CN104240581B - 一种杆机构教学模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种杆机构教学模型，包括盒体、手动杆传动机构、魔轨变形机构和导轨移动机构。本发明工作可靠、操作方便、能演示任意轨迹包括演示典型杆机构在现实生活中运用的实例，同时还能演示对心与任意偏置曲柄滑块机构；降低了杆机构教学模型的生产成本；将摆在实验室的陈列柜变成了能让学生拿在手里，自己动手探索的便携式模型；一套模型经过简单变换可以演示任意轨迹，趣味性强；能激发学生的探索和创新能力。

Description

一种杆机构教学模型

技术领域

本发明涉及一种教具模型，尤其是涉及一种能让学生正确认识杆机构和展示任意轨迹的杆机构的教学模型。

背景技术

教育学心理学的研究成果表明，学生在形成概念的最初阶段，都必须借助于感觉，先把具体事物的观察和接触转化成与具体事物无关的感性认识，再把感性认识转化成为抽象、概括的理性认识。学生在学习过程中，要在较短的时间内，接受人类的认识成果，为进一步认识和改造世界打好基础。人类的认识成果是由许许多多的概念表述的。在以形象思维为主要思维方式的学生中，建立概念光靠老师讲述是不行的，很多看不见摸不着的东西都要靠一些具体直观的教具把它们演示出来。所以在现代教学中，用具体模型和直观教具进行说明与进行演示操作仍然是十分重要的。

现有杆机构教学模型在使用上有着诸多弊端：1.运动轨迹表现不直观；2.杆只能是定长直杆；3.一套装置只能演示单一的机构；4.陈列柜，只能摆在实验室；5.价格昂贵。综上所述，现有的笨重的、昂贵的杆机构教学模型陈列柜在买回来后只能摆在实验室，不能带到教室让学生自己动手摆弄。现有技术方案的解决方式是采用伸缩杆形式将两根杆合成一根来改变杆长，但这样的技术方案操作繁琐、教学效果不显著，依然不能解决动力输入、轨迹演示、曲柄滑块偏置等问题。更重要的是，这些呆板的直杆形式不能让学生全面而深刻地认识杆和杆机构甚至养成杆只能是直的思维定势。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能让学生正确认识杆机构和展示任意轨迹的杆机构的教学模型。

一种杆机构教学模型，包括盒体、手动杆传动机构、魔轨变形机构和导轨移动机构。所述盒体为一个长方体状，其前端设置有横向内的凹槽，其左端设置有通孔。所述手动杆传动机构为Z字形手柄，所述Z字形手柄一端从盒体后端穿过所述盒体的通孔。所述导轨移动机构包括滑块和平行导轨；所述滑块活动安装在平行导轨上，所述平行导轨水平安装在盒体的凹槽内。所述魔轨变形机构设置在盒体前方，其为三条柔性杆，包括原动杆、连杆和连架杆。所述原动杆一端与穿过盒体通孔的Z字形手柄尾部固定连接，另一端与连杆铰接，所述连杆另一端与连架杆铰接，所述连架杆另一端与滑块铰接。

进一步，所述三条柔性杆：原动杆、连杆和连架杆分别为纯铜原动杆、纯铜连杆和纯铜连架杆其截面形状为矩形，矩形长宽比范围为3：1～10：3，这样可以保证柔性杆能在同一平面内任意弯曲来调节两端铰制孔间距离，且具有足够刚度。所述原动杆一端方形孔，另一端为为铰制孔，所述连杆及连架杆两端为铰制孔，所述Z字形手柄尾部与原动杆连接处为方形转轴，所述方形转轴与原动杆一端的方孔通过螺钉固定连接，所述另一端的铰制孔与连杆一端的铰制孔通过可拆铰链铰接，所述连杆另一端的铰制孔通过可拆铰链与连架杆一端的铰制孔通过可拆铰链铰接，所述连架杆另一端的铰制孔通过可拆铰链与滑块铰接。

进一步，还包括轨迹展示机构，所述轨迹展示机构与连杆连接，其包括指示杆、第一强磁铁和轨迹灯。所述指示杆中段为纯铜杆体，其一端设置有铁磁固定块，另一端设置有阶梯孔。所述轨迹灯设置在阶梯孔内，所述铁磁固定块 与第一强磁铁分别设置在连杆两侧，通过第一强磁铁对铁磁固定块的磁力将指示杆吸附固定在连杆上。轨迹展示机构作用是找到特殊点并由轨迹灯演示该点的运动轨迹。

进一步，所述盒体凹槽两侧内嵌入设置有第二强磁铁。所述导轨移动机构还包括设置在平行导轨两侧的铁磁定位块和设置在滑块两侧的第三强磁铁。所述平行导轨为铁磁导轨，其表面镀有耐磨镀层。所述第三强磁铁吸附在平行导轨上。所述平行导轨通过第二强磁铁对铁磁定位块的磁力将平行导轨吸附安装在盒体凹槽内。

进一步，还包括定长杆组件，所述定长杆组件为若干长度不一的透明扁状塑料杆，其两端设有卡槽。

进一步，所述盒体凹槽底部和两侧设置有刻度条。

进一步，还包括杆长调节机构，还包括杆长调节机构，所述杆长调节机构包括抓手和卡件，所述抓手设置有一平面，所述卡件为两圆柱体，所述卡件垂直安装在抓手的平面上。

进一步，所述所述盒体横向设置有开口向上的容腔。

本发明主要的新方法包括1、使用柔性杆改变杆长；2、使用指示杆和轨迹灯显示运动轨迹；3、科学地利用强磁铁的吸附能力确定平行导轨位置，实现曲柄滑块的对心与偏置；4、产品化设计，便携易拆装。本发明工作可靠、操作方便、能演示任意轨迹包括演示典型杆机构在现实生活中运用的实例；降低了杆机构教学模型的生产成本；将摆在实验室的陈列柜变成了能让学生拿在手里，自己动手探索的便携式模型；一套模型经过简单变换可以演示任意轨迹，趣味 性强；能激发学生的探索和创新能力。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为本发明轨迹展示机构示意图

图3为本发明杆长调节机构示意图

图4为本发明任意轨迹示意图

图5为本发明典型四杆机构示意图

图6为本发明曲柄滑块机构示意图

下面参见附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。

具体实施方式

如图1所示，一种杆机构教学模型，包括盒体1、手动杆传动机构、魔轨变形机构、导轨移动机构、定长杆组件5、杆长调节辅助机构、轨迹展示机构。盒体1为一个长方体状，其前端设置有横向内的凹槽11，其左端设置有通孔，其内部横向设置有开口向上的容腔12。凹槽11两侧分别镶嵌有第二强磁铁13。凹槽底部和两侧设置有刻度条。

手动杆传动机构为Z字形手柄2，所述Z字形手柄2一端从盒体1后端穿过所述盒体1的通孔。导轨移动机构4包括滑块41、平行导轨42、铁磁定位块43和第三强磁铁44。平行导轨42为两条平行的圆柱铁磁导轨,其材料为铁磁材料，可被磁铁吸附，其表面镀有耐磨层。滑块41为非铁磁材料，平行导轨42穿过滑块41将滑块41活动安装在平行导轨42上。铁磁定位块43也是由铁磁材料制成，其设置在平行导轨42两侧，平行导轨42通过第二强磁铁13对铁磁定位块43的磁力将平行导轨42水平吸附安装在盒体1凹槽内。第三强磁铁44有两 块，吸附在平行导轨42上，并设置在滑块41两侧，两块第三强磁铁44吸附在平行导轨42上并夹紧在滑块41两侧时，可以锁死滑块41；取走两块第三强磁铁44即可解开滑块41。依靠调整第三强磁铁44位置将滑块41锁定在满足机架长度调节要求位置或解开滑块41实现曲柄滑块机构的演示，通过铁磁定位块43在盒体1凹槽内作上下移动即能实现曲柄滑块机构的对心和正负偏置。

魔轨变形机构设置在盒体1前方，其为三条柔性杆，包括原动杆31、连杆32和连架杆33，三条柔性杆：原动杆31、连杆32和连架杆33分别为纯铜原动杆31、纯铜连杆32和纯铜连架杆33，其截面形状为矩形，矩形长宽比范围为3：1～10：3。具体地，矩形长度范围为3mm到10mm，宽度范围为1mm到3mm。这样可以保证柔性杆能在同一平面内任意弯曲来调节两端铰制孔间距离，且具有足够刚度。原动杆31一端方形孔，另一端为为铰制孔，连杆32及连架杆33两端为铰制孔，Z字形手柄2尾部与原动杆31连接处为方形转轴21，方形转轴21与原动杆31一端的方孔通过螺钉22固定连接，另一端的铰制孔与连杆32一端的铰制孔通过可拆铰链铰接，连杆32另一端的铰制孔通过可拆铰链与连架杆33一端的铰制孔通过可拆铰链铰接，连架杆33另一端的铰制孔通过可拆铰链与滑块41铰接。

还包括轨迹展示机构，用于展示魔轨杆机构的运动轨迹。如图2所示，轨迹展示机构与连杆32连接，其包括指示杆71、第一强磁铁72和轨迹灯73。指示杆71中段为纯铜杆体，纯铜具有优良的塑形，可以方便地弯曲成任意形状，且能保持一定刚性。指示杆71一端设置有铁磁固定块711，另一端设置有阶梯孔712。轨迹灯73设置在阶梯孔712内，铁磁固定块711与第一强磁铁72分别设置在连杆32两侧，将连杆32夹在中间，通过第一强磁铁72对铁磁固定块711 的磁力将指示杆71吸附固定在连杆32上。轨迹展示机构作用是找到特殊点并由轨迹灯73演示该点的运动轨迹。

进一步，还包括定长杆组件5，定长杆组件5为若干长度不一的透明扁状塑料杆，其两端设有卡槽。定长杆组件5可以卡在可拆铰链上，以确定各柔性杆的杆长和杆位，使得魔轨杆机构能够展示出典型四杆机构在现实生活中的应用实例。三条不同长度的定长杆为一套，每一套定长杆对应一种四杆机构模型。

进一步，还包括杆长调节机构8，如图3所示，杆长调节机构8包括抓手81和卡件82，抓手81设置有一平面，卡件82为两圆柱体，卡件82垂直安装在抓手81的平面上。手拿杆长调节机构8，用平面贴平柔性杆侧面，两根圆柱体卡件82卡住柔性杆，用手扳动柔性杆就能简便地改变柔性杆长。

本发明杆机构教学模型结构采用磁铁、可拆铰链及螺钉设计，可方便地快速拆装，拆下来的定长杆和柔性杆等零部件放入容腔12中，携带方便。

下面结合实例来说明本发明的使用方法：

任意轨迹的实现：如图4使用杆长调节辅助机构调节原动杆31、连杆32、连架杆33、指示杆71的杆长、杆位至不同长度、位置，然后将一套定长杆组件5设置在转轴和可拆铰链处，将第三强磁铁44吸附在滑块41两侧的平行导轨42上，将滑块41锁定，通过转动Z字形手柄2手动动力输入到转轴后，带动各条柔性杆和指示杆71运动，轨迹灯73能演示出任意运动轨迹。

典型四杆机构在现实生活中的实例的演示：同上，如图5只需使用杆长调节辅助机构调节原动杆31、连杆32、连架杆33、指示杆71的杆长、杆位至特定长度、位置，将第三强磁铁44吸附在滑块41两侧的平行导轨42上，将滑块 41锁定，即能演示典型的四杆机构运动，如图5是同步切断机构的运动。魔轨杆机构还能演示摄影升降平台、鹤式起重机、双摇杆、曲柄摇杆、曲柄滑块、双曲柄、平行四边形机构、等腰梯形机构等典型四杆机构运动实例。

曲柄滑块机构的演示：如图6在滑块41和原动杆31铰制孔之间连接一根柔性杆，解开滑块41，调节合适的杆长即可变成曲柄滑块机构。上下移动平行导轨42两侧的铁磁定位块43即能演示曲柄滑块的对心与正负偏置。图6所示为曲柄滑块的负偏置演示，偏置距离可直接从盒体1左右两边的刻度上面读出。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (8)

1.一种杆机构教学模型，其特征在于：包括盒体、手动杆传动机构、魔轨变形机构和导轨移动机构，所述盒体为一个长方体状，其前端设置有横向内的凹槽，其左端设置有通孔；所述手动杆传动机构为Z字形手柄，所述Z字形手柄一端从盒体后端穿过所述盒体的通孔；所述导轨移动机构包括滑块和平行导轨；所述滑块活动安装在平行导轨上，所述平行导轨水平安装在盒体的凹槽内；所述魔轨变形机构设置在盒体前方，其为三条柔性杆，包括原动杆、连杆和连架杆，所述原动杆一端与穿过盒体通孔的Z字形手柄一端固定连接，另一端与连杆铰接，所述连杆另一端与连架杆铰接，所述连架杆另一端与滑块铰接。

2.根据权利要求1所述的一种杆机构教学模型，其特征在于：所述三条柔性杆：原动杆、连杆和连架杆分别为纯铜原动杆、纯铜连杆和纯铜连架杆，其截面形状为矩形，矩形长宽比范围为3：1～10：3，所述原动杆一端为方形孔，另一端为铰制孔，所述连杆及连架杆两端为铰制孔，所述Z字形手柄尾部与原动杆连接处为方形转轴，所述方形转轴与原动杆一端的方形孔通过螺钉固定连接，所述原动杆另一端的铰制孔与连杆一端的铰制孔通过可拆铰链铰接，所述连杆另一端的铰制孔通过可拆铰链与连架杆一端的铰制孔通过可拆铰链铰接，所述连架杆另一端的铰制孔通过可拆铰链与滑块铰接。

3.根据权利要求1所述的一种杆机构教学模型，其特征在于：还包括轨迹展示机构，所述轨迹展示机构与连杆连接，其包括指示杆、第一强磁铁和轨迹灯，所述指示杆中段为纯铜杆体，其一端设置有铁磁固定块，另一端设置有阶梯孔，所述轨迹灯设置在阶梯孔内，所述铁磁固定块与第一强磁铁分别设置在连杆两侧，通过第一强磁铁对铁磁固定块的磁力将指示杆吸附固定在连杆上。

4.根据权利要求1所述的一种杆机构教学模型，其特征在于：所述盒体凹槽两侧内嵌入设置有第二强磁铁，所述导轨移动机构还包括设置在平行导轨两侧的铁磁定位块和设置在滑块两侧的第三强磁铁，所述平行导轨为铁磁导轨，其表面镀有耐磨镀层，所述第三强磁铁吸附在平行导轨上，所述平行导轨通过第二强磁铁对铁磁定位块的磁力将平行导轨安装在盒体凹槽内。

5.根据权利要求1所述的一种杆机构教学模型，其特征在于：还包括定长杆组件，所述定长杆组件为若干长度不一的透明扁状塑料杆，其两端设有卡槽。

6.根据权利要求1所述的一种杆机构教学模型，其特征在于：所述盒体凹槽底部和两侧设置有刻度条。

7.根据权利要求1所述的一种杆机构教学模型，其特征在于：还包括杆长调节机构，所述杆长调节机构包括抓手和卡件，所述抓手设置有一平面，所述卡件为两圆柱体，所述卡件垂直安装在抓手的平面上。

8.根据权利要求1所述的一种杆机构教学模型，其特征在于：所述盒体横向设置有开口向上的容腔。