1、機械原理課程系列教具的設計（2）北京信息科技大學機電工程學院 機械1104亢中惠任務內容 （1）機械原理課程系列教具的總體設計；（2）平面四桿機構典型運用平臺，凸輪機構輪廓設計及從動件運動特性測繪平臺的裝配圖的設計。（3）傳動部分運動與動力學計算；（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。任務要求 所設計的機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、習題、實驗結合緊密，每一模塊體積小、質量輕，方便老師攜帶，使教與學變得更加直觀化、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，加強培養學生的實踐創新能力，啟發

2、學生獨立思考、解決問題的能力，適應新時代要求的創新型人才。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構的運動原理； 演示兩種凸輪的運動原理，凸輪可更換。 方便展示運動特性，例如轉角和位移量。結構布局 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，可以展示凸輪角運動量和從動件直線運動量的大小和相互關系；平面四桿機構展示儀可以展示三種平面四桿機構的運動特性。結構布局 其中，凸輪運動部分為復合結構，通過將凸輪固定在帶有刻度盤的凸輪架上面，同時將帶還有對應運動曲

3、線的坐標紙固定在和凸輪架聯動的圓筒上面，凸輪頂桿上有指示標志，當凸輪位于某一角度，該標志也指向圓筒上坐標紙上曲線的對應位置，向學生展示凸輪角位移和頂桿直線位移的對應關系。市場調研 1.2當前教具的現況當前教具的現況 當前機械原理課程大多為原理概念和理論計算，課堂上的實例運用非常少。這直接導致了當代大學生理論知識和實踐有所脫節，不能很好地理論聯系實際，把所學知識靈活運用到實際當中。通過觀看學校現有教具以及查閱有關機械原理教具的資料，我發現現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立的小型機構模型。雖然在初次接觸時能給學生帶來新鮮感，并起到一定的教學效果，但由于缺少動手的樂趣，常

4、規的機械原理教具并不能有效地提高學生的探索熱情和自主學習的主觀能動性。大型整體式教具大型整體式教具有的教具實現了組合但缺乏可調節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親自動手調節，但松散單一不方便，易丟失相關理論 所有運動副全都是轉動副的四桿機構稱為鉸鏈四桿機構，鉸鏈四桿機構是平面四桿機構的基本形式，其他種類四桿機構都可以認為是在它的基礎上演化而來的。選定其中一個構件作為機架，直接與機架鏈以鉸鏈運動副接的構件稱為連架桿，不直接與機架連接的構件稱為連桿，可以在360范圍完整回轉的構件被稱作曲柄，只能在某一角度范圍內往復擺動的構件稱為搖桿。如果以轉動副連接的兩個構件可以做完

5、整周相對轉動，則能夠稱之為整轉副，反之則稱之為擺轉副。鉸鏈四桿機構中，按照連架桿是否可以做完整周轉動，可以將其分為三種基本形式，即曲柄搖桿機構、雙曲柄機構和雙搖桿機構。相關理論 1.桿長之和條件：平面四桿機構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.在鉸鏈四桿機構中，如果某個轉動副能夠成為周轉副，則它所連接的兩個構件中，必有一個為最短桿，并且四個構件的長度關系滿足桿長之和條件。 3.在有整裝副存在的鉸鏈四桿機構中，最短桿兩端的轉動副均為周轉副。此時，如果取最短桿為機架，則得到雙曲柄機構；若取最短桿的任何一個相連桿為機架，則得到曲柄搖桿機構；如果取最短桿對面構件為機架，則得到

6、雙搖桿機構。 4.如果四桿機構不滿足桿長條件，則不論選取哪個構件為機架，所得到機構均為雙搖桿機構。 5.上述一系列結論稱為格拉霍夫定理。相關理論 凸輪機構 由凸輪的回轉運動或往復運動推動從動件作規定往復移動或擺動的機構。凸輪具有曲線輪廓或凹槽，有三種凸輪機構 凸輪機構分為盤形凸輪、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。相關理論 （1）凸輪機構各種類型： 凸輪機構的分類： 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構采用較輕的鋁合金，具有一定耐

7、磨性和較高強度而且密度較低；各螺栓及傳動部件等關鍵部件采用45號鋼，強度剛度較高，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 力學特性：極限抗拉強度為124MPa 受拉屈服強度55

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

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

10、1.18W 原始額定轉速： 4800r/min電機性能 原始額定轉矩： 24 減速比： 499 額定轉速： 10rpm 額定轉矩： 5 該電機具有低壓、低轉速等特點，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。轉速10rpm，大約6秒一轉，能夠在無需額外配備減速器的情況下向學生展示機構的運動過程，轉速適中。傳動設計及校核 為了能讓凸輪機構演示儀的凸輪和坐標紙轉筒能夠在轉軸相互垂直的情況下以相等角速度轉動，需要設計一對轉軸相互呈90度且傳動比為1：1的直齒圓錐齒輪。齒輪初始參數 根據結構尺寸初步確定參數如下： 材料：45鋼（調質處理） 精度等級：7級 齒數：25 模數：2 齒

11、寬系數:1/3 傳動比：1 校核計算見word文檔鍵傳動設計與校核 軸直徑10mm，采用平鍵傳動，根據周的直徑采用鍵寬b=3 鍵高h=3，鍵長l=10的鍵傳動。 計算過程見WORD文檔帶傳動設計與校核 根據尺寸限制，初定帶輪直徑50mm，傳動比1：1，功率1.18W，轉速10rpm，扭矩0.49Nm三維繪圖與設計平面四桿機構平面四桿機構 曲柄搖桿演示部分曲柄搖桿演示部分采用電機帶動帶傳動，然后帶動曲柄背面背面采用帶傳動，通過調節電機架位置進行張緊雙搖桿機構雙搖桿機構雙曲柄機構雙曲柄機構采用手搖控制采用手搖控制雙曲柄機構無法完成完整周轉，采用手搖凸輪機構凸輪機構 自動演示環節自動演示環節采用電機

12、驅動，凸輪及坐標轉筒同步轉動，展示角度與位移對應曲線傳動傳動采用電機加帶傳動，通過一對錐齒輪實現動力分流傳動特寫傳動特寫手動演示環節手動演示環節用于手動控制，可以進行凸輪的位移曲線測繪實驗，自動和手動演示環節的凸輪及坐標紙都可更換，其中凸輪架邊緣有角度刻度，圓筒有坐標紙手動模塊的傳動手動模塊的傳動技術分析 教具作為一種教學輔助手段，需要將抽象的知識形象化向學生展示出來。現在市面上的教材大多數功能單一或難以拆裝搬運不適合學生親自操作，因此需要更多的動手實踐來更好的讓學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生更好的理解在不同條件下機構運動的特性。雖然仍舊采用課本上提供的幾種機

13、構作為展示對象，但有更多的可操作性，并且可以用于測量實驗。技術分析 此次教具設計包含電動演示、手動操作演示等特點，模塊易于搬運并實現部分可更換拆裝，同時采用節能的低壓直流減速電機，轉速適中，能夠讓學生動手實踐，寓教于樂，避免了單調乏味。 該套教具實現了對于平面四桿和凸輪機構的自動及手動演示，其中凸輪機構部分的凸輪可以拆裝更換，這樣就實現了學生的動手實踐，避免理論和實際脫節。相比于大型整體教具，該系列教具實現了便于攜帶，并且可以通過更換林零件改變參數。經濟分析 按照現在市場價格，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。現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可以實現透明化，但根據對學校內的教具觀察發現這類材料有個缺點就是容易老化，例如PVC透明板在固定處、彎折處等容易出現應力集中或交變應力的地方容易出現裂紋，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。經濟分析 經過一定考慮，機座和主題結構采用鋁合金，關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構主體。經濟分析 45鋼雖然密度大于鋁合金，但有更高

15、的強度和剛度，并且更加耐磨。在軸和齒輪等關鍵部件使用，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的場合可以通過注塑加工達到足夠的精度，適合手柄和小型皮帶輪。經濟分析 電機采用低壓直流減速電機，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雜減速機構，相比于低壓步進電機可以在無需額外控制機構的情況下實現低速轉動讓學生能夠看清演示過程。選擇的低壓電機輸入電壓只有12V，符合要求的電源適配器市場上非常常見并且廉價，而且低壓電機非常安全，即使漏電在正常情況下也很難傷害到學生。

16、低壓減速電機價格大約單價數十到一百多元比較廉價。經濟分析 在該系列教材中采用的材料及外購件大多廉價并且產量足夠，加工精度要求不高，甚至很多大學金工實習中心就能制造大部分零件，這樣生產及維修成本就會被控制在一個合理范圍內，同時性能良好。這樣就可以方便大規模推廣應用，并能在市場上取得一定優勢。參考文獻1 孔凌嘉，張春林機械基礎綜合課程設計北京：北京理工大學出版社， 20042 榮輝，付鐵，楊夢辰機械設計基礎北京：北京理工大學出版社，20133 張春林.機械原理.北京：高等教育出版社，20124 潘存云.機械原理.長沙：中南大學出版社，20135 郭衛東.機械原理.北京：科學出版社，20136 郭宏

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