李玉兰

摘要： 四连杆机构是《机械原理》课程教学的一项重要内容，比较抽象。利用AMESim仿真软件图形化建模方式，建立了四连杆机构的仿真模型用于动态演示，并可通过对单个参数及多个参数的改变生动形象地演示相关特性和概念。通过与传统教学手段的分析比较，表明在四连杆机构教学中应用AMESim可以有效地改善教学效果。

Abstract： Four bar linkage is an important content in teaching of the Mechanical Principle course， and it is abstract. With graphical modeling method based on AMESim， the model of four bar linkage mechanism simulation model is established for dynamic demonstration， and it can demonstrate vividly the related characteristic and concepts by changing one or more parameters. Thus it can improve the teaching effect obviously. It shows that AMESim can improve effect in teaching of four bar linkage mechanism， compared with traditional teaching method.

关键词： AMESim；仿真；四连杆机构；教学

Key words： AMESim；simulation；four-bar linkage mechanism；teaching

中图分类号：G642，TH111 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）03-0213-02

0 引言

四连杆机构作为最典型的一类平面连杆机构，是《机械原理》课程教学的一项重要内容，在实际教学中，四连杆机构各杆件的位置难以准确计算和画出，各参数之间的关系难以描述，致使该部分内容比较抽象，利用仿真软件建立模型可以进行演示以改善教学效果。

连杆机构常用的方法有几何法和解析法[1]。几何法直观方便但精度较低；解析法计算复杂但精度高。在计算机辅助设计与分析中得到普遍应用[2-3]。利用MATLAB等软件分析机构运动时，所建立的几何方程是含有三角函数的非线性方程组，求解困难，需要编写较复杂的数值求解程序，涉及选取积分算法、确定步长和差分格式等专业性较强的数学问题[4-6]，AMESim采用图形化建模方式，自动选择积分算法，可以在积分过程中监视方程特性的改变并自动变换积分算法以获得最佳结果，不需要推导复杂的数学模型，可以更多地关注问题本身，仿真效率高，使用方便。因此可以利用AMESim仿真软件图形化建模方式，可以方便地建立四连杆机构的仿真模型，进行动态演示，并通过对单个参数及多个参数的改变生动形象地演示相关特性和概念。

1 四连杆机构的几何方程

四连杆机构如图1所示。已知AB、BC、CD、DA的长度分别为L1=40mm，L2=100mm，L3=80mm，L4=120mm，主动件AB杆以角速度w绕铰接点A匀速转动。由封闭矢量四边形投影法[1]可建立如下方程组

L1cos？准1+L2cos？准2=L3cos？准3+L4L1sin？准1+L2sin？准2=L3sin？准3（1）

2 四连杆机构仿真模型的建立

在AMESim环境下新建一个文件，即进入草图模式，如图2所示。选取Planar Mechanical模型库中的相关元件，搭建四连杆机构。在草图模式下，只需要确定各杆件和铰接点的连接关系，不必考虑几何尺寸和位置关系。在模拟铰接点A的元件上，依次添加Mechanical模型库中的扭簧模型和角速度输入元件，以及Signal，Control模型库中的常量信号源，成为匀角速度的输入，所建立的模型如图3所示。图中左上角的两个元件分别用于进行重力设置和仿真前生成四连杆机构的装配流程。

在子模型模式中为所有元件选择默认的子模型。

进入参数模式，点击各元件分别设置参数。设置表示杆件L1、L2和L3的各元件的坐标值，由于各杆的坐标系是相互独立的，通过各杆两个端点在各自坐标系中的坐标值就可以计算出杆件的长度。L4的长度由模拟铰接点D的元件的x坐标来确定。此时已经完成一个可以运动的四连杆机构的仿真模型。但是，为了使机构的初始位置符合要求，还需要给定主动件AB杆的初始角度，以及BC杆的角度，从而保证机构运动的初始位置具有唯一性。完成参数设置后，点击左上角的装配元件，进入装配显示窗口可以看到如图4所示的装配关系图，但是各杆件并没有在初始位置上。

进入仿真模式，装配元件自动完成机构的装配过程，显示窗口中的图形由图4变成图5的样子，各杆件都已位于运动的初始位置。

设定仿真时间为10s，采样时间间隔为0.1s。运行之后，在显示窗口可以演示该四连杆机构的运动过程，图6所示为运行至第4s时的位置。

3 仿真运行结果

图7、图9所示分别为四连杆机构各杆随时间转动的时间—角度曲线和时间—角速度曲线，图8所示为L2、L3杆与L1杆转动角度的关系，图10中的曲线Y1和Y2分别表示铰接点C相对于铰接点A的距离和角度的随时间的变化情况。

4 结束语

利用AMESim建立四连杆机构的仿真模型，可以实现整个运动过程的动态演示；可以实现任意位置或任意运动时刻的定位；可以通过参数曲线比较各构件的运动和位置情况及相对变化情况，与传统教学手段相比，可以方便快捷、直观形象地展示出更多地信息，有助于改善教学效果。

参考文献：

[1]孙桓，陈作模，葛文杰．机械原理（第7版）[M]．北京：高等教育出版社，2006．

[2]王华杰．基于MATLAB的四连杆机构运动分析与动画模拟系统[J]．机械设计与制造，2005（5）：139-140．

[3]孟彩芳．机械原理电算分析与设计[M]．天津：天津大学出版社，2000．

[4]李燕．基于MATLAB的机构运动分析系统开发[J]．计算机辅助工程，2002（03）：27-29．

[5]周璐，陈渝，钱方等译．数值方法（第四版）[M]．北京：电子工业出版社，2010．

[6]姜波，徐家旺．非线性代数方程组的数值解法比较[J]．沈阳航空工业学院学报，2003，20（3）：72-74．

[7]阮江涛．数值方法在铰链四连杆机构运动分析的应用[J]．机械设计与制造，2007（9）：60-62．