刨床擺桿機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動演化教學(xué)設(shè)備的開發(fā)

黃新明，李 敏，馮大鵬

(湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 黃石 435003)

1 問題的提出

金工實(shí)習(xí)作為培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的一種有效途徑[1]，在其教學(xué)理念不斷發(fā)展的同時，其教學(xué)對象也在迅速擴(kuò)充，已從包括機(jī)械類各專業(yè)學(xué)生在內(nèi)的工科類各專業(yè)學(xué)生發(fā)展到理科類很多專業(yè)的學(xué)生。這樣一來，金工實(shí)習(xí)的教學(xué)方法就應(yīng)作出一些相應(yīng)的改變，特別是對于一些復(fù)雜機(jī)械傳動的講解就應(yīng)該做到更加通俗易懂。

刨床實(shí)習(xí)是金工實(shí)習(xí)的一個重要環(huán)節(jié)，刨床實(shí)習(xí)過程中，刨床傳動系統(tǒng)的工作過程和工作原理是實(shí)習(xí)大綱的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，該部分內(nèi)容也是學(xué)生學(xué)習(xí)時的難點(diǎn)[2-3]。其中，刨床擺桿機(jī)構(gòu)的工作過程和工作原理更是難點(diǎn)中的難點(diǎn)，刨床擺桿機(jī)械簡圖如圖1所示。

目前，由于還沒有一種能夠淺顯易懂的演示刨床擺桿機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動演化教學(xué)設(shè)備，使得本身就沒有多少機(jī)械專業(yè)知識的實(shí)習(xí)學(xué)生，很難理解刨床的擺桿機(jī)構(gòu)如何將齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成滑枕的往復(fù)直線運(yùn)動[4]，特別是對于完全沒有機(jī)械專業(yè)知識的非機(jī)械類專業(yè)的實(shí)習(xí)學(xué)生，這種運(yùn)動轉(zhuǎn)換的空洞講解更是難以想象與理解。

為幫助學(xué)生直觀地、較好地理解刨床擺桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動轉(zhuǎn)換過程和原理，必須開發(fā)出一種能夠演繹這種運(yùn)動轉(zhuǎn)換的教學(xué)設(shè)備。

圖1 刨床擺桿機(jī)構(gòu)簡圖

2 開發(fā)的運(yùn)動演化教學(xué)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理

開發(fā)的刨床擺桿機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動演化教學(xué)設(shè)備如圖2所示,它由相對布置的變異對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(圖2中左半部分)和簡化的刨床擺桿機(jī)構(gòu)(圖2中右半部分)兩大部分組成。在曲柄端變異加長的連桿端部設(shè)計(jì)有安裝畫筆的彈性筆座，可將畫筆牢牢地壓在安放筆端處的畫板上，這樣，在曲柄轉(zhuǎn)動時，畫筆就可將加長連桿端部的橢圓運(yùn)動軌跡記錄在畫板上。連桿端部的運(yùn)動軌跡表明，加長連桿端部的運(yùn)動由水平方向的(橢圓的長軸)大幅往復(fù)運(yùn)動和垂直方向的(橢圓的短軸)小幅上下運(yùn)動所組成，水平方向的往復(fù)運(yùn)動與刨床的主運(yùn)動形式相同，應(yīng)予以保留，而垂直方向的上下運(yùn)動在刨床的主運(yùn)動中是不存在的，應(yīng)予以消除。如何消除呢？這可以通過在曲柄的連接銷上套上一個正方形的偏心滑塊，相應(yīng)的，連桿上的銷孔就要擴(kuò)充成寬等于正方形滑塊邊長的矩形滑槽(當(dāng)然，此時的連桿因其寬、厚都要相應(yīng)的增加而變?yōu)榱溯^為厚重的擺桿)。如此一來，通過偏心滑塊在滑槽中的滑動就可抵消掉原來連桿端部的上下運(yùn)動，使其只做水平方向的往復(fù)運(yùn)動，這就演化為了該設(shè)備另一邊的簡化刨床擺桿機(jī)構(gòu)，開放的簡化刨床擺桿機(jī)構(gòu)可以直觀明了地演示刨床擺桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程和運(yùn)動細(xì)節(jié)[5]。

圖2 刨床擺桿機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動演化教學(xué)設(shè)備

3 運(yùn)動演化教學(xué)設(shè)備的特點(diǎn)

刨床擺桿機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動演化教學(xué)設(shè)備具有如下特點(diǎn)：

1)結(jié)構(gòu)簡單。該教學(xué)設(shè)備只用了相對布置的變異對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和簡化的刨床擺桿機(jī)構(gòu)兩個簡單的部分，就將刨床擺桿機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)的原理，通過化繁為簡，逐步推進(jìn)演化的過程清晰明了的表現(xiàn)了出來。

2)直觀可視。這表現(xiàn)在兩個方面:一方面，用于講解演化方法的加長連桿端部(對應(yīng)刨床滑枕與擺桿的鉸接點(diǎn))的橢圓運(yùn)動軌跡被畫筆記錄在畫板上，直觀可視，以方便推導(dǎo)出正確的演化方法；另一方面，簡化刨床擺桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程直觀可視，以方便學(xué)生對刨床擺桿機(jī)構(gòu)工作原理的觀察與理解。

3)柔性記錄。安裝畫筆的彈性筆座，保證了加長連桿端部運(yùn)動軌跡的記錄不會受到畫板表面不平度的影響，從而完整地記錄在畫板上，以實(shí)現(xiàn)橢圓運(yùn)動軌跡記錄的柔性操作。

4 運(yùn)動演化教學(xué)設(shè)備的應(yīng)用

刨床擺桿機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動演化教學(xué)設(shè)備，將復(fù)雜的、難以想象的、不好理解的刨床擺桿機(jī)構(gòu)的工作原理(運(yùn)動過程)，在一臺教學(xué)設(shè)備中，由簡單的、常見的對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(類似于日常生活中的推磨過程)直觀、逐步地演繹轉(zhuǎn)化而來。這就使得教學(xué)內(nèi)容更加直觀、更加容易理解，從而幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)刨床的傳動知識，同時，該教學(xué)設(shè)備的應(yīng)用，還可幫助實(shí)習(xí)教師在教學(xué)過程中輕易地做到如下幾點(diǎn)：

1)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。航空發(fā)動機(jī)、船用柴油機(jī)、汽車發(fā)動機(jī)、蒸汽機(jī)車發(fā)動機(jī)、制冷壓縮機(jī)、縫紉機(jī)等與生活息息相關(guān)的對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例[6-7]，可以極大地激發(fā)學(xué)生對機(jī)械傳動的學(xué)習(xí)興趣。

2)擴(kuò)展學(xué)生的工程視野。對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍非常廣泛，除了上述與生活息息相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例，在工業(yè)中還有空氣壓縮機(jī)、活塞泵、剪板機(jī)、沖床、鄂式破碎機(jī)、自動送料機(jī)構(gòu)與活塞式氣動馬達(dá)等應(yīng)用實(shí)例[8]，這些應(yīng)用實(shí)例的列舉可以很好地?cái)U(kuò)展學(xué)生的工程視野。

3)培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力。通過學(xué)生心目中變異對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)上，變異加長連桿端部的運(yùn)動軌跡與其曲柄轉(zhuǎn)動時記錄在畫板上的實(shí)際運(yùn)動軌跡對比，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力。

4)培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。刨床擺桿機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動演化教學(xué)設(shè)備所演繹的化繁為簡，逐步推進(jìn)演化的過程，為學(xué)生提供了一種全新的思考問題的方法，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

5)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。通過對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)不同使用條件下，在工程實(shí)際中的應(yīng)用[9]，以及該教學(xué)設(shè)備所展示的對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的變化應(yīng)用，可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

5 結(jié)束語

刨床擺桿機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動演化教學(xué)設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)刨床傳動知識的入門門檻，適應(yīng)了參與金工實(shí)習(xí)的各類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)刨床傳動知識的教學(xué)要求，且鍛煉了學(xué)生的各種工程實(shí)踐能力，不失為一種培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)、提升金工實(shí)習(xí)教學(xué)質(zhì)量的有效手段[10]。

刨床擺桿機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動演化教學(xué)設(shè)備已獲實(shí)用新型專利(專利號：201420407977.0)。

參考文獻(xiàn)

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