CN209232266U - 一种四连杆机构求解演示教具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种四连杆机构求解演示教具，包括已知条件演示单元和辅助求解单元；其中，所述已知条件演示单元包括三个标线杆以及已知机架杆；所述辅助求解单元包括四连杆辅助机构、刚体机构以及演示管，所述四连杆辅助机构为两个，分别为第一四连杆辅助机构和第二四连杆辅助机构；所述第一四连杆辅助机构和第二四连杆辅助机构中设有转动动力件；所述刚体机构也为两个，分别为第一刚体机构和第二刚体机构；所述演示管包括两个弯管和四个连线管；所述弯管和连线管均与装有有色液体的容器连通。该求解演示教具能够生动、准确地演示在已知机架杆和连杆的标线的前提下，如何求出对应的连杆，提高教学质量。

Description

一种四连杆机构求解演示教具

技术领域

本实用新型涉及课堂演示教具，具体涉及一种四连杆机构求解演示教具。

背景技术

教具作为辅助教学的用具，有着其它手段不可替代的作用，无论哪个学科，使用合适的教具作为辅助工具，可以激发学生学习兴趣，发展学生创新思维力，突出教学重点难点，优化课堂教学结构，能有效提高教学质量和效率。

一般地，在大学的机械系的课程中，为了让学生更好地理解四连杆机构的各种形式的运动以及各杆长度的相互关系，教师常常使用教具给学生进行演示。但是，现有的大部分的教具都是常规的，如曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构等，只能用于直观演示机构的构成，难以用于演示图形变换等比较抽象的内容，比如四连杆机构的相关求解过程。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述存在的问题，提供一种四连杆机构求解演示教具，该求解演示教具能够生动、准确地演示在已知机架杆和连杆的标线的前提下，如何求出对应的连杆，提高教学质量。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种四连杆机构求解演示教具，包括已知条件演示单元和辅助求解单元；

其中，所述已知条件演示单元包括三个固定在演示板上的标线杆以及已知机架杆；所述标线杆代表已知的连杆位置的标线，分别为第一杆、第二杆和第三杆；

所述辅助求解单元包括四连杆辅助机构、刚体机构以及演示管，所述四连杆辅助机构为两个，分别为第一四连杆辅助机构和第二四连杆辅助机构；所述第一四连杆辅助机构和第二四连杆辅助机构的机架杆固定在演示板上；所述第一四连杆辅助机构的连杆的其中两个瞬时位置分别与第一杆和第三杆重合；所述第二四连杆辅助机构的连杆的其中两个瞬时位置分别与第二杆和第三杆重合；所述第一四连杆辅助机构和第二四连杆辅助机构中设有驱动各自连架杆转动的转动动力件；

所述刚体机构也为两个，分别为第一刚体机构和第二刚体机构；所述第一刚体机构包括第一四连杆辅助机构的连杆、第一机架杆以及两个固定连接在第一四连杆辅助机构的连杆与第一机架杆之间的第一中间连接杆；所述第二刚体机构包括第二四连杆辅助机构的连杆、第二机架杆以及两个连接在第二四连杆辅助机构的连杆与第二机架杆之间的第二中间连接杆；当第一四连杆辅助机构的连杆与第一杆重合时，第一机架杆与已知机架杆重合；当第二四连杆辅助机构的连杆与第二杆重合时，第二机架杆与已知机架杆重合；

所述演示管包括两个弯管和四个连线管，两个弯管的一端分别连接在已知机架杆的两个端点上；所述弯管包括弯折点和位于弯折点两侧的直管；四个连线管的一端分别连接在四个直管上，且与直管的垂直平分线重合，另一端与相邻的连线管相交于一点；所述弯管和连线管均与装有有色液体的容器连通。

上述四连杆机构求解演示教具的演示原理是：

一般地，本教具演示的求解问题是：已知四连杆机构中连杆在转动时的三个瞬时位置的标线以及机架杆，求出该四连杆机构中的连杆。

根据四连杆机构的求解规律，先分別在第一个连杆标线和第三个连杆标线上取两个长度相等的线段，作为四连杆机构中的连杆的其中两个瞬时位置，从而搭建第一辅助四连杆机构；接着，再以第一辅助四连杆机构中移动至第一个连杆标线时的连杆和已知的机架杆来搭建第一辅助刚体，其中，第一辅助刚体中代表已知的机架杆的为第一辅助机架杆；然后，驱动第一辅助四连杆机构中的连架杆转动，使得第一辅助四连杆机构中的连杆从第一个连杆标线移动到第三个连杆标线上，进而带动第一辅助刚体移动一定距离，从而记录第一辅助机架杆移动后的位置。同理地，在第二个连杆标线和第三个连杆标线上取两个长度相等的线段，接着搭建第二辅助四连杆机构，再搭建第二辅助刚体，其中，第二辅助刚体中代表已知的机架杆的为第二辅助机架杆，然后驱动第二辅助四连杆机构中的连架杆转动，从而记录第二辅助机架杆移动后的位置。最后，分别连接已知的机架杆、第一辅助机架杆和第二辅助机架杆上两端的端点，再在相邻机架杆的端点的连线上作垂直平分线，四根垂直平分线两两相交，两个交点的连线即为所求的连杆。

基于上述求解规律，在本教具中，第一杆、第二杆和第三杆分别表示已知的三个连杆的标线，第一四连杆辅助机构是以第一杆和第三杆作为连杆的瞬时位置组建的，第二四连杆辅助机构是以第二杆和第三杆作为连杆的瞬时位置组建的。在转动动力件的驱动下，第一四连杆辅助机构的连杆从与第一杆重合的位置上移动到与第三杆重合的位置上，使得第一刚体机构的第一机架杆从与已知机架杆重合的位置上移动到第一求解位置上；在该第一求解位置上，第一机架杆的两端分别重合在两个弯管远离已知机架杆的一端上；同理地，第二四连杆辅助机构的连杆从与第二杆重合的位置上移动到与第三杆重合的位置上，使得第二刚体机构的第二机架杆从与已知机架杆重合的位置上移动到第二求解位置上；在该第二求解位置上，第二机架杆的两端分别重合在两个弯管的弯折点上。然后，打开装有有色液体的容器的开关，使得有色液体分别流进弯管中，同时给弯管标上颜色，以演示在已知机架杆、第一机架杆以及第二机架杆的端点之间的连线，接着，再次打开容器的开关，使得有色液体分别流进连线管中，同时给连线管标上颜色，以演示在端点之间的直线上画出垂直平分线，垂直平分线的交点的连线即为所求的连杆。明显地，在上述演示过程中，将第三杆看作不动的“机架杆”，将已知机架杆看作移动的“连杆”，第一求解位置和第二求解位置为该“连杆”两次移动的位置，进而在三个“连杆”的端点之间的连线，并作出垂直平分线，垂直平分线的交点的连线即为“机架杆”，即为所求的连杆。

本实用新型的一个优选方案，其中，所述辅助求解单元的一侧还设有一组已知条件演示单元。一般地，由于辅助求解单元的结构比较复杂，且在挡在已知条件演示单元前面，所以难以将已知的条件演示清楚；通过设置多一组已知条件演示单元，即可清楚地为学生演示已知的条件。

本实用新型的一个优选方案，其中，所述转动动力件为伺服电机，该伺服电机的壳体固定在演示板上，转轴固定在第一四连杆辅助机构和第二四连杆辅助机构的连架杆上，且与连架杆和机架杆的铰接轴同轴。通过上述结构，在伺服电机的驱动下，第一四连杆辅助机构和第二四连杆辅助机构的连架杆绕着铰接轴带动连杆转动，从而驱动第一机架杆和第二机架杆移动，以演示求解的过程。

本实用新型的一个优选方案，其中，所述演示板的下方设有升降驱动机构，该升降驱动机构包括升降杆以及降动力件；所述升降杆的上端固定在演示板上，下端固定在升降动力件上；

所述演示板的两侧设有滑动导轨，所述演示板上设有与滑动导轨配合的滑块。这样，在演示结束后，在升降驱动机构的驱动下，可以将演示板降下，降低高度，以便进行搬动和存放。

优选地，所述升降驱动机构设置在收纳箱中，这样，在演示结束后，可以将已知条件演示单元和辅助求解单元收缩在收纳箱中，以便进行搬动和存放；在演示开始前，再将教具升起。

本实用新型的一个优选方案，其中，所述装有有色液体的容器设置在演示板的背面，其位置高于位于演示板的正面的弯管和连线管；所述容器的出口处设有三通电磁阀，该三通电磁阀分别通过塑料软管与弯管和连线管连接。这样，可以在远处遥控三通电磁阀，使得容器中的有色液体流向对应的塑料软管，极大地简化教具的演示操作。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本实用新型的教具中，在转动动力件的驱动下，第一四连杆辅助机构的连杆从与第一杆重合的位置上移动到与第三杆重合的位置上，使得第一刚体机构的第一机架杆从与已知机架杆重合的位置上移动到第一求解位置上，第一机架杆的两端分别重合在两个弯管远离已知机架杆的一端上；同理地，第二刚体机构的第二机架杆从与已知机架杆重合的位置上移动到第二求解位置上，第二机架杆的两端分别重合在两个弯管的弯折点上，从而先后在弯管和连线管中通入有色液体，以演示四连杆机构的连杆的求解过程。

2、本实用新型的教具能够准确地演示出复杂的四连杆求解过程，为学生提供更具体、生动的记忆，提高教学质量。

附图说明

图1为本实用新型中的四连杆机构求解演示教具的立体结构示意图。

图2为本实用新型中的四连杆机构求解演示教具的另一方向的立体结构示意图，其中，隐藏了与容器连接的塑料软管。

图3-4为本实用新型的四连杆机构求解演示教具的主视图，其中，图3为辅助求解单元演示前的主视图，图4为辅助求解单元在演示过程中的主视图。

图5为图3中的第一四连杆辅助机构和第一刚体机构的主视图。

图6为图3中的第二四连杆辅助机构和第二刚体机构的主视图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员很好地理解本实用新型的技术方案，下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步描述，但本实用新型的实施方式不仅限于此。

参见图1-6，本实施例中的四连杆机构求解演示教具，包括已知条件演示单元1和辅助求解单元2；其中，所述已知条件演示单元1包括三个固定在演示板3上的标线杆以及已知机架杆1-4；所述标线杆代表已知的连杆的标线，分别为第一杆1-1、第二杆1-2和第三杆1-3；所述辅助求解单元2包括四连杆辅助机构、刚体机构以及演示管，所述四连杆辅助机构为两个，分别为第一四连杆辅助机构2-1和第二四连杆辅助机构2-2；所述第一四连杆辅助机构2-1和第二四连杆辅助机构2-2的机架杆固定在演示板3上；所述第一四连杆辅助机构2-1的连杆的其中两个瞬时位置分别与第一杆1-1和第三杆1-3重合；所述第二四连杆辅助机构2-2的连杆的其中两个瞬时位置分别与第二杆1-2和第三杆1-3重合；所述第一四连杆辅助机构2-1和第二四连杆辅助机构2-2中设有驱动各自连架杆转动的转动动力件2-3；所述刚体机构也为两个，分别为第一刚体机构2-4和第二刚体机构2-5；所述第一刚体机构2-4包括第一四连杆辅助机构2-1的连杆、可与已知机架杆1-4重合的第一机架杆2-41以及两个连接在第一四连杆辅助机构2-1的连杆与第一机架杆2-41之间的第一中间连接杆2-42；所述第二刚体机构2-5包括第二四连杆辅助机构2-2的连杆、可与已知机架杆1-4重合的第二机架杆2-51以及两个连接在第二四连杆辅助机构2-2的连杆与第二机架杆2-51之间的第二中间连接杆2-52；当第一四连杆辅助机构2-1的连杆与第一杆1-1重合时，第一机架杆2-41与已知机架杆1-4重合；当第二四连杆辅助机构2-2的连杆与第二杆1-2重合时，第二机架杆2-51与已知机架杆1-4重合；所述演示管包括两个弯管4和四个连线管5，所述两个弯管4的一端分别连接在已知机架杆1-4的两个端点上；所述弯管4包括弯折点和位于弯折点两侧的直管；所述四个连线管5的一端分别垂直平分于四个直管上，另一端与相邻的连线管5相交于一点；所述弯管4和连线管5均与装有有色液体的容器6连通。

参见图1-6，所述辅助求解单元2的一侧还设有一组已知条件演示单元1。一般地，由于辅助求解单元2的结构比较复杂，且在挡在已知条件演示单元1前面，所以难以将已知的条件演示清楚；通过设置多一组已知条件演示单元1，即可清楚地为学生演示已知的条件。

参见图1-6，所述转动动力件2-3为伺服电机，该伺服电机的壳体固定在演示板3上，转轴固定在第一四连杆辅助机构2-1和第二四连杆辅助机构2-2的连架杆上，且与连架杆和机架杆的铰接轴同轴。通过上述结构，在伺服电机的驱动下，第一四连杆辅助机构2-1和第二四连杆辅助机构2-2的连架杆绕着铰接轴带动连杆转动，从而驱动第一机架杆2-41和第二机架杆2-51移动，以演示求解的过程。

参见图1-6，所述演示板3的下方设有升降驱动机构，该升降驱动机构包括升降杆7以及降动力件；所述升降杆7的上端固定在演示板3上，下端固定在升降动力件上；所述演示板3的两侧设有滑动导轨8，所述演示板3上设有与滑动导轨8配合的滑块9。这样，在演示结束后，在升降驱动机构的驱动下，可以将演示板3降下，降低高度，以便进行搬动和存放。

参见图1-6，所述升降驱动机构设置在收纳箱10中，这样，在演示结束后，可以将已知条件演示单元1和辅助求解单元2收缩在收纳箱10中，以便进行搬动和存放；在演示开始前，再将教具升起。

参见图1-6，所述装有有色液体的容器6设置在演示板3的背面，其位置高于位于演示板3的正面的弯管4和连线管5；所述容器6的出口处设有三通电磁阀6-1，该三通电磁阀6-1分别通过塑料软管与弯管4和连线管5连接。这样，可以在远处遥控三通电磁阀6-1，使得容器6中的有色液体流向对应的塑料软管，极大地简化教具的演示操作。

参见图1-6，本实施例中的四连杆机构求解演示教具的演示原理是：

一般地，本教具演示的求解问题是：已知四连杆机构中连杆在转动时的三个瞬时位置的标线以及机架杆，求出该四连杆机构中的连杆。在四连杆机构中，包括固定不动的机架杆、连接在机架杆两端的连架杆以及连接在连架杆之间并可随着连架杆运动的连杆。

根据四连杆机构的求解规律，先分別在第一个连杆标线和第三个连杆标线上取两个长度相等的线段，作为四连杆机构中的连杆的其中两个瞬时位置，从而搭建第一辅助四连杆机构；接着，再以第一辅助四连杆机构中移动至第一个连杆标线时的连杆和已知的机架杆来搭建第一辅助刚体，其中，第一辅助刚体中代表已知的机架杆的为第一辅助机架杆；然后，驱动第一辅助四连杆机构中的连架杆转动，使得第一辅助四连杆机构中的连杆从第一个连杆标线移动到第三个连杆标线上，进而带动第一辅助刚体移动一定距离，从而记录第一辅助机架杆移动后的位置。同理地，在第二个连杆标线和第三个连杆标线上取两个长度相等的线段，接着搭建第二辅助四连杆机构，再搭建第二辅助刚体，其中，第二辅助刚体中代表已知的机架杆的为第二辅助机架杆，然后驱动第二辅助四连杆机构中的连架杆转动，从而记录第二辅助机架杆移动后的位置。最后，分别连接已知的机架杆、第一辅助机架杆和第二辅助机架杆上两端的端点，再在相邻机架杆的端点的连线上作垂直平分线，四根垂直平分线两两相交，两个交点的连线即为所求的连杆。

基于上述求解规律，在本教具中，第一杆1-1、第二杆1-2和第三杆1-3分别表示已知的连杆的三个标线，第一四连杆辅助机构2-1是以第一杆1-1和第三杆1-3作为连杆的瞬时位置组建的，第二四连杆辅助机构2-2是以第二杆1-2和第三杆1-3作为连杆的瞬时位置组建的。在转动动力件2-3的驱动下，第一四连杆辅助机构2-1的连杆从与第一杆1-1重合的位置上移动到与第三杆1-3重合的位置上，使得第一刚体机构2-4的第一机架杆2-41从与已知机架杆1-4重合的位置上移动到第一求解位置上；在该第一求解位置上，第一机架杆2-41的两端分别重合在两个弯管4远离已知机架杆1-4的一端上；同理地，第二四连杆辅助机构2-2的连杆从与第二杆1-2重合的位置上移动到与第三杆1-3重合的位置上，使得第二刚体机构2-5的第二机架杆2-51从与已知机架杆1-4重合的位置上移动到第二求解位置上；在该第二求解位置上，第二机架杆2-51的两端分别重合在两个弯管4的弯折点上。然后，打开装有有色液体的容器6的开关，使得有色液体分别流进弯管4中，同时给弯管4标上颜色，以演示在已知机架杆1-4、第一机架杆2-41以及第二机架杆2-51的端点之间的连线，接着，再次打开容器6的开关，使得有色液体分别流进连线管5中，同时给连线管5标上颜色，以演示在端点之间的直线上画出垂直平分线，垂直平分线的交点的连线即为所求的连杆。明显地，在上述演示过程中，将第三杆1-3看作不动的“机架杆”，将已知机架杆1-4看作移动的“连杆”，第一求解位置和第二求解位置为该“连杆”两次移动的位置，进而在三个“连杆”的端点之间的连线，并作出垂直平分线，垂直平分线的交点的连线即为“机架杆”，即为所求的连杆。

上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种四连杆机构求解演示教具，其特征在于，包括已知条件演示单元和辅助求解单元；

其中，所述已知条件演示单元包括三个固定在演示板上的标线杆以及已知机架杆；所述标线杆代表已知的连杆位置的标线，分别为第一杆、第二杆和第三杆；

所述辅助求解单元包括四连杆辅助机构、刚体机构以及演示管，所述四连杆辅助机构为两个，分别为第一四连杆辅助机构和第二四连杆辅助机构；所述第一四连杆辅助机构和第二四连杆辅助机构的机架杆固定在演示板上；所述第一四连杆辅助机构的连杆的其中两个瞬时位置分别与第一杆和第三杆重合；所述第二四连杆辅助机构的连杆的其中两个瞬时位置分别与第二杆和第三杆重合；所述第一四连杆辅助机构和第二四连杆辅助机构中设有驱动各自连架杆转动的转动动力件；

所述刚体机构也为两个，分别为第一刚体机构和第二刚体机构；所述第一刚体机构包括第一四连杆辅助机构的连杆、第一机架杆以及两个固定连接在第一四连杆辅助机构的连杆与第一机架杆之间的第一中间连接杆；所述第二刚体机构包括第二四连杆辅助机构的连杆、第二机架杆以及两个连接在第二四连杆辅助机构的连杆与第二机架杆之间的第二中间连接杆；当第一四连杆辅助机构的连杆与第一杆重合时，第一机架杆与已知机架杆重合；当第二四连杆辅助机构的连杆与第二杆重合时，第二机架杆与已知机架杆重合；

所述演示管包括两个弯管和四个连线管，两个弯管的一端分别连接在已知机架杆的两个端点上；所述弯管包括弯折点和位于弯折点两侧的直管；四个连线管的一端分别连接在四个直管上，且与直管的垂直平分线重合，另一端与相邻的连线管相交于一点；所述弯管和连线管均与装有有色液体的容器连通。

2.根据权利要求1所述的四连杆机构求解演示教具，其特征在于，所述辅助求解单元的一侧还设有一组已知条件演示单元。

3.根据权利要求1所述的四连杆机构求解演示教具，其特征在于，所述转动动力件为伺服电机，该伺服电机的壳体固定在演示板上，转轴固定在第一四连杆辅助机构和第二四连杆辅助机构的连架杆上，且与连架杆和机架杆的铰接轴同轴。

4.根据权利要求3所述的四连杆机构求解演示教具，其特征在于，所述演示板的下方设有升降驱动机构，该升降驱动机构包括升降杆以及降动力件；所述升降杆的上端固定在演示板上，下端固定在升降动力件上。

5.根据权利要求4所述的四连杆机构求解演示教具，其特征在于，所述演示板的两侧设有滑动导轨，所述演示板上设有与滑动导轨配合的滑块。

6.根据权利要求4所述的四连杆机构求解演示教具，其特征在于，所述升降驱动机构设置在收纳箱中。

7.根据权利要求1所述的四连杆机构求解演示教具，其特征在于，所述装有有色液体的容器设置在演示板的背面，其位置高于位于演示板的正面的弯管和连线管；所述容器的出口处设有三通电磁阀，该三通电磁阀分别通过塑料软管与弯管和连线管连接。