王明旭 曹憲周 王 振 晏 麗

河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450007

教育是國(guó)之大計(jì)、黨之大計(jì)。在全國(guó)教育大會(huì)上，習(xí)近平總書記發(fā)表重要講話，站在國(guó)家繁榮、民族振興的戰(zhàn)略高度，深刻總結(jié)黨的十八大以來我國(guó)教育事業(yè)發(fā)展成就，并做出了重大部署，為做好新時(shí)代教育工作提供了根本遵循。習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，培養(yǎng)什么人，是教育的首要問題。如何構(gòu)建高效的專業(yè)人才培養(yǎng)體系，培養(yǎng)滿足現(xiàn)代工業(yè)需求的高質(zhì)量專業(yè)人才，已成為當(dāng)前我國(guó)高等教育亟須解決的問題。2015年，聯(lián)合國(guó)教科文組織成立70 周年，發(fā)布了成立70 周年以來第三份重要的教育報(bào)告《反思教育：向“全球共同利益”的理念轉(zhuǎn)變？》。這份報(bào)告提出了新的教育價(jià)值定位，即教育是全人類的共同核心利益，是實(shí)現(xiàn)“全球可持續(xù)發(fā)展”的關(guān)鍵。

近些年，隨著工程教育專業(yè)認(rèn)證理念逐漸根植于高校工科專業(yè)人才培養(yǎng)中，教學(xué)環(huán)節(jié)也在不斷踐行以學(xué)生為中心的理念，突出對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。工科專業(yè)教師在逐步重視提高課堂教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)效果，嘗試將各種教學(xué)手段和方法引入課堂，其中教具的制作受到高度重視，并取得了很好的效果。如武照云等開發(fā)了機(jī)械原理與設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)來提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。王華針對(duì)無級(jí)自動(dòng)變速器齒輪組教具的設(shè)計(jì)，采用了UG 和3D 打印的方法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，以此提高課堂效率。劉克毅等將新型機(jī)器人教具的設(shè)計(jì)引入機(jī)械原理課堂，讓學(xué)生了解和掌握機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。邢麗麗對(duì)有毒氣體制備與性質(zhì)驗(yàn)證一體化裝置自制進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用在課堂教學(xué)中，以提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

筆者在講授機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等課程時(shí)，沒有相應(yīng)教具能直觀地演示漸開線齒輪齒廓的生成原理。為活躍課堂學(xué)習(xí)氣氛，讓學(xué)生更直觀地理解和認(rèn)識(shí)漸開線的生成原理，掌握機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中的自由度計(jì)算，了解間歇運(yùn)動(dòng)、擺桿結(jié)構(gòu)等，課程組設(shè)計(jì)了漸開線齒輪齒廓生成演示儀。

一、當(dāng)前機(jī)械原理課程漸開線齒輪齒廓相關(guān)教具現(xiàn)狀

在機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等課程的“漸開線齒輪齒廓”這一章節(jié)中，漸開線的生成、漸開線的特點(diǎn)、漸開線的生成原理如圖1和圖2所示。在機(jī)械原理課堂上用到的齒輪范成儀如圖3所示。

為讓學(xué)生們更好地掌握用范成法制造漸開線齒輪的基本原理，了解漸開線齒輪產(chǎn)生根切現(xiàn)象的原因及如何用移距修正法避免根切，分析比較標(biāo)準(zhǔn)齒輪與變位齒輪的異同點(diǎn)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂中體驗(yàn)到漸開線齒輪齒廓的奧妙，早期教學(xué)研究人員發(fā)明了漸開線齒輪范成演示儀，并設(shè)置了齒輪范成實(shí)驗(yàn)。齒輪范成儀生成的齒廓如圖4所示。

漸開線齒輪齒廓的三維圖形如圖5所示。筆者查遍了國(guó)內(nèi)外的教學(xué)儀器資料，發(fā)現(xiàn)目前針對(duì)漸開線生成原理進(jìn)行直觀闡釋、讓學(xué)生直接動(dòng)手操作的教具相對(duì)較少，為此，在授課之余，筆者帶領(lǐng)學(xué)生們創(chuàng)新設(shè)計(jì)了這款新型的漸開線齒輪齒廓生成演示儀。

二、漸開線齒輪齒廓生成演示儀結(jié)構(gòu)原理

漸開線齒輪齒廓生成演示儀包括基圓、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、畫圖裝置。動(dòng)力裝置用于產(chǎn)生使繪畫裝置運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)力。傳動(dòng)裝置包括與動(dòng)力裝置固定連接并傳送轉(zhuǎn)動(dòng)力的第一傳動(dòng)軸、與第一傳動(dòng)軸相連驅(qū)動(dòng)畫筆移動(dòng)的第一傳動(dòng)組件、與第一傳動(dòng)軸相連驅(qū)動(dòng)畫紙移動(dòng)的第二傳動(dòng)組件，第一傳動(dòng)組件、第二傳動(dòng)組件輪流產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力傳送。畫圖裝置包括畫筆與裝載畫筆的第一裝載組件，畫紙與裝載畫紙的第二裝載組件。第一裝載組件與基圓相切，第一裝載組件與第一傳動(dòng)組件固定連接，并受第一傳動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)；第二裝載組件與第二傳動(dòng)組件固定連接，并受第二傳動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)。

漸開線齒輪齒廓生成演示儀結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要包括基圓14、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、繪畫裝置，基于該四個(gè)裝置完成漸開線齒輪齒廓的生成。

動(dòng)力裝置：其用于產(chǎn)生使繪畫裝置運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)力；基于該動(dòng)力裝置的功能和作用，其呈現(xiàn)的形式是多種多樣的，如手柄1、轉(zhuǎn)盤、搖桿或其他能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力的方式。

傳動(dòng)裝置包括：與動(dòng)力裝置固定連接，用于傳送轉(zhuǎn)動(dòng)力的第一傳動(dòng)軸2、與第一傳動(dòng)軸2 相連驅(qū)動(dòng)畫筆移動(dòng)的第一傳動(dòng)組件、與第一傳動(dòng)軸2 相連驅(qū)動(dòng)畫紙移動(dòng)的第二傳動(dòng)組件，第一傳動(dòng)組件、第二傳動(dòng)組件輪流產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力的傳送，第一傳動(dòng)軸2、第一傳動(dòng)組件是為了給畫筆移動(dòng)傳送轉(zhuǎn)動(dòng)力；第一傳動(dòng)軸2 和第二傳動(dòng)組件是為了給畫紙移動(dòng)傳送動(dòng)力。因?yàn)槊恳粋€(gè)齒輪齒廓都需要兩個(gè)漸開線構(gòu)成，所以需要兩種繪畫方法，這兩種繪畫方法分別由第一傳動(dòng)組件和第二傳動(dòng)組件控制。

繪畫裝置包括：畫筆、裝載畫筆的第一裝載組件，第一裝載組件與基圓14 相切；畫紙、裝載畫紙的第二裝載組件；第一裝載組件與第一傳動(dòng)組件固定連接，并受第一傳動(dòng)組件的驅(qū)動(dòng)；第二裝載組件與第二傳動(dòng)組件固定連接，并受第二傳動(dòng)組件的驅(qū)動(dòng)。

漸變線齒輪齒廓生成演示儀的工作原理如下。

轉(zhuǎn)動(dòng)手柄1，第一扇形齒輪3、第二扇形齒輪5 分別開始同步轉(zhuǎn)動(dòng)，第一扇形齒輪3 通過嚙合帶動(dòng)第一齒輪4 轉(zhuǎn)動(dòng)，第一齒輪4 通過滑塊9、曲柄8 帶動(dòng)第二傳動(dòng)軸7 轉(zhuǎn)動(dòng)，第二傳動(dòng)軸7 帶動(dòng)擺桿12 轉(zhuǎn)動(dòng)，擺桿12 壓著橫桿15 滑動(dòng)，橫桿15帶動(dòng)畫筆在畫紙上畫出一條漸變線，在畫筆轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，第二扇形齒輪5 和第二齒輪6 處于非嚙合狀態(tài)；待第一扇形齒輪3 和第一齒輪4 脫離嚙合狀態(tài)時(shí)，第二扇形齒輪5 和第二齒輪6 之間開始嚙合，第二齒輪6 隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，第二齒輪6 帶動(dòng)靠板10 運(yùn)動(dòng)，靠板10 帶動(dòng)畫紙運(yùn)動(dòng)，畫筆靜止，畫筆再畫紙上畫出另一個(gè)漸變線。接著轉(zhuǎn)動(dòng)手柄1，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，逐漸畫出一個(gè)又一個(gè)齒輪齒廓。

三、漸變線齒輪齒廓生成演示儀工作示例

漸變線齒輪齒廓生成演示儀的結(jié)構(gòu)為：手柄1 產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力，手柄1 與第一傳動(dòng)軸2 相連接，第一扇形齒輪3（尺寸較大）固定套在第一傳動(dòng)軸2 上，與第一傳動(dòng)軸2同步轉(zhuǎn)動(dòng)，第一扇形齒輪3 較靠近手柄1 的位置，第一齒輪4（尺寸較?。┡c第一扇形齒輪3 嚙合，第一齒輪4 的齒面上固定有滑塊9，滑塊9 的另一端在曲柄8 上滑動(dòng)，滑塊9 隨第一齒輪4 轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊9 帶動(dòng)曲柄8 轉(zhuǎn)動(dòng)，并在曲柄8 上滑動(dòng)，曲柄8 的另一端與第二傳動(dòng)軸7 固定連接，曲柄8 帶動(dòng)第二傳動(dòng)軸7 轉(zhuǎn)動(dòng)，擺桿12 的一端與第二傳動(dòng)軸7 固定連接，隨第二傳動(dòng)軸7 轉(zhuǎn)動(dòng)擺桿12 的另一端固定連接有橡皮圈16，橡皮圈16 的軸向平行于第二傳動(dòng)軸7，橡皮圈隨擺桿12 轉(zhuǎn)動(dòng)，橡膠圈壓著橫桿15，橫桿15 的兩端與第一支桿11、第二支桿17 滑動(dòng)連接，橡膠圈壓著橫桿15 相對(duì)第一支桿11、第二支桿17 發(fā)生姿態(tài)變化，且轉(zhuǎn)動(dòng)，橫桿15 上安裝有畫筆，畫筆隨之移動(dòng)；橫桿15 夾于橡皮圈和基圓14 中間，基圓14 也套在第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，但不隨第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。橫桿15 與基圓14 之間隨時(shí)保持相切。在第一傳動(dòng)軸2 上還套有第二扇形齒輪5（尺寸較?。?，第二扇形齒輪5 與第一傳動(dòng)軸2 同步轉(zhuǎn)動(dòng)，第二扇形齒輪5 嚙合第二齒輪6（尺寸較大），第二齒輪6 隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，第二齒輪6 也套于第二傳動(dòng)軸7 上，但不隨第二傳動(dòng)軸7 轉(zhuǎn)動(dòng)（為了達(dá)到這個(gè)目的，第二齒輪6 可以套在第二傳動(dòng)軸7 的軸套上，其他的不同步運(yùn)動(dòng)的也可以采用這種連接方式），第二齒輪6 上固定連接（比如：焊接）靠板10，該靠板10 隨第二齒輪6轉(zhuǎn)動(dòng)，該靠板10 也套在第二傳動(dòng)軸7 的軸套上。在第二傳動(dòng)軸7 上各組件的位置關(guān)系為，從第二傳動(dòng)軸7 的末端起，依次為：擺桿12、第一支架、第二支架、基圓14、靠板10、第二齒輪6、曲柄8。在畫齒輪齒廓時(shí)，畫紙?zhí)幱诨鶊A14 和靠板10 之間，被基圓14 和靠板10 緊緊夾住，固定住，畫筆緊靠畫紙。

第一扇形齒3 的有效齒數(shù)為24，第二扇形齒輪5 的有效齒數(shù)為4。

為了更好地描述漸開線齒輪齒廓生成儀，特選取了不同角度的三維示意圖，如圖7、圖8所示。

漸開線齒輪齒廓生成演示儀的實(shí)物如圖9所示。生成的漸開線顯示如圖10、圖11 所示。演示儀的各部分拆卸演示如圖12、圖13、圖14所示。

四、結(jié)論

本文針對(duì)當(dāng)前機(jī)械類課程教具相對(duì)不足、學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)效果不明顯的現(xiàn)狀，同時(shí)為提高大學(xué)生科研創(chuàng)新能力、提高課堂教學(xué)效率，設(shè)計(jì)了漸開線齒輪齒廓生成演示儀。該裝置的優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）巧妙地利用不完全齒輪的間歇運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)生成漸開線；（2）利用擺桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定角度擺動(dòng)和運(yùn)動(dòng)的傳遞；（3）不僅實(shí)現(xiàn)了漸開線的生成，還生成了齒輪輪廓；（4）裝置采用基本的機(jī)械機(jī)構(gòu)，涵蓋自由度分析、四桿機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)比等機(jī)械原理知識(shí)，其使用貫穿整個(gè)機(jī)械原理教學(xué)過程。演示儀的設(shè)計(jì)將抽象的知識(shí)直觀化，填補(bǔ)了當(dāng)前機(jī)械原理中針對(duì)漸開線齒輪章節(jié)教具僅有齒輪范成儀的不足，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械學(xué)科知識(shí)的興趣。