陳忠豪

摘 要： 機(jī)械原理課程是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的一門必修課程，課程內(nèi)容包括機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析、平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和常見機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及原理等知識(shí)。由于缺少實(shí)際驗(yàn)證，同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)的過程中經(jīng)常感到抽象難懂，因此，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)演示裝置。用于模擬演示課堂教學(xué)中常見的平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理以及常見的機(jī)械傳動(dòng)原理。充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的聽、視覺感官參與課堂學(xué)習(xí)，同時(shí)滿足學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

關(guān)鍵詞： 機(jī)械原理;機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng);機(jī)械傳動(dòng);運(yùn)動(dòng)演示

中圖分類號(hào)： G434? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.10.027

0 引言

機(jī)械原理是高等本科院校機(jī)械類專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課。課程具有基礎(chǔ)課理論性強(qiáng)、工程實(shí)踐特色明顯的特點(diǎn)，是一門理論與工程實(shí)踐結(jié)合特別緊密的課程。由于機(jī)械原理課程內(nèi)容繁雜，知識(shí)點(diǎn)之間相對(duì)比較獨(dú)立，學(xué)生普遍反應(yīng)難學(xué)，無法在有限的課堂時(shí)間內(nèi)掌握知識(shí)。目前，開設(shè)機(jī)械原理課程一般在第四學(xué)期或者第五學(xué)期，這個(gè)階段的學(xué)生，對(duì)專業(yè)課的學(xué)習(xí)還不夠深入，實(shí)踐知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)比較差;通常課堂上對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)分析、平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和常見機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及原理等知識(shí)采用理論講學(xué)和數(shù)學(xué)推理，很少能夠結(jié)合實(shí)驗(yàn)演示來證明結(jié)論和原理。這使得學(xué)生在接受知識(shí)時(shí)常常感到抽象，難以理解，理解不是很徹底。隨著時(shí)間的推移，它將導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低下并影響學(xué)習(xí)效率。因此，從激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性、提高機(jī)械原理的授課質(zhì)量和學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力的角度，設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)械原理課堂的機(jī)械運(yùn)動(dòng)演示裝置。

機(jī)械運(yùn)動(dòng)演示裝置融入了機(jī)械原理課程中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)的相關(guān)知識(shí)，可以幫助同學(xué)進(jìn)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析、平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析、平面機(jī)構(gòu)的力分析、機(jī)械的效率、機(jī)械的平衡、機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)及其速度的波動(dòng)分析。在演示過程中突出重點(diǎn)，主題鮮明，效果顯著，極具說服力，更有利于啟發(fā)思維，開拓創(chuàng)新。

1 基本原理

圖1為演示裝置機(jī)構(gòu)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖，該演示裝置總體上采取對(duì)稱式結(jié)構(gòu)。由電動(dòng)機(jī)通過帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（V帶）連接減速箱運(yùn)動(dòng)，減速箱輸出軸上通過鍵聯(lián)接錐齒輪，通過一對(duì)嚙合的錐齒輪聯(lián)接直圓柱齒輪，通過齒輪軸上的不同齒數(shù)的齒輪。通過齒輪之間的配合帶動(dòng)同軸的鏈輪運(yùn)動(dòng)，從而使鏈條運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)末端各連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)設(shè)計(jì)了離合器機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速的演示及對(duì)不同機(jī)構(gòu)的同時(shí)演示及單獨(dú)演示。目前的機(jī)構(gòu)包括：帶傳動(dòng)（V帶），蝸輪蝸桿傳動(dòng)，圓錐齒輪傳動(dòng)，圓柱齒輪傳動(dòng)，齒輪變速機(jī)構(gòu)，鏈傳動(dòng)，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，雙曲柄機(jī)構(gòu)，雙搖桿機(jī)構(gòu)，以及由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)演變的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)一步演變的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)及曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

2 裝置的設(shè)計(jì)思路

2.1 傳動(dòng)效率的設(shè)計(jì)計(jì)算及機(jī)電功率的確定

由于本設(shè)計(jì)只采用一個(gè)動(dòng)力源（電動(dòng)機(jī)）且由于包含眾多機(jī)構(gòu)，則其傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)，其傳動(dòng)效率就是一個(gè)不得不考慮的問題。本設(shè)計(jì)可以忽略的問題就在于各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均不對(duì)外負(fù)載做功，或者說外負(fù)載等于零，因此，本裝置的動(dòng)能只是用于提供各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所消耗的摩擦功和克服各機(jī)構(gòu)具有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，各傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)功率分別為：V帶傳動(dòng)0.96，取ηv=0.96;雙頭蝸桿傳動(dòng)0.75～0.82，取ηw=0.78;圓錐齒輪傳動(dòng)（干油潤(rùn)滑）? ?0.92～ 0.95，取ηb=0.93;圓錐齒輪傳動(dòng)（干油潤(rùn)滑）? ?0.94～0.96，取ηc=0.95;鏈傳動(dòng)（滾子鏈）0.96，取ηl=0.96;滾動(dòng)軸承（球軸承、稀油潤(rùn)滑）0.99，取ηg=0.99;滑動(dòng)軸承（正常潤(rùn)滑）0.97，取ηh=0.97。

其傳動(dòng)功率的分配如下

Nc ηl? ……? ηk Nz? η1→N1

η2→N2

η3→N3

其中Nc→Nz的傳動(dòng)效率

ηz=η1·η2……·ηk

Nc ηl? ……? ηk Nz? η1→N1

η2→N2

η3→N3

計(jì)算總傳動(dòng)效率

η∑ =ηv·ηw·ηb·ηc·η2g·ηl·η4g

= 0.96×0.78×0.93×0.95×0.992×0.96×0.994

=0.6

從Nz到N1Z…N3z其傳動(dòng)效率

ηF∑= N1z+N2Z+N3Z Nz

即：Nz= N1z+N2z+N3z ηF∑

又因Nz= N1z η1 + N2z η2 + N3z η3

對(duì)于本裝置，設(shè)? N1z=N2z=N3z;η1=η2=η3。

從機(jī)構(gòu)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖可知，N1z的傳動(dòng)效率

η′1=ηh·ηh·ηh=η3h=0.973=0.91=η2=η3

Nz=3 N1z η′1 = 3 0.91 N1z=3.3N1z

即：N1z= Nz 3.3 =0.3Nz

因Nz=ηz·Nc=0.6Nc

∴N1z=0.3×0.6Nc=0.18Nc

即原動(dòng)機(jī)的總功率Nc只有18%到達(dá)機(jī)構(gòu)傳送鏈的末端構(gòu)件上。

設(shè)計(jì)時(shí)，末端各四桿構(gòu)件的構(gòu)件運(yùn)動(dòng)速度均很小，便于一邊演示一邊講解。以雙曲柄機(jī)構(gòu)為例，主從動(dòng)曲柄的平均轉(zhuǎn)速n=0.5 r·s-1，即其平均角速度（ω=π）也很小，所以其消耗的功率N1z=Tω也很小，其中T為末端桿的轉(zhuǎn)矩

T= N1z ω = 0.18Nc π =0.06Nc

即四桿機(jī)構(gòu)最末端的桿只需要原動(dòng)機(jī)輸入功率的6%即可運(yùn)轉(zhuǎn)起來。由于末端桿不帶負(fù)載，其自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就是唯一的負(fù)載。末端桿根據(jù)本設(shè)計(jì)，屬于均質(zhì)細(xì)直桿。

其對(duì)Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

JZ= 1 3 ml2=0.021（kg·m-2）極小

（其中m=ρv=ρlbσ=0.1 kg）

所以末端桿心轉(zhuǎn)矩既是用以克服該桿心轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量，也極小（即使有6個(gè)這樣的末端桿）。不予繼續(xù)計(jì)算。

為了使整個(gè)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩有富余（可繼續(xù)增添新的機(jī)構(gòu)），且將全部零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均估計(jì)在內(nèi)，?。篢=1 N·m

則機(jī)構(gòu)輸出總功率：

N總=6Nc=6× T 0.06 =100（W）

電機(jī)選型：取120 W電機(jī)，并取驅(qū)動(dòng)微電機(jī)里的B02型電機(jī)（適宜輕載下的長(zhǎng)期運(yùn)行），供電電壓為交流220 V。

2.2 傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)計(jì)算

為使終端各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更直觀，本設(shè)計(jì)確定讓各機(jī)構(gòu)取較慢的運(yùn)動(dòng)循環(huán)速度。具體初定兩種運(yùn)動(dòng)速度（采用變速機(jī)構(gòu)）：一種是較快速運(yùn)動(dòng)，2 s運(yùn)動(dòng)循環(huán)一次，即：n快=0.5 r·s-1;另一種是較慢速運(yùn)動(dòng)，約3.3 s機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)循環(huán)一次，即：n慢=0.3 r·s-1。

對(duì)于電機(jī)初轉(zhuǎn)速的選取，為使性價(jià)比更好，選同步轉(zhuǎn)速n=1500 r·min-1的四級(jí)電機(jī)為宜。對(duì)于更便宜的對(duì)極電機(jī)，同步轉(zhuǎn)速n= 3000 r·min-1，其轉(zhuǎn)速太高，演示機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)高頻噪音太大; 6極電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速較低，為750 r·min-1， 但價(jià)格較貴，體積也大，且對(duì)本設(shè)計(jì)傳動(dòng)比的選取范圍較小，不利本演示設(shè)計(jì)的初衷。

即選取電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n=1440 r·min-1或n=24r·s-1，因此，總傳動(dòng)比：

i快= n n快 = 24 0.5 =48

i慢= n n慢 = 24 0.3 =80

根據(jù)傳動(dòng)比的初分配及選取標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的零部件及設(shè)計(jì)布局的許可，最終確定各級(jí)傳動(dòng)比如下：

V帶傳動(dòng)：iv=1.2698= 80 63

蝸桿傳動(dòng)：im=40

圓錐齒輪傳動(dòng)： in=1.2273= 54 44

圓柱齒輪傳動(dòng)1： ic1=0.7667= 46 60 （升速）

圓柱齒輪傳動(dòng)2： ic2=1.3043= 60 46

鏈傳動(dòng)： il=1

所以，實(shí)際總傳動(dòng)比：

i總快=iv×im×in×ic1×il=1.2698×40×1.2273×0.7667×1=47.79

i總慢=iv×im×in×ic2×il=1.2698×40×1.3043×0.7667×1=47.79

所以終端機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速：

n實(shí)慢= n i實(shí)慢 = 1440 81.31 =17.71 r·min-1=0.295 r·s-1即：約每3.4秒循環(huán)一次

n實(shí)快= n i實(shí)快 = 1440 47.79 =30.13 4 r·min-1=0.5 r·s-1

即：約每2秒循環(huán)一次

可以滿足設(shè)計(jì)初衷。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示裝置只能比較演示模擬單個(gè)的某個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和原理，如果在課堂上需要進(jìn)行多個(gè)機(jī)構(gòu)的演示，則需要多個(gè)演示裝置，教學(xué)不便。本裝置有效克服了這一缺點(diǎn)，機(jī)械原理課程里涉及的機(jī)構(gòu)基本上都集中在該裝置上。

同學(xué)們?cè)谡n堂上可以自己動(dòng)手去操作該裝置，通過對(duì)該裝置的模擬機(jī)械運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)思考，與老師間的互動(dòng)明顯增加，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的形象思維能力及動(dòng)手能力，可以很好地解決對(duì)理論知識(shí)學(xué)習(xí)感到抽象的問題。最后，還可以結(jié)合該課程的課程設(shè)計(jì)，調(diào)動(dòng)同學(xué)們自主開發(fā)設(shè)計(jì)一些解決日常生活中經(jīng)常碰到問題的小型裝置。

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