王明旭 曹憲周 王 振 晏 麗
河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南 鄭州 450007
教育是國之大計(jì)、黨之大計(jì)。在全國教育大會上,習(xí)近平總書記發(fā)表重要講話,站在國家繁榮、民族振興的戰(zhàn)略高度,深刻總結(jié)黨的十八大以來我國教育事業(yè)發(fā)展成就,并做出了重大部署,為做好新時(shí)代教育工作提供了根本遵循。習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào),培養(yǎng)什么人,是教育的首要問題。如何構(gòu)建高效的專業(yè)人才培養(yǎng)體系,培養(yǎng)滿足現(xiàn)代工業(yè)需求的高質(zhì)量專業(yè)人才,已成為當(dāng)前我國高等教育亟須解決的問題。2015年,聯(lián)合國教科文組織成立70 周年,發(fā)布了成立70 周年以來第三份重要的教育報(bào)告《反思教育:向“全球共同利益”的理念轉(zhuǎn)變?》。這份報(bào)告提出了新的教育價(jià)值定位,即教育是全人類的共同核心利益,是實(shí)現(xiàn)“全球可持續(xù)發(fā)展”的關(guān)鍵。
近些年,隨著工程教育專業(yè)認(rèn)證理念逐漸根植于高校工科專業(yè)人才培養(yǎng)中,教學(xué)環(huán)節(jié)也在不斷踐行以學(xué)生為中心的理念,突出對學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。工科專業(yè)教師在逐步重視提高課堂教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)效果,嘗試將各種教學(xué)手段和方法引入課堂,其中教具的制作受到高度重視,并取得了很好的效果。如武照云等開發(fā)了機(jī)械原理與設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺來提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。王華針對無級自動變速器齒輪組教具的設(shè)計(jì),采用了UG 和3D 打印的方法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn),以此提高課堂效率。劉克毅等將新型機(jī)器人教具的設(shè)計(jì)引入機(jī)械原理課堂,讓學(xué)生了解和掌握機(jī)構(gòu)的運(yùn)動機(jī)理。邢麗麗對有毒氣體制備與性質(zhì)驗(yàn)證一體化裝置自制進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),并將其應(yīng)用在課堂教學(xué)中,以提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。
筆者在講授機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等課程時(shí),沒有相應(yīng)教具能直觀地演示漸開線齒輪齒廓的生成原理。為活躍課堂學(xué)習(xí)氣氛,讓學(xué)生更直觀地理解和認(rèn)識漸開線的生成原理,掌握機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中的自由度計(jì)算,了解間歇運(yùn)動、擺桿結(jié)構(gòu)等,課程組設(shè)計(jì)了漸開線齒輪齒廓生成演示儀。
在機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等課程的“漸開線齒輪齒廓”這一章節(jié)中,漸開線的生成、漸開線的特點(diǎn)、漸開線的生成原理如圖1和圖2所示。在機(jī)械原理課堂上用到的齒輪范成儀如圖3所示。
為讓學(xué)生們更好地掌握用范成法制造漸開線齒輪的基本原理,了解漸開線齒輪產(chǎn)生根切現(xiàn)象的原因及如何用移距修正法避免根切,分析比較標(biāo)準(zhǔn)齒輪與變位齒輪的異同點(diǎn),使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂中體驗(yàn)到漸開線齒輪齒廓的奧妙,早期教學(xué)研究人員發(fā)明了漸開線齒輪范成演示儀,并設(shè)置了齒輪范成實(shí)驗(yàn)。齒輪范成儀生成的齒廓如圖4所示。
漸開線齒輪齒廓的三維圖形如圖5所示。筆者查遍了國內(nèi)外的教學(xué)儀器資料,發(fā)現(xiàn)目前針對漸開線生成原理進(jìn)行直觀闡釋、讓學(xué)生直接動手操作的教具相對較少,為此,在授課之余,筆者帶領(lǐng)學(xué)生們創(chuàng)新設(shè)計(jì)了這款新型的漸開線齒輪齒廓生成演示儀。
漸開線齒輪齒廓生成演示儀包括基圓、動力裝置、傳動裝置、畫圖裝置。動力裝置用于產(chǎn)生使繪畫裝置運(yùn)動的轉(zhuǎn)動力。傳動裝置包括與動力裝置固定連接并傳送轉(zhuǎn)動力的第一傳動軸、與第一傳動軸相連驅(qū)動畫筆移動的第一傳動組件、與第一傳動軸相連驅(qū)動畫紙移動的第二傳動組件,第一傳動組件、第二傳動組件輪流產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力傳送。畫圖裝置包括畫筆與裝載畫筆的第一裝載組件,畫紙與裝載畫紙的第二裝載組件。第一裝載組件與基圓相切,第一裝載組件與第一傳動組件固定連接,并受第一傳動組件驅(qū)動;第二裝載組件與第二傳動組件固定連接,并受第二傳動組件驅(qū)動。
漸開線齒輪齒廓生成演示儀結(jié)構(gòu)如圖6所示,主要包括基圓14、動力裝置、傳動裝置、繪畫裝置,基于該四個(gè)裝置完成漸開線齒輪齒廓的生成。
動力裝置:其用于產(chǎn)生使繪畫裝置運(yùn)動的轉(zhuǎn)動力;基于該動力裝置的功能和作用,其呈現(xiàn)的形式是多種多樣的,如手柄1、轉(zhuǎn)盤、搖桿或其他能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力的方式。
傳動裝置包括:與動力裝置固定連接,用于傳送轉(zhuǎn)動力的第一傳動軸2、與第一傳動軸2 相連驅(qū)動畫筆移動的第一傳動組件、與第一傳動軸2 相連驅(qū)動畫紙移動的第二傳動組件,第一傳動組件、第二傳動組件輪流產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力的傳送,第一傳動軸2、第一傳動組件是為了給畫筆移動傳送轉(zhuǎn)動力;第一傳動軸2 和第二傳動組件是為了給畫紙移動傳送動力。因?yàn)槊恳粋€(gè)齒輪齒廓都需要兩個(gè)漸開線構(gòu)成,所以需要兩種繪畫方法,這兩種繪畫方法分別由第一傳動組件和第二傳動組件控制。
繪畫裝置包括:畫筆、裝載畫筆的第一裝載組件,第一裝載組件與基圓14 相切;畫紙、裝載畫紙的第二裝載組件;第一裝載組件與第一傳動組件固定連接,并受第一傳動組件的驅(qū)動;第二裝載組件與第二傳動組件固定連接,并受第二傳動組件的驅(qū)動。
漸變線齒輪齒廓生成演示儀的工作原理如下。
轉(zhuǎn)動手柄1,第一扇形齒輪3、第二扇形齒輪5 分別開始同步轉(zhuǎn)動,第一扇形齒輪3 通過嚙合帶動第一齒輪4 轉(zhuǎn)動,第一齒輪4 通過滑塊9、曲柄8 帶動第二傳動軸7 轉(zhuǎn)動,第二傳動軸7 帶動擺桿12 轉(zhuǎn)動,擺桿12 壓著橫桿15 滑動,橫桿15帶動畫筆在畫紙上畫出一條漸變線,在畫筆轉(zhuǎn)動的同時(shí),第二扇形齒輪5 和第二齒輪6 處于非嚙合狀態(tài);待第一扇形齒輪3 和第一齒輪4 脫離嚙合狀態(tài)時(shí),第二扇形齒輪5 和第二齒輪6 之間開始嚙合,第二齒輪6 隨之轉(zhuǎn)動,第二齒輪6 帶動靠板10 運(yùn)動,靠板10 帶動畫紙運(yùn)動,畫筆靜止,畫筆再畫紙上畫出另一個(gè)漸變線。接著轉(zhuǎn)動手柄1,進(jìn)入下一個(gè)循環(huán),逐漸畫出一個(gè)又一個(gè)齒輪齒廓。
漸變線齒輪齒廓生成演示儀的結(jié)構(gòu)為:手柄1 產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力,手柄1 與第一傳動軸2 相連接,第一扇形齒輪3(尺寸較大)固定套在第一傳動軸2 上,與第一傳動軸2同步轉(zhuǎn)動,第一扇形齒輪3 較靠近手柄1 的位置,第一齒輪4(尺寸較?。┡c第一扇形齒輪3 嚙合,第一齒輪4 的齒面上固定有滑塊9,滑塊9 的另一端在曲柄8 上滑動,滑塊9 隨第一齒輪4 轉(zhuǎn)動,滑塊9 帶動曲柄8 轉(zhuǎn)動,并在曲柄8 上滑動,曲柄8 的另一端與第二傳動軸7 固定連接,曲柄8 帶動第二傳動軸7 轉(zhuǎn)動,擺桿12 的一端與第二傳動軸7 固定連接,隨第二傳動軸7 轉(zhuǎn)動擺桿12 的另一端固定連接有橡皮圈16,橡皮圈16 的軸向平行于第二傳動軸7,橡皮圈隨擺桿12 轉(zhuǎn)動,橡膠圈壓著橫桿15,橫桿15 的兩端與第一支桿11、第二支桿17 滑動連接,橡膠圈壓著橫桿15 相對第一支桿11、第二支桿17 發(fā)生姿態(tài)變化,且轉(zhuǎn)動,橫桿15 上安裝有畫筆,畫筆隨之移動;橫桿15 夾于橡皮圈和基圓14 中間,基圓14 也套在第二轉(zhuǎn)動軸上,但不隨第二轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動。橫桿15 與基圓14 之間隨時(shí)保持相切。在第一傳動軸2 上還套有第二扇形齒輪5(尺寸較?。?,第二扇形齒輪5 與第一傳動軸2 同步轉(zhuǎn)動,第二扇形齒輪5 嚙合第二齒輪6(尺寸較大),第二齒輪6 隨之轉(zhuǎn)動,第二齒輪6 也套于第二傳動軸7 上,但不隨第二傳動軸7 轉(zhuǎn)動(為了達(dá)到這個(gè)目的,第二齒輪6 可以套在第二傳動軸7 的軸套上,其他的不同步運(yùn)動的也可以采用這種連接方式),第二齒輪6 上固定連接(比如:焊接)靠板10,該靠板10 隨第二齒輪6轉(zhuǎn)動,該靠板10 也套在第二傳動軸7 的軸套上。在第二傳動軸7 上各組件的位置關(guān)系為,從第二傳動軸7 的末端起,依次為:擺桿12、第一支架、第二支架、基圓14、靠板10、第二齒輪6、曲柄8。在畫齒輪齒廓時(shí),畫紙?zhí)幱诨鶊A14 和靠板10 之間,被基圓14 和靠板10 緊緊夾住,固定住,畫筆緊靠畫紙。
第一扇形齒3 的有效齒數(shù)為24,第二扇形齒輪5 的有效齒數(shù)為4。
為了更好地描述漸開線齒輪齒廓生成儀,特選取了不同角度的三維示意圖,如圖7、圖8所示。
漸開線齒輪齒廓生成演示儀的實(shí)物如圖9所示。生成的漸開線顯示如圖10、圖11 所示。演示儀的各部分拆卸演示如圖12、圖13、圖14所示。
本文針對當(dāng)前機(jī)械類課程教具相對不足、學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)效果不明顯的現(xiàn)狀,同時(shí)為提高大學(xué)生科研創(chuàng)新能力、提高課堂教學(xué)效率,設(shè)計(jì)了漸開線齒輪齒廓生成演示儀。該裝置的優(yōu)點(diǎn)主要有:(1)巧妙地利用不完全齒輪的間歇運(yùn)動,自動生成漸開線;(2)利用擺桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定角度擺動和運(yùn)動的傳遞;(3)不僅實(shí)現(xiàn)了漸開線的生成,還生成了齒輪輪廓;(4)裝置采用基本的機(jī)械機(jī)構(gòu),涵蓋自由度分析、四桿機(jī)構(gòu)、齒輪傳動比等機(jī)械原理知識,其使用貫穿整個(gè)機(jī)械原理教學(xué)過程。演示儀的設(shè)計(jì)將抽象的知識直觀化,填補(bǔ)了當(dāng)前機(jī)械原理中針對漸開線齒輪章節(jié)教具僅有齒輪范成儀的不足,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械學(xué)科知識的興趣。