本發(fā)明涉及機械教具技術領域，尤其是涉及一種機構創(chuàng)意組合演示教具。

背景技術：

在機械及其相關專業(yè)的現(xiàn)代化教學活動中，多媒體被廣泛應用，對于某些抽象的原理和概念可以通過視頻和動畫來加深學生的理解。但是，傳統(tǒng)教具的作用也不容忽視，它是在教學中為學生提供感知材料的實物。使用傳統(tǒng)教具教學更直觀、更有啟發(fā)性、更真實。且分析表明人類接受情報與五官的關系中，視覺接受信息最多，實物及模型被傳送的信息量最多，即傳統(tǒng)教具在教學中仍存在不可替代的價值。

由于傳統(tǒng)教具可操作性強，能夠更好地提高學生的學習興趣。因此，傳統(tǒng)教具的許多優(yōu)點是信息技術環(huán)境所不具備的。然而，傳統(tǒng)的機械課程教具都是單一手動的教具，制造粗糙、準確性差，不能反映各種機械傳動的連續(xù)運動方式，不能進行對比演示，這些都將會影響學生對于抽象知識的理解、對常用機構的應用。

由此可見，如何研究出一種機構創(chuàng)意組合演示教具，能夠?qū)⑤喯禉C構和多種平面機構進行組合，通過電機驅(qū)動，既可以演示輪系的變速傳動和分解運動，又可以對比演示機構具有確定運動的條件和多種平面機構的運動形式，以提高其對抽象知識的直觀展示性能，是目前本領域技術人員亟待解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種機構創(chuàng)意組合演示教具。

本發(fā)明一種機構創(chuàng)意組合演示教具，包括安裝底板，所述安裝底板前端側(cè)面固定連接有背景立板，所述背景立板后端的所述安裝底板上固定連接有電動機，所述電動機傳動連接第一齒輪，所述第一齒輪嚙合用于減速的第二齒輪，所述第二齒輪通過鍵連接方式將原動力傳遞給第一傳動軸，所述第一傳動軸末端安裝有電磁離合器，所述電磁離合器通過通/斷電方式實現(xiàn)第一傳動軸和第二傳動軸的連接與分離并使所述第一傳動軸和第二傳動軸具有相同的轉(zhuǎn)速以帶動所述第二傳動軸于靠近所述背景立板的末端所連接的平面機構運動；

所述第二傳動軸鍵接第三齒輪，所述第三齒輪嚙合第四齒輪，所述第四齒輪鍵接第三傳動軸，所述第三傳動軸末端通過安裝電磁離合器將轉(zhuǎn)動動力傳遞給第四傳動軸，所述第四傳動軸作為動力輸出端將轉(zhuǎn)動動力傳遞五連桿機構，所述第四傳動軸鍵接第五齒輪，所述第五齒輪嚙合第六齒輪，所述第六齒輪鍵接的第五傳動軸作為另一個動力輸出端將轉(zhuǎn)動動力傳遞給所述五連桿機構。

進一步地，所述平面機構包括可與所述背景立板以及所述第二傳動軸可拆卸連接的四連桿機構、擺動導桿機構、凸輪機構。

進一步地，所述電動機為轉(zhuǎn)速為66r/min且額定工作電壓為24v的直流電機。

進一步地，所述電動機和所述電磁離合器均電連接有供電電源。

進一步地，所述第一齒輪，第二齒輪、第三齒輪、第四齒輪、第五齒輪和第六齒輪之間為直齒傳動。

進一步地，所述第一齒輪，第二齒輪、第三齒輪、第四齒輪、第五齒輪和第六齒輪的材質(zhì)為聚酰胺材料。

進一步地，所述第一傳動軸、第二傳動軸、第三傳動軸、第四傳動軸和第五傳動軸的材質(zhì)為聚四氟乙烯材料。

進一步地，所述第一傳動軸、第二傳動軸、第三傳動軸、第四傳動軸和第五傳動軸均插接有安裝架，所述傳動軸軸與所述安裝架的安裝插孔之間固定有深溝球軸承。

進一步地，所述鍵接為圓頭平鍵連接方式。

進一步地，所述電磁離合器為干式單片電磁離合器，所述干式單片電磁離合器的質(zhì)量為0.5kg。

本發(fā)明一種機構創(chuàng)意組合演示教具，與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點：

該機構創(chuàng)意組合演示教具中，將輪系和四連桿機構、五連桿機構、擺動導桿機構以及凸輪機構等多種平面機構結(jié)合起來，通過對比演示，驗證機械原理的基本概念、基本原理、基本方法。通過電磁離合器控制輪系的輸出運動，進而控制平面機構原動件的運動情況。桿件的快速自由組合和拆卸，可以將教具的功能進行擴展，演示多種機構的連續(xù)運動方式。

另外，該機構創(chuàng)意組合演示教具中所有傳動軸和齒輪的材料與結(jié)構均進行了優(yōu)化設計，使其具有更長的使用壽命，能夠有效降低教學成本；并且平面機構的尺寸設計運行速度也進行可合理調(diào)控，使得即使位于教室后排的學生也能夠清晰觀摩到該教具所呈現(xiàn)的機械運行原理。

綜上所述，本教具是一種用于教學或?qū)W生使用的電動機械傳動組合教具，立體感強，能直觀反映多種傳動機構的運動規(guī)律，使用方便，操作簡單。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的俯視圖；

圖2為本發(fā)明第一種主視圖；

圖3為本發(fā)明的第二種主視圖；

圖4為本發(fā)明的第三種主視圖；

圖5為本發(fā)明中四連桿結(jié)構示意圖；

圖6為本發(fā)明中五連桿結(jié)構示意圖；

圖7為本發(fā)明中第二傳動軸的結(jié)構示意圖；

圖8為本發(fā)明中第四傳動軸的結(jié)構示意圖。

圖中：1、電動機，2、第一齒輪，3、第二齒輪，4、第一傳動軸，5、第三齒輪，6、電磁離合器，7、第二傳動軸，8、第四傳動軸，9、第五齒輪，10、第四齒輪，11、第三傳動軸，12、第六齒輪，13、第五傳動軸，14、五連桿機構，15、平面機構。

具體實施方式

為了更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明進行進一步的描述。

如圖1-4所示，一種機構創(chuàng)意組合演示教具，包括輪系機構，所述輪機機構通過電動機1驅(qū)動，將減速后的運動傳遞給五連桿機構14或凸輪機構等平面機構15，同時可以演示輪系的變速傳動和分解運動。

如圖1所示，由一臺66r/min、24v直流電機提供整套教具的動力，通過第一齒輪2、第二齒輪3進行嚙合，將原動力傳遞給第一傳動軸4，在第一傳動軸4的右端裝有電磁離合器6，采用通/斷電實現(xiàn)第一傳動軸4和第二傳動軸7的結(jié)合與分離，使第二傳動軸7和第一傳動軸4具有相同的轉(zhuǎn)速，并帶動第二傳動軸7右端的平面機構15運轉(zhuǎn)。

通過第二傳動軸7上的第三齒輪5與第三傳動軸11上的第四齒輪10進行嚙合，第三傳動軸11與第四傳動軸8之間用電磁離合器6進行動力傳遞。將動力傳遞給第四傳動軸8，第四傳動軸8作為動力輸出端將動力傳遞給五連桿機構14。通過第四傳動軸8上的第五齒輪9與第五傳動軸13上的第六齒輪12進行嚙合。第五傳動軸13作為另一個動力輸出端將動力傳遞給五連桿機構14。

如圖2所示，四桿連桿機構、五桿機構進行運動對比，演示機構具有確定運動的條件和平面連桿機構的運動特性。通過輪系中第二傳動軸7的輸出運動驅(qū)動四連桿機構中的曲柄作整周回轉(zhuǎn)運動，通過連桿帶動搖桿往復擺動。通過輪系中第四傳動軸8和第五傳動軸13輸出運動分別驅(qū)動五連桿機構14的兩個桿件，作為兩個原動件。演示說明四桿機構有一個原動件時機構具有確定的相對運動，而五桿機構有兩個原動件時機構才具有確定的相對運動。此外，電動機1的運動經(jīng)輪系減速后，可以將連桿各構件的運動情況展示清楚。

如圖3所示，為了演示其他四連桿機構的運動特性，可將鉸鏈四連桿機構拆開，簡單拼裝后組成擺動導桿機構。通過輪系中第二傳動軸7的輸出運動驅(qū)動擺動導桿機構中的曲柄作整周回轉(zhuǎn)運動，通過滑塊帶動導桿往復擺動。

如圖4所示，為了演示凸輪機構的運動特性，可將四連桿桿機構拆開，簡單拼裝后組成擺動從動件盤形凸輪機構。通過輪系中第二傳動軸7的輸出運動驅(qū)動擺動從動件盤形凸輪機構中的凸輪作整周回轉(zhuǎn)運動，推動從動件作往復擺動。

凸輪機構在應用中的基本特點在于能使從動件獲得較復雜的運動規(guī)律。凸輪輪廓與導桿接觸，并傳遞動力和實現(xiàn)預定的運動規(guī)律的構件，使導桿做往復擺動運動。

凸輪機構的主要作用是為了向同學們介紹凸輪機構從動件的運動形式主要取決于凸輪輪廓。并介紹凸輪機構中設計的最大難點就是凸輪的輪廓線。它決定了整個機構是否按照原定的工作形式運動。凸輪機構廣泛應用于各種自動機械、儀器和操縱控制裝置。凸輪機構之所以得到如此廣泛的應用，主要是由于凸輪機構可以實現(xiàn)各種復雜的運動要求，而且結(jié)構簡單、緊湊。

通過在教室里實際觀測我們發(fā)現(xiàn)只有當連桿的長度達到120mm以上，坐在后排的同學才能看清連桿的轉(zhuǎn)動，因此，我們根據(jù)連桿機構的相關運動條件分別確定了四連桿機構和五連桿機構14的連桿長度。

桿長之和條件：

最短桿與最長桿之和≤其余兩桿長度之和。

滿足桿長條件：

①最短桿為機架-----雙曲柄機構；

②最短桿的相鄰桿為機架----曲柄搖桿機構；

③最短桿的相對桿為機架-----雙搖桿機構。

如圖5所示，我們設計的曲柄搖桿機構桿長分別為：

ab＝130mm，bc＝225mm，cd＝170mm，ad＝150mm。

通過查閱相關文檔我們知道五桿機構運動軌跡復雜，但是根據(jù)自由度的計算：

f＝3n-(2p1+ph)＝3×4-(2×4+2)＝2

我們知道，只要滿足其原動件個數(shù)為2，即可確定五桿的運動軌跡，因此我們將桿1和桿4作為原動件，讓這兩桿分別反向運動即可。

如圖6所示，初步設計桿長：

ab＝70mm，bc＝195mm，cd＝215mm，de＝70mm。

電動機1是標準部件，分為直流電動機和交流電動機。考慮到直流電動機比交流電動機控制速度較為容易，轉(zhuǎn)速低、扭矩大。本裝置一般為短期運轉(zhuǎn)，低速且大扭矩運轉(zhuǎn)，因此采用直流電動機。為使電動機1在工作時不會過熱，因此電動機1的額定功率要稍大于電動機1的工作功率。

考慮到教具主要用于課堂演示常用機構的運動特性，為了能夠簡單明了地展現(xiàn)給同學們，因此必須滿足低速運行。通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，當連桿的轉(zhuǎn)速小于70r/min就可以清晰看出連桿的運動軌跡。同時由于后期離合器的工作電壓是24v，功率在4.5w左右，根據(jù)電壓、轉(zhuǎn)速需求，最終我們選擇了jgb37-520型15w、66r/m的直流電機。

傳統(tǒng)齒輪都以金屬為材料，但其噪音大、自潤滑性不好，而聚酰胺材料即尼龍作為齒輪時重量較輕、耐疲勞、吸收沖擊、自潤滑性好，因而我們選用尼龍作為齒輪加工的材料。

考慮到本教具的成本低、傳動載荷小，直齒輪完全能滿足教具的傳動要求，我們最后選擇直齒輪傳動。

根據(jù)連桿的長度我們設齒輪的中心距為a＝150mm，若保持齒輪傳動的中心距不變，增加齒數(shù)，我們可以增大重合度、改善傳動的平穩(wěn)性，同時還可減小模數(shù)，降低齒高，因而減少材料切削量，節(jié)省制造費用。另外，降低齒高還能減小滑動速度，減少磨損及減小膠合的可能性。齒輪傳動一般轉(zhuǎn)速較高，為了提高傳動的平穩(wěn)性，減小沖擊振動，以齒數(shù)多一些為好，小一些為好，小齒輪如第三齒輪5和第五齒輪9的齒數(shù)可取為z3＝20-40。

為使齒輪免于根切，對于α＝20°的標準支持圓柱齒輪，應取z3≥17，所以我們?nèi)3＝40，m＝2，h＝1mm；考慮到傳動比的大小也直接影響輸入軸的連桿運動的轉(zhuǎn)速，從而影響教具演示效果的因素。因此我們?yōu)榱吮ＷC齒輪的傳動比，先初選定了大齒輪如第四齒輪10和第六齒輪12的齒數(shù)z4＝49。

根據(jù)齒輪齒數(shù)，可得傳動比為：

齒輪分度圓直徑為：

小齒輪d3＝mnz3＝2×40＝80mm

大齒輪d4＝mnz4＝2×49＝98mm

齒輪寬度為：

按強度計算要求，取齒寬系數(shù)∮d＝0.8，則齒輪工作寬度：

b＝φdd3＝0.2×80＝16mm

圓整為大齒輪寬度：b4＝20mm

取小齒輪寬度：b3＝25mm

根據(jù)《合成樹脂與塑料手冊》查得齒輪的屈服強度σs＝54.88mpa，取安全系數(shù)s＝2，齒輪的許用應力[σ]按下式計算：

離合器又分為摩擦離合器、液力偶合器、電磁離合器等幾大類。相比較而言，摩擦離合器結(jié)構復雜，常用于大載荷場合；液力偶合器安裝復雜，維護困難；電磁離合器6結(jié)構簡單，易于控制。因此我們選用干式單片電磁離合器。

根據(jù)本教具實際所需的扭矩相對較小，并且只要滿足兩個離合器所需的扭矩，即可保證教具能正常使用。

計算電動機1的輸出扭矩：

第一傳動軸4、第二傳動軸7上離合器的轉(zhuǎn)矩：

t1＝td·i1＝tdi12＝2.17×1.225n·m＝2.658n·m

第三傳動軸11、第四傳動軸8上離合器的轉(zhuǎn)矩：

t2＝td·i2＝tdi34＝2.17×1.564n·m＝3.394n·m

因為t2>t1,且對于裝置只存在扭矩的考慮，所以離合器的選擇只需滿足扭矩比t2大即可。同時考慮到軸徑的大小不宜過小，否則難加工、無法滿足強度要求等因素，我們初步將上述傳動軸的軸徑定為10mm。對于離合器的轉(zhuǎn)速只要在70r/min內(nèi)即可，考慮到軸的強度，離合器的選擇不能太重。

因此根據(jù)干式單片電磁離合器的參數(shù)，綜合考慮質(zhì)量、扭矩、轉(zhuǎn)速要求，選擇0.5kg的shcf2-0.6干式單片電磁離合器。

在傳動軸的選材上我們初步以質(zhì)量輕為標準選定的是尼龍，經(jīng)查閱相關材料我們發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯棒料和尼龍的密度相近，但其比尼龍的強度更大，物理機械性能相對較好，可以作為軸的棒料加工使用。

(1)根據(jù)軸向定位的要求確定傳動軸的各段直徑和長度，如圖7所示。

1)傳動軸的最小直徑是ⅴ-ⅵ安裝連桿處直徑取d＝6mm，根據(jù)連桿與背景立板實際距離為20mm，取其軸長l＝20mm。

2)由于ⅱ-ⅲ和ⅳ-ⅴ軸段安裝軸承，查表1根據(jù)綜合考慮選取軸承為深溝球軸承6202，因深溝球軸承6202內(nèi)徑小選帶座軸承，則此段軸直徑dⅱ-ⅲ＝dⅳ-ⅴ＝15mm，軸長lⅱ-ⅲ＝lⅴ-ⅵ＝12mm。

表1深溝球軸承(摘自gb/t276-1994)

3)為了滿足軸承的定位要求，ⅱ-ⅲ軸段右端和ⅳ-ⅴ軸段左端需制出軸肩，由于ⅲ-ⅳ軸段只起過渡作用，綜合考慮?、?ⅳ軸段dⅲ-ⅳ＝20mm，長度lⅲ-ⅳ＝53.5mm。

4)為了滿足電磁離合器6的定位要求，ⅱ-ⅲ軸段左端需制出一軸肩，故?、?ⅱ軸段直徑dⅰ-ⅱ＝12mm，長度lⅰ-ⅱ＝25mm。

(2)確定軸上圓角和倒角

取軸端倒角為2×45°，各軸肩處的圓角半徑為r＝2mm。

我們以軸ⅳ上鍵的選擇為例，如圖8所示。齒輪與軸的周向定位采用圓頭平鍵連接，按軸d＝24mm查表2得平鍵截面b×h＝8mm×7mm，長度l＝20mm，同時為了保證齒輪與軸配合處有良好對中性，故選擇齒輪與軸的配合為h7/m6，輪轂與軸的周向定位由過渡配合和來鍵保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。

表2普通平鍵的尺寸

最后，所有傳動軸的機構設計中共涉及5對軸承，選擇3對深溝球軸承6202，2對深溝球軸承6204。

以上對本發(fā)明的實施例進行了詳細說明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能被認為用于限定本發(fā)明的實施范圍。凡依本發(fā)明范圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬于本專利涵蓋范圍之內(nèi)。