偏心轮教具的研制*

文 吴天银 唐启涛 黄志昆 韦金明

偏心轮教具的研制*

文 吴天银 唐启涛 黄志昆 韦金明

偏心轮即是这个轮的转动轴偏离中心，可分为两种，一种是固定轴心，一种是活动轴心。偏心轮在工业上主要用来产生振动，在前人研究的基础上，我们创新开发，将该原理制作成偏心轮系列教具，并应用到课堂和科普活动中，让学生在动手制作的过程中学习科学知识。

一、二足行走类

1.原理

二足产品结构模型图如图1所示。二足机器人“足”的底部（脚掌）平面做成凹形（如图2所示），使机器人单足着地时屹立不倒（如图3所示），用转动轴带动偏心轮（如图4所示）实现机器人的双“足”交替前行（如图5所示），前进过程中左脚1号线的脚先向前迈，右脚2号线静止；1号前进一步后暂时停下支撑身体重量，2号向前迈。前行轨迹如图6所示，轴承带动偏心轮转动过程情况如图7所示。

图1 二足产品结构图

图2 二足产品脚掌

图3 单脚支撑平衡图

图4 转动轴带动偏心轮

图5 脚交替前进示意图

图6 前进轨迹图

图7 偏心轮转动图

2.研制中需要解决的关键问题

为了制作顺利进行，需在制作前了解研制中需要注意的关键问题。

（1）电机的减速

普通电机转速远超出产品需要，对电机减速需经减速齿轮的作用，减速齿轮的工作原理如图8所示，是利用了同轴转动的齿轮角速度相等，半径越大线速度越小。普通电机通过柱状齿轮带动第一个齿轮的外圈转动，由于外圈的半径大，线速度小，带动第一个齿轮的转动即实现了电机的第一次减速。第一个齿轮的内圈又带动第二个齿轮的外圈转动，同理实现了第二次减速。由此达到了普通电机减速的目的。

（2）产品的平衡问题

脚掌的选材有一定的讲究，该结构是为增大接地面积以防止摔倒，用小木板触地面积大或许能达到更好的保持身体的平衡。但实验中发现，用木板安装时，木板宽度较大，前行时左右两个脚的木板卡在一起，由于下轴承是固定结构，电动机也因此被卡住而使二足产品无法前行。为了让左右两根线不卡在一起，不用木板而选用铁线。因为铁线已经能达到使二足产品平衡的目的，且不会影响二足产品的前行，又达到美观的效果。

单制作下轴承带动二足产品前行已达到目的，但产品易因不平衡而摔倒。因此需在靠上位置再做一个轴承，用以保证二足产品重心的固定，达到前行过程中不会摔倒。

3.选材

（1）机身

偏心轮产品机身材料选用木板，该材料方便易取、价格低廉，学生在加工制作的过程中可提高动手能力，达到一举多得的效果，适合在科学教育活动中批量使用。

（2）电机

可供选择的电机有普通电机与减速电机，在此选用普通电机。普通电机转速虽快但价格低廉，用普通电机来减速，可以让学生学习齿轮减速原理。在新课改的要求中，教师要教会学生获取知识的方法，让学生知其然，也知其所以然。运用普通电机来减速是一个一举多得的好方法。

（3）轴承

选用价格低廉、取材方便的铁线。

（4）电池

图8 减速齿轮

随着手机的更新换代，被淘汰成废弃物的手机电池很多。该电池电压高，能量大，寿命长，使用该电池作为制作偏心轮产品的电源达到废物利用的目的，且该电池体积合适，取材方便，可循环利用，适合用来充当偏心轮产品的电池。

为了给已安装好的电池充电，需将万能充电器触头用两条电线连接出来（如图9），达到方便充电的目的。

4.二足偏心轮系列产品的设计与制作

根据图1产品结构设计进行制作，该产品的制作流程如下。

（1）设计机身的长宽高，并制作出成品（制作包括对木板进行切割、打滑、磨平）。

（2）计算减速齿轮在木板中心所占的位置，在木板上画线并打孔。打孔包括留空安放齿轮，以及横向打孔安装轴承固定齿轮。

（3）安装轴承、齿轮、电机。

轴承：二足偏心轮系列的产品前行是由下齿轮的转动而带动“脚”的移动，因此该环节的制作过程中需要让轴承与作为“脚”的木板紧密结合，若发生相对滑动，则电机将无法带动二足机器前行。购买的塑料齿轮孔径为1.9 mm，作为轴承的铁线直径也为1.9 mm，然而实验时没有直径为1.9 mm的电钻钻头，直径最接近的电转为2 mm，因此，打孔后我们需要将作为轴承的铁线与做“脚”的木板紧密相接，连接粘贴环节可使用AB胶。

齿轮：电机减速的过程要安装数个齿轮，齿轮安装需要打孔、装轴、固定齿轮。注意打孔直径、孔间距离等细节。减速齿轮间需紧密相连防止相对滑动，安装前测量齿轮的直径，计算好轴承所需安装的位置。用电钻给安装轴承的木板打孔时，将木板固定好以防打偏，实物图如图10所示。

图9 充电装置

图10 齿轮安装实物图

电机：电机转动存在一定的抖动，安装时需将电机与木板牢固结合在一起。该环节可用钳子扭紧铁线将电机与木板固定在一起。

（4）设计出左右支撑轴的长宽高，并裁剪制作出合适的木板，安装到机身上，用来带动“脚”的运动。支撑轴的上部分为中间镂空的结构，并用铁线安装到其中间，用以控制机身的重心在某一范围内，达到平衡的目的。

（5）裁剪出适合长度的木板，作为“脚”安装到支撑轴上。

（6）在运动过程中仅有一个“脚”在支撑身体的重量，且“脚”的长度大但宽度小，因此运动时不能保证身体的平衡。为此需要用铁线安装在脚上，使脚板形成矩形支撑的结构，制作实物如图11所示。

为了提高趣味性，让学生动脑思考、相互讨论进行产品的改进。可在二足产品上安装一个遥控模块，安装后可达到像遥控汽车一样，具有高度的趣味性，可吸引学生（特别是男生）的学习兴趣。一套遥控模块（包括发射模块、接收模块）一般为8元，这项改进要根据学校的经费而定。

图11 二足产品实物图

二、六足向前爬行类

1.原理

四足与六足的产品原理大致相同，四足产品在一个电机的转动下经过偏心结构带动前足前行，在前足上安装一根铁线来带动后足的前行，简易结构图如图12所示。六足产品为四足产品的延伸，六足产品分前中后3对脚，电机安装在中间用偏心结构带动中间双足的运动，如四足产品一样，在中足上安装一条铁线带动前后足的运动。

图12 四足产品结构图

2.研制中需要解决的关键问题

（1） 电机的减速

普通电机的转速太快，直接应用会导致四、六足产品在前行时大幅度抖动，容易摔倒。电机的减速原理与二足产品中电机减速原理相同。

（2）前足带动后足

用铁线带动前（后）足的运动。在前足上方与后足靠近机身底部的地方打孔，测量两孔的距离，剪下比两孔长度稍长的铁线（其他材料也可），将铁线两末端弯曲弄成一个闭合的圆圈（如图13所示），然后将有圆圈的牵引轴铁线用稍短（比脚的厚度与铁线直径长5 mm左右）的铁线连接起来，连接时需要注意作连线的铁线未与脚固定，铁线两末端绕圈的目的是让铁线能够在脚运动时自由转动。

图13 轴承带动前后足运动

（3）产品的平衡问题

四、六足产品平衡问题，制作时要注意每个“脚”的长度要相等，安装到机身的高度也要相等。由于四足产品在前行过程中仅有一侧（左或右）的两个脚支撑整体重力，因此安装电机时要注意将电机安装在中心位置，确保重心处于中心。六足产品在前进过程中有3个“脚”支撑机身的重力，因此更容易达到平衡。

3.选材

机身：根据产品需要及取材难易程度等诸多方面因素，可结合实际情况于生活选材。学生可将玩具车机型改装，也可用塑料瓶、铁线、木板等物品制作。根据通用技术课偏心轮产品机身选用木板加工制作而成。材料方便易取，价格低廉，适用于科学教育活动中批量使用，学生在加工制作的过程中还可以提高动手能力，达到一举多得的效果。

电池：手机中的锂离子可充电电池（原因与二足产品中所述一致）。

脚：选用取材方便、价格低廉的有机玻璃或木板。

电机：选用普通电机（原因与二足产品中所述一致）。

4.制作

四足产品简易制作流程如下。

（1）设计用于安装齿轮及电机的木板（机身）的长宽高，并制作出成品（制作包括对木板进行切割、打滑、磨平）。

（2）计算减速齿轮在木板中心所占的位置，在木板上画线并打孔。打孔包括留空安放齿轮，以及横向打孔安装轴承固定齿轮，安装上齿轮与电机。

（3）用塑料瓶制作机身，将安装有电机和齿轮的木板放到瓶内，并用铁线将其与塑料瓶牢固相连。

（4）设计出四脚的高度，并裁剪有机玻璃（或木板）制作出脚，安装到作品上，前足的中部镂空使前足前进时能上下移动，用铁线或有机玻璃链接前后足，使前足带动后足运动。

产品应用时让学生动脑设计，把塑料外壳换成其他美观、富有创造性的外壳。从四足产品拓展到六足，使产品内容丰富多彩。四足类产品制作成品如图14所示，六足成品如图15所示。??

图14 四足产品实物图

图15 六足产品实物图

三、“蜗牛”拖动尾部前行类

1.原理

自然界中蜗牛前行时尾巴拖动前进，课堂中要通过偏心轮的特性，仿照蜗牛前行的特点，做到前行时尾巴像蜗牛一样由身体拖动尾部前进的有趣产品。“蜗牛”的简易结构图如图16所示，电动机安装在蜗牛身体的部分，身体运动通过木板带动轮子（用光盘制作）转动，进而由木板拖动尾巴前行。

图16 “蜗牛”简易结构图

2.研制中需要解决的关键问题

不同的产品在研制过程中面临着不同的问题，“蜗牛”研制的关键问题为应用偏心轮结构设计尾部的拖动，其次则为“蜗牛”眼睛的研制，此外“蜗牛”前行速度较慢，需将普通电机进行减速。以下将从尾巴与眼睛进行概述。

（1）设计尾部的拖动

用铁线做轴承连接两个光盘，轴承接在离光盘圆心半径1/2处的位置，用2块木块接在该轴上（木块与铁线能够相对转动），一块木块与蜗牛前部分相连，使前部带动光盘运动；另一块木块与尾巴相连，使光盘转动时将尾巴向前拖动。

使用直径为1.9 mm的铁线作为连接两后轮（光盘）并带动“尾巴”前行的轴承。在光盘打孔的孔径最小仅为2.0 mm，带动尾部旋转的轴承需要与作为轮子的光盘紧密结合，以防打滑（轴承与轮子相对滑动）而使“蜗牛”无法前行，光盘厚度小，使用AB胶进行黏合时光盘与铁线的黏合面积小，为此应该在光盘与铁线黏合处将光盘用有机玻璃（或木板）进行加厚。

（2）眼睛的安装

为了使“蜗牛”更具趣味性，可用发光装置制作眼睛。线路的连接中，从电源正极连电线致头部，接发光二极管后再回电池负极，两个眼睛相互并联。电路连接好后用铁线将眼睛支撑起来，达到模仿蜗牛的目的。

3.选材

机身、尾巴：选用木头。

轮子：商场上的玩具车的车轮为工业制作而成，生产工艺成熟，元器件的成本低，在通用技术的课堂中可以运用，轮子的材料还可以于生活中选材，如用将木头加工成圆形车轮，但此方法取材虽然方便，但加工过程会消耗学生大量的时间。科技发达的今天，家里的音频娱乐已由计算机代替了旧一代DVD影碟机，因此家庭中的DVD光盘渐渐被淘汰成为废弃物品。用光盘作为偏心轮作品的轮子取材方便，成本低廉，达到废物利用的目的，也是为学生学习保护环境、爱护自然的良好方式。

眼睛：选用发光二极管，它具有耗电低、亮度大等优点。

电机：选用价格低廉的普通电机。

4.制作

“蜗牛”产品简易制作流程如下。

（1）设计机身的长宽高，用于安装齿轮和电机，制作出成品（制作包括对木板进行切割、打滑、磨平）。

（2）计算减速齿轮在木板中心所占的位置，在木板上画线裁剪并打孔。打孔包括留空安放齿轮，以及横向打孔安装轴承固定齿轮，安装上齿轮与电机。

（3）电机固定之后在轴承上安装轮子，将发光二极管接入电路，用铁线支撑蜗牛的眼睛。

（4）用铁线做轴承连接2个光盘，轴承接在离光盘圆心半径1/2处的位置，用木块将光盘与蜗牛前部分相连，使前部带动后面结构运动。

（5）安装上尾巴。为了让尾巴达到拖动前行的效果，需在光盘上的轴承上再安装一块木板，通过木板连接尾巴，在运动过程中轴承随着光盘的转动而作圆周运动。蜗牛制作成品如图17所示，在课堂上应用时，让学生动脑进行设计与改进，将作品美化，并加上富有创造性的外壳、做成形象生动的作品。

图17 “蜗牛”成品实物图

四、偏心轮系列教具的拓展

偏心轮系列教具延伸作品有“小人走钢丝”“电力小船”“八足螃蟹”等。“小人走钢丝”结构为抬起手的小人用双手在钢丝上走动。结构如图18所示，实物如图19所示。“电力小船”实物图如图20所示。

图18 “小人走钢丝”结构图

图19 “小人走钢丝”实物图

图20 “电力小船”实物图

五、结束语

偏心轮系列的产品在商业活动中已广泛使用，然而将该系列产品应用于中小学课堂和科普活动中的实例很少。该系列产品花样多，趣味性强，制作过程可锻炼学生的小组合作能力、实验动手能力、分析实际问题能力等，在“玩”的过程中动手制作、动脑思考，学习偏心轮、齿轮同轴运动等知识。将偏心轮系列作品应用于课堂和科普活动中，引导学生课外探究，给广大群众普及科普知识，在教学资源、科普资源发掘方面具有创新性。

作者信息

吴天银，在读本科生。广西民族师范学院，532200

韦金明，硕士，副教授。广西民族师范学院，532200

广西民族师范学院大学生创新创业训练项目“科普产品的开发与研究”（编号：201310604012）和2013年广西科学研究与技术开发项目“以地方高师院校为依托的边远地区青少年科普教育创新示范平台的构建”（编号：桂科能1347016-2-11）