CN104282218A - 一种用于机械原理反转法的多机构单模型教具 - Google Patents

一种用于机械原理反转法的多机构单模型教具 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于机械原理反转法的多机构单模型教具，在一个教具上实现三种机构的运动原理及其反转演示，包括：凸轮机构、连杆机构、轮系。与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：本教具填补了目前没有反转法原理教具的空白，实现了针对机械原理课程“反转法”这一难点的实物演示，有助于学生掌握抽象的知识点；一个教具替代多个教具，体现“多机构单模型”的特点。因此，可减少教具种类，便于老师使用和管理；本教具结构简单，共计13个构件，携带方便，装拆简便，变换快捷，应用灵活；本教具还实现了“高副低代”的实物演示；少齿差轮系的演示，以及行星轮系运动输出的演示；通过凸轮反转演示推杆偏置结果压力角的影响。

Description

一种用于机械原理反转法的多机构单模型教具
技术领域
本发明涉及一种教学用具，具体是一种演示机械原理反转法的综合教具。
背景技术
机械原理是机械类专业的一门主干技术基础课程，反转法是这门课程中用于机构综合的一种常用方法。反转法是根据相对运动原理，给整个机构加上一个公共运动后，各构件之间相对运动关系不变的方法，在机械原理教学中的应用非常多。但是，反转法在教学实践中一方面没有合适的教具演示，另一方面也比较抽象，造成学生较难理解。因此，在课堂上能够直观地反转法演示显得尤为重要。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种反转法演示综合教具。该教具结构简单，装配方便，整体为一个模型，通过简单的处理，既可以演示直动滚子（或尖顶）凸轮机构、连杆机构和周转轮系的工作原理和反转法设计原理，也能演示机构高副低代原理和少齿差原理等。
本发明所采用的技术方案是：一种用于机械原理反转法的多机构单模型教具，在一个教具上实现三种机构的运动原理及其反转演示，包括：凸轮机构、连杆机构、轮系。
进一步的，所述凸轮机构包括定位销、带T型滑轨的固定底座、与底座固连的后架、通过连接套固连在后架上方且带有两个齿圈导向块的刻度盘、位于后架与刻度盘间可绕刻度盘连接套旋转的带有第三个齿圈导向块的推杆架、可沿推杆架上的长方形导向孔滑动的带有滚子的推杆带十字槽偏心圆盘、与偏心圆盘连接的手柄轴。
进一步的，所述连杆机构为一有偏距的曲柄滑块机构，在凸轮机构基础上，卸下滚子，以连杆连接偏心圆盘和推杆。
进一步的，所述轮系在曲柄滑块机构基础上，卸下手柄轴、推杆和连杆，装配由齿圈导向块定位的大齿圈、以十字辐条连接偏心圆盘的小齿圈、行星轮运动输出架、带T型槽的前架、穿过前架上方轴孔的系杆手柄。
进一步的，所述底座一侧有T型滑轨。
进一步的，所述后架的底部通过螺钉固定在底座无T型滑轨的一侧，后架上方有一圆孔。
进一步的，所述前架底部为T型槽，与底座T型滑轨连接，同样上方有与后架中心线一致的轴孔。
进一步的，所述刻度盘的中间为通孔，与后架上方圆孔用一个连接套固联；刻度盘上有若干中心夹角为15度的小孔，表面贴有刻度纸。
进一步的，所述推杆带有毫米为单位的刻度纸，一端尖底，附近另有一圆孔，用于滚子连接或连杆铰接。
进一步的，所述推杆架主体为扇形片，包括一组长方形推杆导向孔和一齿圈导向块，其可以绕连接套转动，其上一小通孔与刻度盘上的系列小孔配合使用，旋转后通过定位销的拔插固定推杆架的位置。
进一步的，所述齿圈导向块数量为两个，成120度夹角固定于刻度盘上，其中一个在竖直方向；与推杆架上的第三个齿圈导向块一起保证大齿圈灵活转动。刻度盘上齿圈导向块上有蝴蝶螺钉，用于紧定齿圈。
进一步的，所述手柄轴的前端为一方隼，与偏心圆盘方孔相连接，后端穿过连接套内孔。
进一步的，所述偏心圆盘（凸轮）背后有十字槽，偏离中心处有一方孔，中心处有一连杆铰接圆孔，另在直径线上有两个对称分布的短曲柄连接圆孔。
进一步的，所述小齿圈套在偏心圆盘上，中间为十字形辐条，与偏心圆盘十字槽配合连接。
进一步的，所述系杆手柄包括一个阶梯型短圆轴，一短轴活套在偏心圆盘中心圆孔上，一短轴与前架上部轴孔动配合。
进一步的，所述行星轮运动输出架包括两个短曲柄，一个输出杆。短曲柄分别与偏心圆盘上两圆孔和输出杆两端的圆孔铰接，输出杆中间圆孔活套在系杆手柄轴上。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：
1）具有新颖性。本教具填补了目前没有反转法原理教具的空白，实现了针对机械原理课程“反转法”这一难点的实物演示，有助于学生掌握抽象的知识点。
2）具有替代性。一个教具替代多个教具，体现“多机构单模型”的特点。因此，可减少教具种类，便于老师使用和管理。
3）具有实用性。本教具结构简单，共计13个构件，携带方便，装拆简便，变换快捷，应用灵活。
4）具有功能拓展性。除演示三种机构的工作原理和反转法设计原理外，本教具还实现了“高副低代”的实物演示；少齿差轮系的演示，以及行星轮系运动输出的演示；通过凸轮反转演示推杆偏置结果压力角的影响（转向不同，压力角大小不同可能导致机构无法运转）。
附图说明
图1为本发明的凸轮机构正视图。
图2为本发明的凸轮机构后视图。
图3为本发明的凸轮机构爆炸图。
图4为本发明的有偏距的曲柄滑块机构的示意图。
图5为本发明的定轴轮系示意图。
图6为本发明的周转轮系示意图。
图7为本发明的周转轮系爆炸图。
图8为偏心圆盘示意图。
图9为小齿圈示意图。
图10为推杆架示意图。
图11为推杆示意图。
图12为系杆手柄示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明，但本发明并不局限于以下实例。
如图1-图6所示，本发明的用于机械原理反转法的多机构单模型教具，具有三种演示状态。图1-图2为凸轮机构的演示状态，图3为其爆炸图，包括定位销、固定在底座1上的后架8、通过连接套 (未在图中标出)固连在后架8上的带有两个齿圈导向块6的刻度盘3、位于后架8与刻度盘3间可绕连接套旋转的推杆架10、可沿推杆架10上推杆导向孔滑动的的推杆7（或带滚子5）、偏心圆盘4（即凸轮）、与偏心圆盘配合的手柄轴9。图4为有偏距的曲柄滑块机构的演示状态，在凸轮机构基础上，卸下滚子，用连杆11连接偏心圆盘4（即曲柄）和推杆7（即滑块）。图5-图6为周转轮系的演示状态，图7为其爆炸图，在曲柄滑块机构基础上，卸下手柄轴、推杆和连杆，装配上：由齿圈导向块定位的大齿圈（即中心轮）15、用十字槽结合在偏心圆盘上的小齿圈（即行星轮）13、行星轮运动输出架14、与底座T型滑轨结合的前架12、穿过前架上部圆孔的系杆手柄16。
如图1-图2所示，演示凸轮机构的反转法。
如图1所示为凸轮正转状态，演示其工作原理。读出推杆初始位置，如图1逆时针转动手柄轴，记录凸轮（偏心圆盘）运动过程中凸轮的转动角度和对应的推杆具体位置（也可以通过推导出的两者函数关系式，进行计算和验证）。
     在反转时凸轮保持不动，读出推杆初始位置，取出固定推杆架所用的销钉，顺时针转动推杆架，保证推杆与凸轮轮廓接触，逐个记录推杆架运动过程中推杆架的转动角度和对应的推杆的相对位移大小。
    比较上述两组数据中，相同转动角度情况下其具体位移大小是否一致。验证两者一致，表明反转后相对运动无改变，故根据推杆与凸轮两者接触点即为凸轮轮廓这一事实，反转法设计时只要找出对应凸轮转角的一系列推杆位置，就可以确定凸轮轮廓。
     如图4所示，演示有偏距的曲柄滑块机构的反转法。
     用油性水笔连接偏心圆盘的偏心与圆心，即代表曲柄滑块机构的曲柄，在其反向延长线上画出箭头，沿一个方向转动手柄轴，演示其工作原理。同时记录曲柄转角和对应的滑块位置数据。
    其反转法演示证明时，以曲柄为假想机架，即保持曲柄不动，反转推杆架即实际机架若干个位置，同时记录对应的滑块相对位置数据。同理，如果上述两组数据一致，表明反转后相对运动无改变，故根据滑块上铰链的轨迹是曲柄与连杆铰接点为中心的圆弧这一事实，在反转法设计时只要找出对应曲柄转角的三个滑块位置，就可以确定曲柄与连杆的铰接点，继而确定各杆长度。
     如图5-图6所示，演示周转轮系反转法。
     如图5所示，卸下行星轮运动输出架时，固定系杆手柄，演示齿轮内啮合定轴传动；否则如图6所示，演示周转轮系工作原理,当蝴蝶螺钉紧定外齿圈时，演示行星轮系运动。行星轮的运动通过行星轮运动输出架（平行四边形机构）输出。以行星轮系为例，观察系杆转角一定时行星轮相对系杆的转角和相对大齿圈的转角，并记录数据。
    如图6所示，为轮系反转法演示证明。保持系杆手柄不动，转动大齿圈一个与上述的系杆同样的转角，记录此时行星轮相对于大齿圈和系杆的各自转角。验证与上述的相对转角数据相同，表明反转后相对运动无改变，故根据已转变为定轴轮系的事实，可以相对运动量按定轴轮系公式计算传动比。
从前述的滚子推杆凸轮机构到有偏距的曲柄滑块机构，可以验证两机构的运动规律完全一致，从而说明机构的高副低代。
当凸轮机构反转时，发生从动件卡死现象，可以说明推杆偏置不同对压力角的影响。
据周转轮系所采用的中心轮与行星轮实际齿数比，以及采用的行星轮输出方法，可以介绍少齿差传动的概念。

Claims (10)

1.一种用于机械原理反转法的多机构单模型教具，其特征在于：在一个教具上实现三种机构的运动原理及其反转演示，包括：凸轮机构、连杆机构、轮系。
2.根据权利要求1所述的一种用于机械原理反转法的多机构单模型教具，其特征在于：所述凸轮机构包括定位销、带T型滑轨的固定底座（1）、与底座固连的后架（8）、通过连接套固连在后架上方且带有两个齿圈导向块（6）的刻度盘（3）、位于后架与刻度盘间可绕刻度盘连接套旋转的带有第三个齿圈导向块的推杆架（10）、可沿推杆架上的长方形导向孔滑动的带有滚子（5）的推杆（7）、带十字槽偏心圆盘（4）、与偏心圆盘连接的手柄轴（9）。
3.根据权利要求2所述的一种用于机械原理反转法的多机构单模型教具，其特征在于：所述连杆机构为一有偏距的曲柄滑块机构，在凸轮机构基础上，卸下滚子，以连杆（11）连接偏心圆盘和推杆。
4.根据权利要求3所述的一种用于机械原理反转法的多机构单模型教具，其特征在于：所述轮系在曲柄滑块机构基础上，卸下手柄轴、推杆和连杆，装配由齿圈导向块定位的大齿圈（15）、以十字辐条连接偏心圆盘的小齿圈（13）、行星轮运动输出架（14）、带T型槽的前架（12）、穿过前架上方轴孔的系杆手柄（16）。
5.根据权利要求1所述的一种用于机械原理反转法的多机构单模型教具，其特征在于：所述后架（8）的底部通过螺钉固定在底座无T型滑轨的一侧，后架上方有一圆孔。
6.根据权利要求4所述的一种用于机械原理反转法的多机构单模型教具，其特征在于：所述T型槽与底座T型滑轨连接，同样上方有与后架中心线一致的轴孔。
7.根据权利要求1所述的一种用于机械原理反转法的多机构单模型教具，其特征在于：所述推杆架（10）主体为扇形片，包括一组长方形推杆导向孔和一齿圈导向块，其可以绕连接套转动，其上一小通孔与刻度盘上的系列小孔配合使用，旋转后通过定位销的拔插固定推杆架的位置。
8.根据权利要求2所述的一种用于机械原理反转法的多机构单模型教具，其特征在于：所述齿圈导向块（6）数量为两个，成120度夹角固定于刻度盘上，其中一个在竖直方向；与推杆架上的第三个齿圈导向块一起保证大齿圈灵活转动。
9.根据权利要求2所述的一种用于机械原理反转法的多机构单模型教具，其特征在于：所述偏心圆盘（凸轮）背后有十字槽，偏离中心处有一方孔，中心处有一连杆铰接圆孔，另在直径线上有两个对称分布的短曲柄连接圆孔。
10.根据权利要求4所述的一种用于机械原理反转法的多机构单模型教具，其特征在于：所述行星轮运动输出架（14）包括两个短曲柄和一个输出杆，短曲柄分别与偏心圆盘上两圆孔和输出杆两端的圆孔铰接，输出杆中间圆孔活套在系杆手柄轴上。
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