傳統(tǒng)鉸鏈，不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且大多數(shù)以金屬材料為主，給安裝、拆卸及使用過程帶來了諸多不便，而仿生鉸鏈的研究則以體積小、用料省、結(jié)構(gòu)簡單、可拆卸等為 主要特點(diǎn)進(jìn)行研究，這種鉸鏈可以在化妝品，工具盒等領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用，是一種新型的鉸鏈結(jié)構(gòu)。

雙貝類動(dòng)物鉸合部的工作機(jī)理的研究

天然雙殼貝類動(dòng)物的鉸合部（在殼嘴和鉸邊之間的平面或曲面部分，前后兩端通常有銳角狀邊緣與殼面的其余部分互相分開）具有非常精致的結(jié)構(gòu)，無生命的兩殼體還可以自由拆卸重裝。 通過實(shí)驗(yàn)以及對(duì)雙貝類動(dòng)物鉸合部結(jié)構(gòu)的精細(xì)研究，可以發(fā)現(xiàn)雙貝類的鉸合部有比較簡單而且精細(xì)的結(jié)構(gòu)。其鉸合部寬大，左殼具1個(gè)分叉的主齒，右殼有2個(gè)排列成八字形的主齒；兩殼分開時(shí)，主齒上方外翻部分相嚙合，使兩殼不輕易分開，同時(shí)八字形主齒的厚度由頂部至下方呈坡度下降，此結(jié)構(gòu)限制了兩殼張合角度的大小；八字形主齒之間的距離越大，對(duì)兩殼的張合角度限制就越小。側(cè)齒發(fā)達(dá)，均成片狀，在雙殼左右咬合時(shí)，主要起固定作用，同時(shí)也具有一定的限制張合角度的作用。側(cè)齒間的距離及高度是限制開合角度的主要因素。在確定了雙貝類動(dòng)物鉸合部的大致結(jié)構(gòu)后，為進(jìn)一步了解其精細(xì)結(jié)構(gòu)和尺寸，采用電子顯微鏡對(duì)其打磨后的鉸合部進(jìn)行放大，為下一步進(jìn)行CATIA建模打下基礎(chǔ)。

經(jīng)過計(jì)算分析之后，發(fā)現(xiàn)蛤蜊鉸合部位旋轉(zhuǎn)角度較小，無法在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛的運(yùn)用，但考慮到其結(jié)構(gòu)簡單，無中間連接軸且可以隨意拆卸的特點(diǎn)，可以從這一點(diǎn)進(jìn)行仿生建模，并且對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加開合角度。

仿生鉸鏈的結(jié)構(gòu)以及原理分析

通過對(duì)雙貝類動(dòng)物鉸合部的研究，并綜合其無中間連接軸，便于拆卸，結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，抽象出所需的仿生鉸鏈結(jié)構(gòu)模型，并運(yùn)用CATIA建立模型，其模型圖如下：

應(yīng)用CAD軟件標(biāo)注尺寸如下圖：

該模型采用對(duì)數(shù)螺旋線設(shè)計(jì)，并運(yùn)用單軸雙圓弧旋轉(zhuǎn)配合，具有 很好的旋轉(zhuǎn)配合和穩(wěn)定性，下面針對(duì)對(duì)數(shù)螺旋線的旋轉(zhuǎn)配合進(jìn)行光滑性、不干涉性以及連續(xù)性分析，并對(duì)單軸雙圓弧的轉(zhuǎn)角剛度設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

對(duì)數(shù)螺旋線的相關(guān)分析

對(duì)數(shù)螺旋線由于其優(yōu)良的工程特性，被廣泛的應(yīng)用于土木工程及動(dòng)力機(jī)械工程，對(duì)數(shù)螺旋線的基本數(shù)學(xué)特性及工程特性分析如下：

如圖所示為對(duì)數(shù)螺旋曲線，其極坐標(biāo)方程為：r=r0eβθ （1）（r表示極徑； r0表示起始圓半徑；β表示螺旋角；θ表示極角）。 由文獻(xiàn)知，對(duì)數(shù)螺旋線的兩個(gè)最為有用的性質(zhì)為：（1）同一條對(duì)數(shù) 螺旋線上各點(diǎn)螺旋角處處相等。（2）對(duì)數(shù)螺旋線和它的等距曲線全等。下面就對(duì)數(shù)螺旋線的相關(guān)特性進(jìn)行分析。

光滑性分析

為使鉸鏈能正常工作，鉸鏈的工作段重合輪廓線應(yīng)由簡單曲線弧構(gòu)成，在工作段輪廓上不出現(xiàn)奇異點(diǎn)，即曲線滿足光滑性。由曲線光滑性的判斷條件知，曲線是光滑的，即無奇異點(diǎn)。

不干涉性分析

鉸鏈的兩合頁重合輪廓曲線作為一條運(yùn)動(dòng)曲線，在旋轉(zhuǎn)過程中一個(gè)合頁與另一個(gè)共軛合頁作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為了保證輪廓的正常配合，要求鉸鏈在滿足上述條件情況下，還需滿足不可干涉性，對(duì)于同軸旋轉(zhuǎn)的鉸鏈來說，一對(duì)合頁是否發(fā)生曲率干涉，就是看與軸線垂直的平面里一對(duì)輪廓曲線是否發(fā)生干涉，因?yàn)閮蓚€(gè)相配合的合頁的接觸不外乎是兩種情況：（1）凸輪廓與凸輪廓接觸；（2）凸輪廓與凹輪廓接觸，而凹齒廓和凹齒廓顯然是不能正常接觸的。通常，把凸輪廓的曲率取成負(fù)的，把凹輪廓的曲率取成正的。當(dāng)兩個(gè)凸輪廓接觸時(shí)，這時(shí)不會(huì)發(fā)生曲率干涉，兩齒廓的曲率之和為負(fù)，小于零；當(dāng)凹、凸齒廓接觸時(shí)，只有凹輪廓的曲率值小于凸輪廓的曲率的絕對(duì)值，才能避免曲率干涉，其和也要小于或等于零；如果是兩個(gè)凹輪廓，其和大于零，若要旋合，定將產(chǎn)生干涉。這里選用的兩個(gè)合頁為凹凸配合，可以保證在旋轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)發(fā)生干涉，從而控制旋轉(zhuǎn)的角度，同樣也可以方便鉸鏈的拆卸，具有可行性，符合模型要求。綜上可知，仿生鉸鏈的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

單軸雙圓弧配合的轉(zhuǎn)角剛度分析

關(guān)于單軸單圓弧及雙軸雙圓?。▍⒖冀D）的相關(guān)分析得單軸單圓弧與雙軸雙圓弧的轉(zhuǎn)角剛度比值如下表：

上表中R為仿生鉸鏈旋合處的圓弧曲率半徑,t為仿生鉸鏈的壁厚，從表中可以看出單軸雙圓弧比單軸單圓弧彈性鉸鏈的轉(zhuǎn)角剛度要大，并且隨著R／t值的增加，而變得越發(fā)明顯。因此鉸鏈采用單軸雙圓弧的設(shè)計(jì)符合剛度要求。

仿生鉸鏈的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用發(fā)展前景

此次創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)所研制的仿生鉸鏈具有體積小、零件少、可拆卸且安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)，并在鉸鏈研制領(lǐng)域運(yùn)用了仿生學(xué)原理，因此該鉸鏈可以廣泛地運(yùn)用在食品包裝（便當(dāng)?shù)龋?、各種工具盒鉸接以及化妝品包裝等領(lǐng)域，具有較好地運(yùn)用前景，但由于研究時(shí)間有限，仿生鉸鏈的開合角度有一定的限制，這在今后的研究中還有待發(fā)展，為以后的課題研究打下基礎(chǔ)。

總結(jié)

通過對(duì)仿生鉸鏈的研究及分析，充分了解了仿生學(xué)的相關(guān)原理及操作模式，并了解了傳統(tǒng)鉸鏈的組成結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)。在當(dāng)今社會(huì)的各種領(lǐng)域中，鉸鏈都有著廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景，仿生學(xué)在各種實(shí)體模型的建造中也有著較好的引導(dǎo)作用，因此利用仿生學(xué)原理研制的新型鉸鏈不 但具有非常高的創(chuàng)新性而且對(duì)于鉸鏈應(yīng)用方面也有著非常重要的研究意義。但其剛度分析和參數(shù)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，從而使其應(yīng)用受到局限。所以，以后還需對(duì)其剛度分析進(jìn)行簡化，對(duì)形狀及參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化。