用于機械設計基礎課程的組合傳動創新教具設計與研究

龔輝+鄭曉峰

摘 要：針對傳統教具功能單一、無法展示運動過程等問題，介紹了一種專門用于機械設計基礎課程的組合傳動機構創新教具。該教具通過特定的組合方式，將帶輪機構、齒輪傳動機構、行星輪系、曲柄滑塊機構、螺旋機構、蝸輪蝸桿機構、凸輪機構等課程涉及的基本機構組合在一起，并使用同一個電機驅動，實現了機構的同步運轉。通過調速電路控制電機的轉速，使傳動機構可以在不同的速度下運轉，從而滿足教學需要。

關鍵詞：教具 組合 傳動 機構

中圖分類號：G642 文獻標識碼：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

機械設計基礎是機械類專業的一門重要的必修基礎課，它的教學目的是使學生掌握常用機構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、設計能力，并獲得必要的基本技能訓練，同時注意培養學生正確的設計思想和嚴謹的工作作風。該課程涉及到的機械結構有很多，有平面連桿機構、齒輪傳動、帶傳動、渦輪蝸桿機構、螺紋傳動等，在課堂教學中，單靠傳統的說教式教學的話學生很難理解各個機構的運動原理，也就無法達到預期的教學目的。

所以該課程的教學通常會采用一些表達機構運動的教具來輔助教學，但是傳統的教具一般結構比較簡單，功能也比較單一，往往運動性也比較差，輔助教學的效果一般。針對以上情況，該文設計了一種專門用于機械設計基礎課程的組合傳動機構創新教具。該教具把多種功能單一的傳統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，而且讓多種機構同時運行幫助學生拓展思維，溫故知新，也激發了學生的學習興趣。

1 結構

該組合傳動機構創新教具包含帶輪機構、齒輪傳動機構、行星輪系、曲柄滑塊機構、螺旋機構、蝸輪蝸桿機構、凸輪機構等傳動結構以及安裝的底座框架，如圖1所示。

組合教具由電機驅動，電機旋轉驅動帶傳動的主動輪，再通過同步帶的傳動作用驅動被動輪。同步帶傳動時，傳動比準確，對軸作用力小，結構緊湊，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，可實現對電機的有效減速，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，將導致張緊力不夠，摩擦力也會不夠，則有可能發生打滑的情況，從而加重對同步帶的磨損，降低其載荷能力，甚至造成傳動失穩失去傳動能力；而中心距過大，則會導致同步帶所承受的張力增大，產生較嚴重的形變，降低同步帶的使用年限。因此，帶傳動需要設置合理的中心距，目前普遍采用張緊輪來調節中心距。該教具為了簡化機構并未使用張緊輪，而是通過中心距可調的電機座來實現，如圖3所示。

帶輪傳動的被動輪和齒輪傳動機構的主動輪是同軸齒輪，前者的運動則會轉化為齒輪傳動機構的運動。齒輪傳動具有傳動平穩、傳動比精確、工作可靠、結構緊湊、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大等優點。教具中使用的齒輪傳動機構有直齒嚙合傳動、錐齒嚙合傳動，齒輪齒條傳動。這些齒輪的巧妙應用，極大程度上減少了機械干涉，很好地實現了機構的組合傳動，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自由度的輪系，一個原動件即可確定執行件（行星齒輪）的運動，它是一種先進的齒輪傳動機構，具有結構緊湊、體積小、質量小、承載能力大、傳遞功率范圍大、傳動范圍大、運行噪聲小、效率高及壽命長等優點。

曲柄滑塊機構是用曲柄和滑塊來實現轉動和移動相互轉換的平面連桿機構，也稱曲柄連桿機構，廣泛應用于往復活塞式發動機、壓縮機、沖床等的主機構中。

在教具中，運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構的被動輪。

螺旋傳動是利用螺桿與螺母組成的螺旋副來實現傳動要求，它主要用于將回轉運動轉變為直線運動，同時傳遞運動和動力。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。當滑塊做來回往復運動時，帶動齒條也做來回往復運動，齒條帶動齒輪正轉和反轉，于是，就實現了螺桿的正反轉，使懸合在螺桿上的螺母出現一張一合，螺旋機構如圖6所示。

該教具中的凸輪傳動機構結合了凸輪機構、齒輪齒條、可移動畫板，可升降畫筆，可實時地繪制出凸輪的運動軌跡，加深學生對凸輪工作原理的理解。凸輪傳動機構如圖7所示。在凸輪繪圖機構中，凸輪、齒輪、渦輪同軸，在蝸桿的驅動下，渦輪帶動齒輪和凸輪同速轉動，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，兩者運動相互結合，就很好地實現了凸輪的運動軌跡的繪制。

2 控制系統

該教具中，組合機構的控制和教具箱的控制均采用24 V直流電機，直流電機的正反轉由三態開關控制，為了達到最佳的演示效果，還需要調節合理的電機轉速，因此，對此電機增加了調速系統，調速系統的電路控制板如圖8所示。

經過估算，電機所需最大負載T=3.5 kg·cm，取安全系數K=1.5。計算后取電機轉速n=150 r/min，最終確定電機型號如表1所示。

3 結論

該組合傳動機構創新教具將傳統零散的機械設計基礎教具組合在一起，包含了帶輪機構、齒輪傳動機構、行星輪系、曲柄滑塊機構、螺旋機構、蝸輪蝸桿機構、凸輪機構等傳動機構，更加系統化，功能更加齊全，滿足機械設計基礎課程的理論及實踐教學需求；機械結構新穎，容易引起學生對機械結構設計的興趣，激發學生的創造性思維；機構的創新性主要體現在以下幾個方面。

（1）凸輪繪圖機構：巧妙地結合渦輪蝸桿、齒輪齒條等機構，實現凸輪實時運動軌跡的繪制功能，有利于學生理解凸輪的原理及設計。

（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構巧妙結合。

（3）螺旋機構：曲柄滑塊、齒輪齒條、絲桿組合在一起，實現了絲桿的往復運動。

該組合傳動機構創新教具由電機驅動，電機可調速以及正反轉控制，可實現機構不同速度和不同方向的運轉，可以很好地實現教學的實際需要，為各專業創新教具的開發提供了參考和選擇。

參考文獻

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