用于机械设计基础课程的组合传动创新教具设计与研究

龚辉+郑晓峰

摘 要：针对传统教具功能单一、无法展示运动过程等问题，介绍了一种专门用于机械设计基础课程的组合传动机构创新教具。该教具通过特定的组合方式，将带轮机构、齿轮传动机构、行星轮系、曲柄滑块机构、螺旋机构、蜗轮蜗杆机构、凸轮机构等课程涉及的基本机构组合在一起，并使用同一个电机驱动，实现了机构的同步运转。通过调速电路控制电机的转速，使传动机构可以在不同的速度下运转，从而满足教学需要。

关键词：教具 组合 传动 机构

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）02（c）-0139-03

Abstract： Aiming at the problem that the traditional teaching aids were single in functions， and could not show the process of the movement， a combined transmission innovativeteaching aidsused for the course of Basis？of Mechanical Designinghad been introduced. The basicmechanisms including belt gearsmechanism， gears transmission mechanism， planetary gearssystem， crank slider mechanism， screw mechanism， turbo and worn mechanism， cam mechanism which related to the course were combined by the teaching aid， and achieved the function that the mechanisms were running simultaneously by driven by a same motor. The transmission mechanisms could run bydifferent speeds because of the controlling action of the circuit board， at last the teaching needs were satisfied.

Key Words： Teaching Aids； Combined； Transmission； Mechanism

机械设计基础是机械类专业的一门重要的必修基础课，它的教学目的是使学生掌握常用机构和通用零件的基本理论和基本知识，初步具有这方面的分析、设计能力，并获得必要的基本技能训练，同时注意培养学生正确的设计思想和严谨的工作作风。该课程涉及到的机械结构有很多，有平面连杆机构、齿轮传动、带传动、涡轮蜗杆机构、螺纹传动等，在课堂教学中，单靠传统的说教式教学的话学生很难理解各个机构的运动原理，也就无法达到预期的教学目的。

所以该课程的教学通常会采用一些表達机构运动的教具来辅助教学，但是传统的教具一般结构比较简单，功能也比较单一，往往运动性也比较差，辅助教学的效果一般。针对以上情况，该文设计了一种专门用于机械设计基础课程的组合传动机构创新教具。该教具把多种功能单一的传统教具通过特定的组合方式组合在一起，不但减小了体积便于携带，而且让多种机构同时运行帮助学生拓展思维，温故知新，也激发了学生的学习兴趣。

1 结构

该组合传动机构创新教具包含带轮机构、齿轮传动机构、行星轮系、曲柄滑块机构、螺旋机构、蜗轮蜗杆机构、凸轮机构等传动结构以及安装的底座框架，如图1所示。

组合教具由电机驱动，电机旋转驱动带传动的主动轮，再通过同步带的传动作用驱动被动轮。同步带传动时，传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油、耐磨性好，抗老化性能好。为了得到合适的传动速度，组合教教具中采用了大小带轮组合传动，可实现对电机的有效减速，如图2所示。对于同步带来说，带轮之间的中心距极为重要，中心距过小，将导致张紧力不够，摩擦力也会不够，则有可能发生打滑的情况，从而加重对同步带的磨损，降低其载荷能力，甚至造成传动失稳失去传动能力；而中心距过大，则会导致同步带所承受的张力增大，产生较严重的形变，降低同步带的使用年限。因此，带传动需要设置合理的中心距，目前普遍采用张紧轮来调节中心距。该教具为了简化机构并未使用张紧轮，而是通过中心距可调的电机座来实现，如图3所示。

带轮传动的被动轮和齿轮传动机构的主动轮是同轴齿轮，前者的运动则会转化为齿轮传动机构的运动。齿轮传动具有传动平稳、传动比精确、工作可靠、结构紧凑、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大等优点。教具中使用的齿轮传动机构有直齿啮合传动、锥齿啮合传动，齿轮齿条传动。这些齿轮的巧妙应用，极大程度上减少了机械干涉，很好地实现了机构的组合传动，部分的传动齿轮示意图如图4所示。

行星轮系是只具有一个自由度的轮系，一个原动件即可确定执行件（行星齿轮）的运动，它是一种先进的齿轮传动机构，具有结构紧凑、体积小、质量小、承载能力大、传递功率范围大、传动范围大、运行噪声小、效率高及寿命长等优点。

曲柄滑块机构是用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构，也称曲柄连杆机构，广泛应用于往复活塞式发动机、压缩机、冲床等的主机构中。

在教具中，运用行星轮系的原动件与从动件的中心距作为曲柄长度，通过这种方式就将行星轮系和曲柄滑块组合在一起，如图5所示。动力来源是齿轮传动机构的被动轮。

螺旋传动是利用螺杆与螺母组成的螺旋副来实现传动要求，它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。此教具中，将齿条固定在曲柄滑块上，在螺杆的一端安装齿轮，齿轮与齿条啮合。当滑块做来回往复运动时，带动齿条也做来回往复运动，齿条带动齿轮正转和反转，于是，就实现了螺杆的正反转，使悬合在螺杆上的螺母出现一张一合，螺旋机构如图6所示。

该教具中的凸轮传动机构结合了凸轮机构、齿轮齿条、可移动画板，可升降画笔，可实时地绘制出凸轮的运动轨迹，加深学生对凸轮工作原理的理解。凸轮传动机构如图7所示。在凸轮绘图机构中，凸轮、齿轮、涡轮同轴，在蜗杆的驱动下，涡轮带动齿轮和凸轮同速转动，齿轮带动与装在画板上的齿条水平移动，画笔随着凸轮上下移动，两者运动相互结合，就很好地实现了凸轮的运动轨迹的绘制。

2 控制系统

该教具中，组合机构的控制和教具箱的控制均采用24 V直流电机，直流电机的正反转由三态开关控制，为了达到最佳的演示效果，还需要调节合理的电机转速，因此，对此电机增加了调速系统，调速系统的电路控制板如图8所示。

经过估算，电机所需最大负载T=3.5 kg·cm，取安全系数K=1.5。计算后取电机转速n=150 r/min，最终确定电机型号如表1所示。

3 结论

该组合传动机构创新教具将传统零散的机械设计基础教具组合在一起，包含了带轮机构、齿轮传动机构、行星轮系、曲柄滑块机构、螺旋机构、蜗轮蜗杆机构、凸轮机构等传动机构，更加系统化，功能更加齐全，满足机械设计基础课程的理论及实践教学需求；机械结构新颖，容易引起学生对机械结构设计的兴趣，激发学生的创造性思维；机构的创新性主要体现在以下几个方面。

（1）凸轮绘图机构：巧妙地结合涡轮蜗杆、齿轮齿条等机构，实现凸轮实时运动轨迹的绘制功能，有利于学生理解凸轮的原理及设计。

（2）行星轮系与曲柄滑块：把行星轮与太阳轮的中心距作为曲柄滑块中曲柄的长度，使行星轮与曲柄滑块机构巧妙结合。

（3）螺旋机构：曲柄滑块、齿轮齿条、丝杆组合在一起，实现了丝杆的往复运动。

该组合传动机构创新教具由电机驱动，电机可调速以及正反转控制，可实现机构不同速度和不同方向的运转，可以很好地实现教学的实际需要，为各专业创新教具的开发提供了参考和选择。

参考文献

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