一種新式齒輪傳動教具

賀瑩+武淑娟+門寬柱

摘 要：針對傳統(tǒng)《機械原理》類課程教學中存在的圖形講解抽象、不直觀以及教具形式單一、缺乏趣味性等問題，設計并制作了一套以“旋轉(zhuǎn)舞臺”為表現(xiàn)形式，可用于行星輪系、齒輪上點的運動軌跡、滑移齒輪變速、蝸輪蝸桿傳動等多個知識點的教學演示的新式教具，形象直觀且頗具趣味性，有助于激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新意識。

關鍵詞：行星輪系 內(nèi)擺線軌跡 滑移齒輪 旋轉(zhuǎn)舞臺 教具

中圖分類號：TH132.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082 （2017） 04-0119-01

引言

在實際機械中，為了獲得大傳動比或變速、變向，往往需要用若干對齒輪組成輪系來實現(xiàn)。根據(jù)輪系運轉(zhuǎn)時各齒輪的幾何軸線位置相對于機架是否固定，輪系被分為定軸輪系、周轉(zhuǎn)輪系和混合輪系[1]。這些輪系不但在機械設備中有廣泛的應用，也是《機械原理》類課程的重點內(nèi)容。但是長久以來，在課堂上講解這些傳動機構原理時，教師往往僅憑借一張張機構簡圖向?qū)W生作介紹，抽象而不直觀，不便于學生理解。雖然很多高校都針對課程內(nèi)容購買了相應的教具，但是總的來說形式單一、缺乏趣味性，難以激發(fā)學生的學習興趣。因此，設計并制作了一種以旋轉(zhuǎn)舞臺為表現(xiàn)形式的新式輪系教具。

一、“旋轉(zhuǎn)舞臺”教具的結(jié)構原理

旋轉(zhuǎn)舞臺教具的基本原理是當一個動圓內(nèi)切于一個定圓，動圓沿定圓內(nèi)做純滾動時，動圓上任意一點的軌跡曲線稱為內(nèi)擺線[2～4]。例如，當定圓直徑與動圓直徑之比為3：1時，兩圓切點的軌跡曲線如圖1所示。

一對標準內(nèi)嚙合齒輪就可以看作是小齒輪在大齒輪上做純滾動，此時小齒輪分度圓上的點就可以走出內(nèi)擺線軌跡如圖2（a）所示，而且選取小齒輪上不同點，能夠得到千變?nèi)f化的運動軌跡。例如：如果選定的點在分度圓以外，則該點走出的軌跡稱作長幅內(nèi)擺線，如圖2（b）所示；如果選定的點在分度圓以內(nèi)，則該點走出的軌跡稱作短幅內(nèi)擺線，如圖2（c）所示。

根據(jù)行星輪系的上述特點，結(jié)合旋轉(zhuǎn)舞臺的表現(xiàn)效果，設計由三個行星輪與大齒輪內(nèi)嚙合的形式，如圖3所示，并且大齒輪直徑是小齒輪直徑的3倍。

在三個行星輪上按照分度圓上、分度圓外和分度圓內(nèi)三個不同區(qū)域的點（A、B、C）安裝跳舞的小人模型，行星輪轉(zhuǎn)動時，小人紛紛按照各自的運動軌跡“翩翩起舞”，并在彩燈的映襯下，猶如一座華美的旋轉(zhuǎn)舞臺，如圖4所示。

舞臺旋轉(zhuǎn)的動力由人轉(zhuǎn)動手輪提供。為了使舞臺呈現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速，在舞臺下部還設計了滑移齒輪、蝸輪蝸桿等傳動機構調(diào)節(jié)舞臺的轉(zhuǎn)速，如圖5所示。轉(zhuǎn)動手輪，為舞臺提供動力。將手輪沿軸向平移即推動滑移齒輪使不同傳動比的齒輪嚙合，從而向舞臺傳遞不同的轉(zhuǎn)速。

二、結(jié)束語

這套教具可用于行星輪系、內(nèi)擺線軌跡、滑移齒輪變速機構、蝸輪蝸桿傳動等多個知識點的教學演示，而且裝拆和調(diào)整方便，使學生可以更加直觀的觀察和理解齒輪傳動的原理和特點，感受齒輪傳動形式的靈活性和多樣性，并輔以旋轉(zhuǎn)舞臺這樣生動有趣的表現(xiàn)形式，有助于激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新意識。

參考文獻

[1]吳聯(lián)興主編.機械設計基礎[M].天津：天津大學出版社，2007.

[2]張策主編.機械原理與機械設計（上冊）[M].北京：機械工業(yè)出版社2006.

[3]劉希玲，劉湘洪.內(nèi)擺線的平面運動[J].長沙鐵道學院學報，1998，（01）：75-79.

[4]夏合勇，戴俊平，趙川.內(nèi)擺線的軌跡性質(zhì)分析[J].機電工程技術，2017，（01）：25-30.

作者簡介：賀瑩，（1980-），男，天津人，講師，碩士，研究方向：機器人學、機電傳動與控制。

通訊作者：門寬柱，（1980-），男，天津人，中級機械工程師，本科，研究方向：機械制造工藝與設備。