機(jī)械原理課程系列教具的設(shè)計(

1、機(jī)械原理課程系列教具的設(shè)計（2）北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 機(jī)械1104亢中惠任務(wù)內(nèi)容 （1）機(jī)械原理課程系列教具的總體設(shè)計；（2）平面四桿機(jī)構(gòu)典型運(yùn)用平臺，凸輪機(jī)構(gòu)輪廓設(shè)計及從動件運(yùn)動特性測繪平臺的裝配圖的設(shè)計。（3）傳動部分運(yùn)動與動力學(xué)計算；（4）零部件的工作能力計算；（5）平臺的工作動畫；典型平臺的實物制作。任務(wù)要求 所設(shè)計的機(jī)械原理課程系列教具，即能化零為整，又能化整為零，與教科書、習(xí)題、實驗結(jié)合緊密，每一模塊體積小、質(zhì)量輕，方便老師攜帶，使教與學(xué)變得更加直觀化、簡單化；它既是課堂展示教具又是實驗裝置，做到了教具一套多用；它是可拆卸教具，以知識為指導(dǎo)，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，啟發(fā)

2、學(xué)生獨(dú)立思考、解決問題的能力，適應(yīng)新時代要求的創(chuàng)新型人才。該系列教具具有的功能 1.1教具功能教具功能 該演示儀主要具備如下幾項功能： 演示三種平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動原理； 演示兩種凸輪的運(yùn)動原理，凸輪可更換。 方便展示運(yùn)動特性，例如轉(zhuǎn)角和位移量。結(jié)構(gòu)布局 該組合演示儀從宏觀上看由兩大部分組成，即：凸輪演示儀和平面四桿演示儀；按照演示儀功能實現(xiàn)的過程來看，凸輪演示儀分為頂桿凸輪和槽行凸輪，可以展示凸輪角運(yùn)動量和從動件直線運(yùn)動量的大小和相互關(guān)系；平面四桿機(jī)構(gòu)展示儀可以展示三種平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性。結(jié)構(gòu)布局 其中，凸輪運(yùn)動部分為復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過將凸輪固定在帶有刻度盤的凸輪架上面，同時將帶還有對應(yīng)運(yùn)動曲

3、線的坐標(biāo)紙固定在和凸輪架聯(lián)動的圓筒上面，凸輪頂桿上有指示標(biāo)志，當(dāng)凸輪位于某一角度，該標(biāo)志也指向圓筒上坐標(biāo)紙上曲線的對應(yīng)位置，向?qū)W生展示凸輪角位移和頂桿直線位移的對應(yīng)關(guān)系。市場調(diào)研 1.2當(dāng)前教具的現(xiàn)況當(dāng)前教具的現(xiàn)況 當(dāng)前機(jī)械原理課程大多為原理概念和理論計算，課堂上的實例運(yùn)用非常少。這直接導(dǎo)致了當(dāng)代大學(xué)生理論知識和實踐有所脫節(jié)，不能很好地理論聯(lián)系實際，把所學(xué)知識靈活運(yùn)用到實際當(dāng)中。通過觀看學(xué)?，F(xiàn)有教具以及查閱有關(guān)機(jī)械原理教具的資料，我發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在市場上所提供的各種教具均是單一的原理圖例展示或各種相對獨(dú)立的小型機(jī)構(gòu)模型。雖然在初次接觸時能給學(xué)生帶來新鮮感，并起到一定的教學(xué)效果，但由于缺少動手的樂趣，常

4、規(guī)的機(jī)械原理教具并不能有效地提高學(xué)生的探索熱情和自主學(xué)習(xí)的主觀能動性。大型整體式教具大型整體式教具有的教具實現(xiàn)了組合但缺乏可調(diào)節(jié)性和模塊化程度小型分散式教具小型分散式教具有的教具雖然可以實現(xiàn)親自動手調(diào)節(jié)，但松散單一不方便，易丟失相關(guān)理論 所有運(yùn)動副全都是轉(zhuǎn)動副的四桿機(jī)構(gòu)稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)是平面四桿機(jī)構(gòu)的基本形式，其他種類四桿機(jī)構(gòu)都可以認(rèn)為是在它的基礎(chǔ)上演化而來的。選定其中一個構(gòu)件作為機(jī)架，直接與機(jī)架鏈以鉸鏈運(yùn)動副接的構(gòu)件稱為連架桿，不直接與機(jī)架連接的構(gòu)件稱為連桿，可以在360范圍完整回轉(zhuǎn)的構(gòu)件被稱作曲柄，只能在某一角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動的構(gòu)件稱為搖桿。如果以轉(zhuǎn)動副連接的兩個構(gòu)件可以做完

5、整周相對轉(zhuǎn)動，則能夠稱之為整轉(zhuǎn)副，反之則稱之為擺轉(zhuǎn)副。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，按照連架桿是否可以做完整周轉(zhuǎn)動，可以將其分為三種基本形式，即曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)。相關(guān)理論 1.桿長之和條件：平面四桿機(jī)構(gòu)的最短桿和最長桿的長度之和小于或者等于其余兩桿長度之和。 2.在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，如果某個轉(zhuǎn)動副能夠成為周轉(zhuǎn)副，則它所連接的兩個構(gòu)件中，必有一個為最短桿，并且四個構(gòu)件的長度關(guān)系滿足桿長之和條件。 3.在有整裝副存在的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，最短桿兩端的轉(zhuǎn)動副均為周轉(zhuǎn)副。此時，如果取最短桿為機(jī)架，則得到雙曲柄機(jī)構(gòu)；若取最短桿的任何一個相連桿為機(jī)架，則得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；如果取最短桿對面構(gòu)件為機(jī)架，則得到

6、雙搖桿機(jī)構(gòu)。 4.如果四桿機(jī)構(gòu)不滿足桿長條件，則不論選取哪個構(gòu)件為機(jī)架，所得到機(jī)構(gòu)均為雙搖桿機(jī)構(gòu)。 5.上述一系列結(jié)論稱為格拉霍夫定理。相關(guān)理論 凸輪機(jī)構(gòu) 由凸輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動或往復(fù)運(yùn)動推動從動件作規(guī)定往復(fù)移動或擺動的機(jī)構(gòu)。凸輪具有曲線輪廓或凹槽，有三種凸輪機(jī)構(gòu) 凸輪機(jī)構(gòu)分為盤形凸輪、圓柱凸輪和移動凸輪等，其中圓柱凸輪的凹槽曲線是空間曲線，因而屬于空間凸輪。相關(guān)理論 （1）凸輪機(jī)構(gòu)各種類型： 凸輪機(jī)構(gòu)的分類： 形狀分 1）盤形凸輪 2）移動凸輪 3）圓柱凸輪 從動件型式 1）尖底從動件； 2）滾子從動件； 3）平底從動件材料選擇 在該系列教具中，底座部分和平面四桿各機(jī)構(gòu)采用較輕的鋁合金，具有一定耐

7、磨性和較高強(qiáng)度而且密度較低；各螺栓及傳動部件等關(guān)鍵部件采用45號鋼，強(qiáng)度剛度較高，適合受力及摩擦較多的零件，耐用；皮帶輪采用尼龍工程塑料，能夠加工各種非圓孔，公益性好，強(qiáng)度足夠。材料性能 材料：鋁合金(6061鋁合金) 熱處理工藝： 1）快速退火：加熱溫度350410;隨材料有效厚度的不同，保溫時間在30120min之間;空氣或水冷。 2）高溫退火：加熱溫度350500;成品厚度6mm時，保溫時間為1030min、6mm時，熱透為止;空氣冷。3）低溫退火：加熱溫度150250;保溫時間為23h;空氣或水冷。 密度：2.7g/cm3材料性能 力學(xué)特性：極限抗拉強(qiáng)度為124MPa 受拉屈服強(qiáng)度55

8、.2MPa 彈性系數(shù)68.6GPa 彎曲極限強(qiáng)度228MPa 屈服強(qiáng)度 103MPa 延伸率25.0% 泊松比 0.330 疲勞強(qiáng)度62.1MPa材料性能 45號鋼 密度：7.85g/cm3 力學(xué)性能：材料牌號: 45 材料名稱: 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 標(biāo) 準(zhǔn) 號: GB699-88 熱 處 理: 退火 材料性能 抗拉強(qiáng)度: 600 (MPa) 屈服強(qiáng)度: 355 (MPa) 延 長 率: 16% 斷面收縮率: 40% 布氏硬度: 197 材料性能 屈服強(qiáng)度54.88MPa 壓縮強(qiáng)度103.88MPa 彎曲強(qiáng)度117.6MPa 彎曲模量2.89GPa 沖擊強(qiáng)度1.18-2.1KJ/M/M電機(jī)選擇 由于教

9、具類機(jī)械只演示，不負(fù)擔(dān)額外負(fù)載，并且要求轉(zhuǎn)速較慢，因此選擇扭矩足夠的直流減速電機(jī)。 選擇GM25-370CA-15360-499直流減速電機(jī)電機(jī)簡介 型號:GM25-370CA 直徑:25mm 長度:電機(jī)30.8mm+齒輪箱 1.微型直流減速電機(jī)，低轉(zhuǎn)速，大扭力，最大允許負(fù)載5.0kg.cm2.符合歐盟環(huán)保節(jié)能功耗要求，最小電流可至50mA3.軍品設(shè)計要求，超低靜音，最低噪音可至50dB4.可以配備編碼器，脈沖數(shù)3ppr、12ppr4.減速比：4、10、21、34、45、47、78、103、130、172、227、378、499電機(jī)性能 額定電壓： 12V 額定電流: 160mA 輸出功率：

10、1.18W 原始額定轉(zhuǎn)速： 4800r/min電機(jī)性能 原始額定轉(zhuǎn)矩： 24 減速比： 499 額定轉(zhuǎn)速： 10rpm 額定轉(zhuǎn)矩： 5 該電機(jī)具有低壓、低轉(zhuǎn)速等特點，工作電壓12v，市面上很容易找到合適的電源適配器，而且比較安全。轉(zhuǎn)速10rpm，大約6秒一轉(zhuǎn)，能夠在無需額外配備減速器的情況下向?qū)W生展示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程，轉(zhuǎn)速適中。傳動設(shè)計及校核 為了能讓凸輪機(jī)構(gòu)演示儀的凸輪和坐標(biāo)紙轉(zhuǎn)筒能夠在轉(zhuǎn)軸相互垂直的情況下以相等角速度轉(zhuǎn)動，需要設(shè)計一對轉(zhuǎn)軸相互呈90度且傳動比為1：1的直齒圓錐齒輪。齒輪初始參數(shù) 根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸初步確定參數(shù)如下： 材料：45鋼（調(diào)質(zhì)處理） 精度等級：7級 齒數(shù)：25 模數(shù)：2 齒

11、寬系數(shù):1/3 傳動比：1 校核計算見word文檔鍵傳動設(shè)計與校核 軸直徑10mm，采用平鍵傳動，根據(jù)周的直徑采用鍵寬b=3 鍵高h(yuǎn)=3，鍵長l=10的鍵傳動。 計算過程見WORD文檔帶傳動設(shè)計與校核 根據(jù)尺寸限制，初定帶輪直徑50mm，傳動比1：1，功率1.18W，轉(zhuǎn)速10rpm，扭矩0.49Nm三維繪圖與設(shè)計平面四桿機(jī)構(gòu)平面四桿機(jī)構(gòu) 曲柄搖桿演示部分曲柄搖桿演示部分采用電機(jī)帶動帶傳動，然后帶動曲柄背面背面采用帶傳動，通過調(diào)節(jié)電機(jī)架位置進(jìn)行張緊雙搖桿機(jī)構(gòu)雙搖桿機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu)采用手搖控制采用手搖控制雙曲柄機(jī)構(gòu)無法完成完整周轉(zhuǎn)，采用手搖凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu) 自動演示環(huán)節(jié)自動演示環(huán)節(jié)采用電機(jī)

12、驅(qū)動，凸輪及坐標(biāo)轉(zhuǎn)筒同步轉(zhuǎn)動，展示角度與位移對應(yīng)曲線傳動傳動采用電機(jī)加帶傳動，通過一對錐齒輪實現(xiàn)動力分流傳動特寫傳動特寫手動演示環(huán)節(jié)手動演示環(huán)節(jié)用于手動控制，可以進(jìn)行凸輪的位移曲線測繪實驗，自動和手動演示環(huán)節(jié)的凸輪及坐標(biāo)紙都可更換，其中凸輪架邊緣有角度刻度，圓筒有坐標(biāo)紙手動模塊的傳動手動模塊的傳動技術(shù)分析 教具作為一種教學(xué)輔助手段，需要將抽象的知識形象化向?qū)W生展示出來?，F(xiàn)在市面上的教材大多數(shù)功能單一或難以拆裝搬運(yùn)不適合學(xué)生親自操作，因此需要更多的動手實踐來更好的讓學(xué)生親自參與教具的操作，提供可拆裝更換的零件和多種模塊以便于學(xué)生更好的理解在不同條件下機(jī)構(gòu)運(yùn)動的特性。雖然仍舊采用課本上提供的幾種機(jī)

13、構(gòu)作為展示對象，但有更多的可操作性，并且可以用于測量實驗。技術(shù)分析 此次教具設(shè)計包含電動演示、手動操作演示等特點，模塊易于搬運(yùn)并實現(xiàn)部分可更換拆裝，同時采用節(jié)能的低壓直流減速電機(jī)，轉(zhuǎn)速適中，能夠讓學(xué)生動手實踐，寓教于樂，避免了單調(diào)乏味。 該套教具實現(xiàn)了對于平面四桿和凸輪機(jī)構(gòu)的自動及手動演示，其中凸輪機(jī)構(gòu)部分的凸輪可以拆裝更換，這樣就實現(xiàn)了學(xué)生的動手實踐，避免理論和實際脫節(jié)。相比于大型整體教具，該系列教具實現(xiàn)了便于攜帶，并且可以通過更換林零件改變參數(shù)。經(jīng)濟(jì)分析 按照現(xiàn)在市場價格，但見小型的教具價格通常在300到500元之間，而大型整體式教具單價均在5000以上?，F(xiàn)在教具材料以塑料及合金為主，塑料

14、類重量較輕，并且有的材料例如PVC可以實現(xiàn)透明化，但根據(jù)對學(xué)校內(nèi)的教具觀察發(fā)現(xiàn)這類材料有個缺點就是容易老化，例如PVC透明板在固定處、彎折處等容易出現(xiàn)應(yīng)力集中或交變應(yīng)力的地方容易出現(xiàn)裂紋，影響透明度和耐用性。對于金屬材料雖然更耐用但由于密度問題重量大多較重。經(jīng)濟(jì)分析 經(jīng)過一定考慮，機(jī)座和主題結(jié)構(gòu)采用鋁合金，關(guān)鍵部件例如軸和齒輪采用45鋼，一些較小并且包含難以用切削加工的部分的零件例如皮帶輪則采用尼龍工程塑料。 鋁合金具有一定的剛度，并且在合金材料中密度較低，作為主體材料可以使總重較低，同時能保證一定的耐腐蝕和耐磨性能，因此適合用來作為教具的結(jié)構(gòu)主體。經(jīng)濟(jì)分析 45鋼雖然密度大于鋁合金，但有更高

15、的強(qiáng)度和剛度，并且更加耐磨。在軸和齒輪等關(guān)鍵部件使用，能夠保證精度和使用壽命，同時不會增加太多重量。 尼龍工程塑料密度較低，并且強(qiáng)度和剛度能滿足在非主要受力零件上的使用要求，在包含異形孔等合金材料難以通過切削加工實現(xiàn)的場合可以通過注塑加工達(dá)到足夠的精度，適合手柄和小型皮帶輪。經(jīng)濟(jì)分析 電機(jī)采用低壓直流減速電機(jī)，功率較低但能滿足教具演示要求，自帶減速器避免了額外的復(fù)雜減速機(jī)構(gòu)，相比于低壓步進(jìn)電機(jī)可以在無需額外控制機(jī)構(gòu)的情況下實現(xiàn)低速轉(zhuǎn)動讓學(xué)生能夠看清演示過程。選擇的低壓電機(jī)輸入電壓只有12V，符合要求的電源適配器市場上非常常見并且廉價，而且低壓電機(jī)非常安全，即使漏電在正常情況下也很難傷害到學(xué)生。

16、低壓減速電機(jī)價格大約單價數(shù)十到一百多元比較廉價。經(jīng)濟(jì)分析 在該系列教材中采用的材料及外購件大多廉價并且產(chǎn)量足夠，加工精度要求不高，甚至很多大學(xué)金工實習(xí)中心就能制造大部分零件，這樣生產(chǎn)及維修成本就會被控制在一個合理范圍內(nèi)，同時性能良好。這樣就可以方便大規(guī)模推廣應(yīng)用，并能在市場上取得一定優(yōu)勢。參考文獻(xiàn)1 孔凌嘉，張春林機(jī)械基礎(chǔ)綜合課程設(shè)計北京：北京理工大學(xué)出版社， 20042 榮輝，付鐵，楊夢辰機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)北京：北京理工大學(xué)出版社，20133 張春林.機(jī)械原理.北京：高等教育出版社，20124 潘存云.機(jī)械原理.長沙：中南大學(xué)出版社，20135 郭衛(wèi)東.機(jī)械原理.北京：科學(xué)出版社，20136 郭宏

17、亮，孫志宏.機(jī)械原理.北京：北京大學(xué)出版社，20117 王洪欣，馮雪軍.機(jī)械原理.南京：東南大學(xué)出版社，20118 陸寧，樊江玲.機(jī)械原理.北京：清華大學(xué)出版社，20129 高中庸，孫學(xué)強(qiáng)，王建曉.機(jī)械原理.武漢：華中科技大學(xué)出版社，201110 申永勝機(jī)械原理教程北京：清華大學(xué)出版社，2005參考文獻(xiàn)11 陳曉南，楊培林機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)北京：科學(xué)出版社，20072317212（美）威爾遜，（美）薩德勒，秦偉縮編機(jī)械原理重慶大學(xué)出版社，20053.13 Neal Sclater ，NiclolasP.Chironis.機(jī)械設(shè)計使用機(jī)構(gòu)與裝置圖冊北京：機(jī)械工 業(yè)出版社14 申永勝機(jī)械設(shè)計手冊（最新第五版）北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2008415 王晶機(jī)械原理與