一种基于四杆机构的机械原理展示教具的制作方法
【专利摘要】一种基于四杆机构的机械原理展示教具，涉及机械原理演示教具。设有曲柄摇杆机构、水车、底板、水车传动轴、竖直锥齿轮、水平锥齿轮、锥齿轮轴、带轮、磨盘、磨盘底座、从动曲柄、主动曲柄、双曲柄连杆、双摇杆机构、挡板、盘形凸轮、凸轮轴、筛盘、变速器、水井、左支撑架、右支撑架、手柄、棘轮、棘爪、弹簧、立板；所述双摇杆机构设有主动摇杆、从动摇杆、双摇杆连杆；所述变速器设有上部传动轴、动力凸轮轴、动力输入轴和变速手柄；所述曲柄摇杆机构设有连接杆、从动杆、主动杆、捣碎器、捣罐、支撑架。功能丰富，结构简单合理，能实现使复杂的机械知识简单化，使抽象理论具体化、形象化，使枯燥内容趣味化，有效提高教学的效果。
【专利说明】—种基于四杆机构的机械原理展示教具
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及机械原理演示教具，尤其是涉及一种基于四杆机构的机械原理展示教具。
【背景技术】
[0002]随着中国工业化的迅速发展，特别是制造业的发展，社会对机械相关专业的人才需求越来越大。《机械原理》是机械类专业最重要的主干课程之一，该课程的教学工作意义重大，因此需要合适的教具作为辅助。当前现有的一些教具功能较单一，结构过于复杂，没有摆脱复杂而枯燥的理论，并不能显著提高教学的效率。
[0003]中国专利CN201984710U介绍了一种铰链四杆机构原理的演示教具，该教具虽然能够直观地展示铰链四杆机构的三种不同类型，但是展示过程仅体现了机构的运行过程，未实现与实际应用场景的结合，不能改变《机械原理》这门课程本身的枯燥性质，因此难以取得良好的教学效果。中国专利CN103514796A介绍了一种用于教学的曲柄摇杆机构演示教具，该教具模拟游乐场海盗船的场景虽然能够在一定程度上增加趣味性，但是教具的功能过于单一，适用范围较窄，经济性较差。中国专利CN103632604A和CN103745645A分别介绍了一种基于连杆机构的多功能教具和一种多功能机械原理教学演示仪。这两个专利所描述的教具虽然都是多功能教具，能够展示多种机械结构及不同的知识点，但是它们的结构比较复杂，直观性较差。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的在于提供一种基于四杆机构的机械原理展示教具。
[0005]本实用新型设有曲柄摇杆机构、水车、底板、水车传动轴、竖直锥齿轮、水平锥齿轮、锥齿轮轴、带轮、磨盘、磨盘底座、从动曲柄、主动曲柄、双曲柄连杆、双摇杆机构、挡板、盘形凸轮、凸轮轴、筛盘、变速器、水井、左支撑架、右支撑架、手柄、棘轮、棘爪、弹簧、立板；
[0006]所述双摇杆机构设有主动摇杆、从动摇杆、双摇杆连杆；
[0007]所述变速器设有上部传动轴、动力凸轮轴、动力输入轴和变速手柄；
[0008]所述曲柄摇杆机构设有连接杆、从动杆、主动杆、捣碎器、捣罐、支撑架；
[0009]所述水车位于底板右侧，作为整个教具的动力来源，水车传动轴一端与水车通过销相连接，水车传动轴另一端与竖直锥齿轮相连，竖直锥齿轮与水平锥齿轮啮合，从而使转动方向改为水平转动，并通过锥齿轮轴带动带轮转动；
[0010]所述磨盘位于底板左上角，磨盘安装在磨盘底座上方，磨盘上方安装有从动曲柄、主动曲柄、双曲柄连杆，主动曲柄与带轮连接在同一根轴上，带轮带动主动曲柄运动，并驱动双曲柄机构，从而使磨盘正常工作；
[0011]所述双摇杆机构位于底板左下角，主动摇杆上设有挡板，挡板下方为一盘形凸轮，盘形凸轮固定在凸轮轴上，通过凸轮轴转动来带动盘形凸轮旋转，从而驱动主动摇杆运动，带动筛盘上下运动；
[0012]所述曲柄摇杆机构位于变速器外壳左侧，主动杆件与变速器的上部传动轴相连接，使捣碎器作上下往复运动；
[0013]所述变速器位于底板右下角，上部传动轴、动力凸轮轴与动力输入轴设在变速器外壳内，动力凸轮轴与动力输入轴上设有三组齿轮，变速器下方设有变速手柄，通过变速手柄改变同步器位置，从而改变齿轮组合，实现变速；
[0014]所述水井位于底板左侧中部，水井上方设有左支撑架和右支撑架，手柄通过轴承固定在左支撑架和右支撑架上，手柄右侧连接棘轮，棘轮与棘爪相接触，棘爪安装在立板上，并由弹簧连接立板和棘爪尾部，从而实现手柄的单向运动，起到防掉落作用。
[0015]所述三组齿轮的齿数可分别为20、30、40，齿轮模数可为2.0。
[0016]所述变速器上装有同步器，可以通过同步器简单地实现转速之间的变换。
[0017]所述棘轮的齿数可为12，压力角可为20°，可以允许逆时针方向的转动，而阻碍顺时针方向的转动，从而有效地实现防止水桶下落的作用。
[0018]所述盘形凸轮的基圆半径可为20mm，用于推动推杆作上下往复运动，从而推动双摇杆的主动件的摆动。
[0019]本实用新型的水车安装在底座的右侧作为动力来源；速度方向转换机构位于底座上半部右侧，通过传动轴与水车连接，内部安装有一对锥齿轮，用于将垂直方向转动变换为水平方向转动；所述磨盘位于底座的上半部左侧，使用双曲柄机构驱动；变速箱位于底座下半部右侧，由定轴轮系组成；捣碎器位于变速箱左侧，使用曲柄摇杆机构驱动；筛子位于底座下半部左侧，使用双摇杆机构驱动；凸轮位于双摇杆主动件下部，用于推动主动件往复运动；水井位于磨盘和筛子中间；棘轮位于水井提水柄的一端，防止提水过程中水井掉落；上述各个部分分别作为一个模块，整个教具进行模块化设计，可以由各个模块拼接组成，也可以根据需要拆卸。
[0020]由此可见，本实用新型具有以下显著优点:
[0021]1、借助古代水磨坊的环境来展示机械相关知识，提高课堂趣味性，激发学生兴趣，达到了寓教于乐的效果。同时，本实用新型的功能更丰富，展示方式更具体，结构更简单合理，教学效果更好。
[0022]2、通过磨盘、捣碎器、筛子三者的工作过程来分别展示双曲柄机构、曲柄摇杆机构、双摇杆机构的运行过程。并且，三种机构通过控制变量法三种机构的四杆长度分别相同，但机架所在的位置不同来展示三种机构的形成条件。
[0023]3、本实用新型的三种机构中，四根杆长度均被分别设为55mm、80mm、85mm、90mm,且满足55+90〈80+85，既存在整转副。三种机构的机架位置设置不同，磨盘四杆机构中，最短杆为机架，形成双曲柄机构；捣碎器四杆机构中，最短杆的邻边为机架，形成曲柄摇杆机构；筛子四杆机构中，最长杆为机架，形成双摇杆机构。至此，可以展示铰链四杆机构的三种类型及它们形成的条件。
[0024]4、由于磨盘的位置处设有滑轨，可通过移动位置改变机架的长度，并通过更换其他杆的长度来形成平行四边形，进而展示双曲柄机构的特殊情况:平行四边形机构和逆平行四边形机构。
[0025]5、通过变速箱的功能实现来具体展示定轴轮系，其作用是在水车转速过快或过慢时进行调节，保证磨坊各个功能能够得到所要求的转速。变速器设有三组齿轮，齿轮模数为2.0，齿数分别为20、30、40，可以提供1: 2、1: 0.5,1: I三种传动比，分别用于加速、减速及保持转速不变。变速器上装有同步器，可以通过同步器简单地实现转速之间的变换。
[0026]6、通过水井防掉落装置来展示棘轮，其主要的作用是防止提水过程中水桶下落。该棘轮机构采用的是外接棘轮机构，棘轮齿数为12，压力角为20°，可以允许逆时针方向的转动，而阻碍顺时针方向的转动，从而有效地实现防止水桶下落的作用。
[0027]7、通过双摇杆机构主动件的运动来展示凸轮，在筛子处传动轴上安装有一个盘形凸轮，基圆半径为20mm，用于推动推杆作上下往复运动，从而推动双摇杆的主动件的摆动。并且，当升程达到最大值和最小值时，正好使双摇杆的摆动达到极限位置，从而使双摇杆能够正常地实现往复摆动。
[0028]8、本实用新型依托古代磨坊的功能结构，提供了一种多功能机械原理展示教具，可取名为“梦幻”磨坊。本实用新型根据古代别具特色的水磨坊这一特定的背景环境，运用机械知识来实现磨坊的功能，进而展示相关的机械知识。该教具整体上包含动力系统、传动系统、变速系统、执行系统四个部分，展示的机械原理知识包括铰链四杆机构三种类型双曲柄机构、曲柄摇杆机构、双摇杆机构，定轴轮系，棘轮，凸轮。同已有的教具相比，本实用新型趣味性更强，寓教于乐的效果更好，教学效果更佳；另外，本实用新型功能更丰富，展示方式更具体，结构更简单合理。
[0029]9、本实用新型充分考虑了机械学科的特点，利用古代水磨坊作为背景环境，结合磨坊的相关功能来展示机械相关知识，真正做到了寓教于乐。另外，本实用新型功能丰富，结构简单合理，能够实现使复杂的机械知识简单化，使抽象理论具体化、形象化，使枯燥内容趣味化，有效地提高教学的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本实用新型实施例的结构组成示意图。
[0031 ] 图2为图1中A处水井放大示意图。
[0032]图3为图1中B处双摇杆机构的放大示意图。
[0033]图4为图1中D处竖直传动轴的剖视图。
[0034]图5为图1中C处同步器的放大示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。
[0036]如图1?5，本实用新型实施例设有曲柄摇杆机构、水车17、底板10、水车传动轴18、竖直锥齿轮38、水平锥齿轮37、锥齿轮轴36、带轮15、磨盘12、磨盘底座11、从动曲柄13、主动曲柄16、双曲柄连杆14、双摇杆机构、挡板5、盘形凸轮4、凸轮轴2、筛盘6、变速器21、水井26、左支撑架25、右支撑架28、手柄27、棘轮32、棘爪31、弹簧29、立板30。
[0037]所述双摇杆机构设有主动摇杆34、从动摇杆33、双摇杆连杆35 ;所述变速器21设有上部传动轴19、动力凸轮轴22、动力输入轴23和变速手柄20 ;所述曲柄摇杆机构设有连接杆24、从动杆3、主动杆1、捣碎器8、捣罐9、支撑架7。
[0038]所述水车17位于底板10右侧，作为整个教具的动力来源，水车传动轴18 —端与水车17通过销相连接，水车传动轴18另一端与竖直锥齿轮38相连，竖直锥齿轮38与水平锥齿轮37啮合，从而使转动方向改为水平转动，并通过锥齿轮轴36带动带轮15转动。
[0039]所述磨盘12位于底板10左上角，磨盘12安装在磨盘底座11上方，磨盘12上方安装有从动曲柄13、主动曲柄16、双曲柄连杆14，主动曲柄16与带轮15连接在同一根轴上，带轮15带动主动曲柄16运动，并驱动双曲柄机构，从而使磨盘12正常工作。
[0040]所述双摇杆机构位于底板10左下角，主动摇杆34上设有挡板5，挡板5下方为一盘形凸轮4，盘形凸轮4固定在凸轮轴2上，通过凸轮轴2转动来带动盘形凸轮4旋转，从而驱动主动摇杆34运动，带动筛盘6上下运动。
[0041]所述曲柄摇杆机构位于变速器21外壳左侧，主动杆件24与变速器21的上部传动轴19相连接，使捣碎器8作上下往复运动。
[0042]所述变速器21位于底板10右下角，上部传动轴19、动力凸轮轴22与动力输入轴23设在变速器外壳内，动力凸轮轴22与动力输入轴23上设有三组齿轮，变速器21下方设有变速手柄20，通过变速手柄20改变同步器位置，从而改变齿轮组合，实现变速。
[0043]所述水井26位于底板10左侧中部，水井26上方设有左支撑架25和右支撑架28，手柄27通过轴承固定在左支撑架25和右支撑架28上，手柄27右侧连接棘轮32，棘轮32与棘爪31相接触，棘爪31安装在立板30上，并由弹簧29连接立板30和棘爪27尾部，从而实现手柄的单向运动，起到防掉落作用。
[0044]所述三组齿轮的齿数可分别为20、30、40，齿轮模数可为2.0。
[0045]所述变速器上装有同步器，可以通过同步器简单地实现转速之间的变换。
[0046]所述棘轮的齿数可为12，压力角可为20°，可以允许逆时针方向的转动，而阻碍顺时针方向的转动，从而有效地实现防止水桶下落的作用。
[0047]所述盘形凸轮的基圆半径可为20mm，用于推动推杆作上下往复运动，从而推动双摇杆的主动件的摆动。
[0048]本实用新型运用古代水磨坊作为背景环境展示相关机械知识。速度方向转换机构将垂直方向转动变换为水平方向转动的功能使用一对锥齿轮实现。双曲柄机构结合磨盘功能实现来展示。所述定轴轮系结合变速箱功能实现来展示。曲柄摇杆机构结合捣碎器功能实现来展示。双摇杆机构结合筛子功能实现来展示。凸轮结合双摇杆主动件的往复运动来展示。棘轮结合水井防掉落的要求来展示。教具拆分为多个部分进行模块化设计。
[0049]本实用新型的主要特点如下:
[0050]1、本实用新型巧妙地借助古代水磨坊这一背景环境，将多种机械结构集成至磨坊之中，实现相关机械原理的展示。其中，双曲柄机构结合磨盘功能实现来展示，曲柄摇杆机构结合捣碎器功能实现来展示，双摇杆机构结合筛子功能实现来展示，定轴轮系结合变速箱功能实现来展示，凸轮结合双摇杆主动件的运动来展示，棘轮结合水井防掉落的要求来展示。
[0051]2、采用模块化设计的理念，将特点I中各个部分分别作为一个模块，整个教具进行模块化设计，可以由各个模块拼接组成，也可以根据需要拆卸，使教具能达到更好的使用价值和教学效果。
[0052]3、有效提高课堂趣味性，激发学生兴趣，达到了寓教于乐的效果。
[0053]4、适应性强，本实用新型为多功能展示教具，功能十分丰富，能适应多种教学要求。
[0054]5、可操作性强，本实用新型虽然功能强大但结构简单合理，易于教师与学生的实际操作。
[0055]6、通过具体的功能的演示，达到将抽象具体化、将复杂简单化的教学目的。
[0056]7、本实用新型经济性强，利于推广使用。
【权利要求】
1.一种基于四杆机构的机械原理展示教具，其特征在于设有曲柄摇杆机构、水车、底板、水车传动轴、竖直锥齿轮、水平锥齿轮、锥齿轮轴、带轮、磨盘、磨盘底座、从动曲柄、主动曲柄、双曲柄连杆、双摇杆机构、挡板、盘形凸轮、凸轮轴、筛盘、变速器、水井、左支撑架、右支撑架、手柄、棘轮、棘爪、弹簧、立板； 所述双摇杆机构设有主动摇杆、从动摇杆、双摇杆连杆； 所述变速器设有上部传动轴、动力凸轮轴、动力输入轴和变速手柄； 所述曲柄摇杆机构设有连接杆、从动杆、主动杆、捣碎器、捣罐、支撑架； 所述水车位于底板右侧，作为整个教具的动力来源，水车传动轴一端与水车通过销相连接，水车传动轴另一端与竖直锥齿轮相连，竖直锥齿轮与水平锥齿轮啮合，从而使转动方向改为水平转动，并通过锥齿轮轴带动带轮转动； 所述磨盘位于底板左上角，磨盘安装在磨盘底座上方，磨盘上方安装有从动曲柄、主动曲柄、双曲柄连杆，主动曲柄与带轮连接在同一根轴上，带轮带动主动曲柄运动，并驱动双曲柄机构，从而使磨盘正常工作； 所述双摇杆机构位于底板左下角，主动摇杆上设有挡板，挡板下方为一盘形凸轮，盘形凸轮固定在凸轮轴上，通过凸轮轴转动来带动盘形凸轮旋转，从而驱动主动摇杆运动，带动筛盘上下运动； 所述曲柄摇杆机构位于变速器外壳左侧，主动杆件与变速器的上部传动轴相连接，使捣碎器作上下往复运动； 所述变速器位于底板右下角，上部传动轴、动力凸轮轴与动力输入轴设在变速器外壳内，动力凸轮轴与动力输入轴上设有三组齿轮，变速器下方设有变速手柄，通过变速手柄改变同步器位置，从而改变齿轮组合，实现变速； 所述水井位于底板左侧中部，水井上方设有左支撑架和右支撑架，手柄通过轴承固定在左支撑架和右支撑架上，手柄右侧连接棘轮，棘轮与棘爪相接触，棘爪安装在立板上，并由弹簧连接立板和棘爪尾部。
2.如权利要求1所述一种基于四杆机构的机械原理展示教具，其特征在于所述三组齿轮的齿数分别为20、30、40，齿轮模数为2.0。
3.如权利要求1所述一种基于四杆机构的机械原理展示教具，其特征在于所述棘轮的齿数为12，压力角为20°。
4.如权利要求1所述一种基于四杆机构的机械原理展示教具，其特征在于所述盘形凸轮的基圆半径为20mm。
【文档编号】G09B25/02GK204010513SQ201420474172
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2014年8月21日
【发明者】穆瑞, 吕美辉, 罗元易, 马武井, 满艺 申请人:厦门大学