一種多功能的組合機械教具的研究

黃松霖 蔡永偉 姜文艷 何一平 付鴻儒

摘要：本文針對教具市場的現狀，介紹了一種多功能的組合的教具。涉及到機械教具領域，尤其是一種多功能的組合機械教具。目的在于提供一種適用于教學，集成九種機械結構系統于一體的多功能機械教具。在研究過程中，解決了如何排列九種不同的機械結構的問題，選定了異步電機做為組合機械教具的動力，對于重量問題進行了材料的選取，對于裝配結構的便攜性也提出了解決方案。

關鍵詞：機械教具;機械創新;組合傳動;機械基礎

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）10-0018-03

1 研究背景

隨著機械行業的迅速發展，各高等院校、?？圃盒τ陂_設的機械類學科之中，大多停留在書本知識上面，對于基本的機械結構的組成不被學生所了解，再因校企合作不夠完善的原因，導致機械工程學科的學生實踐環節比較薄弱，造成了機械類畢業生難以快速投入到機械專業工作當中，機械類的課程在通常情況下需要合適的教具作為輔助教學，教具的功能要包括能夠充分講解機械原理課程中所學知識點。

2 具體設計方案

為了解決傳統機械教具功能的單一性，對一種多功能的機械教具進行了設計，可以讓學生可以進行親自動手進行實踐。教具在進行演示的時候要做到結構清晰好辨認，實踐時要簡單易操作，給學生增加更好的教學體驗，充分投入到知識當中。在教具的制造上要求材料成本低，易加工，盡量做到方便拆裝好攜帶，讓教師在教學之中有更大的靈活性。

2.1 設計思路

針對現有教具市場存在的不足，設計多功能的組合機械教具的目的在于提供一種適用于教學，集成多種機械結構系統于一體的多功能機械教具以用來進行系統的學習。

在進行設計的時候，共涉及到了九種基本的傳動機構，如圖1所示，分別為蝸輪蝸桿機構;齒輪副機構;不等長平面四桿機構;行星輪機構;凸輪機構;槽輪機構;棘爪棘輪機構;帶輪機構;鏈輪機構。

在進行設計時，將多功能的組合機械教具設計為一裝配體，多功能的組合機械教具包括外殼、底座、電機、驅動桿、滑移導軌、“口”型升降框、蝸輪蝸桿機構、齒輪副機構、不等長平面四桿機構、行星輪機構、凸輪機構、槽輪機構、棘爪棘輪機構、帶輪機構、鏈輪機構。

這九種機構分別放置于“口”型升降框內，如圖2所示，“口”型升降框為一中空框架，頂部有一提手可以將升降框手動提起，“口”型升降框可拆卸連接在滑移導軌上，“口”型升降框底部靠近驅動桿一側安裝有一齒輪;滑動導軌固定于箱體內;驅動桿桿安裝于箱體側面，驅動桿上等距安裝九個齒輪;各個機構的運動通過提升“口”型升降框來使“口”型升降框底部的齒輪與驅動桿上的齒輪進行嚙合達到動力傳輸的效果，箱體安裝于底座上;多功能的組合機械教具可通過調換不同的機械結構去進行運動模擬。

蝸輪蝸桿機構安裝于“口”型升降框內，蝸輪蝸桿機構包括蝸輪、蝸桿，蝸輪蝸桿機構可拆卸安裝于“口”型升降框內。

可調不等長平面四桿機構安裝于“口”型升降框內，可調不等長平面四桿機構包括一機架、一主動桿、一從動桿、一連桿。可調不等長平面四桿機構各個桿件長度可調，可實現大部分常見平面四桿機構的運動類型，可調不等長平面四桿機構可拆卸安裝于“口”型升降框內。

行星輪機構安裝于“口”型升降框內，所述可變直齒斜齒輪機構為一組合體，通過齒輪中部旋鈕可以使齒輪的齒向改變，可顯現不同傾角的齒形，所述可變直齒斜齒輪機構可拆卸安裝于“口”型升降框內。

凸輪機構安裝于“口”型升降框內，所述凸輪機構包括凸輪、搖桿，通過凸輪的運動使從動搖桿的運動軌跡發生改變，所述凸輪機構可拆卸安裝于“口”型升降框內。

槽輪機構安裝于“口”型升降框內，槽輪機構包括槽輪和主動撥盤，通過主動撥盤與槽輪的槽位相互作用使槽輪機構運動，槽輪機構可拆卸安裝于“口”型升降框內。

棘爪棘輪機構安裝于“口”型升降框內，棘爪棘輪機構包括棘爪、棘輪，棘爪可實現驅動與止回的作用，棘爪棘輪機構可拆卸安裝于“口”型升降框內。

帶輪機構安裝于“口”型升降框內，帶輪機構包括主動輪、從動輪、傳動帶，帶輪機構可拆卸安裝于“口”型升降框內。

鏈輪機構安裝于“口”型升降框內，鏈輪機構包含鏈條、鏈輪。鏈條包含奇數鏈條和雙數鏈條， 在進行演示時可將鏈條更換，鏈輪機構可拆卸安裝于“口”型升降框內。

“口”型升降框共九組，為各個分別為不同機械結構所安裝，“口”型升降框平行排列，垂直于底座，通過與教具外殼內的滑移導軌相互配合安裝。

如圖3所示，為齒輪副機構安裝示意圖。

2.2 教具材料的選取

外殼和“口”型升降框材料選用玻璃纖維增強塑料亞克力，這種材料的相對密度在1.5～2.0之間，只有碳鋼的1/4～1/5，但拉伸強度卻接近甚至超過碳素鋼，強度可以與高級合金鋼媲美。

2.3 動力部分設計

動力部分采用兩種方式，一為手動控制，二為電機帶動驅動桿。進行手動控制時將機構從“口”型升降框取出，可進行手動操作，使用完畢后將機構重新安裝在“口”型升降框內，使用快捷方便。用電機作為動力源的時，將電機調速之后在進行演示。

2.3.1 驅動桿設計

如圖4所示，驅動桿為一根直軸，由于考慮到驅動桿上要配合齒輪，所以將驅動桿直徑加大以增加強度。

驅動桿安裝位置如圖5所示。

2.3.2 電機部分設計

電機選用異步電機，因為在教具上使用，所需扭矩不必很大，選用5V電源的異步電機即可，控制電路選用單片機作為核心即可，由于不必過于精細，只可保證正常運轉即可，教具內內含一小塊蓄電池，滿足教學工作即可。

2.4 傳動部分設計

傳動部分采用齒輪嚙合的方式進行，驅動桿上共有九組齒輪呈等距排列，每一組齒輪相對應每一組的演示傳動機構進行嚙合，進行演示時將“口”型升降框提起，提升至最高位置時驅動桿上的齒輪與“口”型升降框上連接機構主動件的齒輪系相嚙合進行傳動。進行演示之前要先將電機調速，調節至演示機構的速度范圍之內，在進行教學演示?！翱凇毙蜕悼虻撞魁X輪與齒輪系如圖6所示。

3 研究成果

這種教具可以演示蝸輪蝸桿傳動、齒輪傳動、四桿機構傳動、直齒斜齒輪傳動、凸輪傳動、槽輪傳動、單/雙棘爪棘輪傳動、帶輪傳動、鏈輪傳動運動模擬。因為它是作為教具去進行演示，所以各個機構精度要求不必很嚴格，以價格相對低廉的材料去進行制作，可以降低制作的成本。它可以應用于《機械原理》課程的教學演示，可以當作《機械制造》中被加工零件的成品，也可以用作《機械制造工程》課程的拆裝范例，使學生可以在學習能夠直觀的了解機構的運動規律，能夠快速理解機構之中的種種聯系。

4 結語

多功能的組合機械教具將九種基本機械結構納為一體，更加系統化，整合度更加緊湊、所具備功能可滿足基礎課程的要求。具有一定的創新型與實用性以下為創新的幾點：

（1）各個機械機構都裝于“口”型升降框內，“口”型升降框可避免人體與機械結構直接觸碰不小心所造成的損傷。“口”型升降框內的機構可從中拆下，安裝方便快捷。

（2）平面四桿機構可以進行桿件的調節，這樣減少了所需構件的數量，在進行演示時也方便進行講解，可以更加直觀的讓學生了解。

（3）多功能的組合機械教具具有兩種動力輸入方式，一為手動輸入動力、二為電機驅動。電機驅動時將“口”型升降框提起，將電機調速至選定機構的主動件速度范圍內進行演示。手動時可將機構從“口”型升降框內取出，方便學生觸摸和操作。

多功能的組合機械教具可以很好的演示基礎機構的運動原理，對于學生的學習和教師的教學工作有很大的幫助，對于未來教具市場的發展方向有很好的借鑒性。