CN106448414A - 连杆机构实验系统 - Google Patents

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马庆国
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Abstract

本发明公开了一种连杆机构实验系统，包括支撑平台、曲柄支座和导轨支座，自曲柄支座至导轨支座之间依次设有曲柄、连杆、滑块和滑块导轨，曲柄轴由一手柄驱动。本发明中配置有3个长度不同的曲柄，5个长度不同的连杆和2个长度不同的滑块导轨，滑块导轨可以通过导轨支座上不同高度螺纹孔，固定在高度不同的两个位置，以供组装时选择。本发明用于学生按指定滑杆(滑块)行程等要求，选择构件尺寸、组装出对心或偏置曲柄滑杆(滑块)机构、检测位移误差、亲身感知机构力学性能。本实验系统有助于学生对运动副结构、构件尺寸对机构运动输出的影响、运动精度及运动副间隙对机构运动精度的影响和构件尺寸对机构力学性能的影响等的认识和理解。

Description

连杆机构实验系统
技术领域
大学学生开始学习“机械原理”或“机械设计基础”课程时，缺少必要的引导性实验，对课程基本概念没有感性认识，影响学习效果。本实验系统用于开始学习“机械原理”课程或类似课程时进行的引导性实验。
背景技术
目前，用于理工科大专院校基础课程“机械原理”或“机械设计基础”教学中的实验装置有如公开日为2014年12月3日，公开号为CN203982675U的专利文献中公开的一种“组合式连杆机构实验箱”，所披露的技术方案的结构主要是：包括箱体后表面的传动部分，箱体前表面的展示部分和收纳部分，传动部分通过控制开关控制展示部分运动，收纳部分设置在展示部分的上部，展示部分包括导杆、滑块、顶丝、可调杆、第一输出轴、第二输出轴和在左右侧板上对应设置的多个U形通槽，传动部分控制第一输出轴转动，控制第二输出轴摆动，为可调杆提供动力。该实验箱可以实现铰链四杆机构及其演化机构的快速切换与演示，提供学生自由动手能力；另外一种如公开日为2015年4月29日，公开号为CN104568399A的专利文献中公开的“一种连杆长度可变的连杆机构实验台”，所披露的技术方案的主要结构是：由支撑台、第一受控电机、第二受控电机、第三受控电机、联轴器、双十字万向联轴器、第一连架杆、第二连架杆、可变长度连杆、普通连杆、滑块、导轨组成。可变长度的连杆由两段杆件组成，U形块通过螺钉连接在杆件上。当紧固螺钉松开时，连杆可以在U形块内相对移动；当移动到需要的长度时，通过拧紧螺钉，来固定连杆的长度。该实验台可以实现连杆长度的改变，避免教学演示和科研中频繁更换连杆。还有一种如公开日为2002年7月3日，公开号为CN2498583的专利文献中公开了一种曲柄导杆滑块机构实验台，其主要结构是：一个导杆机构和曲柄滑块机构组成的串联机构，其曲柄、滑块上装有传感器、面板上还装有振动传感器，传感器与计算机连接。该实验台可以演示曲柄、导杆、滑块运动，并能在计算机上动态显示运动参数。
上述技术方案均不能实现下述功能：给定滑杆(滑块)行程，学生根据分析、思考、试装配，在备选构件里选择合适的构件长度，选择对心或偏置曲柄滑块机构组装按给定滑杆(滑块)行程运动的曲柄滑杆(滑块)机构；选择不同销轴时，铰链连接间隙不同，机构运动精度不同(即滑杆(滑块)实际运动距离与理想距离间差值不同)，且可通过一般测量工具测量；在实现按给定滑杆(滑块)行程情况下，选择不同长度连杆或导轨长度组装曲柄滑杆(滑块)机构，实验者能亲身体验机构力学性能。因此，需要开发一种能满足上述实验目的的实验装置。
发明内容
针对现有技术，本发明提供一种连杆机构实验系统，用于学生按指定滑杆(滑块)行程等要求，选择构件尺寸、组装曲柄滑杆(滑块)机构、检测滑杆(滑块)实际行程及滑杆(滑块)位移误差、亲身感知机构力学性能。本实验系统使学生加深对连杆机构的理解，特别有助于学生理解：运动副的结构，连杆机构的组成，偏置及对曲柄滑块机构运动的影响，滑杆(滑块)的行程与连杆机构构件尺寸的关系，运动精度及运动副间隙对机构运动精度的影响，机构力学性能好差。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种连杆机构实验系统，包括支撑平台、曲柄支座、导轨支座，曲柄、连杆、滑块和滑块导轨，所述曲柄支座和导轨支座均固定在所述支撑平台上，所述滑块导轨固定在所述导轨支座上，所述曲柄的一端通过曲柄轴连接在所述曲柄支座上，所述曲柄的另一端与所述连杆的一端采用铰链连接，所述滑块与所述滑块导轨之间采用移动副连接，所述连杆的另一端与所述滑块的一端采用铰链连接；所述曲柄轴由一手柄驱动，所述曲柄的长度为A，所述连杆的长度为L，连接所述连杆与所述滑块的铰链到所述滑块导轨的距离为h，所述滑块导轨的长度为l；该连杆机构实验系统中配置有3长度不同的曲柄，5个长度不同的连杆，2个不同长度的滑块导轨，以供组装时选择；3个曲柄的长度A分别为40mm、50mm、60mm；5个连杆的长度L分别为80mm、100mm、120mm、140mm和160mm；2个滑块导轨的长度l分别为35mm和50mm；所述导轨支座上设有两组不同高度的用于固定所述滑块导轨的螺孔，组装时，选择其中一组，所述滑块与所述曲柄轴为同一水平高度，或所述滑块的高度低于所述曲柄轴的高度；实验时指导教师给定滑块行程，学生选择适当的曲柄的长度A、连杆的长度L、滑块导轨的高度，能够组装出满足滑块行程要求的曲柄滑块机构，在满足滑块行程时，选择不同长度的连杆或不同长度的滑块导轨，机构力学性能不同，若能组装出合格的曲柄滑块机构，则是下述的机构之一：
一是，若所述滑块与所述曲柄轴为同一水平高度，则为对心曲柄滑块机构；
二是，若所述滑块与所述曲柄轴在高度上存在有偏距H，则为偏置曲柄滑块机构。进一步讲，本发明连杆机构实验系统，其中，所述曲柄支座与支撑平台之间、所述导轨支座与支撑平台之间均采用螺栓固定连接。
连接所述曲柄和连杆、所述滑块和连杆的铰链连接采用销轴、轴套和轴孔的连接形式；所述轴套与销轴之间为间隙配合，连接所述曲柄和连杆、所述滑块和连杆的铰链均配置有2个直径不同的销轴，所述销轴和与之相配合的轴套之间隙不同，从而使得构成的连杆机构的运动精度不同。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
由于本发明中对有关的同一构件或零件配备有多个不同的尺寸的备选构件或零件用于学生按指定滑杆(滑块)行程等要求，选择合适的构件或零件尺寸、组装曲柄滑杆机构、检测滑杆(滑块)实际行程及滑杆位移误差、亲身感知机构力学性能。本实验系统使学生加深对连杆机构的理解，特别有助于学生认识和理解：运动副的结构，连杆机构的组成，偏置及对曲柄滑块机构运动的影响，滑杆(滑块)的行程与连杆机构构件尺寸的关系，运动精度及运动副间隙对机构运动精度的影响，机构力学性能好差。
附图说明
图1是本发明连杆机构实验系统的主视图；
图2是图1所示连杆机构实验系统的俯视图；
图3是本发明连杆机构实验系统受力分析图。
图中：1-支撑平台，2-曲柄支座，3-曲柄，4-连杆，5-滑杆，6-滑杆导轨，7-导轨支座，8、9、10-螺栓连接件，11-弹性挡圈，12-螺钉，13-曲柄轴，14-轴套，15-手柄，16-螺钉组，17-螺母，18-销轴，19-轴套、20-轴套。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1和图2所示，本发明提出的一种连杆机构实验系统，主要包括支撑平台1、曲柄支座2、曲柄3，连杆4、滑杆(滑块)、滑杆(滑块)导轨和导轨支座7。本发明中，当滑块的长度数倍于其截面的宽度或高度时，按照几何尺寸关系可以称为滑杆，图1和图2中所示的实施例属于该种情形，因此，在下面的描述中将附图标记5对应的件称为滑杆5，将附图标记6的件称为滑杆导轨，但无论称为滑杆还是滑块，其在机构中的功能是一致的。
所述曲柄支座2和导轨支座7均用螺栓连接件9或10连接固定在所述支撑平台1上，所述滑杆导轨6用螺钉组16固定在所述导轨支座7上，如图2所示，支撑平台1用4个螺栓连接件8支撑。
所述曲柄3的一端通过曲柄轴13连接在所述曲柄支座2上，且在曲柄3的该端设有用于安装曲柄轴13的孔和开口，如图1和图2所示，旋紧螺钉12使上述开口的距离变小，保证曲柄3紧固在曲柄轴13上，实现曲柄3和曲柄轴13一同旋转；曲柄轴13与过盈配合安装在曲柄支座2上的轴套14上构成一铰链，曲柄轴13由手柄15驱动；所述曲柄轴13上设有轴肩和弹性挡圈11，以保证曲柄轴13的轴向位置。
所述曲柄3的另一端与所述连杆4的一端用铰链连接，如图2所示，所述铰链连接采用销轴18、轴套20、轴套19和轴孔的连接形式；即：在曲柄3和连杆4连接端均设有一个孔，曲柄3上的孔内安装轴套20，连杆4上的孔内安装有轴套19，轴套20与曲柄3、轴套19与连杆4之间均为过盈配合，轴套20和轴套19的内孔装有一销轴18，轴套20与销轴18之间及轴套19与销轴18之间均为间隙配合。为了演示滑杆运动的不同运动精度，本发明连杆机构实验系统中用于连接曲柄3和连杆4的铰链中配置有2个直径不同的销轴18，以供实验时选择，这两个销轴18的直径公称尺寸相同，但公差不同，使得其与轴套19和轴套20间隙不同，则组成的机构运动精度也就不同；销轴18的一端设有突台，销轴18的另一端设有螺纹，旋上螺母17可保证销轴18与曲柄3和连杆4的轴向位置。
该连杆机构实验系统中配置有3个长度不同的曲柄3，以供组装时选择，所述曲柄3的长度为A，3个曲柄的长度A分别为40mm、50mm、60mm，在实验操作中，根据指定的滑杆的行程，从中选择曲柄的长度A，看是否能组装出合格的曲柄滑块机构。
所述连杆4的另一端与所述滑杆5的一端采用铰链连接，其具体的铰链结构与曲柄3和连杆4的铰接结构类似。所述滑杆5与所述滑杆导轨6之间采用移动副连接，即，在滑杆导轨6上设有与滑杆5截面匹配的孔，所述滑杆5穿过滑杆导轨6上与滑杆5截面匹配的孔，从而构成移动副。
如图1所示，本发明中，所述滑杆导轨6用螺钉组16固定在所述导轨支座7上，所述导轨支座7上设有两组不同高度的用于固定所述滑杆导轨6的螺孔，滑杆导轨6可以安装在导轨支座7上两个不同位置，所述滑杆5与所述曲柄轴13为同一水平高度或所述滑杆5的高度低于所述曲柄轴13的高度；组装时，如选择滑杆5安装在图1所位置时，使得所述滑杆5与所述曲柄轴13为同一水平高度，则组装出对心曲柄滑块机构；如选择滑杆5安装在距离图1所示位置垂直下方H＝45mm处，所述滑杆5的高度低于所述曲柄轴3的高度，则组装出偏置曲柄滑块机构，此时滑杆高度与曲柄轴高度差为H。
本发明连杆机构实验系统中，有5个长度不同的连杆，以供组装时选择，所述连杆的长度为L，5个连杆的长度L分别为80mm、100mm、120mm、140mm和160mm，在实验操作中，根据指定的滑杆的行程，从中选择连杆的长度L，看是否能组装出满足要求的曲柄滑块机构。本发明连杆机构实验系统中，有2个长度不同的滑杆导轨，所述滑杆导轨6的长度为l，2个滑杆导轨的长度l分别为35mm、50mm，滑杆导轨长度不同机构力学性能不同。
如图1和图2所示，所述曲柄支座2与支撑平台1之间、所述导轨支座7与支撑平台1之间均采用螺栓接连，连接所述连杆4与所述滑杆5的铰链到所述滑杆导轨6的距离为h，当曲柄3的长度A及位置确定时，不同长度L的连杆4使连接所述连杆4与滑杆5的铰链到所述滑杆导轨6的距离h不同，通过改变连杆长度L来确定该距离h。组装时，根据给定滑杆行程s等，确定曲柄长度A、连杆长度L、偏距H等后，选择不同直径的销轴，销轴与轴套间隙不同，假设，实际直径小的称为S销轴，实际直径大的称为M销轴，使用S销轴时，销轴与曲柄3、连杆4和滑杆5上轴套的间隙大，使用M销轴时，销轴与曲柄3、连杆4和滑杆5上轴套的间隙小，选择S销轴，机构运动精度低。
根据几何知识，滑杆的行程
当H＝0时，
如前所述，3个曲柄的长度A分别为40mm、50mm、60mm，5个连杆的长度L分别为80mm、100mm、120mm、140mm和160mm，滑杆与曲柄轴的高度差H分别是0、45mm。根据上述滑杆行程s计算式(1)、(2)，任取A、L和H，可以得到不同的s；本实验系统提供的不同A、L和H下滑杆的行程s值见表1；从表1可见，当s分别等于80mm、100mm、120mm时，必须H＝0，曲柄长度A对应为40mm、50mm，60mm，组装出对心曲柄滑块机构，此时，连杆长度L与滑杆行程无关，但影响机构力学性能；当s为表1中其他值时，必须H＝45mm，且曲柄长度A和连杆长度L分别为唯一的值，组装出偏置曲柄滑块机构。所以，要根据实验指定的滑杆行程等选择对应的曲柄长度A、连杆长度L和偏距H。
表1中滑杆行程标注为“—”表示对应的连杆长度L、曲柄长度A与偏距H不匹配，不能组装出曲柄滑杆机构。
表1.不同曲柄长度、连杆长度、不同偏置下滑杆的行程
选择曲柄3的长度A、连杆4的长度L、偏距H组装时，由于曲柄支座2和导轨支座6具有确定距离及特定的偏距，选用系统中提供的部分长度的连杆，受安装尺寸的限制，有可能不能组装出曲柄滑块机构。因此，需要判断、尝试所选曲柄和连杆是否能够组装出曲柄滑块机构；由于滑杆5的行程与偏距H有关，在组装曲柄滑杆(滑块)机构时，还要判断应该组装成对心曲柄滑杆(滑块)机构，还是偏置曲柄滑杆(滑块)机构。
如前所述，该连杆机构实验系统中配置有5个长度不同的连杆4，如图3所示，当曲柄3主动，曲柄3的长度A相同时，连杆4的长度L越长，机构压力角α越小，机构力学性能越好。
如前所述，该连杆机构实验系统中配置有2个不同长度l的滑杆导轨6，在实验操作中，通过在机构中替换不同长度l的滑杆导轨6，使滑杆5与滑杆导轨6的接触长度不同，实验者可以感受到机构力学性能不同，滑杆导轨长度l越长机构力学性能越好；因滑杆导轨6的位置是固定的，连杆4长度L越大，曲柄3位置一定时，滑杆5的悬臂尺寸h越小，机构力学性能越好。
关于滑杆导轨6长度l和滑杆5的悬臂尺寸h对机构力学性能的影响证明如下：
设连杆4为二力杆，曲柄3主动，连杆4给滑杆5的力形成的力矩为M3，则
M3＝F45hsinα (3)
式(3)中，F45是连杆4给滑杆5的作用力；h是连接连杆4与滑杆5的铰链到滑杆导轨6的距离(即滑杆5的悬臂尺寸)，α是机构压力角。
根据力矩平衡，对滑杆5有
M3＝F45hsinα＝M4＝FN65l (4)
式(4)中，M4是滑杆导轨6给滑杆5的平衡力矩；FN65是滑杆导轨6给滑杆5的法向力，l是两法向力FN65间距离。
整理式(4)，得
从式(5)可见，滑杆5的悬臂尺寸h越小，滑杆导轨6给滑杆5的法向力FN65越小，滑杆5所受摩擦阻力也越小，机构力学性能越好。
从式(5)可以看出，滑杆导轨6长度l越长，滑杆5运动时受到滑杆导轨6的法向力FN65越小，此时滑杆5所受摩擦阻力越小，机构力学性能越好。理论上，在机构确定位置，采用长度l为35mm的滑杆导轨6，滑杆5所受摩擦阻力是采用长度l＝50mm的滑杆导轨6时的1.42倍。
应用本发明连杆机构实验系统时，要指定组装后曲柄滑块机构滑杆行程为本实验系统可实现值，如100mm。由于该系统偏距是定值，且连杆4和曲柄3长度是有限值。这样，组装时，若给滑杆行程s＝80mm、100mm或120mm，只能选用特定长度的曲柄组装出对心曲柄滑块机构，以满足指定的滑杆(滑块)行程，连杆4的长度不影响滑杆5的行程。若指定行程为110.3mm，则只能组装出偏置曲柄滑块机构，且曲柄长度和连杆长度均是确定值。实验操作时，需要学生通过分析、思考、试装配，根据给定滑杆行程，选择出合适的曲柄3的长度、连杆4的长度、偏距(0或45mm)，组装出符合要求的曲柄滑杆(滑块)机构。如前所述，有5个不同长度的连杆4，由于滑杆导轨6位置和偏距大小的原因，有些长度L的连杆4由于受安装尺寸的限制不能选用；在可选长度的连杆4里，如前所述，连杆4的长度越短，机构压力角α越大，机构受力状态越差；根据前面的分析，滑杆导轨6的长度不会影响滑杆5的行程，但会影响机构受力状态。在实验时，当其它条件相同时，学生选择不同长度的连杆4或不同导轨长度的滑杆导轨6，用手驱动手柄15使机构运动时，由于摩擦系数基本相同，机构受力状态不同，手施加在手柄15上的力不同，使学生可以真实感受到连杆长度L或滑杆导轨长度l不同，机构力学性能不同。另外，可用测量工具，如卡尺，测量组装后滑杆5的行程s，若行程s不满足要求，学员要分析原因，重新分析、选择有关尺寸，直至满足实验要求；固定曲柄3位置后，由于连接曲柄3和连杆4、连杆4和滑杆5的铰链存在间隙，可以测量到滑杆5的位移量，选择实际尺寸不同的销轴，该位移量不同；该值反映了运动间隙造成的位移误差大小。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种连杆机构实验系统，包括支撑平台(1)、曲柄支座(2)、导轨支座(7)，曲柄(3)、连杆(4)、滑块(5)和滑块导轨(6)，所述曲柄支座(2)和导轨支座(7)均固定在所述支撑平台(1)上，所述滑块导轨(6)固定在所述导轨支座(7)上，所述曲柄(3)的一端通过曲柄轴(13)连接在所述曲柄支座(2)上，所述曲柄(3)的另一端与所述连杆(4)的一端采用铰链连接，所述滑块(5)与所述滑块导轨(6)之间采用移动副连接，所述连杆(4)的另一端与所述滑块(5)的一端采用铰链连接；
其特征在于：
所述曲柄轴(13)由一手柄(15)驱动，
所述曲柄(3)的长度为A，所述连杆(4)的长度为L，连接所述连杆(4)与所述滑块(5)的铰链到所述滑块导轨(6)的距离为h，所述滑块导轨(6)的长度为l；
该连杆机构实验系统中配置有3个长度不同的曲柄(3)，5个长度不同的连杆(4)，2个不同长度的滑块导轨(6)，以供组装时选择；
3个曲柄(3)的长度A分别为40mm、50mm、60mm；
5个连杆(4)的长度L分别为80mm、100mm、120mm、140mm和160mm；
2个滑块导轨(6)的长度l分别为35mm和50mm；
所述导轨支座(7)上设有两组不同高度的用于固定所述滑块导轨(6)的螺孔，组装时，选择其中一组，所述滑块(5)与所述曲柄轴(13)为同一水平高度，或所述滑块(5)的高度低于所述曲柄轴(13)的高度；
通过选择曲柄(3)的长度A、连杆(4)的长度L、滑块导轨(6)的高度，判断是否能够组装出合格的曲柄滑块机构，若能组装出合格的曲柄滑块机构，则是下述的机构之一：
(1)若所述滑块(5)与所述曲柄轴(13)为同一水平高度，则为对心曲柄滑块机构；
(2)若所述滑块(5)与所述曲柄轴(3)在高度上存在有偏距H，则为偏置曲柄滑块机构。
2.根据权利要求1所述连杆机构实验系统，其特征在于：所述曲柄支座(2)与支撑平台(1)之间、所述导轨支座(7)与支撑平台(1)之间均采用螺栓固定连接。
3.根据权利要求1所述连杆机构实验系统，其特征在于：所述铰链连接采用销轴、轴套和轴孔的连接形式；所述轴套与销轴之间为间隙配合，连接所述连杆(4)与所述曲柄(3)、所述连杆(5)与所述滑块(5)的铰链均配置有2个直径不同的销轴，所述销轴和与之相配合的轴套之间隙不同，从而使得构成的连杆机构的运动精度不同。
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