新型机械机构演示教具设计

顾彩晓 曹建波 陈凯博 朱润洋 倪冰霞 徐佳立 李丁立 郭恩程

(1.浙江师范大学工学院，浙江 金华321004；2.浙江师范大学行知学院，浙江 金华321004)

0 引言

机械结构的学习是学好机械专业的关键，通过教师的理论讲解，学生不易理解和记忆。需要自制满足机械结构教学要求且成本低廉的典型机构教具并投入到理论和实践教学中[1-4]，授课时，除了用多媒体展示各机构的运动外，教师可用教具进行直观教学加深学生对理论知识的认识和理解，激发学生的学习兴趣[5-6]。本文将5套常用机构制作成一种新型的机械机构演示教具。通过机构的联动来为课堂增添乐趣，并实现了延时与自动运行功能，安全可靠性高，操作简便。

1 新型机械机构演示教具主要性能

1.1 趣味性高

整个作品采用联动装置，由小球下落连通总电路使机构运行，电磁锁通电锁头缩进，使架于其上的说明板下落，展示出机械机构，给整套装置增添趣味。

1.2 教学效果好

机构运行前，机构说明板架与电磁锁锁头上固定不动，板上写有对该机构的解说介绍，机构运行时，说明板与实物结合进行教学。

1.3 延时可调，实现联动

机构运行时，后四个机构运行由各自的延时继电器与行程开关控制，且延时可调，实现联动。

2 新型机械机构演示教具设计

教具装置总体设计：整体由几个可叠装的箱子组成，装置总体体积不超过1.2×1.2×1.2m，单块机构演示板290×320mm，整体装置展开时总长度达到1.5m。教具机构演示板共5块，分别为齿轮机构、槽轮机构、曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构、偏心轮机构。机构说明板用重量轻、美观性好的亚克力板制作，板上有对机构的介绍。机构安放箱，选用轻便、强度高的工程塑料板制作。

2.1 控制电路设计

为保证足够的扭矩，选用蜗轮蜗杆电机来带动机构的运行。电机额定电压U=12V，I=0.3A，转速n=16r/min。为保证电压稳定，选用12V、额定功率36W的稳压电源，机构箱之间电路并联。

下落展示板采用滑轨降落的形式，并选用常用的延时继电器和行程开关来进行控制。总电源开关选用空气开关保障电路的安全。演示时按下电源总开关，小钢珠从塑料管下落，连通电路，电磁锁通电，锁头缩进，机构展示板下落，触动行程开关，机构运行。机构通过延时继电器延时控制下一套机构的运行，依次循环。

2.2 机械机构设计

（1）齿轮机构：选用行星齿轮机构，包括内齿，中心齿，行星齿轮，皮带轮等。皮带轮传动比设为1.5。行星齿轮机构如图1所示。

图1 行星齿轮机构

（2）槽轮机构：选用结构较为简单的单臂外啮合槽轮机构，它由主动转盘、从动槽轮和机架组成。槽轮机构的转角φ0=45°，槽数Z=4，拨盘直径d=100mm，拨盘通过一段阶梯轴与电机连接，为减小摩擦，槽轮中心孔处用轴与轴过盈配合。槽轮机构如图2所示。

图2 槽轮机构

（3）曲柄摇杆机构：利用平面四杆机构的构件，组建了木牛流马的形状。机构运行时，多个杆件由主动轴的转动而带动。曲柄摇杆机构如图3所示。

图3 曲柄摇杆机构

（4）曲柄滑块机构：采用压包机的模型作为曲柄滑块机构的演示范例。压包机中的压包为滑块构件，电机与转动杆相连，靠电机转动带动转动杆的的转动，使滑块上下移动。压包机模型图如图4所示。

图4 曲柄滑块机构

（5）偏心轮机构：运行时，先由电机带动偏心轮的转动，使偏心轮推动外框左右平移，进行往复移动。偏心轮通过阶梯轴与电机连接，外框通过两个固定支架，固定于机构板上。偏心轮直径D=80mm，偏心距l=1.5mm，最大推程L=30mm。偏心轮机构如图5所示。

图5 偏心轮机构

3 结论

本文对新型机械机构演示教具的材料及形状尺寸进行了设计和研究，并通过UG软件绘制了新型机械机构演示教具的效果图和装配图。该机构演示教具具有延时与自动运行功能，安全可靠性高，操作简便，趣味性强，给学生的学习带来方便等优点，将有很大的实用价值和良好的社会效益。

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［2］王聪慧,王顺,熊健.深化机械原理课程教学改革的探讨[J].教育教学论坛,2013(39)：54-55.

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［4］马丹萍,李勇,梁勤欧.无线遥控智能小车的运动模拟及轨迹绘制[J].浙江师范大学学报：自然科学版,2015,38(1)：116-120.

［5］王晓波,秦永康.组合连杆的设计[J].河南机电高等专科学校学报,2012(1)：6-7.

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