CN104332084B - 一种机械式速度波动演示仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械式速度波动演示仪，包括驱动机构、平衡阻尼机构、速度波动检测装置和激光显示与书写机构，所述驱动机构包括驱动电机和飞轮；所述平衡阻尼机构包括调阻螺钉、支撑架组件、弹性阻尼、滑块、导杆、曲柄圆、曲柄和挡块；所述速度波动检测装置包括推力杆、导向轴、箱体、透盖、传动轴、橡胶片、锁紧螺钉、密封轴承、O型圈、T型接头、保护壳和弹性薄膜；所述激光显示与书写机构包括机架，及固定在机架上的主动轴、从动轴、副电机、纸带、激光笔支架、激光笔和彩色笔；该装置可以让老师有效的展示速度波动与调节这一学习内容，避免传统教具演示过程中的“黑箱”，便于学生理解速度波动与调节这一学习内容，避免理解断层的发生。

Description

一种机械式速度波动演示仪

技术领域

本发明涉及一种机械式速度波动演示仪。

背景技术

在进行机械机构的运动分析、机构的设计中，往往将原动件假设为匀速运动的，但在实际生产中，机械设备的原动件如电机等并不是匀速运动的，原动件的运动受机构中各构件的质量、转动惯量和作用在其上的驱动力、阻抗力等影响，原动件的运动并不是匀速运动而是波动的，因此为了对机构进行精确的运动分析和力的分析，就需要对机构原动件的运动规律进行精确的描述，这对于高速、高精度和高自动化程度的机械设计是十分重要的。因此“速度波动的调节”是机械类核心课程《机械原理》课中的重要内容。然而，结合学习实际，并经过大量的调研发现，在《机械原理》课程教学与学习中，“速度波动的调节”由于要改变传统观念和默认，即原动件是“匀速”的，加上课程内容较为深奥，以致于这一内容存在“老师教学难、学生学习难”的状态，因此需要一种能便于学生观察的演示教具。

教具的开发不仅能直接使相关的老师和学生受益，同时教具的开发也可带来直接的经济效益。2012年教育部印发《教育十年发展规划（2011-2020年》，确定了坚持面向未来，育人为本；坚持应用驱动，共建共享；坚持统筹规划，分类推进；坚持深度融合，引领创新的工作方针。2012年中央财政教育支出安排3781.32亿元。国家政策的支持使得教具业生产有了政策和资金的保障，使教具产业方兴未艾，因此产生了很多教具企业，如湖南长沙形成了大型的教具工业园区，杭州、宁波等地出现了多家大型教生产企业，如杭州天煌教仪公司等等，可见教具的开发不仅具有较好的社会效益，还有广阔的市场前景。

目前，由于速度波动与调节这一学习内容的重要性和这一内容的特殊性，使多个企业关注到了这一教具的研发，如湖南宇航科技公司，湖南百瑞德教具有限公司、上海东方教具有限公司、山东现代教具有限公司等。在现在的情况下，多个企业的教具呈现了基本相同的形式，其原理是用机械的方式构成速度波动，用电子测控的方式反应速度变化。用这一结构形式具有结构简单、能数字化反应实验效果等优点，但这一结构形式系统构成较复杂，它需要用机械结构、传感检测系统、计算机系统等组成，这就导致于这一设备体积庞大，只能安置于实验室内，使之难以移动，一般只能固定地放置于实验室中，难以带入课堂，难以成为一种教学展示的教具。

同时这一系列的教具的直观性不够，由于对速度及波动的测量是借助电子电路实现的，因此速度波动这一现象与最后呈现的速度变化的波形之间存在一个“黑箱”，即如何将旋转速度变化成为波形的变化是不可见，不可知的。若要弄清中间的变化需要花费较多的时间，但这不是课程教学内容，若忽视了这一“黑箱”，则老师的教学与学生的学习中，对事物的理解是存在断层的，因此教学中需要一种新型的关于速度波动与高度的实验设备或是教学教具，使教学更加直观，更好地在老师的“教”、学生的“学”之中发挥作用，鉴于这一思考情况下，需要开发一种新的演示教具，以避免教具演示过程中的“黑箱”使得学生可以更为直观的观察。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种机械式速度波动演示仪，该装置可以让老师有效的展示速度波动与调节这一学习内容，避免传统教具演示过程中的“黑箱”，便于学生理解速度波动与调节这一学习内容，避免理解断层的发生，且本设备较为轻盈，携带十分便利，结构简单，造价低廉。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种机械式速度波动演示仪，包括；

驱动机构，所述驱动机构包括驱动电机和飞轮，所述飞轮紧固在所述驱动电机的输出轴的末端上；

平衡阻尼机构，所述平衡阻尼机构包括调阻螺钉、支撑架组件、弹性阻尼、滑块、导杆、曲柄圆、曲柄和挡块；所述支撑架组件设置有两组，对称设置在曲柄圆的两侧，单侧支撑架组件包括两个支撑架，所述导杆设置有两根，套设在两支撑架之间，并且两导杆之间相互平行，所述滑块套设在两导杆之间，所述曲柄一端连接曲柄圆另一端连接所述滑块，所述挡块设置在导杆上，所述调阻螺钉设置在外侧的支撑架上，并且旋入端与所述挡块相抵，所述弹性阻尼设置在导杆上，并且位于所述挡块与滑块之间；

速度波动检测装置，所述速度波动检测装置包括推力杆、导向轴、箱体、透盖、传动轴、橡胶片、锁紧螺钉、密封轴承、O型圈、T型接头、保护壳和弹性薄膜；所述箱体内部具有一个T字形的容腔，所述密封轴承对称设置有两个，设置在所述容腔内，所述传动轴贯穿该两个密封轴承，并且所述传动轴的两端均延伸至箱体外部，所述传动轴的一端通过T型接头连接所述保护壳，所述传动轴另一端连接所述曲柄圆，所述导向轴通过锁紧螺钉紧固在所述箱体的顶部，并且下端面延伸至容腔内，所述推力杆设置在所述导向轴内部，所述透盖设置在箱体的两侧，并封闭所述密封轴承，所述橡胶片相抵在所述透盖与箱体之间，所述传动轴的轴身位置处设置有一个卡槽，所述O型圈卡在所述卡槽内，所述弹性薄膜设置在所述保护壳内，并且所述弹性薄膜内部具有空腔，该空腔与所述箱体内部的容腔相通；所述驱动电机与所述传动轴相配合；

激光显示与书写机构，所述激光显示与书写机构包括机架，及固定在机架上的主动轴、从动轴、副电机、纸带、激光笔支架、激光笔和彩色笔，所述副电机的输出端与所述主动轴相连，所述主动轴和从动轴处于同一竖直面，所述纸带缠绕在主动轴和从动轴之间，所述激光笔支架固定在机架上，所述激光笔架设在所述激光笔支架上，所述彩色笔固定在推力杆顶部，并且所述推力杆顶部还与所述激光笔相抵

作为优选的技术方案，所述曲柄与所述曲柄圆之间连接有螺栓，所述曲柄与所述滑块之间连接有螺栓。

本发明的有益效果是：

1.相对于现有实验的只有载荷的单因素实验，可变为是转动惯量、系统载荷、，系统动平衡等多因素下的实验，并可进行正交实验，将验证性实验设备开发成综合性、研究性实验设备；

2.相对于传统实验，这一实验设备可更直观、灵敏度高、响应快、结果更真实可靠、维护方便等优点。

3.可新增多个实验项目：载荷对速度影响实验、转动惯量对速度影响实验、机构平衡实验、机构平衡对速度影响实验、机构平衡对系统振动影响实验等等。

4.该装置可以让老师有效的展示速度波动与调节这一学习内容，避免传统教具演示过程中的“黑箱”，便于学生理解速度波动与调节这一学习内容，避免理解断层的发生，且本设备较为轻盈，携带十分便利，结构简单，造价低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为速度波动检测装置的剖视图。

图中附图标记：

1、驱动电机；2、飞轮；3、平衡阻尼机构；301、调阻螺钉；302、支撑架；303、弹性阻尼；304、滑块；305、导杆；306、曲柄圆；307、曲柄；308、挡块；4、速度波动检测装置；401、推力杆；402、导向轴；403、箱体；404、透盖；405、传动轴；406、橡胶片；407、锁紧螺钉；408、密封轴承；409、O型圈；410、T型接头；411、保护壳；412、弹性薄膜；501、机架；502、主动轴；503、从动轴；504、副电机；505、纸带；506、激光笔支架；507、激光笔；508、彩色笔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1和图2所示的一种机械式速度波动演示仪，包括；

驱动机构，所述驱动机构包括驱动电机和飞轮，所述飞轮紧固在所述驱动电机的输出轴的末端上；

平衡阻尼机构，所述平衡阻尼机构包括调阻螺钉、支撑架组件、弹性阻尼、滑块、导杆、曲柄圆、曲柄和挡块；所述支撑架组件设置有两组，对称设置在曲柄圆的两侧，单侧支撑架组件包括两个支撑架，所述导杆设置有两根，套设在两支撑架之间，并且两导杆之间相互平行，所述滑块套设在两导杆之间，所述曲柄一端连接曲柄圆另一端连接所述滑块，所述挡块设置在导杆上，所述调阻螺钉设置在外侧的支撑架上，并且旋入端与所述挡块相抵，所述弹性阻尼设置在导杆上，并且位于所述挡块与滑块之间；

速度波动检测装置，所述速度波动检测装置包括推力杆、导向轴、箱体、透盖、传动轴、橡胶片、锁紧螺钉、密封轴承、O型圈、T型接头、保护壳和弹性薄膜；所述箱体内部具有一个T字形的容腔，所述密封轴承对称设置有两个，设置在所述容腔内，所述传动轴贯穿该两个密封轴承，并且所述传动轴的两端均延伸至箱体外部，所述传动轴的一端通过T型接头连接所述保护壳，所述传动轴另一端连接所述曲柄圆，所述导向轴通过锁紧螺钉紧固在所述箱体的顶部，并且下端面延伸至容腔内，所述推力杆设置在所述导向轴内部，所述透盖设置在箱体的两侧，并封闭所述密封轴承，所述橡胶片相抵在所述透盖与箱体之间，所述传动轴的轴身位置处设置有一个卡槽，所述O型圈卡在所述卡槽内，所述弹性薄膜设置在所述保护壳内，并且所述弹性薄膜内部具有空腔，该空腔与所述箱体内部的容腔相通；所述驱动电机与所述传动轴相配合；

激光显示与书写机构，所述激光显示与书写机构包括机架，及固定在机架上的主动轴、从动轴、副电机、纸带、激光笔支架、激光笔和彩色笔，所述副电机的输出端与所述主动轴相连，所述主动轴和从动轴处于同一竖直面，所述纸带缠绕在主动轴和从动轴之间，所述激光笔支架固定在机架上，所述激光笔架设在所述激光笔支架上，所述彩色笔固定在推力杆顶部，并且所述推力杆顶部还与所述激光笔相抵

作为优选的技术方案，所述曲柄与所述曲柄圆之间连接有螺栓，所述曲柄与所述滑块之间连接有螺栓。

本实施例中驱动电机的选型

驱动电机的极数一般可选2、4、6极。由于该试验台所检测的速度范围是0~400r/min，为了让皮带轮的直径尽可能的小，在此我们选取4极，转速为1000r/min的电动机，因此所需的传动比。

主轴的转速：

系统的总效率:

得

驱动电机的功率：

驱动电机的参数如下表1所示：

表1驱动电机规格参数表

型号	电压/V	额定功率/w	同步转速r/min	满载转速r/min	备注
						YN70-15	220	15	1000	960

本发明的有益效果是：

1.相对于现有实验的只有载荷的单因素实验，可变为是转动惯量、系统载荷、，系统动平衡等多因素下的实验，并可进行正交实验，将验证性实验设备开发成综合性、研究性实验设备；

2.相对于传统实验，这一实验设备可更直观、灵敏度高、响应快、结果更真实可靠、维护方便等优点。

3.可新增多个实验项目：载荷对速度影响实验、转动惯量对速度影响实验、机构平衡实验、机构平衡对速度影响实验、机构平衡对系统振动影响实验等等。

4.该装置可以让老师有效的展示速度波动与调节这一学习内容，避免传统教具演示过程中的“黑箱”，便于学生理解速度波动与调节这一学习内容，避免理解断层的发生，且本设备较为轻盈，携带十分便利，结构简单，造价低廉。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

实施例1

参阅图1所示，在本实施例中，两根曲柄都是可拆卸式的，在启动之前可以先将右边的曲柄卸下，左边的调阻螺钉不与挡块接触，机构处于不平衡、无阻尼状态。驱动电机启动后，通过左边的调阻螺钉不断地往里旋来增大系统的阻尼大小，调整调阻螺钉的位置以使系统处于临界阻尼状态，此时再把右边的曲柄接上使系统处于平衡状态。这样我们就可以清楚的了解阻尼大小以及机构的平衡性对速度波动的影响。

本机构的优越性：

1.该机构采用的是两组曲柄滑块机构，都是《机械原理》书本上所学的，学生对此机构会更加的了解。

2.本机构在竖直平面内，坐在座位上的学生就可以清楚的看到机构是怎么运行的，怎样实现功能的，非常的直观。

实施例2

参阅图2所示，当驱动电机启动后带动传动轴轴的旋转，由于离心力的作用填充在箱体容腔内的液体会往外甩，弹性薄膜就会向外扩张，导向轴内的液体会往下降,由于电机的运行不稳定离心力也会产生大小波动，弹性薄膜也会随之波动，最终导致液面会周期性的上下波动，由于浮力作用位于液体上端的推力杆也会产生上下的波动，推力杆的上下运动带动彩色笔移动，同时也带动激光笔移动，由于副电机的作用纸带在做水平的移动，因此彩色笔的移动会在纸带上留下运动曲线，便于学生观察。

本机构的优越性：

1、本机构在竖直平面内，坐在座位上的学生就可以清楚的看到机构是怎么运行的，怎样实现功能的，非常的直观。

Claims (2)

1.一种机械式速度波动演示仪，其特征在于：包括；

驱动机构，所述驱动机构包括驱动电机和飞轮，所述飞轮紧固在所述驱动电机的输出轴的末端上；

平衡阻尼机构，所述平衡阻尼机构包括调阻螺钉、支撑架组件、弹性阻尼、滑块、导杆、曲柄圆、曲柄和挡块；所述支撑架组件设置有两组，对称设置在曲柄圆的两侧，单侧支撑架组件包括两个支撑架，所述导杆设置有两根，套设在两支撑架之间，并且两导杆之间相互平行，所述滑块套设在两导杆之间，所述曲柄一端连接曲柄圆另一端连接所述滑块，所述挡块设置在导杆上，所述调阻螺钉设置在外侧的支撑架上，并且旋入端与所述挡块相抵，所述弹性阻尼设置在导杆上，并且位于所述挡块与滑块之间；

速度波动检测装置，所述速度波动检测装置包括推力杆、导向轴、箱体、透盖、传动轴、橡胶片、锁紧螺钉、密封轴承、O型圈、T型接头、保护壳和弹性薄膜；所述箱体内部具有一个T字形的容腔，所述密封轴承对称设置有两个，设置在所述容腔内，所述传动轴贯穿该两个密封轴承，并且所述传动轴的两端均延伸至箱体外部，所述传动轴的一端通过T型接头连接所述保护壳，所述传动轴另一端连接所述曲柄圆，所述导向轴通过锁紧螺钉紧固在所述箱体的顶部，并且下端面延伸至容腔内，所述推力杆设置在所述导向轴内部，所述透盖设置在箱体的两侧，并封闭所述密封轴承，所述橡胶片相抵在所述透盖与箱体之间，所述传动轴的轴身位置处设置有一个卡槽，所述O型圈卡在所述卡槽内，所述弹性薄膜设置在所述保护壳内，并且所述弹性薄膜内部具有空腔，该空腔与所述箱体内部的容腔相通；所述驱动电机与所述传动轴相配合；

激光显示与书写机构，所述激光显示与书写机构包括机架，及固定在机架上的主动轴、从动轴、副电机、纸带、激光笔支架、激光笔和彩色笔，所述副电机的输出端与所述主动轴相连，所述主动轴和从动轴处于同一竖直面，所述纸带缠绕在主动轴和从动轴之间，所述激光笔支架固定在机架上，所述激光笔架设在所述激光笔支架上，所述彩色笔固定在推力杆顶部，并且所述推力杆顶部还与所述激光笔相抵。

2.根据权利要求1所述的机械式速度波动演示仪，其特征在于：所述曲柄与所述曲柄圆之间连接有螺栓，所述曲柄与所述滑块之间连接有螺栓。