淺談機械基礎教學

本次課程的任務是教會大家怎么制作鉸鏈四桿機構。為了達成這個總目標，我們必須要弄清楚鉸鏈四桿機構的基本類型及其運動特點。最后，我們一起來探究曲柄存在的條件。那么什么是鉸鏈四桿機構呢，它在我們的生活中又有哪些地方用到了鉸鏈四桿機構呢？在日常生活中用到的開關，正好就用到了今天要給大家介紹的鉸鏈四桿機構的基本原理。除此之外，在一些較大型的運輸設備，比如說火車的一些工程機械上面也都用到了四桿機構的運動原理。我們說了半天的鉸鏈四桿機構，那么什么是鉸鏈四桿機構？要弄清楚這個問題，首先我們要知道什么是鉸鏈。

鉸鏈就是用來連接兩個固體并運行二者之間做相互轉動的機械裝置。我們平時看到在門上的合頁就是我們今天要給大家說的鉸鏈。弄清楚了鉸鏈的定義和概念，那么四桿機構的定義就呼之欲出了。

什么是鉸鏈四桿機構——是四個桿件通過鉸鏈連接而形成的傳動機構，我們可以把它簡稱為四桿機構。在我們的生活當中，事實上在圖片展示的內燃機的連桿、活塞和曲軸就用到了我們介紹的鉸鏈四桿機構的基本原理。無論是火車也好，內燃機也好，還是裝載機也好。它們從形式和外觀上來講都是大不相同的。那么怎樣將它們當中不同的這些形態抽象出來變成我們的鉸鏈四桿機構呢？為了方便我們的研究，將這些不同的機構的外形簡化。用四條線代替四桿，用四桿小圓圈來代表四桿鉸鏈。將固定不動的部分稱之外機架，與機架直接相連的兩根桿件稱之為連架桿。而連接兩連架桿的這個桿件就我們的連桿。經過這樣的抽象，我們研究鉸鏈四桿機構就變得簡單一些了。根據桿件運動形式的不同， 稱夠作整圈回轉運動的連架桿稱之為曲柄，而不能夠作整圈回轉的連架桿稱之為搖桿。正是有了這兩個名字的不同，那么下面我就想請大家將我們上次課程準備好的十六根桿件以四名同學為一組，用你們手中的大頭針和圖釘按照我圖示的樣子將它們連接起來。看看你們做得這個鉸鏈四桿機構與我剛才動畫所展示的鉸鏈四桿機構其運動特點是否一樣。

經過剛才我們大家的制作，下面有請兩組同學分別上臺展示他們所制作的鉸鏈四桿機構。發現第一組同學展示的鉸鏈四桿機構有曲柄也有搖桿。而第二組同學展示的鉸鏈四桿機構沒有曲柄，也就是說不存在能夠作整圈回轉運動的桿件。那么這到底是怎么一回事呢？看來這兩個名字的出現將我們的鉸鏈四桿機構分成了幾種類型。存在曲柄和搖桿的這組同學做的鉸鏈四桿機構，由于它曲柄、搖桿都有，因此我們將其稱之為曲柄搖桿機構。

經過剛才大家親自動手的嘗試，我們發現機架在鉸鏈四桿機構當中是能夠進行轉換和調換的。那么這種將機架進行轉換和調換的方式我們稱之為機構倒置的現象。剛才我們看了曲柄搖桿機構的運動特點。將你們手中的鉸鏈四桿機構中較短的一桿作為機架轉動看看會有什么樣的現象出現呢？好！剛才我們發現我們的兩根連架桿都能圍繞自身的鉸鏈作整圈回轉運動。這就是我們今天要探討的第二中類型雙曲柄機構。以曲柄搖桿機構當中最短桿作為機架，根據可逆性原理，兩連架桿均可作整周回轉運動。及形成雙曲柄機構。雙曲柄機構在日常生活當中運用也非常的廣泛。那么由于雙曲柄機構有兩個能做整圈回轉的桿件，而兩個整圈回轉的桿件長度是可調的。因此雙曲柄機構通常被我們分成了三類。第一類叫做不等長雙曲柄機構，也就是我們剛才看到的哪一種。第二種稱之為正平行雙曲柄機構。第三類叫作反平行雙曲柄機構。剛才我們已經看到了不等長雙曲柄機構的特點，那么它用在哪些地方呢。在牛頭刨床和慣性篩上都用到了這種不等長雙曲柄機構。正平行我們用在哪里呢？請大家想象一下火車車頭，在車頭上有三個主動輪，這三個輪子用到了類似與我們這里講解的正平行雙曲柄機構。兩個連架桿以同樣的速度作整圈回轉運動看到這里，有的同學可能問，這不是四桿機構，出現了第五根桿，那么能不能將這根藍色的桿件去掉。如果可以去掉，去掉之后又會有什么樣的后果呢？接下來我們看看將它去掉后的結果。如果說我將剛才演示的正平行雙曲柄機構中間這根桿件去掉，那么這個時候四桿機構當運動到某一特殊的時候，四個鉸鏈會連成一條直線，這時候會出現一種運動不確定的情況。也就是我們這里看到的反平行雙曲柄機構。反平行雙曲柄機構經常用在公共汽車車門開發系統上。這是雙曲柄機構的三種運用。實事上鉸鏈四桿機構的分類在很大程度上依賴與兩個連架桿之間是否存在著曲柄。既然有一個曲柄存在的情況，有兩個曲柄出現的情況，那么有沒有不存在曲柄的情況呢？這是我們今天要給大家看的第三種機構雙搖桿機構。將曲柄搖桿機構當中的最短桿的對邊固定不動作為機架的時候，即形成了我們這里看到的雙搖桿機構。雙搖桿機構運用也是很廣泛的。可能某些在海邊居住的同學看過這樣一種機構。這是一個在海港港口上經常所用到的鶴式起重機。它可以將貨物從輪船上平裝到碼頭上，它用到的正好就是我們剛才介紹的雙搖桿機構。大家看一下，它的機架雖然從形式上看是三角行的，但是我們完全將其看成是一個桿件。

通過剛才的探討和介紹，在鉸鏈四桿機構當中根據曲柄存在與否的情況，我們可以將鉸鏈四桿機構分為如下的三類。如果說一個曲柄和一個搖桿出現的時候就叫做曲柄搖桿機構。兩個曲柄都存在的時候就叫做雙曲柄機構。而不存在曲柄的時候就稱之為雙搖桿機構。那么現在大家心里面是否有一個疑問呢？我作的這個機構到底符合這里的哪一種呢？這些問題下次課我們會得到一個滿意的結果。