新型機械機構演示教具設計

顧彩曉 曹建波 陳凱博 朱潤洋 倪冰霞 徐佳立 李丁立 郭恩程

(1.浙江師范大學工學院，浙江 金華321004；2.浙江師范大學行知學院，浙江 金華321004)

0 引言

機械結構的學習是學好機械專業的關鍵，通過教師的理論講解，學生不易理解和記憶。需要自制滿足機械結構教學要求且成本低廉的典型機構教具并投入到理論和實踐教學中[1-4]，授課時，除了用多媒體展示各機構的運動外，教師可用教具進行直觀教學加深學生對理論知識的認識和理解，激發學生的學習興趣[5-6]。本文將5套常用機構制作成一種新型的機械機構演示教具。通過機構的聯動來為課堂增添樂趣，并實現了延時與自動運行功能，安全可靠性高，操作簡便。

1 新型機械機構演示教具主要性能

1.1 趣味性高

整個作品采用聯動裝置，由小球下落連通總電路使機構運行，電磁鎖通電鎖頭縮進，使架于其上的說明板下落，展示出機械機構，給整套裝置增添趣味。

1.2 教學效果好

機構運行前，機構說明板架與電磁鎖鎖頭上固定不動，板上寫有對該機構的解說介紹，機構運行時，說明板與實物結合進行教學。

1.3 延時可調，實現聯動

機構運行時，后四個機構運行由各自的延時繼電器與行程開關控制，且延時可調，實現聯動。

2 新型機械機構演示教具設計

教具裝置總體設計：整體由幾個可疊裝的箱子組成，裝置總體體積不超過1.2×1.2×1.2m，單塊機構演示板290×320mm，整體裝置展開時總長度達到1.5m。教具機構演示板共5塊，分別為齒輪機構、槽輪機構、曲柄搖桿機構、曲柄滑塊機構、偏心輪機構。機構說明板用重量輕、美觀性好的亞克力板制作，板上有對機構的介紹。機構安放箱，選用輕便、強度高的工程塑料板制作。

2.1 控制電路設計

為保證足夠的扭矩，選用蝸輪蝸桿電機來帶動機構的運行。電機額定電壓U=12V，I=0.3A，轉速n=16r/min。為保證電壓穩定，選用12V、額定功率36W的穩壓電源，機構箱之間電路并聯。

下落展示板采用滑軌降落的形式，并選用常用的延時繼電器和行程開關來進行控制。總電源開關選用空氣開關保障電路的安全。演示時按下電源總開關，小鋼珠從塑料管下落，連通電路，電磁鎖通電，鎖頭縮進，機構展示板下落，觸動行程開關，機構運行。機構通過延時繼電器延時控制下一套機構的運行，依次循環。

2.2 機械機構設計

（1）齒輪機構：選用行星齒輪機構，包括內齒，中心齒，行星齒輪，皮帶輪等。皮帶輪傳動比設為1.5。行星齒輪機構如圖1所示。

圖1 行星齒輪機構

（2）槽輪機構：選用結構較為簡單的單臂外嚙合槽輪機構，它由主動轉盤、從動槽輪和機架組成。槽輪機構的轉角φ0=45°，槽數Z=4，撥盤直徑d=100mm，撥盤通過一段階梯軸與電機連接，為減小摩擦，槽輪中心孔處用軸與軸過盈配合。槽輪機構如圖2所示。

圖2 槽輪機構

（3）曲柄搖桿機構：利用平面四桿機構的構件，組建了木牛流馬的形狀。機構運行時，多個桿件由主動軸的轉動而帶動。曲柄搖桿機構如圖3所示。

圖3 曲柄搖桿機構

（4）曲柄滑塊機構：采用壓包機的模型作為曲柄滑塊機構的演示范例。壓包機中的壓包為滑塊構件，電機與轉動桿相連，靠電機轉動帶動轉動桿的的轉動，使滑塊上下移動。壓包機模型圖如圖4所示。

圖4 曲柄滑塊機構

（5）偏心輪機構：運行時，先由電機帶動偏心輪的轉動，使偏心輪推動外框左右平移，進行往復移動。偏心輪通過階梯軸與電機連接，外框通過兩個固定支架，固定于機構板上。偏心輪直徑D=80mm，偏心距l=1.5mm，最大推程L=30mm。偏心輪機構如圖5所示。

圖5 偏心輪機構

3 結論

本文對新型機械機構演示教具的材料及形狀尺寸進行了設計和研究，并通過UG軟件繪制了新型機械機構演示教具的效果圖和裝配圖。該機構演示教具具有延時與自動運行功能，安全可靠性高，操作簡便，趣味性強，給學生的學習帶來方便等優點，將有很大的實用價值和良好的社會效益。

［1］宋以國.自制常用機構教具提高工程認識教學效果[J].青年與社會：中外教育研究,2011(11)：23.

［2］王聰慧,王順,熊健.深化機械原理課程教學改革的探討[J].教育教學論壇,2013(39)：54-55.

［3］武玉和.制作簡易多用途教具教學效果明顯[J].職業,2011(20)：169-170.

［4］馬丹萍,李勇,梁勤歐.無線遙控智能小車的運動模擬及軌跡繪制[J].浙江師范大學學報：自然科學版,2015,38(1)：116-120.

［5］王曉波,秦永康.組合連桿的設計[J].河南機電高等專科學校學報,2012(1)：6-7.

［6］宋以國.機械運動教具的開發與教學[J].青年與社會：中外教育研究,2011(10)：122.