一种新式齿轮传动教具

贺莹+武淑娟+门宽柱

摘 要：针对传统《机械原理》类课程教学中存在的图形讲解抽象、不直观以及教具形式单一、缺乏趣味性等问题，设计并制作了一套以“旋转舞台”为表现形式，可用于行星轮系、齿轮上点的运动轨迹、滑移齿轮变速、蜗轮蜗杆传动等多个知识点的教学演示的新式教具，形象直观且颇具趣味性，有助于激发学生的学习兴趣和创新意识。

关键词：行星轮系 内摆线轨迹 滑移齿轮 旋转舞台 教具

中图分类号：TH132.4 文献标识码：A 文章编号：1003-9082 （2017） 04-0119-01

引言

在实际机械中，为了获得大传动比或变速、变向，往往需要用若干对齿轮组成轮系来实现。根据轮系运转时各齿轮的几何轴线位置相对于机架是否固定，轮系被分为定轴轮系、周转轮系和混合轮系[1]。这些轮系不但在机械设备中有广泛的应用，也是《机械原理》类课程的重点内容。但是长久以来，在课堂上讲解这些传动机构原理时，教师往往仅凭借一张张机构简图向学生作介绍，抽象而不直观，不便于学生理解。虽然很多高校都针对课程内容购买了相应的教具，但是总的来说形式单一、缺乏趣味性，难以激发学生的学习兴趣。因此，设计并制作了一种以旋转舞台为表现形式的新式轮系教具。

一、“旋转舞台”教具的结构原理

旋转舞台教具的基本原理是当一个动圆内切于一个定圆，动圆沿定圆内做纯滚动时，动圆上任意一点的轨迹曲线称为内摆线[2～4]。例如，当定圆直径与动圆直径之比为3：1时，两圆切点的轨迹曲线如图1所示。

一对标准内啮合齿轮就可以看作是小齿轮在大齿轮上做纯滚动，此时小齿轮分度圆上的点就可以走出内摆线轨迹如图2（a）所示，而且选取小齿轮上不同点，能够得到千变万化的运动轨迹。例如：如果选定的点在分度圆以外，则该点走出的轨迹称作长幅内摆线，如图2（b）所示；如果选定的点在分度圆以内，则该点走出的轨迹称作短幅内摆线，如图2（c）所示。

根据行星轮系的上述特点，结合旋转舞台的表现效果，设计由三个行星轮与大齿轮内啮合的形式，如图3所示，并且大齿轮直径是小齿轮直径的3倍。

在三个行星轮上按照分度圆上、分度圆外和分度圆内三个不同区域的点（A、B、C）安装跳舞的小人模型，行星轮转动时，小人纷纷按照各自的運动轨迹“翩翩起舞”，并在彩灯的映衬下，犹如一座华美的旋转舞台，如图4所示。

舞台旋转的动力由人转动手轮提供。为了使舞台呈现不同的转速，在舞台下部还设计了滑移齿轮、蜗轮蜗杆等传动机构调节舞台的转速，如图5所示。转动手轮，为舞台提供动力。将手轮沿轴向平移即推动滑移齿轮使不同传动比的齿轮啮合，从而向舞台传递不同的转速。

二、结束语

这套教具可用于行星轮系、内摆线轨迹、滑移齿轮变速机构、蜗轮蜗杆传动等多个知识点的教学演示，而且装拆和调整方便，使学生可以更加直观的观察和理解齿轮传动的原理和特点，感受齿轮传动形式的灵活性和多样性，并辅以旋转舞台这样生动有趣的表现形式，有助于激发学生的学习兴趣和创新意识。

参考文献

[1]吴联兴主编.机械设计基础[M].天津：天津大学出版社，2007.

[2]张策主编.机械原理与机械设计（上册）[M].北京：机械工业出版社2006.

[3]刘希玲，刘湘洪.内摆线的平面运动[J].长沙铁道学院学报，1998，（01）：75-79.

[4]夏合勇，戴俊平，赵川.内摆线的轨迹性质分析[J].机电工程技术，2017，（01）：25-30.

作者简介：贺莹，（1980-），男，天津人，讲师，硕士，研究方向：机器人学、机电传动与控制。

通讯作者：门宽柱，（1980-），男，天津人，中级机械工程师，本科，研究方向：机械制造工艺与设备。