一種新式齒輪傳動教具

賀瑩+武淑娟+門寬柱

摘 要：針對傳統(tǒng)《機(jī)械原理》類課程教學(xué)中存在的圖形講解抽象、不直觀以及教具形式單一、缺乏趣味性等問題，設(shè)計(jì)并制作了一套以“旋轉(zhuǎn)舞臺”為表現(xiàn)形式，可用于行星輪系、齒輪上點(diǎn)的運(yùn)動軌跡、滑移齒輪變速、蝸輪蝸桿傳動等多個知識點(diǎn)的教學(xué)演示的新式教具，形象直觀且頗具趣味性，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識。

關(guān)鍵詞：行星輪系 內(nèi)擺線軌跡 滑移齒輪 旋轉(zhuǎn)舞臺 教具

中圖分類號：TH132.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082 （2017） 04-0119-01

引言

在實(shí)際機(jī)械中，為了獲得大傳動比或變速、變向，往往需要用若干對齒輪組成輪系來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)輪系運(yùn)轉(zhuǎn)時各齒輪的幾何軸線位置相對于機(jī)架是否固定，輪系被分為定軸輪系、周轉(zhuǎn)輪系和混合輪系[1]。這些輪系不但在機(jī)械設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用，也是《機(jī)械原理》類課程的重點(diǎn)內(nèi)容。但是長久以來，在課堂上講解這些傳動機(jī)構(gòu)原理時，教師往往僅憑借一張張機(jī)構(gòu)簡圖向?qū)W生作介紹，抽象而不直觀，不便于學(xué)生理解。雖然很多高校都針對課程內(nèi)容購買了相應(yīng)的教具，但是總的來說形式單一、缺乏趣味性，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，設(shè)計(jì)并制作了一種以旋轉(zhuǎn)舞臺為表現(xiàn)形式的新式輪系教具。

一、“旋轉(zhuǎn)舞臺”教具的結(jié)構(gòu)原理

旋轉(zhuǎn)舞臺教具的基本原理是當(dāng)一個動圓內(nèi)切于一個定圓，動圓沿定圓內(nèi)做純滾動時，動圓上任意一點(diǎn)的軌跡曲線稱為內(nèi)擺線[2～4]。例如，當(dāng)定圓直徑與動圓直徑之比為3：1時，兩圓切點(diǎn)的軌跡曲線如圖1所示。

一對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)嚙合齒輪就可以看作是小齒輪在大齒輪上做純滾動，此時小齒輪分度圓上的點(diǎn)就可以走出內(nèi)擺線軌跡如圖2（a）所示，而且選取小齒輪上不同點(diǎn)，能夠得到千變?nèi)f化的運(yùn)動軌跡。例如：如果選定的點(diǎn)在分度圓以外，則該點(diǎn)走出的軌跡稱作長幅內(nèi)擺線，如圖2（b）所示；如果選定的點(diǎn)在分度圓以內(nèi)，則該點(diǎn)走出的軌跡稱作短幅內(nèi)擺線，如圖2（c）所示。

根據(jù)行星輪系的上述特點(diǎn)，結(jié)合旋轉(zhuǎn)舞臺的表現(xiàn)效果，設(shè)計(jì)由三個行星輪與大齒輪內(nèi)嚙合的形式，如圖3所示，并且大齒輪直徑是小齒輪直徑的3倍。

在三個行星輪上按照分度圓上、分度圓外和分度圓內(nèi)三個不同區(qū)域的點(diǎn)（A、B、C）安裝跳舞的小人模型，行星輪轉(zhuǎn)動時，小人紛紛按照各自的運(yùn)動軌跡“翩翩起舞”，并在彩燈的映襯下，猶如一座華美的旋轉(zhuǎn)舞臺，如圖4所示。

舞臺旋轉(zhuǎn)的動力由人轉(zhuǎn)動手輪提供。為了使舞臺呈現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速，在舞臺下部還設(shè)計(jì)了滑移齒輪、蝸輪蝸桿等傳動機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)舞臺的轉(zhuǎn)速，如圖5所示。轉(zhuǎn)動手輪，為舞臺提供動力。將手輪沿軸向平移即推動滑移齒輪使不同傳動比的齒輪嚙合，從而向舞臺傳遞不同的轉(zhuǎn)速。

二、結(jié)束語

這套教具可用于行星輪系、內(nèi)擺線軌跡、滑移齒輪變速機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿傳動等多個知識點(diǎn)的教學(xué)演示，而且裝拆和調(diào)整方便，使學(xué)生可以更加直觀的觀察和理解齒輪傳動的原理和特點(diǎn)，感受齒輪傳動形式的靈活性和多樣性，并輔以旋轉(zhuǎn)舞臺這樣生動有趣的表現(xiàn)形式，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：賀瑩，（1980-），男，天津人，講師，碩士，研究方向：機(jī)器人學(xué)、機(jī)電傳動與控制。

通訊作者：門寬柱，（1980-），男，天津人，中級機(jī)械工程師，本科，研究方向：機(jī)械制造工藝與設(shè)備。