ⅱ型联接单元是由阶梯圆柱销、挡板和沉头螺钉组成，其中挡板和沉头螺钉与ⅰ型联接单元中的挡板和沉头螺钉相同。ⅱ型联接单元主要应用于连杆与固定板上的u型槽联接形成运动副。ⅱ型联接单元一端联接圆形孔连杆或u型槽连杆中的一个圆形孔，另一端联接固定板上的u型槽，通过调节ⅱ型联接单元在u型槽中的位置可以调节固定连杆的实际工作长度。ⅱ型联接单元中阶梯圆柱销在u型槽中的工作长度小于u型槽厚度，当沉头螺钉拧紧时连杆与固定板形成转动副；当沉头螺钉不拧紧时，阶梯圆柱销可在u型槽中直线滑动形成滑动副，实现转动副与滑动副的转变。为了使各个连杆在转动过程中不发生相互干涉，阶梯圆柱销选用不同的高度，确保每一个连杆的运动空间不发生干涉。
[0007]
u型槽连杆的两端加工圆形孔可与其它连杆联接形成转动副，中间开有u型槽，在u型槽连杆表面标注上刻度，当ⅰ型联接单元与u型槽联接时，能够根据刻度迅速定位工作点调节u型槽连杆的实际工作长度，从而实现不同连杆长度平面连杆机构运动特性研究，完成平面四杆机构存在曲柄条件教学任务；也可以将ⅰ型联接单元在u型槽中滑动形成滑动副，实现不同运动副形式平面连杆机构运动特性研究，完成平面连杆机构演化教学任务。
[0008]
圆形孔连杆上加工若干圆形孔，圆形孔之间的距离为定值，通过将ⅰ型联接单元或ⅱ型联接单元安装在不同的圆形孔中形成转动副，能够根据两个圆形孔之间的位置确定圆形孔连杆的实际工作长度，从而实现不同连杆长度平面连杆机构运动特性研究，完成平面四杆机构存在曲柄条件教学任务。
[0009]
固定板上加工圆形孔和多个u型槽，圆形孔用来安装手摇轮，在u型槽上标注刻度，当ⅱ型联接单元与u型槽联接时，能够根据刻度迅速定位工作点调节固定连杆的实际工作长度，从而实现不同连杆长度平面连杆机构运动特性研究；也可以将ⅱ型联接单元在u型槽中滑动形成滑动副，实现不同运动副平面连杆机构运动特性研究；选用固定板上不同的u型槽进行安装，可以实现同心或偏心连杆机构运动特性研究。
[0010]
平面连杆机构的组合与运动过程：手摇轮与圆形孔连杆联接带动连杆旋转或摆动；通过ⅰ型联接单元将圆形孔连杆中的圆形孔与u型槽连杆的u型槽联接；通过ⅰ型联接单元将u型槽连杆中的圆形孔与u型槽连杆的u型槽联接；通过ⅱ型联接单元将u型槽连杆中的圆形孔与固定板中的u型槽联接，这样形成平面四连杆机构，通过改变u型槽连杆的长度可实现曲柄摇杆、双曲柄、双摇杆运动机构的转换，让学生学习体验到连杆不同长度时实现不同运动机构形式之间的转换。通过将ⅰ型联接单元或ⅱ型联接单元中的沉头螺钉拧松，使其能够在u型槽中滑动形成滑动副，并通过固定不同的连杆形成曲柄摇块、移动导杆、转动导杆、摆动导杆等多种传动机构，让学生学习体验到连杆改变运动副与固定件时实现不同运动机构形式之间的转换。通过ⅰ型联接单元或ⅱ型联接单元将多个圆形孔连杆或u型槽连杆联接，形成多连杆机构，作为开放性课题指导学生搭建不同的连杆机构，进一步激发学生创新实践能力。
[0011]
优选地，固定板中加工多个u型槽和多个圆形孔，并标注刻度，能够迅速确定固定连杆的长度，不但能够为平面连杆机构教学工具提供固定支撑，而且通过u型槽可形成滑动副；
[0012]
优选地，u型槽连杆中可加工多个u型槽和圆形孔并标注刻度，不但能够迅速确定连杆的实际工作长度，而且通过u型槽可形成滑动副；
[0013]
优选地，圆形孔连杆上加工若干圆形孔并标注刻度，能够实现不同连杆长度调整；
[0014]
优选地，ⅰ型联接单元中的圆柱销采用阶梯型设计，通过改变沉头螺钉的拧紧力，可以实现转动副和滑动副之间的转换；
[0015]
优选地，ⅱ型联接单元中的阶梯圆柱销采用阶梯型设计，通过改变沉头螺钉的拧紧力，可以实现转动副和移动副之间的转换，同时通过改变阶梯圆柱销的长度使得所有连杆之间不会发生运动干涉；
[0016]
本发明为一种平面连杆机构教学工具，通过设计出长度可调整的连杆和移动副、转动副可转换的联接单元，能够组合出不同连杆长度、固定连杆及运动副尺寸的运动机构，帮助学生认识学习体验连杆机构运动形式改变的重要因素，并通过多个连杆组合形成多连杆传动机构，激发学生创新实践能力，对提高教学质量具有重要推动作用。
附图说明
[0017]
下面结合附图对本发明进行说明。其中：
[0018]
图1是根据本发明一个实施方式的平面连杆机构教学工具整体结构示意图；
[0019]
图2是根据本发明一个实施方式的平面连杆机构教学工具中ⅰ型联接单元结构示意图。
[0020]
图3是根据本发明一个实施方式的平面连杆机构教学工具中ⅱ型联接单元结构示意图；
[0021]
图4是根据本发明一个实施方式的平面连杆机构教学工具中固定板结构示意图；
[0022]
图5是根据本发明一个实施方式的平面连杆机构教学工具中u型槽连杆结构示意图；
[0023]
图6是根据本发明一个实施方式的平面连杆机构教学工具中圆形孔连杆结构示意图；
[0024]
图7是根据本发明一个实施方式的平面连杆机构教学工具可转换形成的不同运动机构结构示意图；
[0025]
下文将结合附图详细说明本发明的具体实施方式。应当理解，下面说明的实施方式仅仅是示例性的，而非限制性。
[0026]
如图1所示，一种平面连杆机构教学工具包括：固定板1、手摇轮2、圆形孔连杆3、u型槽连杆4、ⅰ型联接单元5和ⅱ型联接单元6。
[0027]
如图1所示，手摇轮2与圆形孔连杆3联接在一起并安装在固定板1的圆形孔11中，通过摇动手摇轮2可带动圆形孔连杆3实现转动或摆动。圆形孔连杆3与u型槽连杆4或u型槽连杆4与u型槽连杆4通过ⅰ型联接单元5联接形成连杆机构，u型槽连杆4通过ⅱ型联接单元6与固定板1联接，这样就组合形成了一套平面连杆机构。
[0028]
如图2所示，ⅰ型联接单元5包括圆柱销7、挡板8和沉头螺钉9，圆柱销7采用阶梯轴的设计方法，圆柱销7中的大圆柱71安装在圆形孔连杆3或u型槽连杆4中的圆形孔41中可形成转动副。圆柱销7中的小圆柱72安装在u型槽连杆4中的u型槽12中并通过挡板8和沉头螺钉9将u型槽连杆4与其它连杆联接在一起。小圆柱72的直径略小于u型槽12的宽度，小圆柱72的长度比u型槽12的厚度小1mm。当沉头螺钉9通过压板8拧紧在圆柱销7的螺纹孔中时，圆柱销7中的小圆柱72将不会沿着u型槽12滑动，此时u型槽连杆4作为固定长度的连杆使用，
通过圆柱销7在u型槽12中的位置来调节连杆长度；当沉头螺钉9通过压板8拧入圆柱销7的螺纹孔中但不拧紧时，圆柱销7中的小圆柱72可沿着u型槽连杆4中的u型槽12滑动形成滑动副，此时ⅰ型联接单元可当作连杆机构中的滑块或u型槽连杆4当作连杆机构中导杆，从而可以改变运动副的形式实现连杆运动形式转变。
[0029]
如图3所示，ⅱ型联接单元6包括阶梯圆柱销10、挡板8和沉头螺钉9，将圆形孔连杆3或u型槽连杆4与固定板1中的u型槽联接。阶梯圆柱销10采用阶梯轴的设计方法，阶梯圆柱销10中的大圆柱71安装在圆形孔连杆3或u型槽连杆4的圆形孔41中可形成转动副。阶梯圆柱销10中的小圆柱72安装在固定板1的u型槽12中，并通过挡板8和沉头螺钉9将固定板1与其它连杆联接在一起。当沉头螺钉9通过压板8拧紧在阶梯圆柱销10的螺纹孔中时，阶梯圆柱销10中的小圆柱72将不会沿着固定板1中的u型槽12滑动，此时固定板1作为固定长度的固定连杆使用，通过阶梯圆柱销10在固定板1的u型槽12中的位置来调节连杆长度；当沉头螺钉9通过压板8拧入阶梯圆柱销10的螺纹孔中但不拧紧时，阶梯圆柱销10中的小圆柱72可沿着固定板1中的u型槽12滑动形成滑动副，此时ⅱ型联接单元可当作连杆机构中的滑块使用，从而可以改变运动副的形式实现连杆运动形式转变。阶梯圆柱销10中的中圆柱101的直径均大于大圆柱71和小圆柱72的直径，中圆柱101的长度是所组成连杆机构连杆个数与连杆厚度的乘积，这样可以使得所有连杆分布不在同一平面内(但投影在同一平面内)，从而确保多有连杆运动不会发生干涉。
[0030]
如图4所示，固定板1中加工有若干u型槽12和圆形孔11，圆形孔11用来安装手摇轮2，u型槽12中安装ⅱ型联接单元6，在u型槽12表面标注刻度尺13，用来调节确定固定连杆长度。
[0031]
如图3、4所示，圆柱销7与阶梯圆柱销10中的大圆柱71和小圆柱72的直径和长度相同，挡板8和沉头螺钉9也相同，增强通用性。
[0032]
如图5所示，u型槽连杆4两端加工圆形孔41用来与ⅰ型联接单元或ⅱ型联接单元联接形成转动副，中间加工u型槽12并标注刻度尺13，用来调节确定连杆长度或形成滑动副。
[0033]
如图6所示，圆形孔连杆3中加工若干个固定长度的圆形孔41用来与ⅰ型联接单元或ⅱ型联接单元联接形成转动副，每个圆形孔的间隔长度一定，方便调节和确定连杆长度。
[0034]
如图5、6所示，圆形孔连杆3和u型槽连杆4中圆形孔41的直径相同，增强通用性。
[0035]
如图7所示，固定板1、手摇轮2、圆形孔连杆3、u型槽连杆4、ⅰ型联接单元5和ⅱ型联接单元6通过组合可形成曲柄滑块、曲柄摇块、移动导杆、转动导杆、摆动导杆等多种传动机构，由于圆形孔连杆3、u型槽连杆4、ⅰ型联接单元5和ⅱ型联接单元6均具有通用性，可通过自由组合和调节连杆长度形成多种平面多连杆传动机构，激发学生的创新实践能力。
[0036]
基于该公开，在图示和说明特征的配置和操作序列中的许多变形例对于本领域技术人员而言是明显的。因而，应当领略的是，在不偏离权利要求主题的精神和范畴的情况下，可以对本专利做出各种改变。