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一种新式齿轮传动教具旋转舞台的设计
摘 要：针对传统《机械原理》类课程教学中存在的图形讲解抽象、不直观以及教具形式单一、缺乏趣味性等问题,设计并制作了一套以“旋转舞台”为表现形式,可用于行星轮系、齿轮上点的运动轨迹、滑移齿轮变速、蜗轮蜗杆传动等多个知识点的教学演示的新式教具,形象直观且颇具趣味性,有助于激发学生的学习兴趣和创新意识.
关键词：行星轮系 内摆线轨迹 滑移齿轮 旋转舞台 教具
中图分类号：TH132.4 文献标识码：A 文章编号：1003-9082 (2017) 04-0000-01
引言
在实际机械中,为了获得大传动比或变速、变向,往往需要用若干对齿轮组成轮系来实现.根据轮系运转时各齿轮的几何轴线位置相对于机架是否固定,轮系被分为定轴轮系、周转轮系和混合轮系[1].这些轮系不但在机械设备中有广泛的应用,也是《机械原理》类课程的重点内容.但是长久以来,在课堂上讲解这些传动机构原理时,教师往往仅凭借一张张机构简图向学生作介绍,抽象而不直观,不便于学生理解.虽然很多高校都针对课程内容购买了相应的教具,但是总的来说形式单一、缺乏趣味性,难以激发学生的学习兴趣.因此,设计并制作了一种以旋转舞台为表现形式的新式轮系教具.
一、“旋转舞台”教具的结构原理
旋转舞台教具的基本原理是当一个动圆内切于一个定圆,动圆沿定圆内做纯滚动时,动圆上任意一点的轨迹曲线称为内摆线[2~4].例如,当定圆直径与动圆直径之比为3：1时,两圆切点的轨迹曲线如图1所示.
一对标准内啮合齿轮就可以看作是小齿轮在大齿轮上做纯滚动,此时小齿轮分度圆上的点就可以走出内摆线轨迹如图2（a）所示,而且选取小齿轮上不同点,能够得到千变万化的运动轨迹.例如：如果选定的点在分度圆以外,则该点走出的轨迹称作长幅内摆线,如图2（b）所示；如果选定的点在分度圆以内,则该点走出的轨迹称作短幅内摆线,如图2（c）所示.
根据行星轮系的上述特点,结合旋转舞台的表现效果,设计由三个行星轮与大齿轮内啮合的形式,如图3所示,并且大齿轮直径是小齿轮直径的3倍.
在三个行星轮上按照分度圆上、分度圆外和分度圆内三个不同区域的点（A、B、C）安装跳舞的小人模型,行星轮转动时,小人纷纷按照各自的运动轨迹“翩翩起舞”,并在彩灯的映衬下,犹如一座华美的旋转舞台,如图4所示.
舞台旋转的动力由人转动手轮提供.为了使舞台呈现不同的转速,在舞台下部还设计了滑移齿轮、蜗轮蜗杆等传动机构调节舞台的转速,如图5所示.转动手轮,为舞台提供动力.将手轮沿轴向平移即推动滑移齿轮使不同传动比的齿轮啮合,从而向舞台传递不同的转速.
二、结束语
这套教具可用于行星轮系、内摆线轨迹、滑移齿轮变速机构、蜗轮蜗杆传动等多个知识点的教学演示,而且装拆和调整方便,使学生可以更加直观的观察和理解齿轮传动的原理和特点,感受齿轮传动形式的灵活性和多样性,并辅以旋转舞台这样生动有趣的表现形式,有助于激发学生的学习兴趣和创新意识.
参考文献
[1]吴联兴主编.机械设计基础[M].天津:天津大学出版社,2007.
[2]张策主编.机械原理与机械设计(上册)[M].北京:机械工业出版社2006.
[3]刘希玲,刘湘洪.内摆线的平面运动[J].长沙铁道学院学报,1998,(01):75-79.
[4]夏合勇,戴俊平,赵川.内摆线的轨迹性质分析[J].机电工程技术,2017,(01):25-30.
作者简介:贺莹,(1980-),男,天津人,讲师,硕士,研究方向:机器人学、机电传动与控制.
通讯作者:门宽柱,(1980-),男,天津人,中级机械工程师,本科,研究方向:机械制造工艺与设备.
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