CN104332100B - 速度波动演示仪 - Google Patents

Abstract

本专利涉及了一种速度波动演示仪，设置有主轴电机，主轴电机带动第一、第二、第三传动锥齿轮转动；第三传动锥齿轮的转轴是设置有高速飞轮的高速输出轴；设置有负载电机，负载电机的输出轴依次与凸轮、滚子、套筒、静摩擦盘依次连接，滚子的滚子轴在套筒的内孔内往复移动；与静摩擦盘配合的动摩擦盘，设置在负载轴上；设置第四、第五、第六锥齿轮，第五锥齿轮分别与第四、第六锥齿轮啮合；第六锥齿轮的转轴是低速输出轴，低速输出轴上设置一个低速飞轮。本发明的速度波动演示仪，配合速度波动演示仪的原理演示，将带动学生学习的浓厚兴趣，并且能提高学生的想象力；属于简易轻便多功能的教学用具，方便教具在教室里使用，方便于使用者的携带和使用。

Description

速度波动演示仪

技术领域

本发明涉及一种展示运动、速度等的仪器，尤其是在教学、科研中演示运动、速度等的速度波动演示仪，属于教学仪器领域。

背景技术

随着国家对教育重视度的提高，课堂中教育教学质量与学生对知识的接受程度尤为重要。提高学生对课本知识的理解度不仅需要老师生动的教学，能够演示知识的教学用具也是必不可少的。机械运动的速度波动在现实生活中普遍存在，且因机械的速度波动引起的机械事故常有发生。对于加强机械速度波动知识的普及以及采取防止其发生的措施是很有必要的，而书本中只是理论知识的介绍，同学们并不能够充分理解与感受，与之相关的速度波动演示仪教学用具就显得尤为重要，现今并没有有关机械速度波动的演示仪器，不能在教学、科研活动中演示机械速度波动，不能形象、直观地展示出来。而且，不属于简易轻便多功能的教学用具，不在方便教具在教室里使用，也不方便使用者的携带和使用。

发明内容

本发明针对现有技术中没有直观地展示有关机械速度波动的演示仪器的不足，其目的在于提供一种速度波动演示仪，

为了实现上述目的，本专利采用以下技术方案：速度波动演示仪，包括架体，其特征在于：在架体上，设置有主轴电机，主轴电机的输出轴与第一传动锥齿轮的转轴连接，带动第一传动锥齿轮转动，第一传动锥齿轮与转轴横向设置的第二传动锥齿轮啮合，第二传动锥齿轮与转轴竖向设置的第三传动锥齿轮啮合，第一传动锥齿轮带动第二传动锥齿轮、第二传动锥齿轮带动第三传动锥齿轮转动；第三传动锥齿轮的转轴是高速输出轴，高速输出轴上设置一个高速飞轮；

在架体上，设置有负载电机，负载电机的输出轴与凸轮的转轴连接，带动凸轮转动；对应凸轮的边缘，设置有滚子，滚子的滚子轴设置在带有弹簧的套筒的内孔内，滚子轴能在套筒的内孔内往复移动，压缩套筒内孔内的弹簧；对应套筒，设置静摩擦盘，静摩擦盘与套筒的位置相对固定，套筒相对于架体的位置是固定不变的；

与静摩擦盘的位置对应，设置转动的动摩擦盘，动摩擦盘设置在负载轴上，随着负载轴同步转动；负载轴的另一端设置第四传动锥齿轮，第四传动锥齿轮与转轴横向设置的第五传动锥齿轮相啮合，第五传动锥齿轮再与转轴竖向设置的第六传动锥齿轮啮合; 第五传动锥齿轮与第二传动锥齿轮的转轴相连接，由第二传动锥齿轮带动第五传动锥齿轮同步转动；第六传动锥齿轮的转轴是低速输出轴，低速输出轴上设置一个低速飞轮。

进一步的特征是：第一传动锥齿轮和第三传动锥齿轮的齿数，比第二传动锥齿轮的齿数少，第一传动锥齿轮带动第二传动锥齿轮，是小带大的传动结构，第二传动锥齿轮的转速降低；第二传动锥齿轮带动第三传动锥齿轮，是大带小的传动结构，第三传动锥齿轮的转速增大，是高速旋转。

第四传动锥齿轮与第六传动锥齿轮的齿数比第五传动锥齿轮的齿数多；当第五传动锥齿轮分别带动第四传动锥齿轮与第六传动锥齿轮转动，属于小带大的转动，第四传动锥齿轮与第六传动锥齿轮的转速降低。

在架体上，设置若干运动曲线显示装置和速度传感器，与高速输出轴、低速输出轴的位置对应，将转动信息显示或输送出来。

本发明的速度波动演示仪，在老师讲授理论知识的同时，配合速度波动演示仪的原理演示，将带动学生学习的浓厚兴趣，并且能提高学生的想象力。这样既可以完全理解速度波动的来源，也能知晓遏制其产生的措施，在以后的工作与研究中会更加重视这一点，减少事故的发生。

本发明的速度波动演示仪，属于简易轻便多功能的教学用具，方便教具在教室里使用，方便于使用者的携带和使用；用尽可能简单的机构展示不同机械运动情况，分析其速度波动情况，方便教师的教学和学生的理解。

附图说明

图1是本发明仪器主视图；

图2是图1的左视图；

图3是图1的仰视图。

具体实施方式：

如图1、2、3所示，本发明一种速度波动演示仪，包括架体1，架体1作为本发明演示仪的支撑架，可以有很多种结构，本发明采用铝合金型材构成一个架体，利用铝合金型材的槽，方便安装连接螺栓并利于前后移动以调整其位置。根据需要在架体1上，设置垫板，支撑相关部件的质量并承受转动产生的冲击。

在架体1上，设置有主轴电机2，主轴电机2的输出轴与第一传动锥齿轮3的转轴连接，带动第一传动锥齿轮3转动，第一传动锥齿轮3与转轴横向设置的第二传动锥齿轮4啮合，第二传动锥齿轮4与转轴竖向设置的第三传动锥齿轮5啮合，第一传动锥齿轮3带动第二传动锥齿轮4、第二传动锥齿轮4带动第三传动锥齿轮5转动；第三传动锥齿轮5的转轴是高速输出轴6，或者外接一个转轴作为高速输出轴6，高速输出轴6上设置一个高速飞轮7。第一传动锥齿轮3和第三传动锥齿轮5的齿数较少，比第二传动锥齿轮4少，第二传动锥齿轮4属于齿数较多的大齿轮，第一传动锥齿轮3带动第二传动锥齿轮4，是小带大的传动结构，第二传动锥齿轮4的转速降低；同时，第二传动锥齿轮4带动第三传动锥齿轮5，是大带小的传动结构，第三传动锥齿轮5的转速增大，是高速旋转。

在架体1上，设置有负载电机10，负载电机10的输出轴与凸轮11的转轴连接，带动凸轮11转动；对应凸轮11的边缘，设置有滚子12，滚子12的滚子轴13设置在带有弹簧的套筒14的内孔内，滚子轴13能在套筒14的内孔内往复移动，压缩套筒14内孔内的弹簧；对应套筒14，设置静摩擦盘15，静摩擦盘15与套筒14的位置相对固定，套筒14相对于架体1的位置也是固定不变的。

本发明将一个机器运动过程所遇阻力随时间的变化转换成凸轮承受弹簧力随角位移的变化，凸轮承受的弹簧力取适当比例转化成弹簧的压缩量，由弹簧的作用力推动摩擦片产生负载转矩。

与静摩擦盘15的位置对应，配合设置转动的动摩擦盘16，动摩擦盘16设置在负载轴17上，随着负载轴17同步转动；负载轴17的另一端，设置第四传动锥齿轮18，第四传动锥齿轮18与转轴横向设置的第五传动锥齿轮19相啮合，第五传动锥齿轮19再与转轴竖向设置的第六传动锥齿轮20啮合; 第五传动锥齿轮19与第二传动锥齿轮4的转轴相连接，图中所示的是同一根转轴，由第二传动锥齿轮4带动第五传动锥齿轮19转动。第四传动锥齿轮18与第六传动锥齿轮20可以设计为大齿轮，齿数比第五传动锥齿轮19的齿数多；这样当第五传动锥齿轮19分别带动第四传动锥齿轮18与第六传动锥齿轮20转动，属于小带大的转动，第四传动锥齿轮18与第六传动锥齿轮20的转速更降低，属于低速转动。第六传动锥齿轮20的转轴是低速输出轴21，或者外接一个转轴作为低速输出轴21，低速输出轴21上设置一个低速飞轮22。本发明的多根转轴，采用轴承等支撑并固定，属于现有技术，在此不作进一步说明。

本发明的凸轮11可以设计为多种结构，如发动机的负载凸轮、缝纫机的负载凸轮、搅拌机的负载凸轮、牛头刨床的负载凸轮、抽风机的负载凸轮、冲压机的负载凸轮等等；通过选用不同的凸轮，可以模拟不同机械的负载形式，如模拟牛头刨床、内燃机、缝纫机、搅拌机、冲压机等不同机械的负载形式，观察并分析其速度波动情况。

在本体1上，可以根据需要设置若干运动曲线显示装置和速度传感器，如现有技术中的运动曲线装置显示、打点计时器显示以及速度传感器显示，与高速输出轴6、低速输出轴21的位置对应，将转动信息显示或输送出来；前两种属于机械物理形式显示，最后一种属于电子显示。

运动曲线装置显示：此机构是通过机械物理运动所绘曲线的疏密程度来体现输出轴速度波动的情况。由于纸袋的速度是恒定的，则绘笔左右摆动的速度可以反映到所绘曲线的疏密，而绘笔左右摆动的速度是由输出轴的速度决定的，这样输出轴的速度可以间接反映到所绘曲线的疏密程度上。所绘曲线越密集则表示输出轴的速度很高，越疏松则表示输出轴的速度相对较低。因此，输出轴速度波动情况越剧烈，所绘制曲线疏密交错分布，速度波动稳定时，疏密分布均匀即曲线等距分布。

打点计时器显示：此机构通过只带上所打出点的分布情况来体现输出轴的速度波动情况。打点计时器类型为电火花打点计时器，打点频率为固定的50Hz，每隔0.02s会打出一个点，将纸带与输出轴贴合，保证纸带的速度与输出轴的速度相同。输出轴每个时刻的速度波动情况可以间接反映到电火花打点计时器所打出点的距离，速度波动情况剧烈则所打出的点分布极不均匀，有纵向的不均匀也有横向的摆动，速度波动情况稳定则所打出的点纵向分布均匀且成一条笔直的线，几乎无横向摆动情况。

速度传感器显示：此机构通过速度传感器测量输出轴的速度，将其速度变化信号转化为电压信号导入到示波器中，传感器类型为霍尔效应传感器，当传感器接近齿轮齿顶时，图形处于缓慢上升阶段，到达齿顶时曲线直线上升，离开齿顶曲线下降，到达齿底时曲线直线下降，此为测量一个轮齿的周期。通过观察图形频率可以分析齿轮速度变化情况，可以反应出机构的速度波动情况。

飞轮具有储存能量和是释放能量的特点，本发明利用飞轮来调节机械的速度波动。可以采用在此机构中不增加飞轮、只在低速输出轴上增加飞轮、只在高速轴上增加飞轮以及同时在高低速轴上增加飞轮来完成对速度的调节。

由于负载凸轮的外缘尺寸变化，故在凸轮转动过程中，推动滚子12上下移动，滚子轴13在套筒14的内孔内往复移动，进而推动静摩擦盘15上下移动，静摩擦盘15与动摩擦盘16之间的距离相应变化，两者距离很小时属于紧密结合的状态，静摩擦盘15对动摩擦盘16的转动产生较大的阻力，进而使负载轴17的转动产生波动；而且，产生的阻力随着两者之间的距离变化而变化；在两者距离变大而脱离接触时，静摩擦盘15与动摩擦盘16之间不再产生阻力，动摩擦盘16以及负载轴17的转动不收限制。

本发明演示仪的演示过程

以下情况均只改变了飞轮的加载位置，其余变量都是一致的（主轴电机的转速等）

（1）无飞轮情况运动

选择一种负载凸轮安装上去，然后启动主轴电机2和负载电机10，机构开始运动起来，接通速度传感器和打点计时器的电源，显示装置开始工作。我们可以通过四种显示装置观察机构在不添加飞轮时速度波动情况，发光二极管的亮暗变化程度观察速度波动情况、火花打点计时器所打出点的分布情况、曲线装置画出曲线的疏密程度和速度传感器在示波器中的波形显示情况。

（2）低速轴添加飞轮情况运动

在（1）的基础上，将飞轮安装在机构的低速输出轴上，启动装置，观察记录显示装置情况。

（3）高速轴添加飞轮情况运动

在（1）的基础上，将飞轮安装在机构的高速输出轴上，启动装置，观察记录显示装置情况。

（4）高低速轴同时添加飞轮情况运动

在（1）的基础上，将飞轮同时安装在机构的高、低速输出轴上，启动装置，观察记录显示装置情况。

（5）对比与分析

根据示波器中电压曲线变化、曲线装置所画曲线的疏密和打点计时器的所打出点分布可以观察出在上面所述四种情况下机构的速度波动情况。此外再通过对比四种飞轮加载方式下打点计时器所打出点的分布情况和曲线装置所画出曲线的疏密，这样直观的比较与分析，可很清楚显示速度波动情况及飞轮的调节功能。

（6）不同负载形式的速度波动分析

更换负载凸轮即能够模拟不同的负载运动情况，然后在重复以上前五步骤，分析不同负载形式（不同机构）的速度波动情况。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对于不脱离本发明技术方案的替换/修改均应落入本发明要求保护的范围之中。

Claims (3)

1.一种速度波动演示仪，包括架体（1），其特征在于：在架体（1）上，设置有主轴电机（2），主轴电机（2）的输出轴与第一传动锥齿轮（3）的转轴连接，带动第一传动锥齿轮（3）转动，第一传动锥齿轮（3）与转轴横向设置的第二传动锥齿轮（4）啮合，第二传动锥齿轮（4）与转轴竖向设置的第三传动锥齿轮（5）啮合，第一传动锥齿轮（3）带动第二传动锥齿轮（4）、第二传动锥齿轮（4）带动第三传动锥齿轮（5）转动；第三传动锥齿轮（5）的转轴是高速输出轴（6），高速输出轴（6）上设置一个高速飞轮（7）；

在架体（1）上，设置有负载电机（10），负载电机（10）的输出轴与凸轮（11）的转轴连接，带动凸轮（11）转动；对应凸轮（11）的边缘，设置有滚子（12），滚子（12）的滚子轴（13）设置在带有弹簧的套筒（14）的内孔内，滚子轴（13）能在套筒（14）的内孔内往复移动，压缩套筒（14）内孔内的弹簧；对应套筒（14），设置静摩擦盘（15），静摩擦盘（15）与套筒（14）的位置相对固定，套筒（14）相对于架体（1）的位置是固定不变的；

与静摩擦盘（15）的位置对应，配合设置动摩擦盘（16），动摩擦盘（16）设置在负载轴（17）上，随着负载轴（17）同步转动；负载轴（17）的另一端设置第四传动锥齿轮（18），第四传动锥齿轮（18）与转轴横向设置的第五传动锥齿轮（19）相啮合，第五传动锥齿轮（19）再与转轴竖向设置的第六传动锥齿轮（20）啮合; 第五传动锥齿轮（19）与第二传动锥齿轮（4）的转轴相连接，由第二传动锥齿轮（4）带动第五传动锥齿轮（19）同步转动；第六传动锥齿轮（20）的转轴是低速输出轴（21），低速输出轴（21）上设置一个低速飞轮（22）。

2. 根据权利要求1所述的速度波动演示仪，其特征在于：第一传动锥齿轮（3）和第三传动锥齿轮（5）的齿数，比第二传动锥齿轮（4）的齿数少，第一传动锥齿轮（3）带动第二传动锥齿轮（4），是小带大的传动结构，第二传动锥齿轮（4）的转速降低；第二传动锥齿轮（4）带动第三传动锥齿轮（5），是大带小的传动结构，第三传动锥齿轮（5）的转速增大，是高速旋转。

3. 根据权利要求1或2所述的速度波动演示仪，其特征在于：第四传动锥齿轮（18）与第六传动锥齿轮（20）的齿数比第五传动锥齿轮（19）的齿数多；当第五传动锥齿轮（19）分别带动第四传动锥齿轮（18）与第六传动锥齿轮（20）转动时，属于小带大的转动，第四传动锥齿轮（18）与第六传动锥齿轮（20）的转速降低。