机械原理课程系列教具设计(

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，以知识为指导，加强培养学生的实践创新能力，启发

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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 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

7、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、6mm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

8、.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% 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

9、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.cm2.符合欧盟环保节能功耗要求，最小电流可至50mA3.军品设计要求，超低静音，最低噪音可至50dB4.可以配备编码器，脉冲数3ppr、12ppr4.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：

10、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

11、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

12、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

13、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，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

14、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

15、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。

16、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， 20042 荣辉，付铁，杨梦辰机械设计基础北京：北京理工大学出版社，20133 张春林.机械原理.北京：高等教育出版社，20124 潘存云.机械原理.长沙：中南大学出版社，20135 郭卫东.机械原理.北京：科学出版社，20136 郭宏

17、亮，孙志宏.机械原理.北京：北京大学出版社，20117 王洪欣，冯雪军.机械原理.南京：东南大学出版社，20118 陆宁，樊江玲.机械原理.北京：清华大学出版社，20129 高中庸，孙学强，王建晓.机械原理.武汉：华中科技大学出版社，201110 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，20072317212（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， 2008415 王晶机械原理与