陳忠豪

摘 要： 機械原理課程是機械類專業(yè)學生的一門必修課程，課程內(nèi)容包括機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析、平面機構(gòu)運動分析和常見機械傳動機構(gòu)及原理等知識。由于缺少實際驗證，同學們在學習的過程中經(jīng)常感到抽象難懂，因此，設(shè)計了一種機械運動演示裝置。用于模擬演示課堂教學中常見的平面機構(gòu)運動原理以及常見的機械傳動原理。充分調(diào)動學生的聽、視覺感官參與課堂學習，同時滿足學生的好奇心，激發(fā)學生的學習興趣，有效調(diào)動學生的主動性和創(chuàng)造性。

關(guān)鍵詞： 機械原理;機構(gòu)運動;機械傳動;運動演示

中圖分類號： G434? ? ? ? ?文獻標識碼： A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.10.027

0 引言

機械原理是高等本科院校機械類專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課。課程具有基礎(chǔ)課理論性強、工程實踐特色明顯的特點，是一門理論與工程實踐結(jié)合特別緊密的課程。由于機械原理課程內(nèi)容繁雜，知識點之間相對比較獨立，學生普遍反應(yīng)難學，無法在有限的課堂時間內(nèi)掌握知識。目前，開設(shè)機械原理課程一般在第四學期或者第五學期，這個階段的學生，對專業(yè)課的學習還不夠深入，實踐知識和經(jīng)驗比較差;通常課堂上對于機械結(jié)構(gòu)分析、平面機構(gòu)運動分析和常見機械傳動機構(gòu)及原理等知識采用理論講學和數(shù)學推理，很少能夠結(jié)合實驗演示來證明結(jié)論和原理。這使得學生在接受知識時常常感到抽象，難以理解，理解不是很徹底。隨著時間的推移，它將導致學生的學習興趣低下并影響學習效率。因此，從激發(fā)學生學習興趣和主觀能動性、提高機械原理的授課質(zhì)量和學生的知識應(yīng)用能力的角度，設(shè)計了一種基于機械原理課堂的機械運動演示裝置。

機械運動演示裝置融入了機械原理課程中的機械運動學的相關(guān)知識，可以幫助同學進行機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析、平面機構(gòu)的運動分析、平面機構(gòu)的力分析、機械的效率、機械的平衡、機械的運轉(zhuǎn)及其速度的波動分析。在演示過程中突出重點，主題鮮明，效果顯著，極具說服力，更有利于啟發(fā)思維，開拓創(chuàng)新。

1 基本原理

圖1為演示裝置機構(gòu)傳動簡圖，該演示裝置總體上采取對稱式結(jié)構(gòu)。由電動機通過帶傳動機構(gòu)（V帶）連接減速箱運動，減速箱輸出軸上通過鍵聯(lián)接錐齒輪，通過一對嚙合的錐齒輪聯(lián)接直圓柱齒輪，通過齒輪軸上的不同齒數(shù)的齒輪。通過齒輪之間的配合帶動同軸的鏈輪運動，從而使鏈條運動帶動末端各連桿機構(gòu)運動，同時設(shè)計了離合器機構(gòu)可以實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速的演示及對不同機構(gòu)的同時演示及單獨演示。目前的機構(gòu)包括：帶傳動（V帶），蝸輪蝸桿傳動，圓錐齒輪傳動，圓柱齒輪傳動，齒輪變速機構(gòu)，鏈傳動，曲柄搖桿機構(gòu)，雙曲柄機構(gòu)，雙搖桿機構(gòu)，以及由曲柄搖桿機構(gòu)演變的曲柄滑塊機構(gòu)，曲柄滑塊機構(gòu)進一步演變的轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)及曲柄搖桿機構(gòu)。

2 裝置的設(shè)計思路

2.1 傳動效率的設(shè)計計算及機電功率的確定

由于本設(shè)計只采用一個動力源（電動機）且由于包含眾多機構(gòu)，則其傳動鏈較長，其傳動效率就是一個不得不考慮的問題。本設(shè)計可以忽略的問題就在于各傳動機構(gòu)均不對外負載做功，或者說外負載等于零，因此，本裝置的動能只是用于提供各機構(gòu)運動所消耗的摩擦功和克服各機構(gòu)具有的轉(zhuǎn)動慣量。

根據(jù)轉(zhuǎn)動簡圖，各傳動鏈的傳動功率分別為：V帶傳動0.96，取ηv=0.96;雙頭蝸桿傳動0.75～0.82，取ηw=0.78;圓錐齒輪傳動（干油潤滑）? ?0.92～ 0.95，取ηb=0.93;圓錐齒輪傳動（干油潤滑）? ?0.94～0.96，取ηc=0.95;鏈傳動（滾子鏈）0.96，取ηl=0.96;滾動軸承（球軸承、稀油潤滑）0.99，取ηg=0.99;滑動軸承（正常潤滑）0.97，取ηh=0.97。

其傳動功率的分配如下

Nc ηl? ……? ηk Nz? η1→N1

η2→N2

η3→N3

其中Nc→Nz的傳動效率

ηz=η1·η2……·ηk

Nc ηl? ……? ηk Nz? η1→N1

η2→N2

η3→N3

計算總傳動效率

η∑ =ηv·ηw·ηb·ηc·η2g·ηl·η4g

= 0.96×0.78×0.93×0.95×0.992×0.96×0.994

=0.6

從Nz到N1Z…N3z其傳動效率

ηF∑= N1z+N2Z+N3Z Nz

即：Nz= N1z+N2z+N3z ηF∑

又因Nz= N1z η1 + N2z η2 + N3z η3

對于本裝置，設(shè)? N1z=N2z=N3z;η1=η2=η3。

從機構(gòu)傳動簡圖可知，N1z的傳動效率

η′1=ηh·ηh·ηh=η3h=0.973=0.91=η2=η3

Nz=3 N1z η′1 = 3 0.91 N1z=3.3N1z

即：N1z= Nz 3.3 =0.3Nz

因Nz=ηz·Nc=0.6Nc

∴N1z=0.3×0.6Nc=0.18Nc

即原動機的總功率Nc只有18%到達機構(gòu)傳送鏈的末端構(gòu)件上。

設(shè)計時，末端各四桿構(gòu)件的構(gòu)件運動速度均很小，便于一邊演示一邊講解。以雙曲柄機構(gòu)為例，主從動曲柄的平均轉(zhuǎn)速n=0.5 r·s-1，即其平均角速度（ω=π）也很小，所以其消耗的功率N1z=Tω也很小，其中T為末端桿的轉(zhuǎn)矩

T= N1z ω = 0.18Nc π =0.06Nc

即四桿機構(gòu)最末端的桿只需要原動機輸入功率的6%即可運轉(zhuǎn)起來。由于末端桿不帶負載，其自身的轉(zhuǎn)動慣量就是唯一的負載。末端桿根據(jù)本設(shè)計，屬于均質(zhì)細直桿。

其對Z軸的轉(zhuǎn)動慣量：

JZ= 1 3 ml2=0.021（kg·m-2）極小

（其中m=ρv=ρlbσ=0.1 kg）

所以末端桿心轉(zhuǎn)矩既是用以克服該桿心轉(zhuǎn)動的慣量，也極?。词褂?個這樣的末端桿）。不予繼續(xù)計算。

為了使整個機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩有富余（可繼續(xù)增添新的機構(gòu)），且將全部零件的轉(zhuǎn)動慣量均估計在內(nèi)，?。篢=1 N·m

則機構(gòu)輸出總功率：

N總=6Nc=6× T 0.06 =100（W）

電機選型：取120 W電機，并取驅(qū)動微電機里的B02型電機（適宜輕載下的長期運行），供電電壓為交流220 V。

2.2 傳動比的設(shè)計計算

為使終端各運動機構(gòu)的運動狀態(tài)更直觀，本設(shè)計確定讓各機構(gòu)取較慢的運動循環(huán)速度。具體初定兩種運動速度（采用變速機構(gòu)）：一種是較快速運動，2 s運動循環(huán)一次，即：n快=0.5 r·s-1;另一種是較慢速運動，約3.3 s機構(gòu)運動循環(huán)一次，即：n慢=0.3 r·s-1。

對于電機初轉(zhuǎn)速的選取，為使性價比更好，選同步轉(zhuǎn)速n=1500 r·min-1的四級電機為宜。對于更便宜的對極電機，同步轉(zhuǎn)速n= 3000 r·min-1，其轉(zhuǎn)速太高，演示機運轉(zhuǎn)時高頻噪音太大; 6極電機的同步轉(zhuǎn)速較低，為750 r·min-1， 但價格較貴，體積也大，且對本設(shè)計傳動比的選取范圍較小，不利本演示設(shè)計的初衷。

即選取電機的實際轉(zhuǎn)速n=1440 r·min-1或n=24r·s-1，因此，總傳動比：

i快= n n快 = 24 0.5 =48

i慢= n n慢 = 24 0.3 =80

根據(jù)傳動比的初分配及選取標準規(guī)格的零部件及設(shè)計布局的許可，最終確定各級傳動比如下：

V帶傳動：iv=1.2698= 80 63

蝸桿傳動：im=40

圓錐齒輪傳動： in=1.2273= 54 44

圓柱齒輪傳動1： ic1=0.7667= 46 60 （升速）

圓柱齒輪傳動2： ic2=1.3043= 60 46

鏈傳動： il=1

所以，實際總傳動比：

i總快=iv×im×in×ic1×il=1.2698×40×1.2273×0.7667×1=47.79

i總慢=iv×im×in×ic2×il=1.2698×40×1.3043×0.7667×1=47.79

所以終端機構(gòu)運動的實際轉(zhuǎn)速：

n實慢= n i實慢 = 1440 81.31 =17.71 r·min-1=0.295 r·s-1即：約每3.4秒循環(huán)一次

n實快= n i實快 = 1440 47.79 =30.13 4 r·min-1=0.5 r·s-1

即：約每2秒循環(huán)一次

可以滿足設(shè)計初衷。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)的實驗教學演示裝置只能比較演示模擬單個的某個機構(gòu)的運動和原理，如果在課堂上需要進行多個機構(gòu)的演示，則需要多個演示裝置，教學不便。本裝置有效克服了這一缺點，機械原理課程里涉及的機構(gòu)基本上都集中在該裝置上。

同學們在課堂上可以自己動手去操作該裝置，通過對該裝置的模擬機械運動，主動思考，與老師間的互動明顯增加，很好地培養(yǎng)了學生的形象思維能力及動手能力，可以很好地解決對理論知識學習感到抽象的問題。最后，還可以結(jié)合該課程的課程設(shè)計，調(diào)動同學們自主開發(fā)設(shè)計一些解決日常生活中經(jīng)常碰到問題的小型裝置。

參考文獻：

[1]? 孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2016.

[2] 濮良貴，陳國定，吳立言.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2017.

[3] 上海交通大學物理教研室.大學物理教程[M].上海：上海交通大學出版社，2012.

[4] 趙衛(wèi)軍，任金泉，陳鋼.機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計[M].北京：科學出版社，2010.

[5] 安琦，王建文.機械設(shè)計課程設(shè)計[M].上海：華東理工大學出版社，2012.

[6] 周元康，林昌華，張海兵.機械設(shè)計課程設(shè)計[M].重慶：重慶大學出版社，2001.