一种多功能的组合机械教具的研究

黄松霖 蔡永伟 姜文艳 何一平 付鸿儒

摘要：本文针对教具市场的现状，介绍了一种多功能的组合的教具。涉及到机械教具领域，尤其是一种多功能的组合机械教具。目的在于提供一种适用于教学，集成九种机械结构系统于一体的多功能机械教具。在研究过程中，解决了如何排列九种不同的机械结构的问题，选定了异步电机做为组合机械教具的动力，对于重量问题进行了材料的选取，对于装配结构的便携性也提出了解决方案。

关键词：机械教具;机械创新;组合传动;机械基础

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）10-0018-03

1 研究背景

随着机械行业的迅速发展，各高等院校、专科院校对于开设的机械类学科之中，大多停留在书本知识上面，对于基本的机械结构的组成不被学生所了解，再因校企合作不够完善的原因，导致机械工程学科的学生实践环节比较薄弱，造成了机械类毕业生难以快速投入到机械专业工作当中，机械类的课程在通常情况下需要合适的教具作为辅助教学，教具的功能要包括能够充分讲解机械原理课程中所学知识点。

2 具体设计方案

为了解决传统机械教具功能的单一性，对一种多功能的机械教具进行了设计，可以让学生可以進行亲自动手进行实践。教具在进行演示的时候要做到结构清晰好辨认，实践时要简单易操作，给学生增加更好的教学体验，充分投入到知识当中。在教具的制造上要求材料成本低，易加工，尽量做到方便拆装好携带，让教师在教学之中有更大的灵活性。

2.1 设计思路

针对现有教具市场存在的不足，设计多功能的组合机械教具的目的在于提供一种适用于教学，集成多种机械结构系统于一体的多功能机械教具以用来进行系统的学习。

在进行设计的时候，共涉及到了九种基本的传动机构，如图1所示，分别为蜗轮蜗杆机构;齿轮副机构;不等长平面四杆机构;行星轮机构;凸轮机构;槽轮机构;棘爪棘轮机构;带轮机构;链轮机构。

在进行设计时，将多功能的组合机械教具设计为一装配体，多功能的组合机械教具包括外壳、底座、电机、驱动杆、滑移导轨、“口”型升降框、蜗轮蜗杆机构、齿轮副机构、不等长平面四杆机构、行星轮机构、凸轮机构、槽轮机构、棘爪棘轮机构、带轮机构、链轮机构。

这九种机构分别放置于“口”型升降框内，如图2所示，“口”型升降框为一中空框架，顶部有一提手可以将升降框手动提起，“口”型升降框可拆卸连接在滑移导轨上，“口”型升降框底部靠近驱动杆一侧安装有一齿轮;滑动导轨固定于箱体内;驱动杆杆安装于箱体侧面，驱动杆上等距安装九个齿轮;各个机构的运动通过提升“口”型升降框来使“口”型升降框底部的齿轮与驱动杆上的齿轮进行啮合达到动力传输的效果，箱体安装于底座上;多功能的组合机械教具可通过调换不同的机械结构去进行运动模拟。

蜗轮蜗杆机构安装于“口”型升降框内，蜗轮蜗杆机构包括蜗轮、蜗杆，蜗轮蜗杆机构可拆卸安装于“口”型升降框内。

可调不等长平面四杆机构安装于“口”型升降框内，可调不等长平面四杆机构包括一机架、一主动杆、一从动杆、一连杆。可调不等长平面四杆机构各个杆件长度可调，可实现大部分常见平面四杆机构的运动类型，可调不等长平面四杆机构可拆卸安装于“口”型升降框内。

行星轮机构安装于“口”型升降框内，所述可变直齿斜齿轮机构为一组合体，通过齿轮中部旋钮可以使齿轮的齿向改变，可显现不同倾角的齿形，所述可变直齿斜齿轮机构可拆卸安装于“口”型升降框内。

凸轮机构安装于“口”型升降框内，所述凸轮机构包括凸轮、摇杆，通过凸轮的运动使从动摇杆的运动轨迹发生改变，所述凸轮机构可拆卸安装于“口”型升降框内。

槽轮机构安装于“口”型升降框内，槽轮机构包括槽轮和主动拨盘，通过主动拨盘与槽轮的槽位相互作用使槽轮机构运动，槽轮机构可拆卸安装于“口”型升降框内。

棘爪棘轮机构安装于“口”型升降框内，棘爪棘轮机构包括棘爪、棘轮，棘爪可实现驱动与止回的作用，棘爪棘轮机构可拆卸安装于“口”型升降框内。

带轮机构安装于“口”型升降框内，带轮机构包括主动轮、从动轮、传动带，带轮机构可拆卸安装于“口”型升降框内。

链轮机构安装于“口”型升降框内，链轮机构包含链条、链轮。链条包含奇数链条和双数链条， 在进行演示时可将链条更换，链轮机构可拆卸安装于“口”型升降框内。

“口”型升降框共九组，为各个分别为不同机械结构所安装，“口”型升降框平行排列，垂直于底座，通过与教具外壳内的滑移导轨相互配合安装。

如图3所示，为齿轮副机构安装示意图。

2.2 教具材料的选取

外壳和“口”型升降框材料选用玻璃纤维增强塑料亚克力，这种材料的相对密度在1.5～2.0之间，只有碳钢的1/4～1/5，但拉伸强度却接近甚至超过碳素钢，强度可以与高级合金钢媲美。

2.3 动力部分设计

动力部分采用两种方式，一为手动控制，二为电机带动驱动杆。进行手动控制时将机构从“口”型升降框取出，可进行手动操作，使用完毕后将机构重新安装在“口”型升降框内，使用快捷方便。用电机作为动力源的时，将电机调速之后在进行演示。

2.3.1 驱动杆设计

如图4所示，驱动杆为一根直轴，由于考虑到驱动杆上要配合齿轮，所以将驱动杆直径加大以增加强度。

驱动杆安装位置如图5所示。

2.3.2 电机部分设计

电机选用异步电机，因为在教具上使用，所需扭矩不必很大，选用5V电源的异步电机即可，控制电路选用单片机作为核心即可，由于不必过于精细，只可保证正常运转即可，教具内内含一小块蓄电池，满足教学工作即可。

2.4 传动部分设计

传动部分采用齿轮啮合的方式进行，驱动杆上共有九组齿轮呈等距排列，每一组齿轮相对应每一组的演示传动机构进行啮合，进行演示时将“口”型升降框提起，提升至最高位置时驱动杆上的齿轮与“口”型升降框上连接机构主动件的齿轮系相啮合进行传动。进行演示之前要先将电机调速，调节至演示机构的速度范围之内，在进行教学演示。“口”型升降框底部齿轮与齿轮系如图6所示。

3 研究成果

这种教具可以演示蜗轮蜗杆传动、齿轮传动、四杆机构传动、直齿斜齿轮传动、凸轮传动、槽轮传动、单/双棘爪棘轮传动、带轮传动、链轮传动运动模拟。因为它是作为教具去进行演示，所以各个机构精度要求不必很严格，以价格相对低廉的材料去进行制作，可以降低制作的成本。它可以应用于《机械原理》课程的教学演示，可以当作《机械制造》中被加工零件的成品，也可以用作《机械制造工程》课程的拆装范例，使学生可以在学习能够直观的了解机构的运动规律，能够快速理解机构之中的种种联系。

4 结语

多功能的组合机械教具将九种基本机械结构纳为一体，更加系统化，整合度更加紧凑、所具备功能可满足基础课程的要求。具有一定的创新型与实用性以下为创新的几点：

（1）各个机械机构都装于“口”型升降框内，“口”型升降框可避免人体与机械结构直接触碰不小心所造成的损伤。“口”型升降框内的机构可从中拆下，安装方便快捷。

（2）平面四杆机构可以进行杆件的调节，这样减少了所需构件的数量，在进行演示时也方便进行讲解，可以更加直观的让学生了解。

（3）多功能的组合机械教具具有两种动力输入方式，一为手动输入动力、二为电机驱动。电机驱动时将“口”型升降框提起，将电机调速至选定机构的主动件速度范围内进行演示。手动时可将机构从“口”型升降框内取出，方便学生触摸和操作。

多功能的组合机械教具可以很好的演示基础机构的运动原理，对于学生的学习和教师的教学工作有很大的帮助，对于未来教具市场的发展方向有很好的借鉴性。