基于曲柄滑块机构的坐立结合椅设计

2014-12-23李嘉辉徐启荣周杰宇李锦城詹国祥陈楠楷

科技视界 2014年20期

李嘉辉徐启荣周杰宇李锦城詹国祥陈楠楷

（北京理工大学珠海学院机械与车辆学院，广东珠海 519088）

0 引言

随着社会的发展，高等院校的教学设备也在不断地完善。然而，对于机械专业的学生来说，工程制图无疑是一件令人身心疲惫的事情。毕竟在绘图时不仅需要十分专注同时还得长时间站立，故为了减轻学生在制图过程中的劳累，从而增强学生对制图的兴趣，激发学生对机械课程的热情，设计出能够满足坐立结合的制图椅，对全日制本科日的常教学有着相当的重要性。

1 坐立结合椅的设想

1.1 坐立结合椅的市场需求

除了上述所说的制图室之外，坐立结合椅还具有更为广阔的市场。鉴于市面上提供的办公椅，大多数是为了保证靠背的舒适度而采取凳面向后倾斜，然而像制图、绘画、发廊、前台服务、个人工作室等需要在站与坐之间频繁切换动作的工作环境里，一张凳面可向前倾斜的坐立结合椅定能让人倍感舒适。

1.2 坐立结合椅的功能设想

要对一件产品进行设计，首先应该做的就是明确设计目的。说白了就是将该产品必须满足功能一一罗列出来，然后为了实现这些所谓的功能要求再做进一步的思考。

对于假想中的坐立结合椅，为了适合不同类别人群的使用，并且考虑到人机结合的实用性，故要求所设计的椅子不仅需要满足实际使用要求，而且还要结合人机工程学[1]来满足更多的使用人群。最终对坐立结合椅总结出如下几点要求：（1）能够轻松实现升降功能，高度范围620～700mm；（2）可以将凳面向前倾斜，板面倾斜角度范围0～40°；（3）升降跟倾斜功能通过两个完全不同的动作来实现最佳。

1.3 坐立结合椅的设计

为了实现上述三个功能要求，下面来具体分析：

（1）实现升高降采用市面上广泛运用的气压杆，至于高度，用特定长度的支撑架足以满足相应的要求。

（2）要满足凳面倾斜，必须要解决的问题是传动机构与动力来源，由于在设计领域中的平面四杆机构应用极为广泛，为此，可以采用曲柄滑块机构来实现。

（3）坐立结合椅采取双气压杆，分别对凳面上升和凳面倾斜提供自锁力。为了让使用者更容易操作椅子的升降与凳面的倾斜，故对升降气压杆采取脚踏的形式让针阀上顶，而对倾斜角度气压杆则采用省力杠杆的手拉形式让针阀下压。这样便满足用户习惯去操作椅子而对升降与倾斜。

2 曲柄滑块机构的原理与运用

运用曲柄滑块机构来实现凳面倾斜功能时，必须考虑到传动机构与动力来源这两方面的因素，故下面通过两个实例应用来说明其工作原理，并在此基础上，进一步作创新性运用。

2.1 公交车气动门的实例分析

图1 气动门的运动工作状态

通过UG 三维模型[2]对公交车气动门做进一步剖析，如图1 所示，从而得出其运动机构简图，如图2 所示。

图2 气动门的机构简图

如图2(b)所示，该气动门传动装置实属曲柄滑块机构。车厢底部通过气压传动装置使曲柄1 发生转动，然后由连杆2 使得滑块3 沿着导轨进行平移。

值得注意的一点是：由于滑块3 与机架4 是以移动副的形式相连接，因而限制了连杆2（车门）的位置运动，最终不仅满足了公交车车门运动的要求，而且使得车厢内相对有限的位置空间得到了充分利用。

运用此工作原理，将櫈面假想作车门，并模仿车门的运动情况来达到凳面倾斜的功能。

2.2 内燃机活塞杆的实例分析

单活塞式内燃机的工作原理[2]是通过曲轴的旋转，用连杆给予活塞动力，使得活塞往复运动，最终把热能转变成机械能。

从基于Pro/E 的发动机曲柄滑块机构的运动仿真分析[3]可知，实现内燃机往复工作的正是曲柄滑块机构。如图3 所示。

图3 内燃机活塞杆的曲柄滑块机构[4]

在进气冲程时，作为主动件的活塞向下运动，燃油和空气的混和物进入汽缸。

在压缩冲程时，切换曲轴为主动件，通过连杆活塞向上运动，燃油和空气的混和气体被压缩，将机械能转化为内能。在做功冲程时，活塞再次成为主动件下行，将内能转化为机械能。在排气冲程时，活塞向上运动将燃烧后的废气排出，当活塞运动至最顶部时，排气阀关闭。

同理，将曲轴作为凳面，模仿单活塞杆内燃机的工作模式（即四冲程），间歇地切换曲柄滑块机构的主动件，从而实现曲轴不停的机械运动。

2.3 曲柄滑块机构的创新运用

经讨论过的两个实例运用进行仔细比较，不难发现两例实例有一个共同点：曲柄在一定的条件下充当主动件，借助连杆把动力传到滑块上，而滑块由始至终做的都是直线往复运动，这就是曲柄滑块机构的实际应用。

图4 凳面曲柄滑块机构

因此，我们可以利用这点，做出一个假想：将凳面的倾斜看作是一个转动副的转动，通过曲柄滑块机构将水平方向上凳面的转动巧妙地转化为竖直方向上的移动，如图5 所示。

当人坐上凳板的时候，借助人体的重力给曲柄滑块机构提供动力来源，通过连杆2 的传动，带动滑块3 沿凳面支撑杆作竖直方向上的移动，从而实现凳面向下倾斜的功能。

若想将凳面复位，则必须在滑块3 下方添置一根气压杆，通过手拉省力杠杆将气杆里的针阀顶入，气杆便能提供动力让滑块3 向上移动(前提是要保证阀内气体压力大于使用者本身的重力)，即使得滑块3 成为主动件，通过连杆2 传动将曲柄1(凳面)恢复水平位置。

通过曲柄滑块机构与气压杆的巧妙结合，在调节凳面倾斜度的过程中间歇地切换曲柄滑块机构的主动件，实现凳面的无障碍自由倾斜功能，同时实现了“无极锁”的功能，满足人机工程学的理论要求。如此一来，凳面倾斜的功能得以实现。

3 曲柄滑块机构的仿真与校验

鉴于曲柄滑块机构的MATLAB 仿真[5]，通过分析给定杆长的曲柄滑块机构的运动情况，并参照基于SimMechanics 的曲柄滑块机构运动分析[6]，结合该坐立结合椅的实际情况在MATLAB SimMechanics 中进行机构动态仿真，如图5 所示。

图5 曲柄滑块机构的仿真模型

根据上述模型的建立，其动态仿真结果如图6 图7 所示。

图6 曲柄滑块机构的仿真运动

图7 曲柄转过的角度随时间变化曲线

从仿真结果可见，对于曲柄长度为62mm，连杆长度为98mm 的曲柄滑块机构，通过传感器测出，当曲柄在重力的作用下转过42°时，滑块的最大位移量是60mm，而所选气杆的行程足以提供滑块60mm 的位移，此外，该位移量对于凳子支撑杆的总高度来说，相对较短，即可实现在滑块3 尽可能小的位移内使得曲柄1 得到较大幅度的转动，这样使用起来会更加灵活方便。故经过分析可知，用该曲柄滑块机构实现凳面倾斜从原理上基本满足设想的功能与要求。

4 坐立结合椅的三维建模与实物

4.1 坐立结合椅的三维建模

图8 凳面曲柄滑块机构三维图

对坐立结合椅在UG8.0 中进行三维建模，并进行运动仿真，建模结构如图8 所示。

4.2 坐立结合椅的加工实物图

对三维建模后的坐立结合椅进行渲染，并用AutoCAD 绘制零件与装配的工程图，对各部分零件进行加工，在团队协作下，历时两个多月，该作品的得以完成，如图9 所示。经过对实物成品作试验，证实了该设想的可行性，在实际中检验了理论知识。

5 结束语

经过本次对曲柄滑块机构的创新应用，从理论到实际上，切实地验证了一种新型坐立结合椅的可行性，从客观上也能看出其必要性和重要性。除此之外，当中的推广价值也尤其可观，出于解决学生制图舒适度而设计的坐立结合椅，不仅适用于日常教学的机械制图室里，还能用在以站立姿态进行作业的场合以及各种休闲活动集于一体的娱乐场所中。故该作品有着较强的实用性与推广性。