CN103632604A - 基于连杆机构的多功能教具 - Google Patents

Abstract

一种基于连杆机构的多功能教具，其包括设置在教具主支架上的教具主驱动机构、滑块速度描绘机构、以及凸轮曲线描绘机构、连杆速度描绘机构以及运动确定性分析机构，教具主支架包括水平基板以及固定在水平基板一侧上的长方体框架，通过设置在教具主支架上的多个连杆机构实现了多种机械原理的知识点再现，能够提升教学效果，使课堂教学更具有针对性和适用性。

Description

基于连杆机构的多功能教具

技术领域

本发明涉及一种教学用具，具体涉及一种基于连杆机构的能够实现凸轮曲线形成过程、曲柄滑块机构中滑块速度定性分析、连杆机构中连杆速度定性分析、运动确定性条件分析等多功能的教学用具。

背景技术

目前，在机械类课程的课堂教学过程中很少、甚至不用教具，学生理解和掌握此类课程相关知识时多靠想象，很难达到课堂教学的效果。机械类教具的使用大大加快了学生理解和掌握课堂知识的过程，应用前景广泛。机械类课程的知识点前后联系紧密，如果有一套教具能把学到的知识点进行功能的集成，可以进行多个知识点的传播和演示，将大大提高教具的使用价值。

发明内容

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于连杆机构的多功能教具，其包括设置在教具主支架上的教具主驱动机构、滑块速度描绘机构以及凸轮曲线描绘机构，所述教具主驱动机构包括第一电机、皮带轮、第一链轮、第二链轮、链条、蜗杆、蜗轮以及主轴，所述滑块速度描绘机构包括光杆滑块、光杆、第一连杆、第二连杆、圆筒、圆筒轴、圆筒左、右支架以及圆筒竖直笔，所述凸轮曲线描绘机构包括所述光杆滑块、光杆、蜗杆、第一连杆、第二连杆以及圆盘和圆盘水平笔；所述教具主支架包括水平基板以及固定在水平基板一侧上的长方体框架，其中长方体框架包括左、右两侧各两根的支柱、连接左侧两根支柱的左竖梁、连接右侧两根支柱的右竖梁以及连接左、右竖梁的若干横梁；所述第一电机固定在水平基板上的长方体框架内部，第一电机输出轴与皮带轮相连，所述圆筒轴穿过皮带轮并通过圆筒左、右支架固定在长方体框架内部，穿过皮带轮的圆筒轴一侧还连接第一链轮，所述圆筒轴上固定有圆筒，所述蜗杆与左、右竖梁相连并平行于横梁设置，所述第二链轮固定在蜗杆上并与第一链轮通过链条连接，所述蜗轮与蜗杆啮合，所述主轴穿过蜗轮并固定支撑蜗轮，所述光杆与左、右竖梁相连与蜗杆平行并具有间隔，所述光杆上设有光杆滑块，所述光杆滑块与第一连杆一端铰接，第一连杆另一端与第二连杆一端铰接，第二连杆另一端与主轴的一端铰接，所述光杆滑块上还固定设置有圆筒竖直笔以及圆盘水平笔，所述圆筒竖直笔与圆筒接触，所述圆盘水平笔与固定在主轴上的圆盘相接触。

进一步地，所述多功能教具还包括设置在教具主支架上的连杆速度描绘机构，所述连杆速度描绘机构包括第三连杆、第四连杆、滑轮杆、丝杆螺母、丝杆、拉线、第一滑轮、第二滑轮、滑轮支架、滑套、滑杆、滑杆支架、转筒水平笔、转筒以及转筒驱动装置，其中第三连杆一端固定在主轴的另一端上，第三连杆另一端与第四连杆一端铰接，第四连杆另一端与固定在滑轮杆上的第一滑轮相连，滑轮杆另一端与丝杆螺母铰接，丝杆螺母套在丝杆上，丝杆与左、右竖梁相连与蜗杆平行并具有间隔，第一滑轮上绕有拉线一端，拉线另一端绕过第二滑轮并固定在滑套上，第二滑轮固定在滑轮支架上，滑套装在滑杆上，滑杆固定在滑杆支架上，转筒水平笔固定在滑套上并与转筒相接触，所述转筒由转筒驱动装置驱动，所述转筒驱动装置包括第二电机、第一齿轮、第二齿轮以及转筒轮，所述转筒轮与第二齿轮同轴，所述第二电机输出轴与第一齿轮相连，第一齿轮和第二齿轮啮合。

进一步地，所述多功能教具还包括设置在教具主支架上的运动确定性分析机构，所述运动确定性分析机构设置在水平基板上的另一侧上，包括机架、手柄、第一连架杆、第五连杆、第六连杆、第二连架杆、连杆轴以及轴支架，其中手柄固定在第一连架杆上，第一连架杆、第五连杆、第六连杆、第二连架杆通过铰链依次顺序连接，第二连架杆还与连杆轴相连，连杆轴设置在轴支架上。

本发明具有以下有益效果，本发明的多功能教具能够通过设置在一个基板以及设置在基板上的框架上的多个连杆实现了多种机械原理的知识点再现，能够提升教学效果，使课堂教学更具有针对性和适用性。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作具体说明：

图1为多功能教具整体结构的示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为滑块速度描绘机构和凸轮曲线描绘机构的右视图。

图4为滑块速度描绘机构和凸轮曲线描绘机构的左视图。

图5为连杆速度描绘机构和运动确定性分析机构的三视图。

图中各部件或结构的名称如下：

1-教具主支架，2-圆筒右支架，3-圆筒左支架，4-圆筒轴，5-圆筒，6-圆筒竖直笔，7-光杆滑块，8-光杆，9-蜗杆，10-丝杆，11-圆盘，12-第一连杆，13-第二连杆，14-第二链轮，15-链条，16-拉线，17-第二滑轮，18-滑轮支架，19-手柄，20-第一连架杆，21-第五连杆，22-第六连杆，23-第二连架杆，24-连杆轴，25-转筒水平笔，26-滑杆，27-滑杆支架，28-第二电机，29-第一齿轮，30-第二齿轮，31-连杆轴支架，32-转筒，33-转筒轴，34-第一链轮，35-皮带轮，36-皮带，37-第一电机，38-圆盘水平笔，39-主轴，40-第三连杆，41-第四连杆，42-第一滑轮，43-丝杆螺母，44-转筒轮，45-滑套，46-蜗轮。

具体实施方式

参照图1-5，本发明的多功能教具主要包括设置在教具主支架上的教具主驱动机构、滑块速度描绘机构以及凸轮曲线描绘机构，教具主驱动机构包括第一电机37、皮带轮35、第一链轮34、第二链轮14、链条15、蜗杆9、蜗轮46以及主轴39；滑块速度描绘机构包括光杆滑块7、光杆8、第一连杆12、第二连杆13、圆筒5、圆筒轴4、圆筒左、右支架3、2以及圆筒竖直笔6；凸轮曲线描绘机构包括光杆滑块7、光杆8、蜗杆9、第一连杆12、第二连杆13以及圆盘11和圆盘水平笔38；教具主支架包括水平基板以及固定在水平基板一侧上的长方体框架，其中长方体框架包括左、右两侧各两根的支柱、连接左侧两根支柱的左竖梁、连接右侧两根支柱的右竖梁以及连接左、右竖梁的若干横梁，横梁的个数可根据教具的使用强度确定；第一电机37固定在水平基板上的长方体框架内部，第一电机37输出轴与皮带轮35相连，皮带轮35将动力通过皮带36传递给与皮带轮35同轴的圆筒轴4，圆筒轴4穿过皮带轮35并通过圆筒左、右支架3、2固定在长方体框架内部，穿过皮带轮35的圆筒轴4一侧还连接第一链轮34，圆筒轴4上固定有圆筒5，蜗杆9与左、右竖梁相连并平行于横梁设置，第二链轮14固定在蜗杆9上并与第一链轮34通过链条15连接，蜗轮46与蜗杆9啮合，主轴39穿过蜗轮46并固定支撑蜗轮46，光杆8与左、右竖梁相连与蜗杆9平行并具有间隔，光杆8上设有光杆滑块7，光杆滑块7与第一连杆12一端铰接，第一连杆12另一端与第二连杆13一端铰接，第二连杆13另一端与主轴39的一端铰接，光杆滑块7上还固定设置有圆筒竖直笔6以及圆盘水平笔38，圆筒竖直笔6与圆筒5接触，圆盘水平笔38与固定在主轴39上的圆盘11相接触。

本发明的多功能教具还包括设置在教具主支架上的连杆速度描绘机构，连杆速度描绘机构包括第三连杆40、第四连杆41、滑轮杆、丝杆螺母43、丝杆10、拉线16、第一滑轮42、第二滑轮17、滑轮支架18、滑套45、滑杆26、滑杆支架27、转筒水平笔25、转筒32以及转筒驱动装置，其中第三连杆40一端固定在主轴39的另一端上，第三连杆40另一端与第四连杆41一端铰接，第四连杆41另一端与固定在滑轮杆上的第一滑轮42相连，滑轮杆另一端与丝杆螺母43铰接，丝杆螺母43套在丝杆10上，丝杆10与左、右竖梁相连与蜗杆9平行并具有间隔，第一滑轮42上绕有拉线16一端，拉线16另一端绕过第二滑轮17并固定在滑套45上，第二滑轮17固定在滑轮支架18上，滑套45装在滑杆26上，滑杆26固定在滑杆支架27上，转筒水平笔25固定在滑套45上并与转筒32相接触，转筒32由转筒驱动装置驱动，转筒驱动装置包括第二电机28、第一齿轮29、第二齿轮30以及转筒轮44，转筒轮44与第二齿轮30同轴，第二电机28输出轴与第一齿轮29相连，第一齿轮29和第二齿轮30啮合。

本发明的多功能教具还包括设置在教具主支架上的运动确定性分析机构，运动确定性分析机构设置在水平基板上的另一侧上，包括机架、手柄19、第一连架杆20、第五连杆21、第六连杆22、第二连架杆23、连杆轴24以及轴支架25，其中手柄19固定在第一连架杆20上，第一连架杆20、第五连杆21、第六连杆22、第二连架杆23通过铰链依次顺序连接，第二连架杆23还与连杆轴24相连，连杆轴24设置在轴支架25上。

本发明的多功能教具的运动过程描述如下：

第一电机37固定在水平基板上并位于长方体框架内侧，第一电机37输出轴与皮带轮35相连，当第一电机37启动，通过皮带轮35和皮带36将动力传递至圆筒轴4上，驱动圆筒轴4上的圆筒5转动，同时驱动圆筒轴4上的第一链轮34转动，蜗杆9与左、右竖梁相连并平行于横梁设置，第二链轮14固定在蜗杆9上，经链条15传动，第一链轮34带动第二链轮14转动并驱动蜗杆9转动，通过蜗杆9和蜗轮46啮合传动，带动蜗轮46转动，蜗轮由主轴39固定支撑，在蜗轮转动时，带动主轴39转动，由主轴39驱动滑块速度描绘机构、凸轮曲线描绘机构、连杆速度描绘机构和圆盘运动。

上述凸轮曲线描绘机构中的光杆8与左、右竖梁相连与蜗杆9平行并具有间隔，光杆滑块7与光杆8相连，允许其在光杆8上做往复直线运动，圆盘水平笔38固定在光杆滑块7上，其写字端指向圆盘11，并和圆盘11接触，允许其跟随光杆滑块7在光杆8上做往复直线运动，第一连杆12的一端和光杆滑块7由铰链连接，允许第一连杆12绕光杆滑块7做相对转动，第二连杆13的一端和第一连杆12的另一端由铰链连接，允许两者之间有相对转动、第二连杆13的另一端与主轴39固定连接，允许其跟随主轴39转动。主轴39转动时，驱动第二连杆13转动，第二连杆13驱动第一连杆12转动，第一连杆12驱动光杆滑块7在光杆8上做往复直线运动，圆盘水平笔38跟随光杆滑块7做往复直线运动，其运动过程类比为凸轮运动机构中推杆的往复直线运动，同时圆盘水平笔38的写字端在圆盘11上描绘曲线，圆盘11固定在主轴39上，跟随主轴39做圆周运动，其运动过程类比为凸轮运动机构中凸轮的圆周运动，圆盘水平笔38的往复直线运动和圆盘11的圆周运动相复合所形成的曲线类比为形成凸轮轮廓曲线。

上述滑块速度曲线描绘机构中的光杆8与左、右竖梁相连与蜗杆9平行并具有间隔，光杆滑块7与光杆8相连，允许其在光杆8上做往复直线运动，圆筒竖直笔6固定在光杆滑块7上，其写字端指向圆筒5，并和圆筒5接触，允许其跟随光杆滑块7在光杆8上做往复直线运动，与凸轮曲线描绘机构类似，主轴39转动时，驱动第二连杆13转动，第二连杆13驱动第一连杆12转动，第一连杆12驱动光杆滑块7在光杆8上做往复直线运动，圆盘水平笔38跟随光杆滑块7做往复直线运动，圆筒轴4左右两端分别固定在圆筒左支架3和圆筒右支架4上，并在皮带轮35驱动下进行转动，圆筒5固定在圆筒轴4上，跟随圆筒轴4做圆周运动，通过观察圆筒5上所形成曲线的疏密程度，从而可定性地分析滑块的速度大小：曲线越稀疏，表示滑块速度越小；反之，速度越大。

上述连杆速度描绘机构中第三连杆40的一端固定在主轴39上，允许其跟随主轴39做圆周运动，另一端与第四连杆41的一端由铰链连接，允许两者之间有相对转动，第四连杆41的另一端与滑轮杆上的第一滑轮42相连，第一滑轮42固定在滑轮杆上，滑轮杆的另一端由铰链与丝杆螺母43相连，允许其绕丝杆螺母43相对转动，丝杆螺母43套在丝杆10上，丝杆10与左、右竖梁相连与蜗杆9平行并具有间隔，当丝杆10顺、逆时针转动时，丝杆螺母43可以在丝杆10上做往复直线运动。滑轮杆上的第一滑轮42上绕有拉线16，拉线16的另一端绕过第二滑轮17固定在滑套45上，第二滑轮17装在滑轮支架18上，起到对拉线16换向的作用，滑套45装在滑杆支架27上的滑杆26上，允许其在滑杆26上做竖直方向的往复直线运动，转筒水平笔25的一端水平固定在滑套45上，其写字端指向转筒32，并与其接触。同前所述主轴39转动时，第三连杆40跟随其做圆周运动，带动第四连杆41做相对转动，第四连杆41又驱动滑轮杆做相对转动，带动滑轮杆上的第一滑轮42运动，进而带动绕在滑轮上的拉线16运动，拉线16另一端的滑套45则在滑杆26上做竖直方向的往复直线运动，并带动转筒水平笔25跟随滑套45做竖直方向的往复直线运动。第二电机28固定在教具主支架1上不设置长方体框架的另一侧，启动后，经第一齿轮29，第二齿轮30啮合传动，第二齿轮30和转筒轮44同轴，从而驱动两个转筒做圆周运动，两转筒之间由纸张连接，从而纸张做直线运动，滑套45上的转筒水平笔25做竖直方向的往复直线运动和转筒32上的纸张的直线运动复合形成的曲线可定性分析被测连杆的速度大小：曲线越稀疏，表示连杆上某点速度越小；反之，速度越大。

前述运动确定性分析机构由手柄19、第一连架杆20、第五连杆21、第六连杆22、第二连架杆23和机架共同组成，手柄19固定于第一连架杆20上，连架杆和连杆通过铰链首尾顺序相连，构成运动确定性分析机构，通过手动转动手柄19，其带动第一连架杆20转动，从而带动第五连杆21、第六连杆22和第二连架杆23运动，机架和四个杆(20，21，22，23)组成的部件在一个驱动的情况下，有两个自由度。当主动件数目和自由度数目相等时，运动是确定的；当主动件数目大于自由度数目时，则在机构最薄弱地方破坏；当主动件数目小于自由度数目时，机构的运动是不确定的，以上为运动确定性的条件。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种基于连杆机构的多功能教具，其包括设置在教具主支架上的教具主驱动机构、滑块速度描绘机构以及凸轮曲线描绘机构，所述教具主驱动机构包括第一电机、皮带轮、第一链轮、第二链轮、链条、蜗杆、蜗轮以及主轴；所述滑块速度描绘机构包括光杆滑块、光杆、第一连杆、第二连杆、圆筒、圆筒轴、圆筒左、右支架以及圆筒竖直笔；所述凸轮曲线描绘机构包括所述光杆滑块、光杆、蜗杆、第一连杆、第二连杆以及圆盘和圆盘水平笔；其特征在于，所述教具主支架包括水平基板以及固定在水平基板一侧上的长方体框架，其中长方体框架包括左、右两侧各两根的支柱、连接左侧两根支柱的左竖梁、连接右侧两根支柱的右竖梁以及连接左、右竖梁的若干横梁；所述第一电机固定在水平基板上的长方体框架内部，第一电机输出轴与皮带轮相连，所述圆筒轴穿过皮带轮并通过圆筒左、右支架固定在长方体框架内部，穿过皮带轮的圆筒轴一侧还连接第一链轮，所述圆筒轴上固定有圆筒，所述蜗杆与左、右竖梁相连并平行于横梁设置，所述第二链轮固定在蜗杆上并与第一链轮通过链条连接，所述蜗轮与蜗杆啮合，所述主轴穿过蜗轮并固定支撑蜗轮，所述光杆与左、右竖梁相连与蜗杆平行并具有间隔，所述光杆上设有光杆滑块，所述光杆滑块与第一连杆一端铰接，第一连杆另一端与第二连杆一端铰接，第二连杆另一端与主轴的一端铰接，所述光杆滑块上还固定设置有圆筒竖直笔以及圆盘水平笔，所述圆筒竖直笔与圆筒接触，所述圆盘水平笔与固定在主轴上的圆盘相接触。

2.根据权利要求1所述的多功能教具，其特征在于，所述多功能教具还包括设置在教具主支架上的连杆速度描绘机构，所述连杆速度描绘机构包括第三连杆、第四连杆、滑轮杆、丝杆螺母、丝杆、拉线、第一滑轮、第二滑轮、滑轮支架、滑套、滑杆、滑杆支架、转筒水平笔、转筒以及转筒驱动装置，其中第三连杆一端固定在主轴的另一端上，第三连杆另一端与第四连杆一端铰接，第四连杆另一端与固定在滑轮杆上的第一滑轮相连，滑轮杆另一端与丝杆螺母铰接，丝杆螺母套在丝杆上，丝杆与左、右竖梁相连与蜗杆平行并具有间隔，第一滑轮上绕有拉线一端，拉线另一端绕过第二滑轮并固定在滑套上，第二滑轮固定在滑轮支架上，滑套装在滑杆上，滑杆固定在滑杆支架上，转筒水平笔固定在滑套上并与转筒相接触，所述转筒由转筒驱动装置驱动，所述转筒驱动装置包括第二电机、第一齿轮、第二齿轮以及转筒轮，所述转筒轮与第二齿轮同轴，所述第二电机输出轴与第一齿轮相连，第一齿轮和第二齿轮啮合。

3.根据权利要求2所述的多功能教具，其特征在于，所述多功能教具还包括设置在教具主支架上的运动确定性分析机构，所述运动确定性分析机构设置在水平基板上的另一侧上，包括机架、手柄、第一连架杆、第五连杆、第六连杆、第二连架杆、连杆轴以及轴支架，其中手柄固定在第一连架杆上，第一连架杆、第五连杆、第六连杆、第二连架杆通过铰链依次顺序连接，第二连架杆还与连杆轴相连，连杆轴设置在轴支架上。

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