用于機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的組合傳動創(chuàng)新教具設(shè)計(jì)與研究

龔輝+鄭曉峰

摘 要：針對傳統(tǒng)教具功能單一、無法展示運(yùn)動過程等問題，介紹了一種專門用于機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的組合傳動機(jī)構(gòu)創(chuàng)新教具。該教具通過特定的組合方式，將帶輪機(jī)構(gòu)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、行星輪系、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等課程涉及的基本機(jī)構(gòu)組合在一起，并使用同一個(gè)電機(jī)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的同步運(yùn)轉(zhuǎn)。通過調(diào)速電路控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使傳動機(jī)構(gòu)可以在不同的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，從而滿足教學(xué)需要。

關(guān)鍵詞：教具 組合 傳動 機(jī)構(gòu)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）02（c）-0139-03

Abstract： Aiming at the problem that the traditional teaching aids were single in functions， and could not show the process of the movement， a combined transmission innovativeteaching aidsused for the course of Basis？of Mechanical Designinghad been introduced. The basicmechanisms including belt gearsmechanism， gears transmission mechanism， planetary gearssystem， crank slider mechanism， screw mechanism， turbo and worn mechanism， cam mechanism which related to the course were combined by the teaching aid， and achieved the function that the mechanisms were running simultaneously by driven by a same motor. The transmission mechanisms could run bydifferent speeds because of the controlling action of the circuit board， at last the teaching needs were satisfied.

Key Words： Teaching Aids； Combined； Transmission； Mechanism

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是機(jī)械類專業(yè)的一門重要的必修基礎(chǔ)課，它的教學(xué)目的是使學(xué)生掌握常用機(jī)構(gòu)和通用零件的基本理論和基本知識，初步具有這方面的分析、設(shè)計(jì)能力，并獲得必要的基本技能訓(xùn)練，同時(shí)注意培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計(jì)思想和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。該課程涉及到的機(jī)械結(jié)構(gòu)有很多，有平面連桿機(jī)構(gòu)、齒輪傳動、帶傳動、渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)、螺紋傳動等，在課堂教學(xué)中，單靠傳統(tǒng)的說教式教學(xué)的話學(xué)生很難理解各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動原理，也就無法達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。

所以該課程的教學(xué)通常會采用一些表達(dá)機(jī)構(gòu)運(yùn)動的教具來輔助教學(xué)，但是傳統(tǒng)的教具一般結(jié)構(gòu)比較簡單，功能也比較單一，往往運(yùn)動性也比較差，輔助教學(xué)的效果一般。針對以上情況，該文設(shè)計(jì)了一種專門用于機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的組合傳動機(jī)構(gòu)創(chuàng)新教具。該教具把多種功能單一的傳統(tǒng)教具通過特定的組合方式組合在一起，不但減小了體積便于攜帶，而且讓多種機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)行幫助學(xué)生拓展思維，溫故知新，也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 結(jié)構(gòu)

該組合傳動機(jī)構(gòu)創(chuàng)新教具包含帶輪機(jī)構(gòu)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、行星輪系、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等傳動結(jié)構(gòu)以及安裝的底座框架，如圖1所示。

組合教具由電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動帶傳動的主動輪，再通過同步帶的傳動作用驅(qū)動被動輪。同步帶傳動時(shí)，傳動比準(zhǔn)確，對軸作用力小，結(jié)構(gòu)緊湊，耐油、耐磨性好，抗老化性能好。為了得到合適的傳動速度，組合教教具中采用了大小帶輪組合傳動，可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的有效減速，如圖2所示。對于同步帶來說，帶輪之間的中心距極為重要，中心距過小，將導(dǎo)致張緊力不夠，摩擦力也會不夠，則有可能發(fā)生打滑的情況，從而加重對同步帶的磨損，降低其載荷能力，甚至造成傳動失穩(wěn)失去傳動能力；而中心距過大，則會導(dǎo)致同步帶所承受的張力增大，產(chǎn)生較嚴(yán)重的形變，降低同步帶的使用年限。因此，帶傳動需要設(shè)置合理的中心距，目前普遍采用張緊輪來調(diào)節(jié)中心距。該教具為了簡化機(jī)構(gòu)并未使用張緊輪，而是通過中心距可調(diào)的電機(jī)座來實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

帶輪傳動的被動輪和齒輪傳動機(jī)構(gòu)的主動輪是同軸齒輪，前者的運(yùn)動則會轉(zhuǎn)化為齒輪傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動。齒輪傳動具有傳動平穩(wěn)、傳動比精確、工作可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大等優(yōu)點(diǎn)。教具中使用的齒輪傳動機(jī)構(gòu)有直齒嚙合傳動、錐齒嚙合傳動，齒輪齒條傳動。這些齒輪的巧妙應(yīng)用，極大程度上減少了機(jī)械干涉，很好地實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的組合傳動，部分的傳動齒輪示意圖如圖4所示。

行星輪系是只具有一個(gè)自由度的輪系，一個(gè)原動件即可確定執(zhí)行件（行星齒輪）的運(yùn)動，它是一種先進(jìn)的齒輪傳動機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量小、承載能力大、傳遞功率范圍大、傳動范圍大、運(yùn)行噪聲小、效率高及壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是用曲柄和滑塊來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動和移動相互轉(zhuǎn)換的平面連桿機(jī)構(gòu)，也稱曲柄連桿機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)、壓縮機(jī)、沖床等的主機(jī)構(gòu)中。

在教具中，運(yùn)用行星輪系的原動件與從動件的中心距作為曲柄長度，通過這種方式就將行星輪系和曲柄滑塊組合在一起，如圖5所示。動力來源是齒輪傳動機(jī)構(gòu)的被動輪。

螺旋傳動是利用螺桿與螺母組成的螺旋副來實(shí)現(xiàn)傳動要求，它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動，同時(shí)傳遞運(yùn)動和動力。此教具中，將齒條固定在曲柄滑塊上，在螺桿的一端安裝齒輪，齒輪與齒條嚙合。當(dāng)滑塊做來回往復(fù)運(yùn)動時(shí)，帶動齒條也做來回往復(fù)運(yùn)動，齒條帶動齒輪正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，于是，就實(shí)現(xiàn)了螺桿的正反轉(zhuǎn)，使懸合在螺桿上的螺母出現(xiàn)一張一合，螺旋機(jī)構(gòu)如圖6所示。

該教具中的凸輪傳動機(jī)構(gòu)結(jié)合了凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪齒條、可移動畫板，可升降畫筆，可實(shí)時(shí)地繪制出凸輪的運(yùn)動軌跡，加深學(xué)生對凸輪工作原理的理解。凸輪傳動機(jī)構(gòu)如圖7所示。在凸輪繪圖機(jī)構(gòu)中，凸輪、齒輪、渦輪同軸，在蝸桿的驅(qū)動下，渦輪帶動齒輪和凸輪同速轉(zhuǎn)動，齒輪帶動與裝在畫板上的齒條水平移動，畫筆隨著凸輪上下移動，兩者運(yùn)動相互結(jié)合，就很好地實(shí)現(xiàn)了凸輪的運(yùn)動軌跡的繪制。

2 控制系統(tǒng)

該教具中，組合機(jī)構(gòu)的控制和教具箱的控制均采用24 V直流電機(jī)，直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)由三態(tài)開關(guān)控制，為了達(dá)到最佳的演示效果，還需要調(diào)節(jié)合理的電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此，對此電機(jī)增加了調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)的電路控制板如圖8所示。

經(jīng)過估算，電機(jī)所需最大負(fù)載T=3.5 kg·cm，取安全系數(shù)K=1.5。計(jì)算后取電機(jī)轉(zhuǎn)速n=150 r/min，最終確定電機(jī)型號如表1所示。

3 結(jié)論

該組合傳動機(jī)構(gòu)創(chuàng)新教具將傳統(tǒng)零散的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教具組合在一起，包含了帶輪機(jī)構(gòu)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、行星輪系、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等傳動機(jī)構(gòu)，更加系統(tǒng)化，功能更加齊全，滿足機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的理論及實(shí)踐教學(xué)需求；機(jī)械結(jié)構(gòu)新穎，容易引起學(xué)生對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維；機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）凸輪繪圖機(jī)構(gòu)：巧妙地結(jié)合渦輪蝸桿、齒輪齒條等機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)凸輪實(shí)時(shí)運(yùn)動軌跡的繪制功能，有利于學(xué)生理解凸輪的原理及設(shè)計(jì)。

（2）行星輪系與曲柄滑塊：把行星輪與太陽輪的中心距作為曲柄滑塊中曲柄的長度，使行星輪與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)巧妙結(jié)合。

（3）螺旋機(jī)構(gòu)：曲柄滑塊、齒輪齒條、絲桿組合在一起，實(shí)現(xiàn)了絲桿的往復(fù)運(yùn)動。

該組合傳動機(jī)構(gòu)創(chuàng)新教具由電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)可調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)控制，可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)不同速度和不同方向的運(yùn)轉(zhuǎn)，可以很好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)的實(shí)際需要，為各專業(yè)創(chuàng)新教具的開發(fā)提供了參考和選擇。

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