一種多功能的組合機械教具的研究

黃松霖 蔡永偉 姜文艷 何一平 付鴻儒

摘要：本文針對教具市場的現(xiàn)狀，介紹了一種多功能的組合的教具。涉及到機械教具領(lǐng)域，尤其是一種多功能的組合機械教具。目的在于提供一種適用于教學(xué)，集成九種機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)于一體的多功能機械教具。在研究過程中，解決了如何排列九種不同的機械結(jié)構(gòu)的問題，選定了異步電機做為組合機械教具的動力，對于重量問題進行了材料的選取，對于裝配結(jié)構(gòu)的便攜性也提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：機械教具;機械創(chuàng)新;組合傳動;機械基礎(chǔ)

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）10-0018-03

1 研究背景

隨著機械行業(yè)的迅速發(fā)展，各高等院校、?？圃盒τ陂_設(shè)的機械類學(xué)科之中，大多停留在書本知識上面，對于基本的機械結(jié)構(gòu)的組成不被學(xué)生所了解，再因校企合作不夠完善的原因，導(dǎo)致機械工程學(xué)科的學(xué)生實踐環(huán)節(jié)比較薄弱，造成了機械類畢業(yè)生難以快速投入到機械專業(yè)工作當(dāng)中，機械類的課程在通常情況下需要合適的教具作為輔助教學(xué)，教具的功能要包括能夠充分講解機械原理課程中所學(xué)知識點。

2 具體設(shè)計方案

為了解決傳統(tǒng)機械教具功能的單一性，對一種多功能的機械教具進行了設(shè)計，可以讓學(xué)生可以進行親自動手進行實踐。教具在進行演示的時候要做到結(jié)構(gòu)清晰好辨認，實踐時要簡單易操作，給學(xué)生增加更好的教學(xué)體驗，充分投入到知識當(dāng)中。在教具的制造上要求材料成本低，易加工，盡量做到方便拆裝好攜帶，讓教師在教學(xué)之中有更大的靈活性。

2.1 設(shè)計思路

針對現(xiàn)有教具市場存在的不足，設(shè)計多功能的組合機械教具的目的在于提供一種適用于教學(xué)，集成多種機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)于一體的多功能機械教具以用來進行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。

在進行設(shè)計的時候，共涉及到了九種基本的傳動機構(gòu)，如圖1所示，分別為蝸輪蝸桿機構(gòu);齒輪副機構(gòu);不等長平面四桿機構(gòu);行星輪機構(gòu);凸輪機構(gòu);槽輪機構(gòu);棘爪棘輪機構(gòu);帶輪機構(gòu);鏈輪機構(gòu)。

在進行設(shè)計時，將多功能的組合機械教具設(shè)計為一裝配體，多功能的組合機械教具包括外殼、底座、電機、驅(qū)動桿、滑移導(dǎo)軌、“口”型升降框、蝸輪蝸桿機構(gòu)、齒輪副機構(gòu)、不等長平面四桿機構(gòu)、行星輪機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)、棘爪棘輪機構(gòu)、帶輪機構(gòu)、鏈輪機構(gòu)。

這九種機構(gòu)分別放置于“口”型升降框內(nèi)，如圖2所示，“口”型升降框為一中空框架，頂部有一提手可以將升降框手動提起，“口”型升降框可拆卸連接在滑移導(dǎo)軌上，“口”型升降框底部靠近驅(qū)動桿一側(cè)安裝有一齒輪;滑動導(dǎo)軌固定于箱體內(nèi);驅(qū)動桿桿安裝于箱體側(cè)面，驅(qū)動桿上等距安裝九個齒輪;各個機構(gòu)的運動通過提升“口”型升降框來使“口”型升降框底部的齒輪與驅(qū)動桿上的齒輪進行嚙合達到動力傳輸?shù)男Ч潴w安裝于底座上;多功能的組合機械教具可通過調(diào)換不同的機械結(jié)構(gòu)去進行運動模擬。

蝸輪蝸桿機構(gòu)安裝于“口”型升降框內(nèi)，蝸輪蝸桿機構(gòu)包括蝸輪、蝸桿，蝸輪蝸桿機構(gòu)可拆卸安裝于“口”型升降框內(nèi)。

可調(diào)不等長平面四桿機構(gòu)安裝于“口”型升降框內(nèi)，可調(diào)不等長平面四桿機構(gòu)包括一機架、一主動桿、一從動桿、一連桿?？烧{(diào)不等長平面四桿機構(gòu)各個桿件長度可調(diào)，可實現(xiàn)大部分常見平面四桿機構(gòu)的運動類型，可調(diào)不等長平面四桿機構(gòu)可拆卸安裝于“口”型升降框內(nèi)。

行星輪機構(gòu)安裝于“口”型升降框內(nèi)，所述可變直齒斜齒輪機構(gòu)為一組合體，通過齒輪中部旋鈕可以使齒輪的齒向改變，可顯現(xiàn)不同傾角的齒形，所述可變直齒斜齒輪機構(gòu)可拆卸安裝于“口”型升降框內(nèi)。

凸輪機構(gòu)安裝于“口”型升降框內(nèi)，所述凸輪機構(gòu)包括凸輪、搖桿，通過凸輪的運動使從動搖桿的運動軌跡發(fā)生改變，所述凸輪機構(gòu)可拆卸安裝于“口”型升降框內(nèi)。

槽輪機構(gòu)安裝于“口”型升降框內(nèi)，槽輪機構(gòu)包括槽輪和主動撥盤，通過主動撥盤與槽輪的槽位相互作用使槽輪機構(gòu)運動，槽輪機構(gòu)可拆卸安裝于“口”型升降框內(nèi)。

棘爪棘輪機構(gòu)安裝于“口”型升降框內(nèi)，棘爪棘輪機構(gòu)包括棘爪、棘輪，棘爪可實現(xiàn)驅(qū)動與止回的作用，棘爪棘輪機構(gòu)可拆卸安裝于“口”型升降框內(nèi)。

帶輪機構(gòu)安裝于“口”型升降框內(nèi)，帶輪機構(gòu)包括主動輪、從動輪、傳動帶，帶輪機構(gòu)可拆卸安裝于“口”型升降框內(nèi)。

鏈輪機構(gòu)安裝于“口”型升降框內(nèi)，鏈輪機構(gòu)包含鏈條、鏈輪。鏈條包含奇數(shù)鏈條和雙數(shù)鏈條， 在進行演示時可將鏈條更換，鏈輪機構(gòu)可拆卸安裝于“口”型升降框內(nèi)。

“口”型升降框共九組，為各個分別為不同機械結(jié)構(gòu)所安裝，“口”型升降框平行排列，垂直于底座，通過與教具外殼內(nèi)的滑移導(dǎo)軌相互配合安裝。

如圖3所示，為齒輪副機構(gòu)安裝示意圖。

2.2 教具材料的選取

外殼和“口”型升降框材料選用玻璃纖維增強塑料亞克力，這種材料的相對密度在1.5～2.0之間，只有碳鋼的1/4～1/5，但拉伸強度卻接近甚至超過碳素鋼，強度可以與高級合金鋼媲美。

2.3 動力部分設(shè)計

動力部分采用兩種方式，一為手動控制，二為電機帶動驅(qū)動桿。進行手動控制時將機構(gòu)從“口”型升降框取出，可進行手動操作，使用完畢后將機構(gòu)重新安裝在“口”型升降框內(nèi)，使用快捷方便。用電機作為動力源的時，將電機調(diào)速之后在進行演示。

2.3.1 驅(qū)動桿設(shè)計

如圖4所示，驅(qū)動桿為一根直軸，由于考慮到驅(qū)動桿上要配合齒輪，所以將驅(qū)動桿直徑加大以增加強度。

驅(qū)動桿安裝位置如圖5所示。

2.3.2 電機部分設(shè)計

電機選用異步電機，因為在教具上使用，所需扭矩不必很大，選用5V電源的異步電機即可，控制電路選用單片機作為核心即可，由于不必過于精細，只可保證正常運轉(zhuǎn)即可，教具內(nèi)內(nèi)含一小塊蓄電池，滿足教學(xué)工作即可。

2.4 傳動部分設(shè)計

傳動部分采用齒輪嚙合的方式進行，驅(qū)動桿上共有九組齒輪呈等距排列，每一組齒輪相對應(yīng)每一組的演示傳動機構(gòu)進行嚙合，進行演示時將“口”型升降框提起，提升至最高位置時驅(qū)動桿上的齒輪與“口”型升降框上連接機構(gòu)主動件的齒輪系相嚙合進行傳動。進行演示之前要先將電機調(diào)速，調(diào)節(jié)至演示機構(gòu)的速度范圍之內(nèi)，在進行教學(xué)演示?！翱凇毙蜕悼虻撞魁X輪與齒輪系如圖6所示。

3 研究成果

這種教具可以演示蝸輪蝸桿傳動、齒輪傳動、四桿機構(gòu)傳動、直齒斜齒輪傳動、凸輪傳動、槽輪傳動、單/雙棘爪棘輪傳動、帶輪傳動、鏈輪傳動運動模擬。因為它是作為教具去進行演示，所以各個機構(gòu)精度要求不必很嚴(yán)格，以價格相對低廉的材料去進行制作，可以降低制作的成本。它可以應(yīng)用于《機械原理》課程的教學(xué)演示，可以當(dāng)作《機械制造》中被加工零件的成品，也可以用作《機械制造工程》課程的拆裝范例，使學(xué)生可以在學(xué)習(xí)能夠直觀的了解機構(gòu)的運動規(guī)律，能夠快速理解機構(gòu)之中的種種聯(lián)系。

4 結(jié)語

多功能的組合機械教具將九種基本機械結(jié)構(gòu)納為一體，更加系統(tǒng)化，整合度更加緊湊、所具備功能可滿足基礎(chǔ)課程的要求。具有一定的創(chuàng)新型與實用性以下為創(chuàng)新的幾點：

（1）各個機械機構(gòu)都裝于“口”型升降框內(nèi)，“口”型升降框可避免人體與機械結(jié)構(gòu)直接觸碰不小心所造成的損傷?！翱凇毙蜕悼騼?nèi)的機構(gòu)可從中拆下，安裝方便快捷。

（2）平面四桿機構(gòu)可以進行桿件的調(diào)節(jié)，這樣減少了所需構(gòu)件的數(shù)量，在進行演示時也方便進行講解，可以更加直觀的讓學(xué)生了解。

（3）多功能的組合機械教具具有兩種動力輸入方式，一為手動輸入動力、二為電機驅(qū)動。電機驅(qū)動時將“口”型升降框提起，將電機調(diào)速至選定機構(gòu)的主動件速度范圍內(nèi)進行演示。手動時可將機構(gòu)從“口”型升降框內(nèi)取出，方便學(xué)生觸摸和操作。

多功能的組合機械教具可以很好的演示基礎(chǔ)機構(gòu)的運動原理，對于學(xué)生的學(xué)習(xí)和教師的教學(xué)工作有很大的幫助，對于未來教具市場的發(fā)展方向有很好的借鑒性。