CN203966436U - 一种铰链四杆机构演示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铰链四杆机构演示装置，属于教学用辅助设备领域。所述装置包括：背板、底板、电动机、可伸缩的第一二连架杆和连杆、机架、角度位移传感器和采集器；背板垂直安装在底板上，第一连架杆的一端固定在电动机的输出轴上，连杆的两端分别与第一连架杆和第二连架杆铰接，第二连架杆的另一端与机架铰接，角度位移传感器安装在机架上，与第二连架杆的另一端连接；机架安装在所述底板上；采集器与角度位移传感器连接。本实用新型通过杆长可伸缩的第一二连架杆和连杆，在电动机的带动下，各种形式的机构自动运转，通过角度位移传感器实测滑块的极限位置，确定滑块的来回行程速度变化系数值，量化反应曲柄摇杆或曲柄滑块运动急回特性。

Description

一种铰链四杆机构演示装置

技术领域

本实用新型涉及教学用辅助设备领域，特别涉及一种铰链四杆机构演示装置。 

背景技术

在进行《机械原理》、《机构分析与综合》、《机械设计基础》等课程的学习中，均会有铰链四杆机构的基础知识，铰链四杆机构包括两个连架杆、连杆和机架，两个连架杆的一端分别与机架连接，两个连架杆的另一端通过连杆连接。其中，曲柄存在的条件以杆长为参数表述为：最短杆与最长杆的长度之和小于等于其他两杆的长度之和。具体对应存在三种情况：①若连架杆为最短杆，则铰链四杆机构为曲柄摇杆机构，且最短杆为曲柄；②若机架为最短杆，则铰链四杆机构为双曲柄机构；③若连杆为最短杆，则铰链四杆机构为双摇杆机构。另外，如果最短杆与最长杆的长度之和大于其它两杆的长度之和，不论取哪一杆为机架，铰链四杆机构只能为双摇杆机构；如果其中一个连架杆的长度为无穷大，则铰链四杆机构演变成曲柄滑块机构。在实际教学中，为了方便学生更加直观的理解铰链四杆机构的各种运动形式及其杆长的关系，老师们会带上各种形式的机构进行教学演示。 

因为现有的用于演示的铰链四杆机构中的双摇杆机构、双曲柄机构、曲柄滑块机构与曲柄摇杆机构是四个单独的装置，教学用具的数量多，携带不方便，且单独的装置无法演示各种形式的机构的演变过程，也无法量化反应曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构的运动急回特性，教学效果比较差，教学效率低。 

发明内容

为了解决现有技术中铰链四杆机构的教学用具的数量多，携带不方便，且单独的装置无法演示各种形式的机构的演变过程，也无法量化反应曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构的运动急回特性的问题，本实用新型实施例提供了一种铰链四杆机构演示装置。所述技术方案如下： 

本实用新型实施例提供了一种铰链四杆机构演示装置，所述装置包括： 

背板、底板、电动机、可伸缩的第一连架杆、可伸缩的连杆、可伸缩的第二连架杆、机架、角度位移传感器和采集器； 

所述背板垂直安装在底板上，所述第一连架杆的一端固定在所述电动机的输出轴上，所述连杆的两端分别与所述第一连架杆的另一端和所述第二连架杆的一端铰接，所述第二连架杆的另一端与所述机架铰接，所述角度位移传感器安装在所述机架上，且所述角度位移传感器与所述第二连架杆的另一端连接，所述机架安装在所述底板上，所述采集器与所述角度位移传感器连接。 

进一步地，所述第一连架杆包括： 

第一大销座、第一大方管、第一小方管、第一小销座、螺栓、顶块和夹于所述螺栓与所述顶块之间的第一弹簧，所述第一大方管与所述第一大销座连接，所述第一小方管与所述第一小销座连接，所述第一大销座和所述第一小销座上分别设有第一铰接孔和第二铰接孔，所述第一大方管套在所述第一小方管外，所述第一大方管上设有两处供所述螺栓穿入和所述顶块穿出的孔，所述顶块和所述螺栓穿过所述孔固定所述第一大方管和所述第一小方管。 

进一步地，所述连杆包括： 

第二大方管、第二大销座、第二小方管、第二小销座、第一直线位移传感器、挡块和固定块，所述第二大方管与所述第二大销座连接，所述第二小方管与所述第二小销座连接，所述第二大销座和所述第二小销座上分别设有第三铰接孔和第四铰接孔，所述第二大方管套在所述第二小方管外，所述第二大方管和所述第二小方管可通过第一螺栓固定，所述第一直线位移传感器的外壳的两端分别通过所述挡块和所述固定块固定在所述第二小方管内，所述第一直线传感器的拉杆的顶端固定在所述第二大销座上。 

可选地，所述第一小方管的一端设有塑料导套，所述第二大方管与所述第二小方管之间设有所述塑料导套。 

可选地，所述装置还包括：销轴，在拆卸下所述第二连架杆后，所述连杆的另一端通过销轴与所述机架和所述角度位移传感器连接。 

进一步地，所述机架包括： 

支撑架、滑块、导轨、第二直线位移传感器和连接件，所述支撑架一端固定在所述底板上，所述支撑架的另一端与所述导轨连接，所述滑块滑动安装在 所述导轨上，所述连接件固定在所述滑块上，所述滑块通过所述连接件与所述连杆和所述角度位移传感器连接，当所述第二直线位移传感器与所述导轨平行设置时，所述第二直线位移传感器的拉杆的顶端与所述滑块连接。 

进一步地，所述支撑架包括升降机构，所述升降机构包括小立板、滑座、导杆、支撑杆和锁紧机构，所述小立板固定在所述底板上，所述支撑杆的一端固定在所述导轨上，所述支撑杆的另一端通过所述滑座活动连接在所述小立板上，所述导杆与所述支撑杆平行设置，所述导杆的一端与所述导轨连接，所述导杆上设有多个凹槽，所述锁紧机构与所述凹槽配合将所述导杆的另一端固定在所述小立板上。 

更近一步地，所述锁紧机构包括：拨片、第二螺栓、第二弹簧和升降锁紧块，所述升降锁紧块通过第三螺栓将所述导杆的另一端固定，所述拨片和所述第二螺栓穿过所述升降锁紧块和所述小立板，所述第二弹簧的一端连接在所述螺栓上，所述第二弹簧的另一端连接在所述拨片上，且所述拨片卡在所述导杆的凹槽内。 

可选地，所述支撑架还包括固定块，所述固定块固定在所述底板上，所述固定块上设有与所述第二直线位移传感器的拉杆的顶端对应的卡槽，当所述第二直线位移传感器与所述导轨垂直设置时，所述第二直线位移传感器的拉杆的顶端卡在所述卡槽内。 

可选地，所述装置还包括：显示屏，所述显示屏安装在所述背板上，所述显示器与所述采集器无线连接。 

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是： 

通过采用杆长可伸缩的第一连架杆、连杆和第二连架杆，手动调节各杆的长度，分别实现曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构，拆卸下第二连架杆，使连杆与机架直接铰接，实现对心曲柄滑块机构，再通过升降机构实现机架升降，使导轨和滑块上下偏移，实现偏心曲柄滑块机构，一套教学用具可以演示五种类型的机构，携带方便，且在各种形式的机构的演变过程中，可以直观的了解演变过程，提高了教学效率。同时，在电动机的带动下，各种形式的机构自动运转，通过角度位移传感器实测滑块的极限位置，在通过采集器传送给远程的处理器处理后，确定滑块的来回行程速度变化系数值，并在显示屏上直接显示，量化反应曲柄摇杆机构或曲柄滑块机构的运动急回特性。 

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1是本实用新型实施例提供的一种铰链四杆机构演示装置的主视图； 

图2是本实用新型实施例提供的一种铰链四杆机构演示装置的左视图； 

图3是本实用新型实施例提供的一种铰链四杆机构演示装置的俯视图； 

图4是本实用新型实施例提供的第一连架杆的结构示意图； 

图5是本实用新型实施例提供的连杆的结构示意图； 

图6是本实用新型实施例提供的机架的主视图； 

图7是本实用新型实施例提供的机架的左视图； 

图8是本实用新型实施例提供的锁紧机构的结构示意图。 

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。 

实施例 

本实用新型实施例提供了一种铰链四杆机构演示装置，参见图1、图2和图3，该装置包括：背板1、底板2、电动机3、可伸缩的第一连架杆4、可伸缩的连杆5、可伸缩的第二连架杆6、机架7、角度位移传感器8和采集器9；背板1垂直安装在底板2上，第一连架杆4的一端固定在电动机3的输出轴上，连杆5的两端分别与第一连架杆4的另一端和第二连架杆6的一端连接，第二连架杆6的另一端与机架7铰接，角度位移传感器8安装在机架7上，且角度位移传感器8与第二连架杆6的另一端连接，机架7安装在底板2上，采集器9与角度位移传感器8连接。 

通过改变第一连架杆4、连杆5和第二连架杆6的长度可以分别实现曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。 

实现时，背板1通过角钢11安装在底板2上。进一步地，背板1通过第一 螺栓13与角钢11固定，角钢11通过第二螺栓14与底板2固定，以保证背板与地板的垂直安装。具体地，电动机3的输出轴可以通过嵌于背板1的联轴器31与第一连架杆4的一端固定，联轴器31可以为弹性联轴器。第二连接杆6通过转轴93铰接在机架7上。角度位移传感器8和第二连接杆6分别连接在转轴93的两端。 

在本实施例中，结合图4，第一连架杆4可以包括：第一大销座41、第一大方管42、第一小方管43、第一小销座44、螺栓45、顶块47和夹于螺栓45与顶块47之间的第一弹簧48，第一大方管42与第一大销座41连接，第一小方管43与第一小销座44连接，第一大销座41和第一小销座44上分别设有第一铰接孔41a和第二铰接孔44a，第一大方管42套在第一小方管43外，可相对滑动，第一大方管42上设有两处供螺栓45穿入和顶块47穿出的孔4a，顶块47和螺栓45穿过孔4a固定第一大方管42和第一小方管43。 

具体地，第一大方管42与第一大销座41可以通过螺栓连接。顶块47和螺栓45可以通过定位块46安装在第一小方管43的一端。容易理解地，在第一小方管43的一端也设有与第一大方管42对应的一处供顶块47和螺栓45穿过孔。 

当需要改变第一连架杆4的杆长时，按压顶块47，压缩第一弹簧48，使顶块47缩入第一小方管43内，并拧下螺栓45，拔出螺栓45、顶块47和第一弹簧48，拉伸或者收缩第一大方管42和第一小方管43，使第一大方管42上的另一处的孔4a和第一小方管43上孔的对齐，然后将顶块47和螺栓45穿过该另一处孔，同时拧紧螺栓45，实现第一连架杆的杆长的变化。 

实现时，在第一连架杆4中可以内置传感器或者在第一大方管41上的孔的对应位置处设置接近开关，以确定第一大方管42和第一小方管43当前连接的孔的位置信息，然后通过采集器9以无线方式将前述位置信息传送给远程的处理器，由处理器根据当前连接的孔的位置信息确定第一连架杆的实际杆长。 

在本实施例中，结合图5，连杆5可以包括：第二大方管51、第二大销座52、第二小方管53、第二小销座54、第一直线位移传感器55、挡块56和固定块57，第二大方管51与第二大销座52连接，第二小方管53与第二小销座54连接，第二大销座52和第二小销座54上分别设有第三铰接孔52a和第四铰接孔54a，第二大方管51套在第二小方管53外，第二大方管51和第二小方管53可通过第一螺栓58固定，第一直线位移传感器55的外壳551的两端分别端通 过挡块56和固定块57固定在第二小方管53内，第一直线传感器55的拉杆552的顶端固定在第二大销座52上。 

实现时，第二大方管51上可以设置滑槽，以方便第二小方管53与第二大方管51之间的相对滑动。具体地，固定块57可以采用塑料材料制成。第二大方管51与第二大销座52，以及第二小方管53与第二小销座54通过螺栓连接。第一直线传感器55的拉杆552的顶端通过第一固定块553固定在第二大销座52上。 

当需要改变连杆的杆长时，拧下第一螺栓58，拉伸或者压缩第二小方管53后，再拧上第一螺栓58即可。 

实现时，在连杆内可以内置采集器9，将第一直线传感器55采集的拉杆的伸出长度信息，通过无线方式传送给远程的处理器，再由处理器确定连杆的实际杆长。 

参见图4和图5，第一小方管43的一端，以及第二大方管51与第二小方管53之间还设有塑料导套59，以保证第一大方管42与第一小方管43之间，以及第二大方管51与第二小方管53之间准确的对合。 

在本实施例中，第二连架杆6与连杆5可拆卸连接，例如，通过销轴和螺母连接；第二连架杆6与机架7也是可拆卸连接。该装置还包括销轴50，在拆卸下第二连架杆6后，连杆5的另一端可以通过销轴50与机架7和角度位移传感器8连接。 

在本实施例中，结合图6和图7，机架7可以包括：支撑架70、滑块72、导轨73、第二直线位移传感器74和和连接件75，支撑架70的一端固定在底板2上，支撑架70的另一端与导轨73连接，滑块72滑动安装在导轨73上，连接件75固定在滑块72上，滑块72通过连接件75与连杆5和角度位移传感器连接8，当第二直线位移传感器74与导轨73平行设置时，第二直线位移传感器74的拉杆741的顶端与滑块72连接。 

具体地，连接件75可以包括相对平行设置的上连板751和滑块前支板752，上连板751固定在滑块72上，滑块前支板752设在滑块72的一端，角度位移传感器8安装在滑块前支板752。滑块72通过上连板751与连杆5连接，容易理解地，在卸下第二连架杆6之前，滑块72通过上连板751与第二连架杆6连接。 

在本实施例中，进一步地，支撑架70包括可以升降机构71，升降机构71可以包括：小立板711、滑座712、导杆714、支撑杆715和锁紧机构716，小立板711固定在底板2上，支撑杆715的一端固定在导轨73上，支撑杆715的另一端通过滑座712活动连接在小立板711上，导杆714与支撑杆715平行设置，导杆714的一端与73导轨连接，导杆714上设有多个凹槽714a，锁紧机构716与凹槽714a配合将导杆714的另一端固定在小立板711上。 

实现时，支撑杆715为两根，分别在导杆714的两侧，且靠近导轨73的两端，起支撑作用。滑座712为四个，每根支撑杆715上安装两个，以保证将支撑杆715较牢固的固定在小立板上。实现时，滑座712通过螺栓与小立板711连接。 

机架7通过升降机构71安装在底板2上。由于没有安装第二连架杆6，在实际应用，就认为第二连架杆6的杆长为无穷大，此时，只需要保证第一连架杆4与机架7的高度相同，即可实现对心曲柄滑块机构。在这种情况下，还可以通过升降机构71升高或者降低机架7的高度，以实现偏心曲柄滑块机构。 

更进一步地，参见图8，锁紧机构716可以包括：拨片7161、第二螺栓7162、第二弹簧7163和升降锁紧块7164，升降锁紧块7164通过第三螺栓7165(见图7)将导杆714的另一端固定，拨片7161和第二螺栓7162穿过升降锁紧块7164和小立板711，第二弹簧7163的一端连接在第二螺栓7162上，第二弹簧7163的另一端连接在拨片7161上，且拨片7161可卡在导杆714的凹槽714a内。 

当需要升降机架时，松开固定滑座的螺栓，将拨片从导杆的凹槽内拔出，拧松第三螺栓，然后控制导轨上升或下降到适当的位置(需要保证导轨上的凹槽刚好在锁紧机构的位置上)后，拧紧固定滑座的螺栓和第三螺栓，并将拨片卡在导杆的凹槽内即可。 

在本实施例中，支撑架70还可以包括固定块79，固定块79固定在底板2上，固定块79上设有与第二直线位移传感器74的拉杆的顶端对应的卡槽79a，当第二直线位移传感器74与导轨73垂直设置时，第二直线位移传感器74的拉杆741的顶端卡在卡槽79a内。 

在实际应用中，当第二直线位移传感器74与导轨73平行设置时，第二直线位移传感器74可以测量导轨的长度；当第二直线位移传感器74与导轨73垂直设置时，第二直线位移传感器74可以测量导轨的高度。 

可选地，该装置还包括：显示屏10，显示屏10安装在背板1上，显示器10与采集器9无线连接。采集器可以将获取的各杆的杆长以及角度位移传感器的瞬时速度通过无线传送给远程的处理器，并将处理器分析计算后将结果传送给显示器，以在显示器上显示给用户。 

下面简要介绍本装置的工作过程： 

通过移动滑块在导轨上的位置改变机架的长度，使第一大方管与第一小方管之间，以及第二大方管和第二小方管之间相对滑动以改变第一连架杆、连杆和第二连架杆的杆长，分别实现双曲柄机构、双摇杆机构和曲柄摇杆机构。 

在各杆的杆长曲柄摇杆机构的情况下，保持连杆的杆长不变，卸下第二连架杆，使连杆与机架铰接，同时保持第一连架杆和机架的长度和高度不变，即可实现对心曲柄滑块机构，同时演示了从曲柄摇杆机构到曲柄滑块机构的演变过程。然后，保持第一连架杆的杆长不变，通过升降机构改变机架的高度，使导轨和滑块上下偏移，实现偏心曲柄滑块机构。 

在曲柄滑块机构或曲柄摇杆下，电动机带动第一连架杆运动时，可以通过角度位移传感器采集滑块行程来回运动的速度，并通过采集器将滑块的实时速度传送给远程的处理器，处理器计算行程速度变化系数值后，在通过采集器输出到显示屏上，以验证运动急回特性。 

本实用新型实施例采用杆长可伸缩的第一连架杆、连杆和第二连架杆，手动调节各杆的长度，分别实现曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构，拆卸下第二连架杆，使连杆与机架直接铰接，实现对心曲柄滑块机构，再通过升降机构实现机架升降，使导轨和滑块上下偏移，实现偏心曲柄滑块机构，一套教学用具可以演示五种类型的机构，携带方便，且在各种形式的机构的演变过程中，可以直观的了解演变过程，提高了教学效率。同时，在电动机的带动下，各种形式的机构自动运转，通过角度位移传感器实测滑块的极限位置，在通过采集器传送给远程的处理器处理后，确定滑块的来回行程速度变化系数值，并在显示屏上直接显示，量化反应曲柄摇杆机构或曲柄滑块机构的运动急回特性。另外，通过第一直线位移传感器、第二直线位移传感器以及第一连架杆上不同位置的孔，可以实时测量连杆、第二连架杆、机架以及第一连架杆的实际杆长，无需手动测量各杆的杆长，使用方便。 

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种铰链四杆机构演示装置，其特征在于，所述装置包括： 

背板、底板、电动机、可伸缩的第一连架杆、可伸缩的连杆、可伸缩的第二连架杆、机架、角度位移传感器和采集器； 

所述背板垂直安装在底板上，所述第一连架杆的一端固定在所述电动机的输出轴上，所述连杆的两端分别与所述第一连架杆的另一端和所述第二连架杆的一端铰接，所述第二连架杆的另一端与所述机架铰接，所述角度位移传感器安装在所述机架上，且所述角度位移传感器与所述第二连架杆的另一端连接，所述机架安装在所述底板上，所述采集器与所述角度位移传感器连接。 

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一连架杆包括： 

第一大销座、第一大方管、第一小方管、第一小销座、螺栓、顶块和夹于所述螺栓与所述顶块之间的第一弹簧，所述第一大方管与所述第一大销座连接，所述第一小方管与所述第一小销座连接，所述第一大销座和所述第一小销座上分别设有第一铰接孔和第二铰接孔，所述第一大方管套在所述第一小方管外，所述第一大方管上设有两处供所述螺栓穿入和所述顶块穿出的孔，所述顶块和所述螺栓穿过所述孔固定所述第一大方管和所述第一小方管。 

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述连杆包括： 

第二大方管、第二大销座、第二小方管、第二小销座、第一直线位移传感器、挡块和固定块，所述第二大方管与所述第二大销座连接，所述第二小方管与所述第二小销座连接，所述第二大销座和所述第二小销座上分别设有第三铰接孔和第四铰接孔，所述第二大方管套在所述第二小方管外，所述第二大方管和所述第二小方管可通过第一螺栓固定，所述第一直线位移传感器的外壳的两端分别通过所述挡块和所述固定块固定在所述第二小方管内，所述第一直线传感器的拉杆的顶端固定在所述第二大销座上。 

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一小方管的一端设有塑料导套，所述第二大方管与所述第二小方管之间设有所述塑料导套。 

5.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：销轴，在拆卸下所述第二连架杆后，所述连杆的另一端通过销轴与所述机架和所述角度位移传感器连接。 

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述机架包括： 

支撑架、滑块、导轨、第二直线位移传感器和连接件，所述支撑架一端固定在所述底板上，所述支撑架的另一端与所述导轨连接，所述滑块滑动安装在所述导轨上，所述连接件固定在所述滑块上，所述滑块通过所述连接件与所述连杆和所述角度位移传感器连接，当所述第二直线位移传感器与所述导轨平行设置时，所述第二直线位移传感器的拉杆的顶端与所述滑块连接。 

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述支撑架包括升降机构，所述升降机构包括小立板、滑座、导杆、支撑杆和锁紧机构，所述小立板固定在所述底板上，所述支撑杆的一端固定在所述导轨上，所述支撑杆的另一端通过所述滑座活动连接在所述小立板上，所述导杆与所述支撑杆平行设置，所述导杆的一端与所述导轨连接，所述导杆上设有多个凹槽，所述锁紧机构与所述凹槽配合将所述导杆的另一端固定在所述小立板上。 

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述锁紧机构包括：拨片、第二螺栓、第二弹簧和升降锁紧块，所述升降锁紧块通过第三螺栓将所述导杆的另一端固定，所述拨片和所述第二螺栓穿过所述升降锁紧块和所述小立板，所述第二弹簧的一端连接在所述螺栓上，所述第二弹簧的另一端连接在所述拨片上，且所述拨片卡在所述导杆的凹槽内。 

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述支撑架还包括固定块，所述固定块固定在所述底板上，所述固定块上设有与所述第二直线位移传感器的拉杆的顶端对应的卡槽，当所述第二直线位移传感器与所述导轨垂直设置时，所述第二直线位移传感器的拉杆的顶端卡在所述卡槽内。 

10.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括： 

显示屏，所述显示屏安装在所述背板上，所述显示器与所述采集器无线连接。