CN104464493B - 定轴轮系和周转轮系功能展示及对比分析平台 - Google Patents

定轴轮系和周转轮系功能展示及对比分析平台 Download PDF

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Abstract

本发明主要应用于高校理工科类机械原理教学，属于轮系组合综合分析、教学仪器技术等领域。主要解决教学平面化，实验单一化的问题。本发明由一个定轴轮系单元、一个行星轮系单元、一个差动轮系单元、一个周转轮系、一个动力分流单元等共同组成。所述定轴轮系单元主要展现定轴轮系传动比计算、定轴轮系首、末轮转向关系的确定；所述差动轮系单元主要展现差动轮系运动的合成与分解；所述行星轮系单元和所述周转轮系单元主要展现周转轮系的功用及齿数变动对传动比的影响；所述动力分流单元主要展现轮系的运用。此发明能使学生掌握机械原理的基本理论、基本知识和基本技能，并初步具有确定机械运动方案、分析和设计机构的能力。

Description

定轴轮系和周转轮系功能展示及对比分析平台
技术领域
本发明主要应用于高校理工科类机械原理教学，属于轮系组合综合分析、教学仪器技术等领域。
背景技术
在当前的实验教学方面，尤其是轮系在实验教学过程中，主要有两种教学方法，一种是利用动画仿真演示各机构的运动关系，学生无法身临其境去感受其中的运动关系；另一种是利用实物模型静态演示，学生不能了解其中各部件的传动关系。
当前大学机械设计课程中描述了各种齿轮的特性，传动比计算方法，齿轮轮系组合功用；在实验教学环节中也仅仅是通过动态仿真、实物的静态展示让学生感受其中的知识点。但是这仅仅是书本上的抽象描述，实验环节学生也无法自己动手组装设计轮系组合，无法探究各种轮系间的不同点。总体来说，目前各高校设置的机械类课程内容抽象，学生缺乏学习兴趣，实验演示设备可操作性不强，而且大多都放在实验室中，结构笨重不易拿到课堂上展示；其演示课件也比较死板，没有真实感，无法引起学生的学习兴趣。所以目前缺少一种集实物展示、运动分析、实验探究、多知识点讲解、学生自主设计组装的新型教具。
因此，我们设计了一种定轴轮系和周转轮系功能展示及对比分析平台，包括两大模块：1、定轴轮系和周转轮系的变速比较；2、差速器运动的合成与分解。在模块一中，我们给定轴轮系和周转轮系相同的输入，然后通过轮系减速，使它们的传动比大致相同，来比较他们的传动特性；模块二中，我们使用差速器，利用差速器的特性，来讲解运动的合成与分解。我们设计的装置知识点涵盖全面，包括：轮系的分类，定轴轮系、周转轮系及混合轮系传动比的计算方法，轮系的功能等；体现形式多样，我们运用了液晶屏显示差速器的转速，来验证公式的正确性，传感器的正确使用，使得同学们对知识点的消化吸收变得更容易；多种对比方式的结合，行星轮系和行星轮系的对比、定轴轮系和行星轮系的对比等，使知识点表现得更加具体。能很好的用于课堂上进行实物演示，将轮系的组成、组合方式、运动形式直观的表现出来，使学生在学习轮系课程时能直观的了解机构的运动规律，能快速理解机构中的各构件的运动关系，加深对机械的理解。
发明内容
本发明的目的在于设计一种定轴轮系和周转轮系功能展示及对比分析平台，主要解决课堂教学平面化，实验教学单一化，学生在现有实验设备上无法实现自主探究。本发明重点讲述定轴轮系传动比计算、定轴轮系首、末轮转向关系的确定、周转轮系齿数变动对传动比的影响、轮系的变速、差速器运动的合成与分解。并且本发明知识点集成度高、体积小、易携带、可拆卸进行自主探究。
为实现上述目的，本发明包括以下几个部分：一个定轴轮系单元、一个行星轮系单元、一个差动轮系单元、一个周转轮系、一个动力分流单元。以上所述五个单元均用船型螺母固定在铝型材上，以达到可移动可拆卸的要求。
所述的定轴轮系单元包括肋板、联轴节、轴承座、电机、输出转速显示盘及系列齿轮；所述系列齿轮装配在光轴上，除两端的光轴外，每个光轴上配有2个直齿轮，共有14个齿轮啮合构成7级减速；光轴通过圆柱滚子轴承装配在肋板上，肋板通过船型螺母固定在所述底板上；固定在轴承座上的电机通过联轴节与轮系输入端的光轴相连；输出转速显示盘是个刻有分度的圆盘，通过顶丝固定在轮系输出端的光轴上；启动电机，可以通过输出转速显示盘转动快慢，来直观感受7级减速的减速效果。
所述的差动轮系单元包括一对大锥齿轮、一对小锥齿轮、光轴Ⅰ、轴承座Ⅰ、直齿轮、小锥齿轮支架、参数显示模块、手摇盘、光轴Ⅱ、轴承座Ⅱ；所述小锥齿轮与大锥齿轮两两啮合；所述直齿轮通过螺钉与其中一个大锥齿轮固连，实现两者同步运动；所述直齿轮与动力输出齿轮啮合，为此差动轮系单元提供动力；光轴一端依靠轴承座Ⅰ支承，另一端插入大锥齿轮的齿轮中心孔，实现与大锥齿轮的过盈配合，并通过顶丝将两者牢牢固定；光轴穿过大锥齿轮的中心孔，但两者是间隙配合关系；光轴与小锥齿轮支架固连，光轴依靠轴承座支承，其另一端与手摇盘用顶丝固连，作为运动干扰端，通过手摇盘的转动，改变小锥齿轮的转速；所述参数显示模块插入轴承座预先打好的孔中，显示差动轮系个齿轮的转速。
所述的行星轮系单元包括行星架、太阳轮、光轴、三个行星轮、轴承座、齿圈座、齿圈构成；所述行星架作为动力输入端与动力源相结合，实现行星轮与太阳轮、齿圈的啮合传动；所述太阳轮通过与光轴固连，将动力输出；所述光轴通过轴承座支承；所述齿圈固定在齿圈座上；所述齿圈座固定在底板1上。
所述的周转轮系单元5包括行星轮系、双轴电机、齿轮转速显示盘和底座；所述双轴电机通过联轴节为所述行星轮系提供相同的动力；所述齿轮转速显示盘504分布在两个行星轮系的输出端，与它们的动力输出轴相固连，形象的展现两者的输出转速；所述支撑座用船型螺母连接在底板上，支撑着两个行星轮系以及双轴电机。
所述的动力分流单元由直流电机、直齿轮Ⅰ、中间轴齿轮Ⅰ、蜗杆轴、蜗杆、蜗轮、中间轴、蜗杆轴齿轮、中间轴齿轮Ⅱ、齿轮Ⅱ、曲齿Ⅰ、曲齿Ⅱ、曲齿轴Ⅰ、动力输出齿轮、曲齿轴Ⅱ、壳体、蜗轮轴；所述直齿轮Ⅰ通过联轴节与直流电机的输出轴固联在一起，且与所述中间轴齿轮Ⅰ啮合；所述中间轴齿轮Ⅰ和中间轴齿轮Ⅱ固连在中间轴上，实现动力的传递；蜗杆轴齿轮固连在蜗杆轴上，并与中间轴齿轮Ⅱ啮合，将动力传递给蜗杆；所述蜗杆与蜗轮啮合，将动力传递给与蜗轮固连的蜗轮轴，从而将动力传递给行星轮系单元；齿轮Ⅱ与中间轴齿轮Ⅱ啮合，将动力传递给曲齿轴Ⅱ，带动与曲齿轴Ⅱ固连的曲齿Ⅱ；所述曲齿Ⅱ，通过与曲齿Ⅰ啮合，将动力传递给曲齿轴Ⅰ，带动动力输出齿轮转动，为差动轮系单元提供动力；中间轴齿轮Ⅱ可以根据啮合位置不同，分别与蜗杆轴齿轮和齿轮Ⅱ啮合，以实现动力的分流。
有益效果：
1、本发明知识点集成度高并使用系统化设计理念，包含定轴轮系传动比计算、定轴轮系首、末轮转向关系的确定、周转轮系齿数变动对传动比的影响、轮系的变速、差速器运动的合成与分解。
2、知识点讲解多用对比突出，行星轮系和行星轮系的对比、定轴轮系和行星轮系的对比；使用差速器，利用差速器的特性，来讲解运动的合成与分解，运用液晶屏显示差速器的转速，来验证公式的正确性。
3、它既能作为课堂教学与实验操作展示，又能由学生自主设计组装，培养学生动手实践能力和创新能力。
4、本发明的制作材料都使用市场是可见的标准件、常用件等，体积小、质量轻、成本低、知识点集成度高，并且方便教师携带。
本发明能使学生掌握机械原理的基本理论、基本知识和基本技能，并初步具有确定机械运动方案、分析和设计机构的能力。在培养机械类高级工程技术人才的全局中起重要作用，为学生今后从事机械设计、研究和开发创新奠定必要的基础，并具有增强学生对机械技术工作适应能力的作用。因此可广泛推广应用，可市场化。
附图说明
图1为本发明定轴轮系和周转轮系功能展示及对比分析平台整体结构示意图；
图2为本发明的定轴轮系单元结构示意图；
图3为本发明的差动轮系单元结构示意图；
图4为本发明的行星轮系单元结构示意图；
图5为本发明的周转轮系单元结构示意图；
图6为本发明的动力分流单元结构示意图；
其中：1-底板、2-定轴轮系单元、3-差动轮系单元、4-行星轮系单元、5-周转轮系单元、6-动力分流单元
201-肋板、202-联轴节、203-轴承座、204-直流电机Ⅰ、205-输出转速显示盘
301-一对大锥齿轮、302-一对小锥齿轮、303-光轴Ⅰ、304-轴承座Ⅰ、305-直齿轮、306-小锥齿轮支架、307-参数显示模块、308-手摇盘、309-光轴Ⅱ、310-轴承座Ⅱ
401-行星架、402-太阳轮、403-光轴Ⅲ、404-三个行星轮、405-轴承座Ⅲ、406-齿圈座、407-齿圈
501、503-行星轮系、502-双轴电机、504-齿轮转速显示盘、505-底座
601-直流电机Ⅱ、602-直齿轮Ⅰ、603-中间轴齿轮Ⅰ、604-蜗杆轴、605-蜗杆、606-蜗轮、607-中间轴、608-蜗杆轴齿轮、609-中间轴齿轮Ⅱ、610-齿轮Ⅱ、611-曲齿Ⅰ、612-曲齿Ⅱ、613-曲齿轴Ⅰ、614-动力输出齿轮、615-曲齿轴Ⅱ、616-壳体、617-蜗轮轴
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图1，本发明包括底板1、定轴轮系单元2、差动轮系单元3、行星轮系单元4、周转轮系单元5、动力分流单元6；定轴轮系单元2、行星轮系单元4、周转轮系单元5、动力分流单元6分布在底板1的四个角上，差动轮系单元3在上述四个单元中间位置。
参见附图2，所述的定轴轮系单元2包括肋板201、联轴节202、轴承座203、直流电机Ⅰ204、输出转速显示盘205及系列齿轮；所述系列齿轮装配在光轴上，除两端的光轴外，每个光轴上配有2个直齿轮，共有14个齿轮啮合构成7级减速；光轴通过圆柱滚子轴承装配在肋板201上，肋板通过船型螺母固定在所述底板1上；固定在轴承座203上的直流电机Ⅰ204通过联轴节202与轮系输入端的光轴相连；输出转速显示盘205是个刻有分度的圆盘，通过顶丝固定在轮系输出端的光轴上；启动电机204，可以通过输出转速显示盘205转动快慢，来直观感受7级减速的减速效果。
参见附图3，所述的差动轮系单元3包括一对大锥齿轮301、一对小锥齿轮302、光轴Ⅰ303、轴承座Ⅰ304、直齿轮305、小锥齿轮支架306、参数显示模块307、手摇盘308、光轴Ⅱ309、轴承座Ⅱ310；所述小锥齿轮302与大锥齿轮301两两啮合；所述直齿轮305通过螺钉与其中一个大锥齿轮301A固连，实现两者同步运动；所述直齿轮305与动力输出齿轮614啮合，为此差动轮系单元3提供动力；光轴Ⅰ303一端依靠轴承座Ⅰ304支承，另一端插入大锥齿轮301A的齿轮中心孔，实现与大锥齿轮301A的过盈配合，并通过顶丝将两者牢牢固定；光轴Ⅱ309穿过大锥齿轮301B的中心孔，但两者是间隙配合关系；光轴Ⅱ309与小锥齿轮支架306固连，光轴Ⅱ309依靠轴承座Ⅱ310支承，其另一端与手摇盘308用顶丝固连，作为运动干扰端，通过手摇盘的转动，改变小锥齿轮的转速；所述参数显示模块307插入轴承座预先打好的孔中，显示差动轮系个齿轮的转速。
参见附图4，所述的行星轮系单元4包括行星架401、太阳轮402、光轴Ⅲ403、三个行星轮404、轴承座Ⅲ405、齿圈座406、齿圈407构成；所述行星架401作为动力输入端与动力源相结合，实现行星轮404与太阳轮402、齿圈407的啮合传动；所述太阳轮402通过与光轴Ⅲ403固连，将动力输出；所述光轴Ⅲ403通过轴承座Ⅲ405支承；所述齿圈407固定在齿圈座406上；所述齿圈座406固定在底板1上。
参见附图5，所述的周转轮系单元5包括行星轮系501、503，双轴电机502、齿轮转速显示盘504和底座505；所述双轴电机502通过联轴节为所述行星轮系501、503提供相同的动力；所述齿轮转速显示盘504分布在两个行星轮系501、503的输出端，与它们的动力输出轴相固连，形象的展现两者的输出转速；所述支撑座505用船型螺母连接在底板上，支撑着两个行星轮系501、503以及双轴电机502。
参见附图6，所述的动力分流单元6由直流电机Ⅱ601、直齿轮Ⅰ602、中间轴齿轮Ⅰ603、蜗杆轴604、蜗杆605、蜗轮606、中间轴607、蜗杆轴齿轮608、中间轴齿轮Ⅱ609、齿轮Ⅱ610、曲齿Ⅰ611、曲齿Ⅱ612、曲齿轴Ⅰ613、动力输出齿轮614、曲齿轴Ⅱ615、壳体616、蜗轮轴617；所述直齿轮Ⅰ602通过联轴节与直流电机Ⅱ601的输出轴固联在一起，且与所述中间轴齿轮Ⅰ603啮合；所述中间轴齿轮Ⅰ603和中间轴齿轮Ⅱ609固连在中间轴607上，实现动力的传递；蜗杆轴齿轮608固连在蜗杆轴604上，并与中间轴齿轮Ⅱ609啮合，将动力传递给蜗杆605；所述蜗杆605与蜗轮606啮合，将动力传递给与蜗轮606固连的蜗轮轴617，从而将动力传递给行星轮系单元4；齿轮Ⅱ610与中间轴齿轮Ⅱ609啮合，将动力传递给曲齿轴Ⅱ615，带动与曲齿轴Ⅱ615固连的曲齿Ⅱ612；所述曲齿Ⅱ612，通过与曲齿Ⅰ611啮合，将动力传递给曲齿轴Ⅰ613，带动动力输出齿轮614转动，为差动轮系单元3提供动力；中间轴齿轮Ⅱ609可以根据啮合位置不同，分别与蜗杆轴齿轮608和齿轮Ⅱ610啮合，以实现动力的分流。

Claims (3)

1.定轴轮系和周转轮系功能展示及对比分析平台，其特征在于：包括底板(1)、定轴轮系单元(2)、差动轮系单元(3)、行星轮系单元(4)、周转轮系单元(5)、动力分流单元(6)；定轴轮系单元(2)、行星轮系单元(4)、周转轮系单元(5)、动力分流单元(6)分布在底板(1)的四个角上，差动轮系单元(3)在上述四个单元中间位置；上述单元既能单独使用，也可相互配合使用，一共使用了2个直流电机(204，601)，一个双轴电机(502)；动力分流单元(6)中将动力通过蜗轮轴(617)传递给行星轮系单元(4)；所述双轴电机(502)通过联轴节为行星轮系(501、503)提供相同的动力。
2.根据权利要求1所述的定轴轮系和周转轮系功能展示及对比分析平台，其特征在于：差动轮系单元(3)包括一对大锥齿轮(301)、一对小锥齿轮(302)、光轴Ⅰ(303)、轴承座Ⅰ(304)、直齿轮(305)、小锥齿轮支架(306)、参数显示模块(307)、手摇盘(308)、光轴Ⅱ(309)、轴承座Ⅱ(310)；所述小锥齿轮(302)与大锥齿轮(301)两两啮合，直齿轮(305)通过螺钉与其中一个大锥齿轮(301A)固连，实现两者同步运动；所述直齿轮(305)与动力输出齿轮(614)啮合，为此差动轮系单元(3)提供动力；光轴Ⅰ(303)一端依靠轴承座Ⅰ(304)支承，另一端插入大锥齿轮(301A)的齿轮中心孔，实现与大锥齿轮(301A)的过盈配合，并通过顶丝将两者牢牢固定；光轴Ⅱ(309)穿过大锥齿轮(301B)的中心孔，但两者是间隙配合关系；光轴Ⅱ(309)与小锥齿轮支架(306)固连，光轴Ⅱ(309)依靠轴承座Ⅱ(310)支承，其另一端与手摇盘(308)用顶丝固连，作为运动干扰端，通过手摇盘的转动，改变小锥齿轮的转速；所述参数显示模块(307)插入轴承座预先打好的孔中，显示差动轮系齿轮的转速。
3.根据权利要求1所述的定轴轮系和周转轮系功能展示及对比分析平台，其特征在于：动力分流单元(6)由直流电机Ⅱ(601)、直齿轮Ⅰ(602)、中间轴齿轮Ⅰ(603)、蜗杆轴(604)、蜗杆(605)、蜗轮(606)、中间轴(607)、蜗杆轴齿轮(608)、中间轴齿轮Ⅱ(609)、齿轮Ⅱ(610)、曲齿Ⅰ(611)、曲齿Ⅱ(612)、曲齿轴Ⅰ(613)、动力输出齿轮(614)、曲齿轴Ⅱ(615)、壳体(616)、蜗轮轴(617)；所述直齿轮Ⅰ(602)通过联轴节与直流电机Ⅱ(601)的输出轴固联在一起，且与所述中间轴齿轮Ⅰ(603)啮合；所述中间轴齿轮Ⅰ(603)和中间轴齿轮Ⅱ(609)固连在中间轴(607)上，实现动力的传递；蜗杆轴齿轮(608)固连在蜗杆轴(604)上，并与中间轴齿轮Ⅱ(609)啮合，将动力传递给蜗杆(605)；齿轮Ⅱ(610)与中间轴齿轮Ⅱ(609)啮合，将动力传递给曲齿轴Ⅱ(615)，带动与曲齿轴Ⅱ(615)固连的曲齿Ⅱ(612)；所述曲齿Ⅱ(612)，通过与曲齿Ⅰ(611)啮合，将动力传递给曲齿轴Ⅰ(613)，带动动力输出齿轮(614)转动，为差动轮系单元(3)提供动力；中间轴齿轮Ⅱ(609)可以根据啮合位置不同，分别与蜗杆轴齿轮(608)和齿轮Ⅱ(610)啮合，以实现动力的分流。
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Inventor after: Yu Liang

Inventor after: Li Heyan

Inventor after: Wu Chan

Inventor after: Li Huizhu

Inventor after: Dong Wenfeng

Inventor after: Peng Xiaokang

Inventor after: Wei Kai

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