仿生铰链的组成结构及优缺点

传统铰链，不但结构复杂，而且大多数以金属材料为主，给安装、拆卸及使用过程带来了诸多不便，而仿生铰链的研究则以体积小、用料省、结构简单、可拆卸等为 主要特点进行研究，这种铰链可以在化妆品，工具盒等领域内广泛应用，是一种新型的铰链结构。

双贝类动物铰合部的工作机理的研究

天然双壳贝类动物的铰合部（在壳嘴和铰边之间的平面或曲面部分，前后两端通常有锐角状边缘与壳面的其余部分互相分开）具有非常精致的结构，无生命的两壳体还可以自由拆卸重装。 通过实验以及对双贝类动物铰合部结构的精细研究，可以发现双贝类的铰合部有比较简单而且精细的结构。其铰合部宽大，左壳具1个分叉的主齿，右壳有2个排列成八字形的主齿；两壳分开时，主齿上方外翻部分相啮合，使两壳不轻易分开，同时八字形主齿的厚度由顶部至下方呈坡度下降，此结构限制了两壳张合角度的大小；八字形主齿之间的距离越大，对两壳的张合角度限制就越小。侧齿发达，均成片状，在双壳左右咬合时，主要起固定作用，同时也具有一定的限制张合角度的作用。侧齿间的距离及高度是限制开合角度的主要因素。在确定了双贝类动物铰合部的大致结构后，为进一步了解其精细结构和尺寸，采用电子显微镜对其打磨后的铰合部进行放大，为下一步进行CATIA建模打下基础。

经过计算分析之后，发现蛤蜊铰合部位旋转角度较小，无法在实际应用中得到广泛的运用，但考虑到其结构简单，无中间连接轴且可以随意拆卸的特点，可以从这一点进行仿生建模，并且对其进行优化设计，增加开合角度。

仿生铰链的结构以及原理分析

通过对双贝类动物铰合部的研究，并综合其无中间连接轴，便于拆卸，结构简单等特点，抽象出所需的仿生铰链结构模型，并运用CATIA建立模型，其模型图如下：

应用CAD软件标注尺寸如下图：

该模型采用对数螺旋线设计，并运用单轴双圆弧旋转配合，具有 很好的旋转配合和稳定性，下面针对对数螺旋线的旋转配合进行光滑性、不干涉性以及连续性分析，并对单轴双圆弧的转角刚度设计进行分析。

对数螺旋线的相关分析

对数螺旋线由于其优良的工程特性，被广泛的应用于土木工程及动力机械工程，对数螺旋线的基本数学特性及工程特性分析如下：

如图所示为对数螺旋曲线，其极坐标方程为：r=r0eβθ （1）（r表示极径； r0表示起始圆半径；β表示螺旋角；θ表示极角）。 由文献知，对数螺旋线的两个最为有用的性质为：（1）同一条对数 螺旋线上各点螺旋角处处相等。（2）对数螺旋线和它的等距曲线全等。下面就对数螺旋线的相关特性进行分析。

光滑性分析

为使铰链能正常工作，铰链的工作段重合轮廓线应由简单曲线弧构成，在工作段轮廓上不出现奇异点，即曲线满足光滑性。由曲线光滑性的判断条件知，曲线是光滑的，即无奇异点。

不干涉性分析

铰链的两合页重合轮廓曲线作为一条运动曲线，在旋转过程中一个合页与另一个共轭合页作相对运动，为了保证轮廓的正常配合，要求铰链在满足上述条件情况下，还需满足不可干涉性，对于同轴旋转的铰链来说，一对合页是否发生曲率干涉，就是看与轴线垂直的平面里一对轮廓曲线是否发生干涉，因为两个相配合的合页的接触不外乎是两种情况：（1）凸轮廓与凸轮廓接触；（2）凸轮廓与凹轮廓接触，而凹齿廓和凹齿廓显然是不能正常接触的。通常，把凸轮廓的曲率取成负的，把凹轮廓的曲率取成正的。当两个凸轮廓接触时，这时不会发生曲率干涉，两齿廓的曲率之和为负，小于零；当凹、凸齿廓接触时，只有凹轮廓的曲率值小于凸轮廓的曲率的绝对值，才能避免曲率干涉，其和也要小于或等于零；如果是两个凹轮廓，其和大于零，若要旋合，定将产生干涉。这里选用的两个合页为凹凸配合，可以保证在旋转到一定角度时发生干涉，从而控制旋转的角度，同样也可以方便铰链的拆卸，具有可行性，符合模型要求。综上可知，仿生铰链的结构满足设计要求。

单轴双圆弧配合的转角刚度分析

关于单轴单圆弧及双轴双圆弧（参考建模图）的相关分析得单轴单圆弧与双轴双圆弧的转角刚度比值如下表：

上表中R为仿生铰链旋合处的圆弧曲率半径,t为仿生铰链的壁厚，从表中可以看出单轴双圆弧比单轴单圆弧弹性铰链的转角刚度要大，并且随着R／t值的增加，而变得越发明显。因此铰链采用单轴双圆弧的设计符合刚度要求。

仿生铰链的优缺点及应用发展前景

此次创新实验所研制的仿生铰链具有体积小、零件少、可拆卸且安装使用方便等优点，并在铰链研制领域运用了仿生学原理，因此该铰链可以广泛地运用在食品包装（便当等）、各种工具盒铰接以及化妆品包装等领域，具有较好地运用前景，但由于研究时间有限，仿生铰链的开合角度有一定的限制，这在今后的研究中还有待发展，为以后的课题研究打下基础。

总结

通过对仿生铰链的研究及分析，充分了解了仿生学的相关原理及操作模式，并了解了传统铰链的组成结构和优缺点。在当今社会的各种领域中，铰链都有着广泛的应用和发展前景，仿生学在各种实体模型的建造中也有着较好的引导作用，因此利用仿生学原理研制的新型铰链不 但具有非常高的创新性而且对于铰链应用方面也有着非常重要的研究意义。但其刚度分析和参数设计较为复杂，从而使其应用受到局限。所以，以后还需对其刚度分析进行简化，对形状及参数设计进一步优化。