平面连杆机构教学分析仪

摘要

平面连杆机构教学分析仪属于教学仪器技术领域，目的在于解决现有教具陈列柜只能进行静态展示，动态演示教具知识集成度低、体积庞大不易进行随堂讲解，现有教具不能有效探究机构急回特性和曲柄滑块机构偏心距与运动情况之间的关系等问题。本发明包括三部分：第一部分平面四连杆机构的变换与运动特性探究单元，通过调节杆长，进行四杆机构变换；第二部分曲柄滑块机构的运动特性探究单元，用升降架调节偏心距，探究偏心距的改变与机构运动情况的关系；第三部分是四杆机构的典型应用演示单元，探究多个典型机构的组合运动。所述三部分安装在铝型材为底板上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种教具，尤其涉及一种机械学科平面连杆机构结构分析与运 动探究教具，属于平面连杆、机械学科教学、科普教育展览等技术领域。

背景技术

我国当代教育家荀况曾提出："教育应以'闻见'为基础，他说不闻不若闻之， 闻之不若见之……闻之而不见，虽博必谬，见之而不知，虽识必妄"。现代机械 学科教育首要教学方式是将理论教学与实验实践相结合，培养全面发展、有探 索精神和创造力的学生。生动、直观、形象的机械学科教具，能帮助学生建立 直观感性认识，引导学生对教具进行观察，分析思考、提出问题、并从中学会 解决问题的方法。

平面连杆机构是一种应用十分广泛的机构，许多刚接触机械类学科的学生 都是以此入门，《机械原理》课程将其作为重要的知识点之一来讲授。由于学生 是初次步入机械领域没有实际经验，对平面连杆机构也不了解，头脑中没有形 成空间模型，空间抽象思维比较欠缺，所以教师在课堂上仅用语言讲解那些学 生从来没见过的设备结构和它的动作过程，往往教师讲得口干舌燥，学生听得 云里雾里，听到最后还是理解不了，使学生对机械学科的学习失去了信心。因 此，教学中非常需要加强直观性教学，直观性教学是学好平面连杆机构的重要 途径，相应的实物教具是实验教学的重要手段。

而现有的平面连杆机构教具大多数只能放置于实验室，不能带入教室在讲 解知识点的同时给学生做及时的展示；在验证杆长之和条件时，学生必须使用 量具手动测量杆长；传统陈列柜只能做典型机构的静态展示；现有教具不能有 效地展现机构的急回特性和曲柄滑块机构偏心距与运动情况之间的关系，使得 学生对这些概念的理解只能停留在公式的推理与分析上，学习起来觉得比较困 难；市场上一些能实现动态演示的平面连杆教具，配套的电子电路部分太复杂， 体积庞大，讲解知识点集成度低，性价比低。

为了提高平面连杆机构的学习效率，培养学生的动手能力和探究精神，简 单、便携、高效、集演示与动手探究为一体的平面连杆教具十分必要。同时可 用于科技馆等科普展览场所进行机械类展示，提高机械类展览的吸引力。

发明内容

本发明提供了一种平面连杆机构教学分析仪，主要目的是为解决现有教具 不易带入教室进行随堂讲解，教具陈列柜只能进行静态展示，现有四连杆变化 教具实验时学生操作麻烦，现在实验室中缺乏平面连杆机构急回特性、曲柄滑 块机构偏心距与运动特性关系等方面知识点探究的实验教具，市场上现有的动 态演示教具知识集成度低、体积庞大、性价比低，展览馆中科普展示用的平面 连杆，机构单一，缺少吸引力等问题。本发明主要讲解四连杆的变换、探究曲 柄存在的条件、正确判断机构的急回特性、把握机构的死点位置、机构的传动 角和压力角以及多种四连杆机构的典型应用等方面的知识。

为了实现上述目的，本发明主要包括三部分：第一部分是平面四连杆机构 的变换与运动特性探究单元，此部分完全是手动控制，通过调节四杆机构中机 架和主动连架杆的长度，达到了四杆变换的效果；第二部分是曲柄滑块机构的 运动特性探究单元，此部分主体是一个可以调节偏心距的曲柄滑块机构，用一 个直流电机带动主动曲柄的运动，用升降架来调节偏心距，观察偏心距的改变 与机构运动情况的关系；第三部分是四杆机构的典型应用演示单元，此部分选 取一些典型四杆机构运用模型，其中有曲柄滑块发动机汽缸模型、曲柄摇杆牛 头刨床模型、双摇杆鹤氏起重机模型，三个模型只有一个输入，通过一个曲轴 实现动力的分流。所述三部分安装在铝型材为底板上。

所述平面四连杆机构的变换与运动特性探究单元，此单元包括手摇圆盘1、 连架杆1、连架杆2、连杆1、机架1、长度标尺1、长度标尺2、支撑架1、支 撑架2、支撑架3、改变杆长活动螺钉螺母。所述手摇圆盘通过支撑架1固定在 所述底板上，所述机架由支撑架2、支撑架3固定在底板上。手动转动带手柄的 手摇圆盘1，通过圆盘带动与其铰链的连架杆1，从而带动与连架杆1铰链的连 杆转动，从而带动与连杆铰链的连架杆2转动。

所述平面四连杆机构的变换与运动特性探究单元，改变连架杆1和机架长 度的功能由带槽的连架杆1、带槽的机架、两套可自由拧紧的活动螺钉螺母实现。 螺钉穿过带槽的杆与另一边的特制螺母连接，拧紧螺钉即可将螺母固定在带槽 杆的特定位置，将需要连接的杆件和带槽杆后面的特制螺母用销钉相连，这样 就实现了需连接杆与带槽杆的连接，以及带槽杆的杆长变化。机架的长度变化 范围为40-150mm、连架杆变化范围为30-100mm、杆的长度值可以由杆上粘贴的 长度标尺读取。

所述平面四连杆机构的变换与运动特性探究单元，主要探究四连杆机构变 换、机构急回特性等知识点。在探究四连杆机构变换时，依次通过所述的改变 杆长活动螺母调节连架杆1和机架的长度，能够实现双曲柄、曲柄摇杆、双摇 杆机构的变换，记录杆件长度，从而探究不同机构的结构以及运动特性。在探 究急回特性时，改变杆长将机构变换为曲柄摇杆机构，转动手摇圆盘1，能观察 到连架杆1匀速转动时，连架杆2往返摆动的速度时快时慢，即为机构的急回 现象。

所述曲柄滑块机构的运动特性探究单元，此单元包括手摇圆盘2、丝杆、特 制螺母、导轨1、升降架、导轨2、滑块、连杆2、圆盘、电机1、支撑座1、支 撑座2、支撑座3、支撑座4、高度尺。所述电机为12V直流电机，通过支撑座 1固定在底板上，同时与圆盘1固连。所述手摇圆盘2与丝杆固连，丝杆由与底 板固定的支撑座3、支撑座4支撑。所述特制螺母与丝杆配合，同时特制螺母与 导轨1上滑块1固连。所述升降架一边与特制螺母固连，一边与底板固连。所 述导轨1与底板固连，导轨2与升降架上端固连，滑块2与导轨2配合，同时 滑块与连杆2铰链，连杆2与圆盘铰链，圆盘由支撑座4固定在底板上。

所述曲柄滑块机构的运动特性探究单元，主要探究曲柄滑块偏心距时曲柄 摇杆机构的运动特性变化。摇动手摇圆盘，由丝杆带动升降架上下运动，通过 与升降架固连的导轨2来调整偏心距，偏心距能由高度尺读出，偏心距调节范 围-15mm到60mm。用电机1带动圆盘转动，从而带动整个曲柄摇杆滑块机构运 动。从而观察记录不同偏心距对曲柄滑块机构运动的影响。

所述四杆机构的典型应用演示单元，此单元包括曲柄摇杆机构、导杆机构、 曲柄滑块机构、支撑座、电机2。所述曲柄摇杆机构、导杆机构、曲柄滑块机构 由支撑座固定在底板上。所述电机2为12V直流电机，由支撑座固定在底板上， 与连杆3固连作为整个单元的动力输入。曲柄滑块机构和导杆机构的原动件与 光轴1相连，曲柄摇杆机构的原动件与连杆4铰链，连杆4与导杆机构原动件 铰链。

所述四杆机构的典型应用演示单元，主要演示曲柄滑块发动机汽缸模型、 曲柄摇杆牛头刨床模型、双摇杆鹤氏起重机模型的运动情况。用电机2带动连 杆3转动，从而带动所述的曲柄摇杆机构、导杆机构、曲柄滑块机构运动，从 而能直观的看到机构的运动特点。

有益效果：

1、本发明质量轻体积小便于携带，解决了现有平面连杆机构教具大多数只 能放置于实验室，不能带入教室在讲解知识点的同时给学生做及时展示的问题。

2、本发明改变杆长时杆的长度可以直接由高度尺读出，解决了在验证杆长 之和条件时，学生必须使用量具手动测量杆长的问题。

3、本发明能动态演示和动手探究机构运动情况，解决了传统陈列柜只能做 典型机构的静态展示的问题。

4、本发明能形象直观的展现机构的急回特性和曲柄滑块机构偏心距与运动 情况之间的关系，解决了这两个方面没有实物教具，学生对这些概念的理解只 能停留在公式的推理与分析上，学习难度较大的问题。

5、本发明结构精简、讲解知识点集成度高，解决了市场上一些能实现动态 演示的平面连杆教具，配套的电子电路部分太复杂，体积庞大，讲解知识点集 成度低，性价比低的问题。

6、本发明安装在带有多个安装沟槽的铝型材底板上，拆装便捷，方便学生 进行动手探究。

7、本发明涵盖了平面连杆机构中所有基本结构，采用多机构组合能节省空 间提高集成度，同时能组合出新的结构，启发学生的创新思维。

8、本发明集机构演示与动手探究于一体，新颖形象的演示方式能激发学生 的学习兴趣，通过动手探究帮助学生理解复杂抽象的概念，提高学习效率。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的平面四连杆机构的变换与运动特性探究单元示意图；

图3为本发明的曲柄滑块机构的运动特性探究单元示意图；

图4为本发明的四杆机构的典型应用演示单元示意图；

其中：1-平面四连杆机构的变换与运动特性探究单元，2-曲柄滑块机构的 运动特性探究单元，3-四杆机构的典型应用演示单元，4-底板。

101-手摇圆盘1，102-连架杆1，103-长度标尺1，104-改变杆长的活动螺 母1，105-连杆1，106-长度标尺2，107-连架杆2，108-机架，109-改变杆长 的活动螺母2，110-支撑架A3，111-支撑架A1,112-支撑架A2。

201-手摇圆盘2，202-导轨1，203-丝杆，204-滑块1，205-特制螺母，206- 升降架，207-导轨2，208-滑块2，209-电机1，210-连杆2，211-圆盘，212- 支撑座B1，213-支撑座B2，214-支撑座B3，215-高度尺1，216-支撑座B4。

301-电机2，302-支撑座C1,303-联轴节，304-短轴，305-齿轮箱，306- 锥齿轮对，307-支撑座C2，308-支撑座C3，309-双摇杆机构杆3，310-双摇杆 机构杆2，311-双摇杆机构杆1，312-传动杆2，313-支撑座C4，314-传动杆1， 315-导杆机构杆1，316-曲柄滑块机构杆1,317-导杆机构杆2，318-曲柄滑块机 构圆筒，319-支撑座C6,320-导杆机构杆3，321-支撑座C5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方法进一步说明。

参见附图1，本发明包括平面四连杆机构的变换与运动特性探究单元、曲 柄滑块机构的运动特性探究单元、四杆机构的典型应用演示单元、底板。所述 三个单元固定在底板上。

参见附图2，所述平面四连杆机构的变换与运动特性探究单元，包括：手摇 圆盘1(101)，连架杆1(102)，长度标尺1(103)，改变杆长的活动螺母1(104)， 连杆1(105)，长度标尺2(106)，连架杆2(107)，机架(108)，改变杆长的 活动螺母2(109)，支撑架A3(110)，支撑架A1(111),支撑架A2(112)。所 述手摇圆盘1(101)通过支撑架A1(111)固定在所述底板(4)上，所述机架 (108)由支撑架A2(112)、支撑架A3(110)固定在底板(4)上。所述连架 杆1(102)与手摇圆盘1(101)固连，改变杆长的活动螺母1(104)中的螺钉 穿过连架杆1(102)的槽与螺母配合。所述连杆1(105)一端与螺母铰链，另 一端与连架杆2(107)的一端铰链。连架杆2(107)的另一端与改变杆长的活 动螺母2(109)的螺母铰链，改变杆长的活动螺母2(109)的螺钉穿过机架(108) 的槽与螺母配合。拧松改变杆长的活动螺钉螺母，在杆上的槽内移动，然后拧 紧就能改变杆长，实现四连杆机构的变换。转动手摇圆盘1(101)即能带动整 个机构运动。

参见附图3，所述曲柄滑块机构的运动特性探究单元，包括：手摇圆盘2 (201)，导轨1(202)，丝杆(203)，滑块1(204)，特制螺母(205)，升降架 (206)，导轨2(207)，滑块2(208)，电机1(209)，连杆2(210)，圆盘(211)， 支撑座B1(212)，支撑座B2(213)，支撑座B3(214)，高度尺1(215)，支撑 座B4(216)。所述电机1(209)为12V直流电机，通过支撑座B1(212)固定 在底板(4)上，同时与圆盘(211)固连。所述手摇圆盘2(201)与丝杆(203) 固连，丝杆(203)由与底板(4)固连的支撑座B3(214)、支撑座B4(216) 支撑。所述特制螺母(205)与丝杆(203)配合，同时特制螺母(205)与导轨 1(202)上配合的滑块1(204)固连，导轨1(202)与底板(4)固连。所述 升降架(206)一边与特制螺母(205)固连，一边与底板(4)固连。所述导轨 2(207)与升降架(206)上端固连，滑块2(208)与导轨2(207)配合，同 时滑块2(208)与连杆2(210)铰链，连杆2(210)与圆盘(211)铰链，圆 盘(211)由支撑座B2(213)固定在底板(4)上。转动手摇圆盘2(201)即 能改变升降架(206)的高度，从而调节曲柄滑块机构的偏心距，接通电机1(209) 即能带动整个机构运动。

参见附图4，所述四杆机构的典型应用演示单元，包括：电机2(301)，支 撑座C1(302),联轴节(303)，短轴(304)，齿轮箱(305)，锥齿轮对(306)， 支撑座C2(307)，支撑座C3(308)，双摇杆机构杆3(309)，双摇杆机构杆2 (310)，双摇杆机构杆1(311)，传动杆2(312)，支撑座C4(313)，传动杆1 (314)，导杆机构杆1(315)，曲柄滑块机构杆1(316),导杆机构杆2(317)， 曲柄滑块机构圆筒(318)，支撑座C6(319),导杆机构杆3(320)，支撑座C5 (321)。所述电机2(301)为12V直流电机，由支撑座C1(302)固定在底板 (4)上，由联轴节(303)与短轴(304)固连，短轴(304)与锥齿轮对(306) 固连，锥齿轮对(306)固定齿轮箱(305)内，齿轮箱(305)固定在底板(4) 上，传动杆1(314)与锥齿轮对(306)的输出齿轮固连，由支撑座C2(307) 和支撑座C4(313)固定在底板(4)上。所述传动杆1(314)穿过导杆机构杆 1(315)的槽，导杆机构杆1(315)与导杆机构杆2(317)铰链，导杆机构杆 2(317)与导杆机构杆3(320)铰链，导杆机构杆3(320)穿过支撑座C5(321) 的通孔，支撑座C5(321)与底板(4)固连。所述传动杆1(314)与曲柄滑块 机构杆1(316)铰链，曲柄滑块机构杆1(316)与曲柄滑块机构圆筒(318) 配合，曲柄滑块机构圆筒(318)由支撑座C6(319)与底板(4)固连。所述传 动杆2(312)与传动杆1(314)铰链，传动杆2(312)与双摇杆机构杆1(311) 铰链，双摇杆机构杆1(311)一端与双摇杆机构杆2(310)铰链，另一端与支 撑座C3(308)铰链，双摇杆机构杆3(309)一端与双摇杆机构杆2(310)铰 链，另一端与支撑座C3(308)铰链，支撑座C3(308)与底板(4)固连。连 通电机2(301)，由一个电机带动整个机构运动，展示四连杆机构的典型应用。