一种动感的差速器轮系综合实验台的制作方法

本发明属于一种机械原理教具，特别涉及一种动感的差速器轮系综合实验教具。

背景技术：

21世纪教具改革是以全面推进素质教育为核心，以实施创新教育和实践教育为主的教育模式，然而在现今的教育发展中，仍存在着诸多问题。以机械实验为例，我国很多学校的机械实验内容枯燥，形式单一，缺乏新鲜、动感和娱乐性，且教具不足，实验设备陈旧、呆板，学生只是机械地做实验, 这和当代大学生生动活泼的天性完全不符，故不能有效激发学生学习兴趣，使教学工作无法顺利展开，从而达不到预期的教学效果，也就不能有效调动学生积极性，挖掘学生的潜能，增强学生的创造力和激活学生的创新思维，这是当前一个重要问题，需要我们的社会、家庭、学生、老师及其财政部门的共同努力，以便更好的培养学生动手能力和创新精神，更好地推行素质教育，将学生培养成为全面发展的人才。差速器是复合轮系的一种典型机构，是汽车的一个重要部件，复合轮系是机械原理的一个重点，也是一个难点，如何把枯燥乏味、晦涩难懂的这部分原理让学生轻松的掌握，是每位教师面临的一个难题。而目前的实验教具形式老套单一、缺乏动感，差速器的差速原理不能形象活泼的演示给学生，这和当代大学生生动活泼的天性完全不符。

技术实现要素：

本发明的目的：项目组设计了能够活跃课堂气氛和加深学生们理解教学内容及机械结构原理的教学实验平台—动感的差速器轮系综合实验台。在欢快的奔跑时（伴随着机器人欢快的摇头、摆臂和舞动下肢），该平台作为新型教具以儿童自行车为载体不仅可动感夸张的模拟差速器的工作原理，还可生动活泼的演示不完全齿轮轮系、四杆机构和链传动的工作过程，使学生“玩中学、学中玩”，达到事半功倍的效果，是一种实用性和趣味娱乐性极强的综合实验平台。该平台让学生能够轻松愉快地学习，这将激发学生的兴趣，调动学生积极性，挖掘学生的潜能，增强学生的创造力，激活学生的创新思维，并将学生学习的知识碎片整理融合为一体从而更好的应用于现实实践中。

本发明的技术方案是：一种动感的差速器轮系综合实验台，其本体包括一个电机、一套差速器轮系、一套不完全三星齿轮轮系转向机构、一对单向超越棘轮、一套四杆机构、一辆儿童自行车、一套链传动机构、一套摩擦装置等。

其特征在于: 该实验台将差速器轮系、四杆机构、不完全三星齿轮轮系转向机构、链传动和单向超越棘轮机构动感欢快的融合在一起，该平台主要由摩擦打滑增阻装置、差速器装置、摆臂装置、摇头装置和舞动下肢装置组成。

利用摩擦打滑增阻装置，实时的模拟地面对汽车两车轮的摩擦力，从而使差速器的两差速轮和实现明显的差速，又通过链传动使两差速轮和的有规律变化的转速分别驱动机器人小车的两个下肢，并分别把差速轮和的两个随时变换的不同转速传递给自行车的脚蹬上，两脚蹬分别带动机器人两腿以不同的频率动感摆动，进而用夸张的两腿的不同摆动频率演示差速器的工作原理。摩擦打滑增阻装置主要由曲柄滑块机构、增阻滑杆、增阻拨杆、压缩弹簧、链条、摩擦片构成，小车行进时，行进电机在控制装置的控制下，驱动差速器转动。当曲柄滑块机构的滑块左右移动时，带动增阻滑杆，增阻滑杆推动增阻拨杆来改变增阻装置弹簧的压缩量，差速器两差速轮两端的弹簧的压力也就由大变小，再有小变大反复的变化，同时弹簧施压摩擦片来周期性的改变两摩擦轮的摩擦力。四杆机构的滑块推动增阻拨杆向右运动时，增阻拨杆带动弹簧压向固定在差速器左端轴上的摩擦片，左端轴上的摩擦片和固定在链轮上的摩擦片相互摩擦，此时左链轮由于阻力增大而转速变小，与其固定的轴以及链轮转速也减小，当弹簧达到极限值时，左链轮停止转动，与此同时相对应的右端轴的转速则增大，与右端轴连接的链轮转速也增大，由此动感实时的模拟了差速器的差速原理，小车动感差速行驶，此时右边大腿运动的频率高于左边大腿的运动频率，更加生动活泼的展现了差速器的差速器原理。当被驱动的四杆机构的增阻滑块推动增阻拨杆向左运动时，结果则相反。当差速器左右两个差速轮和分别连接的轴所受到的阻力相同时，则两差速轮和的转速也相同，左右两对链轮和同步转动，行星框架绕轴线方向转动,此时左右两腿的运动频率一样,同步行驶。

小车行进过程中，大减速齿轮带动其固定连接的头部轴，轴上端连接着三星不完全齿轮机构，此三星不完全齿轮机构由一个大齿轮和一个小齿轮以及不完全齿轮，当电机驱动大减速齿轮时，大减速齿轮驱动不完全齿轮转动，不完全齿轮交替的与小齿轮和大齿轮啮合，此时头部伴随不完全齿轮转动做有规律的来回转动，头部来回摆动。

在左右链轮受到的阻力不相同时，和差速器两差速轮和连接的左右轴和转速也随之变化。分别固定在左右轴和上的两同步带轮的转速也会发生改变。两同步带轮分别与手臂两不完全齿轮固结，当同步带轮转动时，两不完全齿轮的有齿弧段和无齿弧段交替的与肩部两完全齿轮和啮合，两完全齿轮和交替驱动手臂摆动，手臂推动龙头摆动，实现转弯，不完全齿轮与肩部完全齿轮和啮合一次，则与其固定的手臂和驱动龙头发生一次转弯。

本发明的有益效果是：此综合实验平台是一款动感的教具，内部包含多种机械机构，可应用于多个机械实验课堂，如差速器机构实验课堂，不完全齿轮轮系实验课堂，曲柄滑块机构实验课堂、曲柄摇杆机构实验课堂等。还是一种欢快的儿童玩具，有良好的应用价值和市场前景。伴随美妙的音乐，平台欢快的围绕预定的轨迹奔跑同时，通过摇头、摆臂和舞动下肢，在寓教于乐过程中把差速器的差速原理等生动活泼形象的演示给学生。该套实验装置结构新颖，精致，简单多变，知识综合性强，操作简单，造价低廉。

附图说明

图1是差速器轮系综合实验台三维总装图；

图2是差速器三维示意图；

图3是摩擦打滑增阻装置三维示意图；

图4是三星不完全齿轮转向机构三维示意图；

图5是摆臂装置三维示意图；

图6是舞动下肢装置（双棘轮腿部摆动小车前进）三维示意图；

图7是摇头装置三维示意图；

图8是摩擦装置局部三维示意图；

图9是主动摩擦片导向支座三维示意图；

图10是主动摩擦片和主动压板三维示意图；

图11是从动摩擦片和链轮三维示意图；

图12是手臂龙头滑动联接局部三维示意图。其中，

1、头部，2、头部三星齿轮，3、手臂转弯齿轮，4、减速齿轮，5、曲柄滑块机构，6、差速器，7、链轮，8、压缩弹簧，9、电机，10、皮带轮，11、手臂，12、腿，13、踏板，14、小伞齿， 15、行星齿轮框架，16、左差速轮，17、差速器左半轴，18、下行星小齿轮，19、大伞齿，20、上行星小齿轮，21、右差速轮，22、差速器右半轴，23、减速大齿轮，24、直线轴承，25、增阻滑杆，26、增阻拨杆，27、左弹簧，28、左链轮， 29、摩擦片，30、连杆，31、增阻滑块，32、右链轮， 33、右弹簧， 34、不完全齿轮3，35、齿轮1，36、齿轮2，37、左手臂完全齿轮，38、左手臂不完全齿轮，39、左大皮带轮，40、左手臂，41、同步带，42、左小皮带轮，43、龙头，44、右手臂完全齿轮，45、右手臂不完全齿轮，46、右大皮带轮，47、右手臂，48、右小皮带轮，49、左行星齿轮，50、左腿，51、前链轮，52、左棘轮，53、左踏板，54、右行星齿轮，55、右腿，56、右棘轮，57、右踏板，58、后链轮，59、联轴器，60、传动轴1,61、轴承支座1,62、减速小齿轮，63、传动轴2,64、轴承支座2,65、机器人壳体，66、传动轴3,67、轴承支座3,68、主动摩擦片导向支座，69、主动压板，70、主动摩擦片，71、从动摩擦片，72、滑动销，73、滑动槽。

具体实施方式

如图1～12，所述的一种动感的差速器轮系综合实验台该综合实验台以儿童车为载体，包括摩擦打滑增阻装置、摆臂装置、摇头装置和舞动下肢装置，所述的摆臂装置的左小同步带轮42和右小同步带轮48分别固结在摩擦打滑增阻装置的左半轴17和右半轴22的两端，所述的舞动下肢装置的左链轮28和右链轮32分别固结在摩擦打滑增阻装置的左半轴17和右半轴22的中间位置，所述的舞动下肢装置的左棘轮52和右棘轮56分别和舞动下肢装置的左链轮28和右链轮32组成链传动，所述的摇头装置的不完全齿轮34和摩擦打滑增阻装置的减速大齿轮23同轴。图1中，和儿童车后轮相连防止小车摔倒的两个小支撑轮未画出。

为动感的实时模拟差速器的差速原理，用摩擦打滑增阻方式模拟汽车在转弯过程中地面对两车轮的摩擦力的大小，从而达到差速器6的两差速轮差速的目的。所述的摩擦打滑增阻装置主要由曲柄滑块机构5、增阻机构和差速器机构组成。差速器机构主要由大伞齿19、右差速轮21、左差速轮16、上行星小齿轮20、左半轴17、右半轴22、和下行星小齿轮18构成，当右差速轮21和左差速轮16所受转动阻力发生周期性改变时，左差速轮16和右差速轮21转速也会随之发生周期性变化。曲柄滑块机构5由减速大齿轮23（曲柄）、连杆30、增阻滑杆25、增阻滑块31和直线轴承24组成，减速大齿轮23（曲柄）和连杆30、连杆30和增阻滑块31分别组成转动副，增阻滑块31、增阻滑杆25和增阻拨杆26固结，直线轴承24和增阻滑杆25组成移动副，直线轴承24固定在机器人壳体65上，加速大齿轮23（曲柄）和减速小齿轮63啮合，机器人壳体65和自行车固结，齿轮23在电机9带动下作圆周转动，在连杆30的作用下，增阻滑杆25和增阻滑块31一块在直线轴承24的导向下左右滑动。增阻机构主要由增阻拨杆26、左弹簧27、右弹簧33、摩擦片29、链轮7组成，左弹簧27和右弹簧33分别套装在差速器左半轴17和右半轴22上，弹簧一端和增阻拨杆26接触，另一端压紧摩擦片29的主动压板69，主动压板69和主动摩擦片70固结，摩擦片29的从动摩擦片71分别和左链轮28和右链轮32固结，主动摩擦片导向支座68和主动压板69组成间隙配合，主动压板69和摩擦片29的主动摩擦片70在弹簧力作用下可在左半轴17和右半轴22轴向移动，但周向不转动，主动摩擦片70和从动摩擦片71间可摩擦打滑，增阻机构相对于差速器6左右对称。左半轴17和右半轴22分别通过轴承支座67和机器人壳体65的轴承孔安装在机器人壳体65上，主动摩擦片导向支座68和机器人壳体65固结，当两增阻拨杆26随增阻滑杆25左右滑动时，左弹簧27和右弹簧33便交替的伸缩，弹簧通过摩擦片对两链轮28和32产生的摩擦力也亦交替周期性变化，左链轮28和右链轮32分别和差速器的左差速轮16和右差速轮21固结，由差速器的差速原理两链轮的的转速也就发生周期性的交替变化。

由主动电机９驱动大齿轮23，大减速齿轮23再驱动曲柄滑块机构，曲柄滑块机构带动增阻滑杆25和增阻拨杆26在滑动轴承24的导向下左右滑动，增阻拨杆26改变增阻装置左弹簧27和右弹簧33的压缩量，左差速轮16和右差速轮21两端的弹簧的弹力也就由大变小，再有小变大反复的变化，作用在两端摩擦片的摩擦力也亦周期性变化，故左差速轮16和右差速轮21和左链轮28和右链轮32转速发生周期性变化，以此模拟差速器的两差速轮16和21当汽车转弯时摩擦力的实时大小，实现了明显差速的功能。最后把左差速轮16和右差速轮21的两个随时变换的不同转速传递给自行车的脚踏板13上，两脚踏板13分别带动机器人两腿12以不同的频率动感的摆动，摆动频率并有规律的变换。

所述的摇头装置主要由头部三星不完全齿轮转向机构组成，本机构采用两个完全齿轮35、36和一个不完全齿轮34，不完全齿轮34分别有4段无齿弧段和4段有齿段，不完全齿轮34的无齿弧段和有齿段交替的和两个完全齿轮35、36接触和啮合，电机9通过联轴器59和传动轴60固结，减速小齿轮63、小伞齿14和传动轴60固结，减速大齿轮23、不完全齿轮34和传动轴62固结，齿轮35、头部1和传动轴66固结，传动轴60、传动轴62、传动轴66、电机9和齿轮36分别通过轴承支座61、轴承支座64、紧定螺钉以及机器人壳体65内部轴承孔安装在机器人壳体65上。图４、图7图示状态时，齿轮35和齿轮34的有齿弧段接触，齿轮34直接通过齿轮啮合驱动齿轮35，此时齿轮36和齿轮34的无齿弧段接触与齿轮34不能啮合，故齿轮35和齿轮34转向相反。当齿轮35和齿轮34的无齿弧段接触，齿轮36和齿轮34的有齿弧段接触时，齿轮34通过齿轮36驱动齿轮35转动，此时齿轮35和齿轮34转向相同。不完全齿轮34由电机9通过传动系统驱动，不完全齿轮34连续转动时，齿轮34的有齿弧段和无齿弧段便交替的和齿轮35和齿轮36啮合和接触，齿轮35便不停的带动头部1有规律且欢快活泼摆动。齿轮35的左右摆动角度和摆动频率是由不完全齿轮34的有齿弧段的齿数和无齿弧段的弧度（无齿弧段所占角度）确定。本方案中齿轮1齿数为40 ，齿轮2齿数为16，不完全齿轮3齿数为60，将这60个齿分为五等份，每一份留三个齿头部回转的角度约为70度左右。

所述的摆臂装置中，差速器6的左差速轮16和右差速轮21分别和固定在左半轴17和右半轴22上的左手臂不完全齿轮38和右手臂不完全齿轮45固结，左大同步带轮39和右大同步带轮46分别与左手臂不完全齿轮38和右手臂不完全齿轮45固结，左手臂不完全齿轮38和右手臂不完全齿轮45的有齿弧段和无齿弧段交替的分别和左手臂完全齿轮37和右手臂完全齿轮44接触啮合，左手臂完全齿轮37和右手臂完全齿轮44分别和左右手臂左手臂40和右手臂47固结，左手臂40和右手臂47的滑动销73和龙头滑槽74为间隙配合。当差速器6的左差速轮16和右差速轮21受到的阻力不同时，和差速器左差速轮16和右差速轮21连接的左半轴17和右半轴22转速也随之变化，分别固定在左半轴17和右半轴22上的左小同步带轮42和右小同步带轮48的转速也会发生改变，在同步带41的传动下，左大同步带轮39和右大同步带轮46以不同的转速分别带动左手臂不完全齿轮38和右手臂不完全齿轮45转动，当左手臂不完全齿轮38有齿弧段和左手臂完全齿轮37啮合时（此时，右手臂不完全齿轮45无齿弧段便和右手臂完全齿轮44接触），在左手臂完全齿轮37的驱动下左手臂40便会摆动，进而滑动销73在滑动槽74内滑动，从而带动龙头43顺时针转动，实现龙头43的右转弯。当右手臂不完全齿轮45有齿弧段和完全齿轮44啮合时（此时，左手臂不完全齿轮38无齿弧段便和左手臂完全齿轮37接触），在右手臂完全齿轮44的驱动下右手臂47便会摆动，进而带动龙头43逆时针转动，实现龙头43的左转弯，左手臂不完全齿轮38和右手臂不完全齿轮45的有齿弧段和无齿弧段交替的以不同的速度与肩部左手臂完全齿轮37和右手臂完全齿轮44啮合，两完全齿轮交替驱动左手臂40和右手臂47摆动，进而推动龙头43交替的以不同的速度摆动实现转弯，左手臂不完全齿轮38和右手臂不完全齿轮45与肩部左手臂完全齿轮37和右手臂完全齿轮44每啮合一次，则与其固定的手臂驱动龙头43发生一次转弯。

所述的舞动下肢装置中，左棘轮52、右棘轮56和前链轮51固结在一个轴上，左棘轮52、右棘轮56分别和左腿50和右腿55构成曲柄摇杆机构，左腿50和右腿55的一端分别和左踏板53和右踏板57固结，另一端和机器人壳体65组成转动副，左棘轮52和右棘轮56分别固结一链轮，链轮28、链轮32分别和左棘轮52、右棘轮56组成链传动，以摩擦打滑增阻方式实时模拟汽车在转弯过程中差速器6左差速轮16和右差速轮21所受摩擦阻力的大小改变时，左差速轮16和右差速轮21便以不同的转速转动，进而带动左棘轮52和右棘轮56以不同的转速转动，故左棘轮52和右棘轮56以不同的速度带动左腿50和右腿55以不同的频率摆动，通过左腿50和右腿55以不同的频率摆动来清晰的演示差速器6差速的目的，由棘轮的单向超越性，链轮51时刻和速度较快的棘轮保持同步，后链轮58和车轮也便时刻由速度较快的棘轮驱动，即有差速器的转速较快的差速轮驱动。