多功能平面機構演示儀的研制

吳 凡 趙世英 吳夏野 王藝龍 李思遙

（北京印刷學院機電工程學院，中國 北京 102600）

平面機構是《機械原理》教學中重點講述的一類機構，該類機構的特點是包含的子機構多，實際應用例子多，概念多，內(nèi)容與實踐聯(lián)系緊密，抽象難懂。為適應現(xiàn)今的教育改革，最大化創(chuàng)新教育和實踐教育的成果，一方面越來越多的課堂使用多媒體等教學手段，并且很多年輕的老師也更習慣用幻燈片或者flash等電子文件在課堂上演示，來替代傳統(tǒng)的教學模式。但虛擬的動畫原理演示并不如實際的操作訓練印象來的深刻，另一方面教學教具匱乏創(chuàng)新且操作實用性差，不能合理的運用教具制約了大學課堂教學的發(fā)展[1]。所以設計并制作一款適用于平面機構教學的多功能平面機構演示儀，對于增強學生對相關知識的理解和提高學習興趣都是非常必要的。

1 多功能平面機構演示儀結構設計

以抽象思維為主的理工科知識如果只是靠老師講授是遠遠不夠的。很多看不見，摸不著的行為概念都要靠一些具體的、直觀的教具將他們演示出來，這樣才更易于理解和記憶，才便于學生將知識融會貫通[2]。多功能平面機構演示儀正是本著這樣的教學理念，進行方案設計和研究制造的。

圖1 多功能平面機構演示儀結構示意圖

如圖1所示，多功能平面機構的主要結構分為驅(qū)動裝置、齒輪軸、動力軸、周座、移動臺、底座支桿、齒型帶調(diào)節(jié)器七個部分。通過驅(qū)動裝置7產(chǎn)生的扭矩，底座支桿4與驅(qū)動裝置7通過鍵連接緊固在一起，為整機提供動力和扭矩；底座支桿4上的帶輪與動力軸10上的帶輪通過齒型帶傳遞扭矩，驅(qū)動動力軸10進行回轉(zhuǎn)。于是與動力軸10嚙合的齒輪軸3上的錐齒輪也跟著轉(zhuǎn)動，最后帶動與錐齒輪緊固連接的桿件轉(zhuǎn)動，為上部的演示機構部分提供驅(qū)動力。本教具可演示的平面機構包括曲柄搖桿、雙曲柄、對心曲柄滑塊、偏心曲柄滑塊、擺動導桿、回轉(zhuǎn)導桿等典型平面機構。

2 平面機構演示儀的使用方法

多功能平面機構演示儀的演示平面上有很多為安裝零件而預留的孔，我們根據(jù)所需演示平面連桿機構的需要選擇相應零件，將相應零件安裝在對應的預設孔處，并使相應零件對應連接以此來完成想要演示的平面機構。將相應零件中的曲柄與動力傳遞機構的輸出軸連接，以便在動力傳遞機構的帶動下，演示出一種平面連桿機構。

例如當我們需要演示平面機構“擺動導桿”的運動過程時，可以將連桿快速安裝在輔助板上對應定位孔處的快裝裝置，包括小圓柱、螺釘、固定塊和擺動軸。其中，小圓柱的橫截面積呈T形，且在階梯軸下部的下端面開設沿著階梯軸軸向方向延伸的內(nèi)螺紋孔；而螺釘具有與擺動軸的螺紋孔相匹配的外螺紋；此外，固定塊呈倒L形（即，固定塊上部橫向尺寸大于下部橫向尺寸，需要說明的是，橫向是指沿著輔助板長度的方向），且固定塊、小圓柱與擺動軸配合應用。

擺動軸通過螺釘和小圓柱的緊固安裝在輔助板定位孔的下方，而固定塊下部安置在定位孔的通孔內(nèi)、上部安置在定位孔的凹槽內(nèi)，用于對安置在通孔內(nèi)的擺動軸起沿橫向限位作用。輔助板定位孔的通孔橫向尺寸大于階梯軸下部和固定塊下部尺寸之和，而定位孔通孔和凹槽的橫向尺寸大于階梯軸下部和固定塊下部尺寸之和、小于階梯軸上部和固定塊上部尺寸之和，最后通過人力驅(qū)動便可演示出擺動導桿機構。

3 平面機構演示儀產(chǎn)品特點

多功能平面機構演示儀作為教學用具，應該具有移動靈活和動力便利的特點。該教具采用的是人力驅(qū)動，即依靠操作者手動提供的擺動力，通過側(cè)面一套曲柄搖桿機構來給整個教具提供回轉(zhuǎn)動力。具體操作是用手壓曲柄把手，使其做擺動動作，再通過曲柄搖桿機構將其轉(zhuǎn)化成圓盤的轉(zhuǎn)動。

該教具還加裝了張緊調(diào)節(jié)裝置。考慮到齒型帶容易產(chǎn)生疲勞失效，而疲勞失效容易對演示帶來諸多弊端，我們采用一個齒型帶張緊裝置用于調(diào)節(jié)齒型帶的松弛，以大大減少機器不必要的拆卸和更換齒型帶的次數(shù)。將長螺母一端與邊板相連接，當齒型帶松弛時便旋轉(zhuǎn)長螺母來拖動張緊器中的帶輪，從而產(chǎn)生拉伸力使齒型帶張緊。

本裝置具有節(jié)能環(huán)保的特點。不需要額外電力或液壓和氣壓驅(qū)動，此多功能平面機構演示儀演示過程沒有能源消耗，低噪音，無污染。

4 結束語

本多功能平面機構演示儀是為平面機構教學設計的。機械工程專業(yè)學生在學習《機械原理》課程時，在學習的初級階段借助此教具的引導，可以有效增強他們對相關內(nèi)容的感性認識。然后再將接觸到和觀察到的具體事物的感性認識轉(zhuǎn)化成抽象、概括的理性認識，對于平面機構知識的學習是極為有幫助的[3]。通過實踐檢驗，該平面機構以其組裝方便、靈活多樣的特點，取得了良好的教學效果。

［1］張偉.機械原理教學中虛擬樣機技術的應用實踐[J].中國電力教育,2014(2)：152-153.

［2］張婧.面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)的機械原理實驗教學模式研究與實踐[J].實驗室科學,2014,17(1)：92-94.

［3］殷勇輝.提高機械原理課程教學質(zhì)量的思考與實踐[J].中國大學教學,2014(6)：57-59.