机械原理课程系列教具的设计(

1、机械原理课程系列教具的设计 （2） 北京信息科技大学 机电工程学院 机械1104 亢中惠 任务内容 （1）机械原理课程系列教具的总体设计； （2）平面四杆机构典型运用平台，凸轮机 构轮廓设计及从动件运动特性测绘平台的 装配图的设计。（3）传动部分运动与动力 学计算；（4）零部件的工作能力计算； （5）平台的工作动画；典型平台的实物制 作。 任务要求 所设计的机械原理课程系列教具，即能化 零为整，又能化整为零，与教科书、习题、 实验结合紧密，每一模块体积小、质量轻， 方便老师携带，使教与学变得更加直观化、 简单化；它既是课堂展示教具又是实验装 置，做到了教具一套多用；它是可拆卸教 具，以知识为指

2、导，加强培养学生的实践 创新能力，启发学生独立思考、解决问题 的能力，适应新时代要求的创新型人才。 该系列教具具有的功能 1.1教具功能教具功能 该演示仪主要具备如下几项功能： 演示三种平面四杆机构的运动原理； 演示两种凸轮的运动原理，凸轮可更换。 方便展示运动特性，例如转角和位移量。 结构布局 该组合演示仪从宏观上看由两大部分组成， 即：凸轮演示仪和平面四杆演示仪；按照 演示仪功能实现的过程来看，凸轮演示仪 分为顶杆凸轮和槽行凸轮，可以展示凸轮 角运动量和从动件直线运动量的大小和相 互关系；平面四杆机构展示仪可以展示三 种平面四杆机构的运动特性。 结构布局 其中，凸轮运动部分为复合结构，通过

3、将 凸轮固定在带有刻度盘的凸轮架上面，同 时将带还有对应运动曲线的坐标纸固定在 和凸轮架联动的圆筒上面，凸轮顶杆上有 指示标志，当凸轮位于某一角度，该标志 也指向圆筒上坐标纸上曲线的对应位置， 向学生展示凸轮角位移和顶杆直线位移的 对应关系。 市场调研 1.2当前教具的现况当前教具的现况 当前机械原理课程大多为原理概念和理论计算， 课堂上的实例运用非常少。这直接导致了当代大学 生理论知识和实践有所脱节，不能很好地理论联系 实际，把所学知识灵活运用到实际当中。通过观看 学校现有教具以及查阅有关机械原理教具的资料， 我发现现在市场上所提供的各种教具均是单一的原 理图例展示或各种相对独立的小型机构模

4、型。虽然 在初次接触时能给学生带来新鲜感，并起到一定的 教学效果，但由于缺少动手的乐趣，常规的机械原 理教具并不能有效地提高学生的探索热情和自主学 习的主观能动性。 大型整体式教具大型整体式教具 有的教具实现了组合但缺乏可调节性和模块化程度 小型分散式教具小型分散式教具 有的教具虽然可以实现亲自动手调节，但松散单一不方便，易丢失 相关理论 所有运动副全都是转动副的四杆机构称为铰链四杆 机构，铰链四杆机构是平面四杆机构的基本形式， 其他种类四杆机构都可以认为是在它的基础上演化 而来的。选定其中一个构件作为机架，直接与机架 链以铰链运动副接的构件称为连架杆，不直接与机 架连接的构件称为连杆，可以在

5、360范围完整回转 的构件被称作曲柄，只能在某一角度范围内往复摆 动的构件称为摇杆。如果以转动副连接的两个构件 可以做完整周相对转动，则能够称之为整转副，反 之则称之为摆转副。铰链四杆机构中，按照连架杆 是否可以做完整周转动，可以将其分为三种基本形 式，即曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。 相关理论 1.杆长之和条件：平面四杆机构的最短杆和最长杆的长 度之和小于或者等于其余两杆长度之和。 2.在铰链四杆机构中，如果某个转动副能够成为周转副， 则它所连接的两个构件中，必有一个为最短杆，并且四 个构件的长度关系满足杆长之和条件。 3.在有整装副存在的铰链四杆机构中，最短杆两端的转 动副均为周转

6、副。此时，如果取最短杆为机架，则得到 双曲柄机构；若取最短杆的任何一个相连杆为机架，则 得到曲柄摇杆机构；如果取最短杆对面构件为机架，则 得到双摇杆机构。 4.如果四杆机构不满足杆长条件，则不论选取哪个构件 为机架，所得到机构均为双摇杆机构。 5.上述一系列结论称为格拉霍夫定理。 相关理论 凸轮机构 由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件 作规定往复移动或摆动的机构。凸轮具有 曲线轮廓或凹槽，有三种凸轮机构 凸轮机构分为盘形凸轮、圆柱凸轮和移动 凸轮等，其中圆柱凸轮的凹槽曲线是空间 曲线，因而属于空间凸轮。 相关理论 （1）凸轮机构各种类型： 凸轮机构的分类： 形状分 1）盘形凸轮 2）移动凸轮

7、 3）圆柱凸轮 从动件型式 1）尖底从动件； 2）滚子从动件； 3）平底从动件 材料选择 在该系列教具中，底座部分和平面四杆各 机构采用较轻的铝合金，具有一定耐磨性 和较高强度而且密度较低；各螺栓及传动 部件等关键部件采用45号钢，强度刚度较 高，适合受力及摩擦较多的零件，耐用； 皮带轮采用尼龙工程塑料，能够加工各种 非圆孔，公益性好，强度足够。 材料性能 材料：铝合金(6061铝合金) 热处理工艺： 1）快速退火：加热温度350410;随材料有 效厚度的不同，保温时间在30120min之间; 空气或水冷。 2）高温退火：加热温度350500;成品厚度 6mm时，保温时间为1030min、6m

8、m时， 热透为止;空气冷。3）低温退火：加热温度 150250;保温时间为23h;空气或水冷。 密度：2.7g/cm3 材料性能 力学特性：极限抗拉强度为124MPa 受拉屈服强度55.2MPa 弹性系数68.6GPa 弯曲极限强度228MPa 屈服强度 103MPa 延伸率25.0% 泊松比 0.330 疲劳强度62.1MPa 材料性能 45号钢 密度：7.85g/cm3 力学性能：材料牌号: 45 材料名称: 优质碳素钢 标 准 号: GB699-88 热 处 理: 退火 材料性能 抗拉强度: 600 (MPa) 屈服强度: 355 (MPa) 延 长 率: 16% 断面收缩率: 40%

9、布氏硬度: 197 材料性能 屈服强度54.88MPa 压缩强度103.88MPa 弯曲强度117.6MPa 弯曲模量2.89GPa 冲击强度1.18-2.1KJ/M/M 电机选择 由于教具类机械只演示，不负担额外负载， 并且要求转速较慢，因此选择扭矩足够的 直流减速电机。 选择GM25-370CA-15360-499直流减速电机 电机简介 型号:GM25-370CA 直径:25mm 长度:电机30.8mm+齿轮箱 1.微型直流减速电机，低转速，大扭力，最大允许 负载5.0kg.cm 2.符合欧盟环保节能功耗要求，最小电流可至50mA 3.军品设计要求，超低静音，最低噪音可至50dB 4.可以

10、配备编码器，脉冲数3ppr、12ppr 4.减速比：4、10、21、34、45、47、78、103、130、 172、227、378、499 电机性能 额定电压： 12V 额定电流: 160mA 输出功率： 1.18W 原始额定转速： 4800r/min 电机性能 原始额定转矩： 24 减速比： 499 额定转速： 10rpm 额定转矩： 5 该电机具有低压、低转速等特点，工作电压12v，市面 上很容易找到合适的电源适配器，而且比较安全。转速 10rpm，大约6秒一转，能够在无需额外配备减速器的情 况下向学生展示机构的运动过程，转速适中。 传动设计及校核 为了能让凸轮机构演示仪的凸轮和坐标纸

11、转筒能够在转轴相互垂直的情况下以相等 角速度转动，需要设计一对转轴相互呈90 度且传动比为1：1的直齿圆锥齿轮。 齿轮初始参数 根据结构尺寸初步确定参数如下： 材料：45钢（调质处理） 精度等级：7级 齿数：25 模数：2 齿宽系数:1/3 传动比：1 校核计算见word文档 键传动设计与校核 轴直径10mm，采用平键传动，根据周的直 径采用键宽b=3 键高h=3，键长l=10的键传 动。 计算过程见WORD文档 带传动设计与校核 根据尺寸限制，初定带轮直径50mm，传动 比1：1，功率1.18W，转速10rpm，扭矩 0.49Nm 三维绘图与设计 平面四杆机构平面四杆机构 曲柄摇杆演示部分曲

12、柄摇杆演示部分 采用电机带动带传动，然后带动曲柄 背面背面 采用带传动，通过调节电机架位置进行张紧 双摇杆机构双摇杆机构 双曲柄机构双曲柄机构 采用手摇控制采用手摇控制 双曲柄机构无法完成完整周转，采用手摇 凸轮机构凸轮机构 自动演示环节自动演示环节 采用电机驱动，凸轮及坐标转筒同步转动，展示角度与位移对应曲 线 传动传动 采用电机加带传动，通过一对锥齿轮实现动力分流 传动特写传动特写 手动演示环节手动演示环节 用于手动控制，可以进行凸轮的位移曲线测绘实验，自动和手动演 示环节的凸轮及坐标纸都可更换，其中凸轮架边缘有角度刻度，圆 筒有坐标纸 手动模块的传动手动模块的传动 技术分析 教具作为一种

13、教学辅助手段，需要将抽象 的知识形象化向学生展示出来。现在市面 上的教材大多数功能单一或难以拆装搬运 不适合学生亲自操作，因此需要更多的动 手实践来更好的让学生亲自参与教具的操 作，提供可拆装更换的零件和多种模块以 便于学生更好的理解在不同条件下机构运 动的特性。虽然仍旧采用课本上提供的几 种机构作为展示对象，但有更多的可操作 性，并且可以用于测量实验。 技术分析 此次教具设计包含电动演示、手动操作演示等 特点，模块易于搬运并实现部分可更换拆装， 同时采用节能的低压直流减速电机，转速适中， 能够让学生动手实践，寓教于乐，避免了单调 乏味。 该套教具实现了对于平面四杆和凸轮机构的自 动及手动演示

14、，其中凸轮机构部分的凸轮可以 拆装更换，这样就实现了学生的动手实践，避 免理论和实际脱节。相比于大型整体教具，该 系列教具实现了便于携带，并且可以通过更换 林零件改变参数。 经济分析 按照现在市场价格，但见小型的教具价格通常 在300到500元之间，而大型整体式教具单价均 在5000以上。现在教具材料以塑料及合金为主， 塑料类重量较轻，并且有的材料例如PVC可以 实现透明化，但根据对学校内的教具观察发现 这类材料有个缺点就是容易老化，例如PVC透 明板在固定处、弯折处等容易出现应力集中或 交变应力的地方容易出现裂纹，影响透明度和 耐用性。对于金属材料虽然更耐用但由于密度 问题重量大多较重。 经

15、济分析 经过一定考虑，机座和主题结构采用铝合 金，关键部件例如轴和齿轮采用45钢，一 些较小并且包含难以用切削加工的部分的 零件例如皮带轮则采用尼龙工程塑料。 铝合金具有一定的刚度，并且在合金材料 中密度较低，作为主体材料可以使总重较 低，同时能保证一定的耐腐蚀和耐磨性能， 因此适合用来作为教具的结构主体。 经济分析 45钢虽然密度大于铝合金，但有更高的强 度和刚度，并且更加耐磨。在轴和齿轮等 关键部件使用，能够保证精度和使用寿命， 同时不会增加太多重量。 尼龙工程塑料密度较低，并且强度和刚度 能满足在非主要受力零件上的使用要求， 在包含异形孔等合金材料难以通过切削加 工实现的场合可以通过注塑

16、加工达到足够 的精度，适合手柄和小型皮带轮。 经济分析 电机采用低压直流减速电机，功率较低但 能满足教具演示要求，自带减速器避免了 额外的复杂减速机构，相比于低压步进电 机可以在无需额外控制机构的情况下实现 低速转动让学生能够看清演示过程。选择 的低压电机输入电压只有12V，符合要求的 电源适配器市场上非常常见并且廉价，而 且低压电机非常安全，即使漏电在正常情 况下也很难伤害到学生。低压减速电机价 格大约单价数十到一百多元比较廉价。 经济分析 在该系列教材中采用的材料及外购件大多 廉价并且产量足够，加工精度要求不高， 甚至很多大学金工实习中心就能制造大部 分零件，这样生产及维修成本就会被控制

17、在一个合理范围内，同时性能良好。这样 就可以方便大规模推广应用，并能在市场 上取得一定优势。 参考文献 1 孔凌嘉，张春林机械基础综合课程设计北京：北京理工 大学出版社， 2004 2 荣辉，付铁，杨梦辰机械设计基础北京：北京理工大学 出版社，2013 3 张春林.机械原理.北京：高等教育出版社，2012 4 潘存云.机械原理.长沙：中南大学出版社，2013 5 郭卫东.机械原理.北京：科学出版社，2013 6 郭宏亮，孙志宏.机械原理.北京：北京大学出版社，2011 7 王洪欣，冯雪军.机械原理.南京：东南大学出版社，2011 8 陆宁，樊江玲.机械原理.北京：清华大学出版社，2012 9 高中庸，孙学强，王建晓.机械原理.武汉：华中科技大学出 版社，2011 10 申永胜机械原理教程北京：清华大学出版社，2005 参考文献 11 陈晓南，杨培林机械设计基础北京：科学出版社，200723 172 12（美）威尔逊，（美）萨德勒，秦伟缩编机械原理重庆大学出 版社，20053. 13 Neal Sclater ，NiclolasP.Chironis.机械设计使用机构与装置图册北京：机 械工 业出版社 14 申永胜机械设计手册（最新第五版）北京：化学工业出版社， 20084 15 王晶机械原理与机