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1、 第六届全国大学生机械创新设计大赛参赛作品黑板渐开线绘图仪设计说明书 设计者：唐梦飞，左明明，周奇，黄妍，张蒙蒙 指导老师：李继高，郑开陆 学校：江汉大学文理学院 时间：2014年3月12日 黑板渐开线绘图仪 设计者：唐梦飞，左明明，周奇，黄妍，张蒙蒙 指导老师：李继高，郑开陆（江汉大学文理学院 机电与建筑工程学部 武汉430056）摘要：为加深学生对齿轮参数对齿轮啮合影响的感性认识，设计一种在课堂教学中方便、准确绘制齿轮渐开线的简易装置。本装置利用吸盘作为基座固定在黑板上，再通过准确定位的导轨和横梁组成的移动绘图框架，模拟利用齿轮渐开线生成原理，在黑板上通过移动绘图框架带动粉笔画出多种不同基
2、圆的渐开线。关键词：渐开线；齿轮；吸盘；不同基圆 作品内容简介 本作品根据第六届全国大学生机械创新设计大赛主旨要求而设计，属于“教室使用设备”，主要提供一种可以在黑板上方便、准确画出渐开线的装置。本装置利用吸盘作为基座固定在黑板上，再通过较准确定位的滑轨和横梁组成的移动绘图框架，利用齿轮渐开线生成原理，在黑板上通过绘图移动框架带动粉笔画出多种不同基圆渐开线。而且该装置结构简单，操作方便，便于制作。此外，若对本装置进行少量改造，还可以拓展其功能，如在黑板上画出双曲线等。1 研究背景及意义 齿轮的齿形参数对齿轮啮合有着重要的影响，教师在讲解该部分知识点时，为了让学生对齿轮齿形和齿轮的啮合有一个更清
3、晰的认识，必须让学生弄清渐开线的形成原理。经调研，在目前的相关教学中，多数教师要么借用多媒体展示渐开线的形成，要么直接用粉笔在黑板上粗略的画图说明。然而这对于我们学生来说，这样会使原本理论性较强的内容感觉更为枯燥乏味，因而很难对渐开线有一个较深刻的感性认识。鉴于此，设计一种黑板渐开线绘图仪，可以在黑板上更直观地展示出渐开线的形成，展示的过程既可以由老师操作，也可由学生本人操作，这样既方便了老师的教学，同时也可以提高学生的学习兴趣，在互动中对渐开线的形成有一个深刻的认识。所画的某一基圆对应的渐开线如图1所示。（与此同时，若对本装置进行少量改造，还可以拓展其功能，如在黑板上画出双曲线等，做到一物多
4、用）。图1 渐开线示意图2 设计方案 2.1总体设计构想为了实现可以在黑板上画出不同基圆的渐开线的功能，首先设计一个可以吸附在黑板上的装置，利用吸盘作为基座固定在黑板上，再利用齿轮渐开线生成原理，在黑板上通过移动绘图框架带动粉笔画出多种不同基圆的渐开线。其总体结构如图2所示。图2 绘图仪总体结构 2.2方案设计 （1）吸附装置的设计吸附装置的主要功能是将整个装置固定在黑板上。设计时，主要考虑的是如何把装置牢固地吸附在黑板上及其成本问题。考虑到常用黑板多用玻璃等非磁性黑板，从安装和使用的便利性的角度来分析，市面上常见的磁性吸附装置或机械夹持装置均不合适本装置。故本设计选用市面上规格为120*28
5、的真空吸盘，其不仅能提供较大的承重量，而且价格较为便宜。在实际操作过程中发现，在承受装置自重的情况下，即使在操作过程中附加一定的力矩，整个装置仍能稳定安全的工作。吸附装置实物图如图3，三维仿真如图4所示。 图3吸附装置 图4仿真吸附装置 （2）移动绘图框架移动绘图框架主要为粉笔的运动提供工作平台，确保其运动轨迹的准确性和稳定性。在设计过程中，主要考虑框架的稳定性、可调节性、制造周期及其成本等问题。整个框架设计为由三根导轨和两根横梁组成的方形框形结构。为保证其稳定性，导轨选用市面上的HRC-9型钢制滑轨，其加工精度较高，且导轨上开有等间距的孔，方便根据基圆的大小调整滑轨的距离。横梁采用实验室废弃
6、的有机玻璃尺制作，与木材和金属件等其他普通材料相比，使用废弃的有机玻璃不仅可以更容易加工出用于安装的螺纹孔，还可以有效地减轻整个绘图移动框架的重量和制造成本。经过多次试验，使用有机玻璃做成的横梁可以在按规程操作的情况下可以保证使用强度。为防止使用不当而折断横梁，也可以换成铝合金件以增加强度。绘图移动框架结构如图5所示。 图5 移动绘图框架（3）回弹装置的设计在画渐开线的过程中，粉笔的移动的动力主要依靠回弹装置来提供，因而回弹装置回复能力至关重要。本设计中粉笔沿着滑轨移动的最大距离是400mm，若选择用普通的弹簧来带动滑轨运动，不仅弹簧容易失效，也会因其自身长度的限制而减少粉笔移动的有效距离。因
7、此在本次设计中，回弹装置我们选用生活中常见卷尺中的卷轴弹簧。具体做法为：把卷尺的外盖拆开，去除其它部分，只留下中心的卷轴弹簧，盖上外盖后将弹簧的一端固定在滑轨的一头的立轴上，另一端通过引线连接滑轨上用于固定粉笔卡槽的滑块。卷紧弹簧，即可实现粉笔的来回移动。其结构如图6所示。 图6回弹装置3理论计算及校核（1）吸附力的校核： 所选用吸盘的单个直径为120mm，摩擦系数取0.3，大气压强取105Pa，若两个吸盘与黑板完全贴合时，所能提供的最大摩擦力为：F=3.14*(120*10-3/2)m*(120*10-3/2)m* 105 Pa*0.3*2=678.2N装置的总质量（包括吸盘质量）控制在2
8、Kg以内，取作2Kg，其对应的重力为：G=2Kg*10N/Kg=20N因为FG，所以理论上讲本装置的安全系数较高。对本装置的样机进行了现场测试时，本次选用的吸附装置在黑板上吸附的时间大于5小时，满足设计需求。为进一步提高吸附的稳定性，在吸附前，可以在吸盘上涂少量的凡士林。吸附装置上安装一支承板，总体外形呈一个三角形机构，具有较好的稳定性，如图6所示。 图6吸附装置外形图（2）移动绘图框架结构尺寸计算及强度校核 为了画出多种不同基圆对应的渐开线，方形移动绘图框架的两根周向滑轨长为180mm，径向滑轨长为430mm。可以适应90mm190mm的基圆。框架在对角位置进行简易支撑，理论上讲，框架平面与
9、黑板面平行时，工作过程中，框架所受弯矩较小，工作可靠。可根据实际使用工作中的稳定性增加相应的支撑。实物样机如图7所示。 图7移动绘图框架实物样机 图8移动绘图框架仿真图（3）回弹装置的校核回弹装置的主要作用是拉动用于固定粉笔卡槽的滑块。此滑块内有滚珠与滑轨配合，滑动时摩擦力经实测小于0.2N。挑选市面上回复性较好的卷尺，其所用卷轴弹簧的收缩力远大于0.2N，确保顺利拖动滑块。 4工作原理及性能 4.1工作原理 下面结合绘图仪的装配及绘图操作步骤来简要说明绘图仪的工作原理。(1) 将吸附装置放在水平桌子上，再将移动绘图框架固定在吸附装置的立柱上；(2) 选取一个所需要大小的用复合板做成的基圆，并
10、将其固定在吸附装置上，与移动绘图框架在同一根立柱上，实现同轴；(3) 将回弹装置通过引线连接在用于固定粉笔的卡槽滑块上并与基圆相连接，调节径向滑轨两端在周向滑轨上的位置，使滑块上的引线与基圆相切；(4) 将径向滑轨上的滑块移动到基圆侧，将引线缠绕在基圆圆周上的环槽中，直到引线拉直且与基圆相切，最后用上下螺母锁紧基圆，确保其在绘图过程中不能转动；(5) 将前述（1）（2）（3）（4）步初步组装好的装置转移至黑板合适的位置，用手施加一定的压力，扣紧吸盘的锁扣，将整个装置吸附在黑板上；(6) 用一只手操作移动框架上的手柄使框架在黑板平面内绕吸附装置上的立柱转动，另一只手辅助托住移动框架进行保护。在回
11、弹装置的收缩拉力的作用下，固定在径向滑轨滑块上粉笔开始运动，叠加因移动绘图框架转动而产生的运动，粉笔所画的痕迹即为此时基圆的渐开线。实物图如下：(7) 需要不同基圆的渐开线时，可选用相应的基圆，换下黑板上所用基圆，然后重复（1）（6）步骤；需要反向的渐开线时，可以对调移动框架两对角支撑的方位，同时改变圆上引线缠绕的方向，按照反方向旋转框架即可。图9和图10分别是装配图主视图和左视图 图9主视图 图10左视图 4.3性能(1) 整个装置无复杂的传动零部件，工作时可靠性好，便于装配，便于调节，可方便绘制不同基圆的渐开线；(2) 移动绘图框架通过轴承定位，同时采用较高精度的滑轨，确保了渐开线绘制的准
12、确性；(3) 整体结构简单，价格便宜，便于教师和学生自行设计与改造。 5创新点及应用价值 本绘图仪主要为教师讲解渐开线齿轮提供一种辅助教学用具，通过其在黑板上的演示，直观地展现渐开线的形成原理，加深学生对齿轮齿形参数的认识。同时，也可由学生自已动手操作，在安装和调试的过程中，提高学习兴趣和动手能力。本装置经过少量改造，还可以实现其它类似功能，不仅可以用于机械类课程的课堂教学，也可以作为实验室的实验器材，还可以用于数学等其它相关课程的教学，有一定的市场前景。本设计的创新点在于： 用真空吸盘作为吸附装置，装置整体结构简单，操作方便； 移动绘图框架等采用轴承定位，结构合理，所画渐开线较准确； 设计中优先选用标准件，就地取材，甚至使用废弃物料制作零件，装置造价便宜，便于教师和学生自行设计与改造。参考文献 1、陈立德 . 计基础（第三版）.南京：南京大学出版社，1993. 2、吴宗泽 . 机械零件设计手册.北京：机械工业出版社，2004. 3、孙靖民 . 代机械设计方法选讲 .哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,1992. 4、陈榕林 . 械设计应用手册.北京:科技大学文献出版社，1995. 5、黄文灿 . 机械设计基础. 北京：机械工业出版社,1992.
