浅谈机械基础教学

来源:用户上传      作者: 郑耿乐

　　本次课程的任务是教会大家怎么制作铰链四杆机构。为了达成这个总目标，我们必须要弄清楚铰链四杆机构的基本类型及其运动特点。最后，我们一起来探究曲柄存在的条件。那么什么是铰链四杆机构呢，它在我们的生活中又有哪些地方用到了铰链四杆机构呢？在日常生活中用到的开关，正好就用到了今天要给大家介绍的铰链四杆机构的基本原理。除此之外，在一些较大型的运输设备，比如说火车的一些工程机械上面也都用到了四杆机构的运动原理。我们说了半天的铰链四杆机构，那么什么是铰链四杆机构？要弄清楚这个问题，首先我们要知道什么是铰链。
　　铰链就是用来连接两个固体并运行二者之间做相互转动的机械装置。我们平时看到在门上的合页就是我们今天要给大家说的铰链。弄清楚了铰链的定义和概念，那么四杆机构的定义就呼之欲出了。
　　什么是铰链四杆机构——是四个杆件通过铰链连接而形成的传动机构，我们可以把它简称为四杆机构。在我们的生活当中，事实上在图片展示的内燃机的连杆、活塞和曲轴就用到了我们介绍的铰链四杆机构的基本原理。无论是火车也好，内燃机也好，还是装载机也好。它们从形式和外观上来讲都是大不相同的。那么怎样将它们当中不同的这些形态抽象出来变成我们的铰链四杆机构呢？为了方便我们的研究，将这些不同的机构的外形简化。用四条线代替四杆，用四杆小圆圈来代表四杆铰链。将固定不动的部分称之外机架，与机架直接相连的两根杆件称之为连架杆。而连接两连架杆的这个杆件就我们的连杆。经过这样的抽象，我们研究铰链四杆机构就变得简单一些了。根据杆件运动形式的不同， 称够作整圈回转运动的连架杆称之为曲柄，而不能够作整圈回转的连架杆称之为摇杆。正是有了这两个名字的不同，那么下面我就想请大家将我们上次课程准备好的十六根杆件以四名同学为一组，用你们手中的大头针和图钉按照我图示的样子将它们连接起来。看看你们做得这个铰链四杆机构与我刚才动画所展示的铰链四杆机构其运动特点是否一样。
　　经过刚才我们大家的制作，下面有请两组同学分别上台展示他们所制作的铰链四杆机构。发现第一组同学展示的铰链四杆机构有曲柄也有摇杆。而第二组同学展示的铰链四杆机构没有曲柄，也就是说不存在能够作整圈回转运动的杆件。那么这到底是怎么一回事呢？看来这两个名字的出现将我们的铰链四杆机构分成了几种类型。存在曲柄和摇杆的这组同学做的铰链四杆机构，由于它曲柄、摇杆都有，因此我们将其称之为曲柄摇杆机构。
　　经过刚才大家亲自动手的尝试，我们发现机架在铰链四杆机构当中是能够进行转换和调换的。那么这种将机架进行转换和调换的方式我们称之为机构倒置的现象。刚才我们看了曲柄摇杆机构的运动特点。将你们手中的铰链四杆机构中较短的一杆作为机架转动看看会有什么样的现象出现呢？好！刚才我们发现我们的两根连架杆都能围绕自身的铰链作整圈回转运动。这就是我们今天要探讨的第二中类型双曲柄机构。以曲柄摇杆机构当中最短杆作为机架，根据可逆性原理，两连架杆均可作整周回转运动。及形成双曲柄机构。双曲柄机构在日常生活当中运用也非常的广泛。那么由于双曲柄机构有两个能做整圈回转的杆件，而两个整圈回转的杆件长度是可调的。因此双曲柄机构通常被我们分成了三类。第一类叫做不等长双曲柄机构，也就是我们刚才看到的哪一种。第二种称之为正平行双曲柄机构。第三类叫作反平行双曲柄机构。刚才我们已经看到了不等长双曲柄机构的特点，那么它用在哪些地方呢。在牛头刨床和惯性筛上都用到了这种不等长双曲柄机构。正平行我们用在哪里呢？请大家想象一下火车车头，在车头上有三个主动轮，这三个轮子用到了类似与我们这里讲解的正平行双曲柄机构。两个连架杆以同样的速度作整圈回转运动看到这里，有的同学可能问，这不是四杆机构，出现了第五根杆，那么能不能将这根蓝色的杆件去掉。如果可以去掉，去掉之后又会有什么样的后果呢？接下来我们看看将它去掉后的结果。如果说我将刚才演示的正平行双曲柄机构中间这根杆件去掉，那么这个时候四杆机构当运动到某一特殊的时候，四个铰链会连成一条直线，这时候会出现一种运动不确定的情况。也就是我们这里看到的反平行双曲柄机构。反平行双曲柄机构经常用在公共汽车车门开发系统上。这是双曲柄机构的三种运用。实事上铰链四杆机构的分类在很大程度上依赖与两个连架杆之间是否存在着曲柄。既然有一个曲柄存在的情况，有两个曲柄出现的情况，那么有没有不存在曲柄的情况呢？这是我们今天要给大家看的第三种机构双摇杆机构。将曲柄摇杆机构当中的最短杆的对边固定不动作为机架的时候，即形成了我们这里看到的双摇杆机构。双摇杆机构运用也是很广泛的。可能某些在海边居住的同学看过这样一种机构。这是一个在海港港口上经常所用到的鹤式起重机。它可以将货物从轮船上平装到码头上，它用到的正好就是我们刚才介绍的双摇杆机构。大家看一下，它的机架虽然从形式上看是三角行的，但是我们完全将其看成是一个杆件。
　　通过刚才的探讨和介绍，在铰链四杆机构当中根据曲柄存在与否的情况，我们可以将铰链四杆机构分为如下的三类。如果说一个曲柄和一个摇杆出现的时候就叫做曲柄摇杆机构。两个曲柄都存在的时候就叫做双曲柄机构。而不存在曲柄的时候就称之为双摇杆机构。那么现在大家心里面是否有一个疑问呢？我作的这个机构到底符合这里的哪一种呢？这些问题下次课我们会得到一个满意的结果。

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