偏心輪教具的研制*

文 吳天銀 唐啟濤 黃志昆 韋金明

偏心輪教具的研制*

文 吳天銀 唐啟濤 黃志昆 韋金明

偏心輪即是這個輪的轉(zhuǎn)動軸偏離中心，可分為兩種，一種是固定軸心，一種是活動軸心。偏心輪在工業(yè)上主要用來產(chǎn)生振動，在前人研究的基礎(chǔ)上，我們創(chuàng)新開發(fā)，將該原理制作成偏心輪系列教具，并應(yīng)用到課堂和科普活動中，讓學(xué)生在動手制作的過程中學(xué)習(xí)科學(xué)知識。

一、二足行走類

1.原理

二足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型圖如圖1所示。二足機(jī)器人“足”的底部（腳掌）平面做成凹形（如圖2所示），使機(jī)器人單足著地時屹立不倒（如圖3所示），用轉(zhuǎn)動軸帶動偏心輪（如圖4所示）實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的雙“足”交替前行（如圖5所示），前進(jìn)過程中左腳1號線的腳先向前邁，右腳2號線靜止；1號前進(jìn)一步后暫時停下支撐身體重量，2號向前邁。前行軌跡如圖6所示，軸承帶動偏心輪轉(zhuǎn)動過程情況如圖7所示。

圖1 二足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

圖2 二足產(chǎn)品腳掌

圖3 單腳支撐平衡圖

圖4 轉(zhuǎn)動軸帶動偏心輪

圖5 腳交替前進(jìn)示意圖

圖6 前進(jìn)軌跡圖

圖7 偏心輪轉(zhuǎn)動圖

2.研制中需要解決的關(guān)鍵問題

為了制作順利進(jìn)行，需在制作前了解研制中需要注意的關(guān)鍵問題。

（1）電機(jī)的減速

普通電機(jī)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)超出產(chǎn)品需要，對電機(jī)減速需經(jīng)減速齒輪的作用，減速齒輪的工作原理如圖8所示，是利用了同軸轉(zhuǎn)動的齒輪角速度相等，半徑越大線速度越小。普通電機(jī)通過柱狀齒輪帶動第一個齒輪的外圈轉(zhuǎn)動，由于外圈的半徑大，線速度小，帶動第一個齒輪的轉(zhuǎn)動即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的第一次減速。第一個齒輪的內(nèi)圈又帶動第二個齒輪的外圈轉(zhuǎn)動，同理實(shí)現(xiàn)了第二次減速。由此達(dá)到了普通電機(jī)減速的目的。

（2）產(chǎn)品的平衡問題

腳掌的選材有一定的講究，該結(jié)構(gòu)是為增大接地面積以防止摔倒，用小木板觸地面積大或許能達(dá)到更好的保持身體的平衡。但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，用木板安裝時，木板寬度較大，前行時左右兩個腳的木板卡在一起，由于下軸承是固定結(jié)構(gòu)，電動機(jī)也因此被卡住而使二足產(chǎn)品無法前行。為了讓左右兩根線不卡在一起，不用木板而選用鐵線。因?yàn)殍F線已經(jīng)能達(dá)到使二足產(chǎn)品平衡的目的，且不會影響二足產(chǎn)品的前行，又達(dá)到美觀的效果。

單制作下軸承帶動二足產(chǎn)品前行已達(dá)到目的，但產(chǎn)品易因不平衡而摔倒。因此需在靠上位置再做一個軸承，用以保證二足產(chǎn)品重心的固定，達(dá)到前行過程中不會摔倒。

3.選材

（1）機(jī)身

偏心輪產(chǎn)品機(jī)身材料選用木板，該材料方便易取、價格低廉，學(xué)生在加工制作的過程中可提高動手能力，達(dá)到一舉多得的效果，適合在科學(xué)教育活動中批量使用。

（2）電機(jī)

可供選擇的電機(jī)有普通電機(jī)與減速電機(jī)，在此選用普通電機(jī)。普通電機(jī)轉(zhuǎn)速雖快但價格低廉，用普通電機(jī)來減速，可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)齒輪減速原理。在新課改的要求中，教師要教會學(xué)生獲取知識的方法，讓學(xué)生知其然，也知其所以然。運(yùn)用普通電機(jī)來減速是一個一舉多得的好方法。

（3）軸承

選用價格低廉、取材方便的鐵線。

（4）電池

圖8 減速齒輪

隨著手機(jī)的更新?lián)Q代，被淘汰成廢棄物的手機(jī)電池很多。該電池電壓高，能量大，壽命長，使用該電池作為制作偏心輪產(chǎn)品的電源達(dá)到廢物利用的目的，且該電池體積合適，取材方便，可循環(huán)利用，適合用來充當(dāng)偏心輪產(chǎn)品的電池。

為了給已安裝好的電池充電，需將萬能充電器觸頭用兩條電線連接出來（如圖9），達(dá)到方便充電的目的。

4.二足偏心輪系列產(chǎn)品的設(shè)計與制作

根據(jù)圖1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行制作，該產(chǎn)品的制作流程如下。

（1）設(shè)計機(jī)身的長寬高，并制作出成品（制作包括對木板進(jìn)行切割、打滑、磨平）。

（2）計算減速齒輪在木板中心所占的位置，在木板上畫線并打孔。打孔包括留空安放齒輪，以及橫向打孔安裝軸承固定齒輪。

（3）安裝軸承、齒輪、電機(jī)。

軸承：二足偏心輪系列的產(chǎn)品前行是由下齒輪的轉(zhuǎn)動而帶動“腳”的移動，因此該環(huán)節(jié)的制作過程中需要讓軸承與作為“腳”的木板緊密結(jié)合，若發(fā)生相對滑動，則電機(jī)將無法帶動二足機(jī)器前行。購買的塑料齒輪孔徑為1.9 mm，作為軸承的鐵線直徑也為1.9 mm，然而實(shí)驗(yàn)時沒有直徑為1.9 mm的電鉆鉆頭，直徑最接近的電轉(zhuǎn)為2 mm，因此，打孔后我們需要將作為軸承的鐵線與做“腳”的木板緊密相接，連接粘貼環(huán)節(jié)可使用AB膠。

齒輪：電機(jī)減速的過程要安裝數(shù)個齒輪，齒輪安裝需要打孔、裝軸、固定齒輪。注意打孔直徑、孔間距離等細(xì)節(jié)。減速齒輪間需緊密相連防止相對滑動，安裝前測量齒輪的直徑，計算好軸承所需安裝的位置。用電鉆給安裝軸承的木板打孔時，將木板固定好以防打偏，實(shí)物圖如圖10所示。

圖9 充電裝置

圖10 齒輪安裝實(shí)物圖

電機(jī)：電機(jī)轉(zhuǎn)動存在一定的抖動，安裝時需將電機(jī)與木板牢固結(jié)合在一起。該環(huán)節(jié)可用鉗子扭緊鐵線將電機(jī)與木板固定在一起。

（4）設(shè)計出左右支撐軸的長寬高，并裁剪制作出合適的木板，安裝到機(jī)身上，用來帶動“腳”的運(yùn)動。支撐軸的上部分為中間鏤空的結(jié)構(gòu)，并用鐵線安裝到其中間，用以控制機(jī)身的重心在某一范圍內(nèi)，達(dá)到平衡的目的。

（5）裁剪出適合長度的木板，作為“腳”安裝到支撐軸上。

（6）在運(yùn)動過程中僅有一個“腳”在支撐身體的重量，且“腳”的長度大但寬度小，因此運(yùn)動時不能保證身體的平衡。為此需要用鐵線安裝在腳上，使腳板形成矩形支撐的結(jié)構(gòu)，制作實(shí)物如圖11所示。

為了提高趣味性，讓學(xué)生動腦思考、相互討論進(jìn)行產(chǎn)品的改進(jìn)?？稍诙惝a(chǎn)品上安裝一個遙控模塊，安裝后可達(dá)到像遙控汽車一樣，具有高度的趣味性，可吸引學(xué)生（特別是男生）的學(xué)習(xí)興趣。一套遙控模塊（包括發(fā)射模塊、接收模塊）一般為8元，這項(xiàng)改進(jìn)要根據(jù)學(xué)校的經(jīng)費(fèi)而定。

圖11 二足產(chǎn)品實(shí)物圖

二、六足向前爬行類

1.原理

四足與六足的產(chǎn)品原理大致相同，四足產(chǎn)品在一個電機(jī)的轉(zhuǎn)動下經(jīng)過偏心結(jié)構(gòu)帶動前足前行，在前足上安裝一根鐵線來帶動后足的前行，簡易結(jié)構(gòu)圖如圖12所示。六足產(chǎn)品為四足產(chǎn)品的延伸，六足產(chǎn)品分前中后3對腳，電機(jī)安裝在中間用偏心結(jié)構(gòu)帶動中間雙足的運(yùn)動，如四足產(chǎn)品一樣，在中足上安裝一條鐵線帶動前后足的運(yùn)動。

圖12 四足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

2.研制中需要解決的關(guān)鍵問題

（1） 電機(jī)的減速

普通電機(jī)的轉(zhuǎn)速太快，直接應(yīng)用會導(dǎo)致四、六足產(chǎn)品在前行時大幅度抖動，容易摔倒。電機(jī)的減速原理與二足產(chǎn)品中電機(jī)減速原理相同。

（2）前足帶動后足

用鐵線帶動前（后）足的運(yùn)動。在前足上方與后足靠近機(jī)身底部的地方打孔，測量兩孔的距離，剪下比兩孔長度稍長的鐵線（其他材料也可），將鐵線兩末端彎曲弄成一個閉合的圓圈（如圖13所示），然后將有圓圈的牽引軸鐵線用稍短（比腳的厚度與鐵線直徑長5 mm左右）的鐵線連接起來，連接時需要注意作連線的鐵線未與腳固定，鐵線兩末端繞圈的目的是讓鐵線能夠在腳運(yùn)動時自由轉(zhuǎn)動。

圖13 軸承帶動前后足運(yùn)動

（3）產(chǎn)品的平衡問題

四、六足產(chǎn)品平衡問題，制作時要注意每個“腳”的長度要相等，安裝到機(jī)身的高度也要相等。由于四足產(chǎn)品在前行過程中僅有一側(cè)（左或右）的兩個腳支撐整體重力，因此安裝電機(jī)時要注意將電機(jī)安裝在中心位置，確保重心處于中心。六足產(chǎn)品在前進(jìn)過程中有3個“腳”支撐機(jī)身的重力，因此更容易達(dá)到平衡。

3.選材

機(jī)身：根據(jù)產(chǎn)品需要及取材難易程度等諸多方面因素，可結(jié)合實(shí)際情況于生活選材。學(xué)生可將玩具車機(jī)型改裝，也可用塑料瓶、鐵線、木板等物品制作。根據(jù)通用技術(shù)課偏心輪產(chǎn)品機(jī)身選用木板加工制作而成。材料方便易取，價格低廉，適用于科學(xué)教育活動中批量使用，學(xué)生在加工制作的過程中還可以提高動手能力，達(dá)到一舉多得的效果。

電池：手機(jī)中的鋰離子可充電電池（原因與二足產(chǎn)品中所述一致）。

腳：選用取材方便、價格低廉的有機(jī)玻璃或木板。

電機(jī)：選用普通電機(jī)（原因與二足產(chǎn)品中所述一致）。

4.制作

四足產(chǎn)品簡易制作流程如下。

（1）設(shè)計用于安裝齒輪及電機(jī)的木板（機(jī)身）的長寬高，并制作出成品（制作包括對木板進(jìn)行切割、打滑、磨平）。

（2）計算減速齒輪在木板中心所占的位置，在木板上畫線并打孔。打孔包括留空安放齒輪，以及橫向打孔安裝軸承固定齒輪，安裝上齒輪與電機(jī)。

（3）用塑料瓶制作機(jī)身，將安裝有電機(jī)和齒輪的木板放到瓶內(nèi)，并用鐵線將其與塑料瓶牢固相連。

（4）設(shè)計出四腳的高度，并裁剪有機(jī)玻璃（或木板）制作出腳，安裝到作品上，前足的中部鏤空使前足前進(jìn)時能上下移動，用鐵線或有機(jī)玻璃鏈接前后足，使前足帶動后足運(yùn)動。

產(chǎn)品應(yīng)用時讓學(xué)生動腦設(shè)計，把塑料外殼換成其他美觀、富有創(chuàng)造性的外殼。從四足產(chǎn)品拓展到六足，使產(chǎn)品內(nèi)容豐富多彩。四足類產(chǎn)品制作成品如圖14所示，六足成品如圖15所示。??

圖14 四足產(chǎn)品實(shí)物圖

圖15 六足產(chǎn)品實(shí)物圖

三、“蝸牛”拖動尾部前行類

1.原理

自然界中蝸牛前行時尾巴拖動前進(jìn)，課堂中要通過偏心輪的特性，仿照蝸牛前行的特點(diǎn)，做到前行時尾巴像蝸牛一樣由身體拖動尾部前進(jìn)的有趣產(chǎn)品。“蝸?！钡暮喴捉Y(jié)構(gòu)圖如圖16所示，電動機(jī)安裝在蝸牛身體的部分，身體運(yùn)動通過木板帶動輪子（用光盤制作）轉(zhuǎn)動，進(jìn)而由木板拖動尾巴前行。

圖16 “蝸?！焙喴捉Y(jié)構(gòu)圖

2.研制中需要解決的關(guān)鍵問題

不同的產(chǎn)品在研制過程中面臨著不同的問題，“蝸?！毖兄频年P(guān)鍵問題為應(yīng)用偏心輪結(jié)構(gòu)設(shè)計尾部的拖動，其次則為“蝸?！毖劬Φ难兄疲送狻拔伵！鼻靶兴俣容^慢，需將普通電機(jī)進(jìn)行減速。以下將從尾巴與眼睛進(jìn)行概述。

（1）設(shè)計尾部的拖動

用鐵線做軸承連接兩個光盤，軸承接在離光盤圓心半徑1/2處的位置，用2塊木塊接在該軸上（木塊與鐵線能夠相對轉(zhuǎn)動），一塊木塊與蝸牛前部分相連，使前部帶動光盤運(yùn)動；另一塊木塊與尾巴相連，使光盤轉(zhuǎn)動時將尾巴向前拖動。

使用直徑為1.9 mm的鐵線作為連接兩后輪（光盤）并帶動“尾巴”前行的軸承。在光盤打孔的孔徑最小僅為2.0 mm，帶動尾部旋轉(zhuǎn)的軸承需要與作為輪子的光盤緊密結(jié)合，以防打滑（軸承與輪子相對滑動）而使“蝸?！睙o法前行，光盤厚度小，使用AB膠進(jìn)行黏合時光盤與鐵線的黏合面積小，為此應(yīng)該在光盤與鐵線黏合處將光盤用有機(jī)玻璃（或木板）進(jìn)行加厚。

（2）眼睛的安裝

為了使“蝸?！备呷の缎裕捎冒l(fā)光裝置制作眼睛。線路的連接中，從電源正極連電線致頭部，接發(fā)光二極管后再回電池負(fù)極，兩個眼睛相互并聯(lián)。電路連接好后用鐵線將眼睛支撐起來，達(dá)到模仿蝸牛的目的。

3.選材

機(jī)身、尾巴：選用木頭。

輪子：商場上的玩具車的車輪為工業(yè)制作而成，生產(chǎn)工藝成熟，元器件的成本低，在通用技術(shù)的課堂中可以運(yùn)用，輪子的材料還可以于生活中選材，如用將木頭加工成圓形車輪，但此方法取材雖然方便，但加工過程會消耗學(xué)生大量的時間。科技發(fā)達(dá)的今天，家里的音頻娛樂已由計算機(jī)代替了舊一代DVD影碟機(jī)，因此家庭中的DVD光盤漸漸被淘汰成為廢棄物品。用光盤作為偏心輪作品的輪子取材方便，成本低廉，達(dá)到廢物利用的目的，也是為學(xué)生學(xué)習(xí)保護(hù)環(huán)境、愛護(hù)自然的良好方式。

眼睛：選用發(fā)光二極管，它具有耗電低、亮度大等優(yōu)點(diǎn)。

電機(jī)：選用價格低廉的普通電機(jī)。

4.制作

“蝸?！碑a(chǎn)品簡易制作流程如下。

（1）設(shè)計機(jī)身的長寬高，用于安裝齒輪和電機(jī)，制作出成品（制作包括對木板進(jìn)行切割、打滑、磨平）。

（2）計算減速齒輪在木板中心所占的位置，在木板上畫線裁剪并打孔。打孔包括留空安放齒輪，以及橫向打孔安裝軸承固定齒輪，安裝上齒輪與電機(jī)。

（3）電機(jī)固定之后在軸承上安裝輪子，將發(fā)光二極管接入電路，用鐵線支撐蝸牛的眼睛。

（4）用鐵線做軸承連接2個光盤，軸承接在離光盤圓心半徑1/2處的位置，用木塊將光盤與蝸牛前部分相連，使前部帶動后面結(jié)構(gòu)運(yùn)動。

（5）安裝上尾巴。為了讓尾巴達(dá)到拖動前行的效果，需在光盤上的軸承上再安裝一塊木板，通過木板連接尾巴，在運(yùn)動過程中軸承隨著光盤的轉(zhuǎn)動而作圓周運(yùn)動。蝸牛制作成品如圖17所示，在課堂上應(yīng)用時，讓學(xué)生動腦進(jìn)行設(shè)計與改進(jìn)，將作品美化，并加上富有創(chuàng)造性的外殼、做成形象生動的作品。

圖17 “蝸?！背善穼?shí)物圖

四、偏心輪系列教具的拓展

偏心輪系列教具延伸作品有“小人走鋼絲”“電力小船”“八足螃蟹”等。“小人走鋼絲”結(jié)構(gòu)為抬起手的小人用雙手在鋼絲上走動。結(jié)構(gòu)如圖18所示，實(shí)物如圖19所示?！半娏π〈睂?shí)物圖如圖20所示。

圖18 “小人走鋼絲”結(jié)構(gòu)圖

圖19 “小人走鋼絲”實(shí)物圖

圖20 “電力小船”實(shí)物圖

五、結(jié)束語

偏心輪系列的產(chǎn)品在商業(yè)活動中已廣泛使用，然而將該系列產(chǎn)品應(yīng)用于中小學(xué)課堂和科普活動中的實(shí)例很少。該系列產(chǎn)品花樣多，趣味性強(qiáng)，制作過程可鍛煉學(xué)生的小組合作能力、實(shí)驗(yàn)動手能力、分析實(shí)際問題能力等，在“玩”的過程中動手制作、動腦思考，學(xué)習(xí)偏心輪、齒輪同軸運(yùn)動等知識。將偏心輪系列作品應(yīng)用于課堂和科普活動中，引導(dǎo)學(xué)生課外探究，給廣大群眾普及科普知識，在教學(xué)資源、科普資源發(fā)掘方面具有創(chuàng)新性。

作者信息

吳天銀，在讀本科生。廣西民族師范學(xué)院，532200

韋金明，碩士，副教授。廣西民族師范學(xué)院，532200

廣西民族師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目“科普產(chǎn)品的開發(fā)與研究”（編號：201310604012）和2013年廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“以地方高師院校為依托的邊遠(yuǎn)地區(qū)青少年科普教育創(chuàng)新示范平臺的構(gòu)建”（編號：桂科能1347016-2-11）