一種演示飛輪調(diào)速的裝置制造方法
【專利摘要】一種演示飛輪調(diào)速的裝置，包括底座和飛輪，飛輪盤和飛輪片，飛輪片固定安裝在飛輪盤上，飛輪盤固定安裝在飛輪軸上，一級傳動部分包括用于提供動力的手柄，輸入軸通過聯(lián)軸器與飛輪軸的一端相連，飛輪軸上安裝有小同步帶輪；二級傳動部分包括用于連接一級和二級傳動的大同步帶輪，小同步帶輪、大同步帶輪套裝在同步帶上，大同步帶輪安裝在小齒輪軸的一端，小齒輪軸的另一端安裝有小齒輪，小齒輪與大齒輪嚙合，大齒輪安裝在大齒輪軸上，與大齒輪軸的軸線重合的中間軸安裝在軸承座上；大齒輪軸和中間軸的相對端均與輸出機構(gòu)連接，輸出機構(gòu)與負載聯(lián)動。本實用新型簡化結(jié)構(gòu)、降低成本、操作簡便、適用于教學(xué)使用。
【專利說明】—種演示飛輪調(diào)速的裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及教學(xué)輔助用具，尤其是一種演示飛輪調(diào)速的裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]一般情況下，機械在運動過程中會出現(xiàn)速度波動，而這種速度波動會導(dǎo)致在運動副中產(chǎn)生附加動壓力，并引起機械的振動，從而降低機械的壽命、效率和工作質(zhì)量。
[0003]飛輪由于其大的轉(zhuǎn)動慣量，可以充當(dāng)能量儲存器，調(diào)節(jié)機器運轉(zhuǎn)的速度波動。當(dāng)外力對系統(tǒng)作盈功時，它以動能的形式把多余的能量儲存起來，使機械速度上升的幅度減小；當(dāng)外力對系統(tǒng)作虧功時，它又釋放儲存的能量，使機械速度下降的幅度減小。
[0004]然而，目前市場上關(guān)于飛輪調(diào)速的裝置多是自動化程度很高的機械裝置，這些裝置不僅笨重、價格昂貴，而且往往沒有直觀地展現(xiàn)飛輪的功能。另外，這些裝置的操作方法要求高，整個裝置的操作需要專門的技術(shù)人員的指導(dǎo)，難以實現(xiàn)將其用于教具在各大高校之間大規(guī)模的普及。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服已有演示飛輪調(diào)速方式的結(jié)構(gòu)笨重、價格昂貴、操作復(fù)雜、不能適用于教學(xué)使用的不足，本實用新型提供一種簡化結(jié)構(gòu)、降低成本、操作簡便、適用于教學(xué)使用的演示飛輪調(diào)速的裝置。
[0006]本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種演示飛輪調(diào)速的裝置，包括底座和飛輪，所述飛輪盤和飛輪片，所述飛輪片固定安裝在飛輪盤上，所述飛輪盤固定安裝在飛輪軸上，所述裝置還包括一級傳動部分、二級傳動部分、輸出機構(gòu)和負載，其中，
[0008]所述一級傳動部分包括用于提供動力的手柄，所述手柄安裝在轉(zhuǎn)盤上，所述轉(zhuǎn)盤固定安裝在輸入軸上，所述輸入軸的一側(cè)安裝在靠近所述轉(zhuǎn)盤的第--級軸承座上，所述輸入軸的另一端通過聯(lián)軸器與飛輪軸的一端相連，所述飛輪軸的另一端安裝所述飛輪盤，
所述飛輪軸安裝在第二一級軸承座上，所述第--級軸承座和第二一級軸承座固定安裝在底座上，所述飛輪軸上安裝有小同步帶輪；
[0009]所述二級傳動部分包括用于連接一級和二級傳動的大同步帶輪,所述小同步帶輪、大同步帶輪套裝在同步帶上，所述大同步帶輪安裝在小齒輪軸的一端，所述小齒輪軸的另一端安裝有小齒輪，所述大同步帶輪和所述小齒輪之間的小齒輪軸上安放有兩個第一二級軸承座，所述小齒輪與大齒輪嚙合，所述大齒輪安裝在大齒輪軸上，所述大齒輪軸安裝在第二二級軸承座上，且與所述大齒輪軸的軸線重合的中間軸安裝在第三二級軸承座上，所述第一二級軸承座、第二二級軸承座和第三二級軸承座均固定安裝在底座上；
[0010]所述大齒輪軸和中間軸的相對端均與所述輸出機構(gòu)連接，所述輸出機構(gòu)與負載聯(lián)動。
[0011]優(yōu)選的，所述輸出機構(gòu)為六桿肘桿機構(gòu)，所述六桿肘桿機構(gòu)包括支架、兩根擺桿、一根連桿、兩根支撐桿、一根支桿、一根滑桿，所述大齒輪軸和中間軸的相對端均與一根擺桿的上端連接，一根連桿的上端位于兩根擺桿的下端之間，一根連桿的上端和兩根擺桿的下端之間通過銷相連，所述一根連桿的下端與其中一根支撐桿的下端、另一根支撐桿的上端通過銷相連，其中一根支撐桿的上端與一根支桿的一端通過銷相連，一根支桿的另一端固定安裝在支架的上部，所述另一根支撐桿的下端與滑桿的上端通過銷相連，所述滑桿可上下滑動地套裝在滑槽內(nèi)，所述滑槽固定安裝在所述支架的下部，所述滑槽的下端安裝沖頭，所述沖頭位于負載上。當(dāng)然，輸出機構(gòu)也可以采用其他連桿結(jié)構(gòu)。
[0012]再進一步，所述負載為彈簧塊。該結(jié)構(gòu)形式可以模擬鍛壓機，如果是其他機床，也可以采用其他類型的負載。
[0013]所述小齒輪軸上安裝轉(zhuǎn)速傳感器，所述轉(zhuǎn)速傳感器與用于根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器信號生成轉(zhuǎn)速曲線的轉(zhuǎn)速波動演示模塊。所述轉(zhuǎn)速波動演示模塊可以采用PC機來實現(xiàn)。
[0014]所述飛輪盤和飛輪片通過螺栓連接，所述飛輪盤中間部分設(shè)有用以高速旋轉(zhuǎn)時防止重心偏移的臺階。
[0015]本實用新型的有益效果主要表現(xiàn)在:簡化結(jié)構(gòu)、降低成本、操作簡便、適用于教學(xué)使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本實用新型實施例1提供的演示飛輪調(diào)速的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2本實用新型實施例1提供的飛輪結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3本實用新型實施例1提供的飛輪調(diào)速轉(zhuǎn)速波動圖；
[0019]圖4本實用新型實施例1提供的飛輪調(diào)速裝置的六桿肘桿機構(gòu)示意圖；
[0020]圖5為圖4中A處的放大示意圖。

【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步描述。
[0022]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本實用新型及其特征、外形和優(yōu)點將會變得更加明顯。在全部附圖中相同的標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按照比例繪制附圖，重點在于示出本實用新型的主旨。
[0023]參照圖1?圖5，一種演示飛輪調(diào)速的裝置，包括底座和飛輪，所述飛輪盤107和飛輪片108，所述飛輪片108固定安裝在飛輪盤107上，所述飛輪盤107固定安裝在飛輪軸105上，所述裝置還包括一級傳動部分1、二級傳動部分2、輸出機構(gòu)3和負載，其中，
[0024]所述一級傳動部分I包括用于提供動力的手柄101，所述手柄101安裝在轉(zhuǎn)盤上，
所述轉(zhuǎn)盤固定安裝在輸入軸103上，所述輸入軸103的一側(cè)安裝在靠近所述轉(zhuǎn)盤的第--
級軸承座1021上，所述輸入軸103的另一端通過聯(lián)軸器104與飛輪軸105的一端相連，所述飛輪軸105的另一端安裝所述飛輪盤107，所述飛輪軸105安裝在第二一級軸承座1022上，所述第一一級軸承座1021和第二一級軸承座1022固定安裝在底座上，所述飛輪軸105上安裝有小同步帶輪106 ；
[0025]所述二級傳動部分2包括用于連接一級和二級傳動的大同步帶輪209,所述小同步帶輪106、大同步帶輪209套裝在同步帶上，所述大同步帶輪209安裝在小齒輪軸204的一端，所述小齒輪軸204的另一端安裝有小齒輪208，所述大同步帶輪209和所述小齒輪208之間的小齒輪軸上安放有兩個第一二級軸承座2021，所述小齒輪208與大齒輪205嚙合，所述大齒輪205安裝在大齒輪軸203上，所述大齒輪軸203安裝在第二二級軸承座2022上，且與所述大齒輪軸203的軸線重合的中間軸201安裝在第三二級軸承座2023上，所述第一二級軸承座2021、第二二級軸承座2022和第三二級軸承座2023均固定安裝在底座上；
[0026]所述大齒輪軸203和中間軸201的相對端均與所述輸出機構(gòu)3連接，所述輸出機構(gòu)3與負載聯(lián)動。
[0027]優(yōu)選的，所述輸出機構(gòu)3為六桿肘桿機構(gòu)，所述六桿肘桿機構(gòu)包括支架301、兩根擺桿304、一根連桿306、兩根支撐桿3031、3032、一根支桿302、一根滑桿309，所述大齒輪軸203和中間軸201的相對端均與一根擺桿304的上端連接，一根連桿306的上端位于兩根擺桿304的下端之間，一根連桿306的上端和兩根擺桿304的下端之間通過銷305相連，所述一根連桿306的下端與其中一根支撐桿3031的下端、另一根支撐桿3032的上端通過銷307相連，其中一根支撐桿3031的上端與一根支桿302的一端通過銷相連，一根支桿302的另一端固定安裝在支架301的上部，所述另一根支撐桿3032的下端與滑桿309的上端通過銷308相連，所述滑桿309可上下滑動地套裝在滑槽310內(nèi)，所述滑槽310固定安裝在所述支架301的下部，所述滑槽310的下端安裝沖頭311，所述沖頭311位于負載312上。當(dāng)然，輸出機構(gòu)也可以采用其他連桿結(jié)構(gòu)。
[0028]再進一步，所述負載312為彈簧塊。該結(jié)構(gòu)形式可以模擬鍛壓機，如果是其他機床，也可以采用其他類型的負載。
[0029]所述小齒輪軸204上安裝轉(zhuǎn)速傳感器206，所述轉(zhuǎn)速傳感器206與用于根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器信號生成轉(zhuǎn)速曲線的轉(zhuǎn)速波動演示模塊。所述轉(zhuǎn)速波動演示模塊可以采用PC機來實現(xiàn)。
[0030]所述飛輪盤107和飛輪片108通過螺栓連接，所述飛輪盤中間部分設(shè)有用以高速旋轉(zhuǎn)時防止重心偏移的臺階109。
[0031]本實施例的教具基于工程實例——鍛壓機為模型設(shè)計而成，通過演示飛輪調(diào)速的功能，使學(xué)生將理論與實際結(jié)合起來，進一步掌握飛輪理論知識，并激發(fā)學(xué)生深入探究的興趣。
[0032]圖1是本實用新型實施例1提供的飛輪調(diào)速裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，本實用新型實施例1提供的飛輪調(diào)速裝置包括:用于安裝手柄101和飛輪的一級傳動部分1，用于連接整個裝置的功率輸入和輸出的二級傳動部分2，用于執(zhí)行輸出的六桿肘桿機構(gòu)和作為負載的彈簧塊3。
[0033]本實用新型提供的實施例中，飛輪功能的體現(xiàn)主要是飛輪具有大的轉(zhuǎn)動慣量。而飛輪的轉(zhuǎn)動慣量主要又體現(xiàn)在飛輪片108的轉(zhuǎn)動慣量上。對于一個質(zhì)點的轉(zhuǎn)動慣量可以表示為I = mr2,其中I是轉(zhuǎn)動慣量,m是其質(zhì)量，r是質(zhì)點和轉(zhuǎn)軸的垂直距離。
[0034]對飛輪片108的設(shè)計我們采用材料最佳優(yōu)化法，即以最少的材料來獲得最大的轉(zhuǎn)動慣量。結(jié)合飛輪片108的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)動慣量公式，我們把飛輪片108設(shè)計成一個具有一定厚度的圓環(huán)，這樣飛輪片108整體的質(zhì)量就會集中在輪緣上，使得在相同材料的情況下飛輪片108可以做得更大，即讓飛輪片108的半徑變得更大。這樣，我們就實現(xiàn)了用最少的材料來獲得最大的轉(zhuǎn)動慣量。
[0035]如圖2所示，飛輪由飛輪盤107和飛輪片108通過螺栓連接組合而成。其中，飛輪盤107和飛輪片108上對稱的4個位置上各有4個光孔，用螺栓連接組合。飛輪盤107中間部分設(shè)有臺階109，這個結(jié)構(gòu)的設(shè)計是防止飛輪高速旋轉(zhuǎn)時造成飛輪重心偏離軸心，而導(dǎo)致左右晃動。
[0036]這樣，本實用新型提供的實施例中可以通過改變飛輪片108的數(shù)量來實現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)動慣量的變化，從而對比展現(xiàn)出飛輪的功能。
[0037]本實用新型提供的實施例中，裝置的角速度波動顯示是由小齒輪軸204上的傳感器206采集速度信號，用單片機對信號進行處理，然后將得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機，由PC機生成轉(zhuǎn)速曲線，通過安裝不同數(shù)量的飛輪片，可以得到不同的速度波動曲線，通過對比展現(xiàn)飛輪的調(diào)速功能。
[0038]傳感器206采用光電編碼器，配合20柵格碼盤207可以測量軸的轉(zhuǎn)速。傳感器206的信號可以直接送給單片機的I/O 口，且信號為標(biāo)準的方波信號。
[0039]單片機內(nèi)部可以利用一個外部中斷對脈沖進行捕獲，再開啟一個定時中斷產(chǎn)生周期性的中斷，每次進定時中斷時取出脈沖計數(shù)變量的值，并且重置計數(shù)變量的值為O。然后利用取出來的值與定時的周期計算出轉(zhuǎn)速。例:碼盤為20柵格，每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生20個脈沖。計算轉(zhuǎn)速的方法:如果一秒得到40個脈沖，則轉(zhuǎn)速為40/20 = 2轉(zhuǎn)/秒。
[0040]由于向PC機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有兩組并且存在時間上的差異，所以在單片機將數(shù)據(jù)通過USB傳輸?shù)絇C機后，會將數(shù)據(jù)做一次保存，而數(shù)據(jù)保存的格式以二進制的形式保存在PC機上。
[0041]在得到未加飛輪片和加飛輪片兩種情況下轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)后，我們利用MATLAB軟件對得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過平滑處理后，在同一張圖中顯示出來，從而直觀清晰地對比兩種情況下的轉(zhuǎn)速波動情況。
[0042]在針對手搖問題上人的因素的處理上:經(jīng)過我們長期的實驗，并且認真分析了大量數(shù)據(jù)，我們對同一個人的兩次情況經(jīng)過程序算法的一定優(yōu)化，其中優(yōu)化的主要重心是引入算術(shù)平均和距離因子的概念，可以較為合理地解決兩次手搖的人為因素的影響。
[0043]在這里，介紹一下對兩次數(shù)據(jù)的算法優(yōu)化:首先，將兩次記錄下來的數(shù)據(jù)分別進行算術(shù)平均處理得到兩個數(shù)據(jù)A、B。在這里，我們假定A SB。將數(shù)據(jù)B乘以算法給出的距離因子c得到數(shù)據(jù)D，若|A-D|彡δ，δ為算法給出的閥值，則我們將平均值為B的那組數(shù)據(jù)分別乘以距離因子c ;若|A-D|彡δ，則更新距離因子c的值，重復(fù)上述操作。
[0044]如圖3所示，裝置在未加飛輪片和加飛輪片兩種情況下的調(diào)速效果不同，直觀展現(xiàn)了飛輪調(diào)速的功能。
[0045]如圖4和圖5所示，為了使沖頭有更大的力，選用六桿肘桿機構(gòu)，其在接近機構(gòu)下死點時，具有很大的機械利益，滿足鍛壓工作的需要。連桿303和滑桿309采用三點共線的銷接方式，使機構(gòu)在運行時，滑桿309的上下移動變得更加穩(wěn)定。
[0046]本實用新型以工程實例鍛壓機為模型進行教具設(shè)計，破除學(xué)生心中對工程設(shè)備的神秘感，將理論知識與實際融會貫通；通過手搖的驅(qū)動方式和飛輪片的拆裝，增加了學(xué)生的參與性，實現(xiàn)互動式教學(xué)；利用手搖讓學(xué)生親身體會到飛輪帶來的效果，加深學(xué)生的印象；整個教具的機構(gòu)原理清晰明了，外型小巧美觀，消除學(xué)生對機械教具的畏怯感，激發(fā)學(xué)生探究的熱情。
[0047]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)以及上述實施例可以實現(xiàn)所述變化例，在此不予贅述。這樣的變化例并不影響本實用新型的實質(zhì)內(nèi)容，在此不予贅述。
【權(quán)利要求】
1.一種演示飛輪調(diào)速的裝置，包括底座和飛輪，所述飛輪盤和飛輪片，所述飛輪片固定安裝在飛輪盤上，所述飛輪盤固定安裝在飛輪軸上，其特征在于:所述裝置還包括一級傳動部分、二級傳動部分、輸出機構(gòu)和負載，其中， 所述一級傳動部分包括用于提供動力的手柄，所述手柄安裝在轉(zhuǎn)盤上，所述轉(zhuǎn)盤固定安裝在輸入軸上，所述輸入軸的一側(cè)安裝在靠近所述轉(zhuǎn)盤的第一一級軸承座上，所述輸入軸的另一端通過聯(lián)軸器與飛輪軸的一端相連，所述飛輪軸的另一端安裝所述飛輪盤，所述飛輪軸安裝在第二一級軸承座上，所述第—級軸承座和第二一級軸承座固定安裝在底座上，所述飛輪軸上安裝有小同步帶輪； 所述二級傳動部分包括用于連接一級和二級傳動的大同步帶輪，所述小同步帶輪、大同步帶輪套裝在同步帶上，所述大同步帶輪安裝在小齒輪軸的一端，所述小齒輪軸的另一端安裝有小齒輪，所述大同步帶輪和所述小齒輪之間的小齒輪軸上安放有兩個第一二級軸承座，所述小齒輪與大齒輪嚙合，所述大齒輪安裝在大齒輪軸上，所述大齒輪軸安裝在第二二級軸承座上，且與所述大齒輪軸的軸線重合的中間軸安裝在第三二級軸承座上，所述第一二級軸承座、第二二級軸承座和第三二級軸承座均固定安裝在底座上； 所述大齒輪軸和中間軸的相對端均與所述輸出機構(gòu)連接，所述輸出機構(gòu)與負載聯(lián)動。
2.如權(quán)利要求1所述的一種演示飛輪調(diào)速的裝置，其特征在于:所述輸出機構(gòu)為六桿肘桿機構(gòu)，所述六桿肘桿機構(gòu)包括支架、兩根擺桿、一根連桿、兩根支撐桿、一根支桿、一根滑桿，所述大齒輪軸和中間軸的相對端均與一根擺桿的上端連接，一根連桿的上端位于兩根擺桿的下端之間，一根連桿的上端和兩根擺桿的下端之間通過銷相連，所述一根連桿的下端與其中一根支撐桿的下端、另一根支撐桿的上端通過銷相連，其中一根支撐桿的上端與一根支桿的一端通過銷相連，一根支桿的另一端固定安裝在支架的上部，所述另一根支撐桿的下端與滑桿的上端通過銷相連，所述滑桿可上下滑動地套裝在滑槽內(nèi)，所述滑槽固定安裝在所述支架的下部，所述滑槽的下端安裝沖頭，所述沖頭位于負載上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種演示飛輪調(diào)速的裝置，其特征在于:所述負載為彈簧塊。
4.如權(quán)利要求1或2所述的一種演示飛輪調(diào)速的裝置，其特征在于:所述小齒輪軸上安裝轉(zhuǎn)速傳感器，所述轉(zhuǎn)速傳感器與用于根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器信號生成轉(zhuǎn)速曲線的轉(zhuǎn)速波動演示模塊。
5.如權(quán)利要求1或2所述的一種演示飛輪調(diào)速的裝置，其特征在于:所述飛輪盤和飛輪片通過螺栓連接，所述飛輪盤中間部分設(shè)有用以高速旋轉(zhuǎn)時防止重心偏移的臺階。
【文檔編號】G09B25/02GK204010503SQ201420406431
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】陳教選, 卓德城, 陳教料, 李超棟, 王曉地, 項曉軍 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)