機(jī)械原理課程系列教具的設(shè)計(jì)

機(jī)械原理課程系列教具的設(shè)計(jì)第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五任務(wù)內(nèi)容（1）機(jī)械原理課程系列教具的總體設(shè)計(jì)；（2）平面四桿機(jī)構(gòu)典型運(yùn)用平臺(tái)，凸輪機(jī)構(gòu)輪廓設(shè)計(jì)及從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)特性測(cè)繪平臺(tái)的裝配圖的設(shè)計(jì)。（3）傳動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算；（4）零部件的工作能力計(jì)算；（5）平臺(tái)的工作動(dòng)畫；典型平臺(tái)的實(shí)物制作。第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五任務(wù)要求所設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置，做到了教具一套多用；它是可拆卸教具，以知識(shí)為指導(dǎo)，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考、解決問題的能力，適應(yīng)新時(shí)代要求的創(chuàng)新型人才。第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五該系列教具具有的功能1.1教具功能該演示儀主要具備如下幾項(xiàng)功能：演示三種平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理；演示兩種凸輪的運(yùn)動(dòng)原理，凸輪可更換。方便展示運(yùn)動(dòng)特性，例如轉(zhuǎn)角和位移量。第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五結(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(shí)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(dòng)量和從動(dòng)件直線運(yùn)動(dòng)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(dòng)特性。第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五結(jié)構(gòu)布局其中，凸輪運(yùn)動(dòng)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(shí)將帶還有對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)曲線的坐標(biāo)紙固定在和凸輪架聯(lián)動(dòng)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(duì)應(yīng)位置，向?qū)W生展示凸輪角位移和頂桿直線位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系。第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五市場調(diào)研1.2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(jì)算，課堂上的實(shí)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(shí)和實(shí)踐有所脫節(jié)，不能很好地理論聯(lián)系實(shí)際，把所學(xué)知識(shí)靈活運(yùn)用到實(shí)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(duì)獨(dú)立的小型機(jī)構(gòu)模型。雖然在初次接觸時(shí)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(dòng)手的樂趣，常規(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(dòng)性。第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五大型整體式教具有的教具實(shí)現(xiàn)了組合但缺乏可調(diào)節(jié)性和模塊化程度第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五小型分散式教具有的教具雖然可以實(shí)現(xiàn)親自動(dòng)手調(diào)節(jié)，但松散單一不方便，易丟失第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五相關(guān)理論所有運(yùn)動(dòng)副全都是轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)構(gòu)件作為機(jī)架，直接與機(jī)架鏈以鉸鏈運(yùn)動(dòng)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(dòng)的構(gòu)件稱為搖桿。如果以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接的兩個(gè)構(gòu)件可以做完整周相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)，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)。第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五相關(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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副能夠成為周轉(zhuǎn)副，則它所連接的兩個(gè)構(gòu)件中，必有一個(gè)為最短桿，并且四個(gè)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(dòng)副均為周轉(zhuǎn)副。此時(shí)，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(gè)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(duì)面構(gòu)件為機(jī)架，則得到雙搖桿機(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(gè)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。第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五相關(guān)理論凸輪機(jī)構(gòu)由凸輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)從動(dòng)件作規(guī)定往復(fù)移動(dòng)或擺動(dòng)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(dòng)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。第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五相關(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(dòng)凸輪3）圓柱凸輪從動(dòng)件型式1）尖底從動(dòng)件；2）滾子從動(dòng)件；3）平底從動(dòng)件第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五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，具有一定耐磨性和較高強(qiáng)度而且密度較低；各螺栓及傳動(dòng)部件等關(guān)鍵部件采用45號(hào)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。第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五材料性能材料：鋁合金(6061鋁合金)熱處理工藝：1）快速退火：加熱溫度350～410℃;隨材料有效厚度的不同，保溫時(shí)間在30～120min之間;空氣或水冷。2）高溫退火：加熱溫度350～500℃;成品厚度≥6mm時(shí)，保溫時(shí)間為10～30min、<6mm時(shí)，熱透為止;空氣冷。3）低溫退火：加熱溫度150～250℃;保溫時(shí)間為2～3h;空氣或水冷。密度：2.7g/cm^3第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五材料性能力學(xué)特性：極限抗拉強(qiáng)度為124MPa受拉屈服強(qiáng)度55.2MPa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第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五材料性能45號(hào)鋼密度：7.85g/cm^3力學(xué)性能：材料牌號(hào):45

材料名稱:優(yōu)質(zhì)碳素鋼

標(biāo)準(zhǔn)號(hào):GB699-88

熱處理:退火

第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五材料性能抗拉強(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第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五材料性能屈服強(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第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五電機(jī)選擇由于教具類機(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)第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五電機(jī)簡介型號(hào):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.cm

2.符合歐盟環(huán)保節(jié)能功耗要求，最小電流可至50mA

3.軍品設(shè)計(jì)要求，超低靜音，最低噪音可至50dB

4.可以配備編碼器，脈沖數(shù)3ppr、12ppr

4.減速比：4、10、21、34、45、47、78、103、130、172、227、378、499第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五電機(jī)性能額定電壓：12V額定電流:160mA輸出功率：1.18W原始額定轉(zhuǎn)速：4800r/min第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五電機(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(diǎn)，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(dòng)過程，轉(zhuǎn)速適中。第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五傳動(dòng)設(shè)計(jì)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(dòng)，需要設(shè)計(jì)一對(duì)轉(zhuǎn)軸相互呈90度且傳動(dòng)比為1：1的直齒圓錐齒輪。第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五齒輪初始參數(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(jí)：7級(jí)齒數(shù)：25模數(shù)：2齒寬系數(shù):1/3傳動(dòng)比：1校核計(jì)算見word文檔第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五鍵傳動(dòng)設(shè)計(jì)與校核軸直徑10mm，采用平鍵傳動(dòng)，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(dòng)。計(jì)算過程見WORD文檔第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)與校核根據(jù)尺寸限制，初定帶輪直徑50mm，傳動(dòng)比1：1，功率1.18W，轉(zhuǎn)速10rpm，扭矩0.49Nm第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五三維繪圖與設(shè)計(jì)第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五平面四桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿演示部分采用電機(jī)帶動(dòng)帶傳動(dòng)，然后帶動(dòng)曲柄第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五背面采用帶傳動(dòng)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)架位置進(jìn)行張緊第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五雙搖桿機(jī)構(gòu)第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五雙曲柄機(jī)構(gòu)第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五采用手搖控制雙曲柄機(jī)構(gòu)無法完成完整周轉(zhuǎn)，采用手搖第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五凸輪機(jī)構(gòu)自動(dòng)演示環(huán)節(jié)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，凸輪及坐標(biāo)轉(zhuǎn)筒同步轉(zhuǎn)動(dòng)，展示角度與位移對(duì)應(yīng)曲線第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五傳動(dòng)采用電機(jī)加帶傳動(dòng)，通過一對(duì)錐齒輪實(shí)現(xiàn)動(dòng)力分流第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五傳動(dòng)特寫第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五手動(dòng)演示環(huán)節(jié)用于手動(dòng)控制，可以進(jìn)行凸輪的位移曲線測(cè)繪實(shí)驗(yàn)，自動(dòng)和手動(dòng)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)紙第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五手動(dòng)模塊的傳動(dòng)第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五技術(shù)分析教具作為一種教學(xué)輔助手段，需要將抽象的知識(shí)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(dòng)手實(shí)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(dòng)的特性。雖然仍舊采用課本上提供的幾種機(jī)構(gòu)作為展示對(duì)象，但有更多的可操作性，并且可以用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)。第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五技術(shù)分析此次教具設(shè)計(jì)包含電動(dòng)演示、手動(dòng)操作演示等特點(diǎn)，模塊易于搬運(yùn)并實(shí)現(xiàn)部分可更換拆裝，同時(shí)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(dòng)手實(shí)踐，寓教于樂，避免了單調(diào)乏味。該套教具實(shí)現(xiàn)了對(duì)于平面四桿和凸輪機(jī)構(gòu)的自動(dòng)及手動(dòng)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(shí)現(xiàn)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐，避免理論和實(shí)際脫節(jié)。相比于大型整體教具，該系列教具實(shí)現(xiàn)了便于攜帶，并且可以通過更換林零件改變參數(shù)。第40頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五經(jīng)濟(jì)分析按照現(xiàn)在市場價(jià)格，但見小型的教具價(jià)格通常在300到500元之間，而大型整體式教具單價(jià)均在5000以上。現(xiàn)在教具材料以塑料及合金為主，塑料類重量較輕，并且有的材料例如PVC可以實(shí)現(xiàn)透明化，但根據(jù)對(duì)學(xué)校內(nèi)的教具觀察發(fā)現(xiàn)這類材料有個(gè)缺點(diǎn)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(duì)于金屬材料雖然更耐用但由于密度問題重量大多較重。第41頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五經(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(shí)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。第42頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五經(jīng)濟(jì)分析45鋼雖然密度大于鋁合金，但有更高的強(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(shí)不會(huì)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(shí)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。第43頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五經(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(shí)現(xiàn)低速轉(zhuǎn)動(dòng)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(jià)，而且低壓電機(jī)非常