一种演示飞轮调速的装置制造方法
【专利摘要】一种演示飞轮调速的装置，包括底座和飞轮，飞轮盘和飞轮片，飞轮片固定安装在飞轮盘上，飞轮盘固定安装在飞轮轴上，一级传动部分包括用于提供动力的手柄，输入轴通过联轴器与飞轮轴的一端相连，飞轮轴上安装有小同步带轮；二级传动部分包括用于连接一级和二级传动的大同步带轮，小同步带轮、大同步带轮套装在同步带上，大同步带轮安装在小齿轮轴的一端，小齿轮轴的另一端安装有小齿轮，小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮安装在大齿轮轴上，与大齿轮轴的轴线重合的中间轴安装在轴承座上；大齿轮轴和中间轴的相对端均与输出机构连接，输出机构与负载联动。本发明简化结构、降低成本、操作简便、适用于教学使用。
【专利说明】—种演示飞轮调速的装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及教学辅助用具，尤其是一种演示飞轮调速的装置。
【背景技术】
[0002]一般情况下，机械在运动过程中会出现速度波动，而这种速度波动会导致在运动副中产生附加动压力，并引起机械的振动，从而降低机械的寿命、效率和工作质量。
[0003]飞轮由于其大的转动惯量，可以充当能量储存器，调节机器运转的速度波动。当外力对系统作盈功时，它以动能的形式把多余的能量储存起来，使机械速度上升的幅度减小；当外力对系统作亏功时，它又释放储存的能量，使机械速度下降的幅度减小。
[0004]然而，目前市场上关于飞轮调速的装置多是自动化程度很高的机械装置，这些装置不仅笨重、价格昂贵，而且往往没有直观地展现飞轮的功能。另外，这些装置的操作方法要求高，整个装置的操作需要专门的技术人员的指导，难以实现将其用于教具在各大高校之间大规模的普及。
【发明内容】
[0005]为了克服已有演示飞轮调速方式的结构笨重、价格昂贵、操作复杂、不能适用于教学使用的不足，本发明提供一种简化结构、降低成本、操作简便、适用于教学使用的演示飞轮调速的装置。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]一种演示飞轮调速的装置，包括底座和飞轮，所述飞轮盘和飞轮片，所述飞轮片固定安装在飞轮盘上，所述飞轮盘固定安装在飞轮轴上，所述装置还包括一级传动部分、二级传动部分、输出机构和负载，其中，
[0008]所述一级传动部分包括用于提供动力的手柄，所述手柄安装在转盘上，所述转盘固定安装在输入轴上，所述输入轴的一侧安装在靠近所述转盘的第--级轴承座上，所述输入轴的另一端通过联轴器与飞轮轴的一端相连，所述飞轮轴的另一端安装所述飞轮盘，
所述飞轮轴安装在第二一级轴承座上，所述第--级轴承座和第二一级轴承座固定安装在底座上，所述飞轮轴上安装有小同步带轮；
[0009]所述二级传动部分包括用于连接一级和二级传动的大同步带轮,所述小同步带轮、大同步带轮套装在同步带上，所述大同步带轮安装在小齿轮轴的一端，所述小齿轮轴的另一端安装有小齿轮，所述大同步带轮和所述小齿轮之间的小齿轮轴上安放有两个第一二级轴承座，所述小齿轮与大齿轮啮合，所述大齿轮安装在大齿轮轴上，所述大齿轮轴安装在第二二级轴承座上，且与所述大齿轮轴的轴线重合的中间轴安装在第三二级轴承座上，所述第一二级轴承座、第二二级轴承座和第三二级轴承座均固定安装在底座上；
[0010]所述大齿轮轴和中间轴的相对端均与所述输出机构连接，所述输出机构与负载联动。
[0011]优选的，所述输出机构为六杆肘杆机构，所述六杆肘杆机构包括支架、两根摆杆、一根连杆、两根支撑杆、一根支杆、一根滑杆，所述大齿轮轴和中间轴的相对端均与一根摆杆的上端连接，一根连杆的上端位于两根摆杆的下端之间，一根连杆的上端和两根摆杆的下端之间通过销相连，所述一根连杆的下端与其中一根支撑杆的下端、另一根支撑杆的上端通过销相连，其中一根支撑杆的上端与一根支杆的一端通过销相连，一根支杆的另一端固定安装在支架的上部，所述另一根支撑杆的下端与滑杆的上端通过销相连，所述滑杆可上下滑动地套装在滑槽内，所述滑槽固定安装在所述支架的下部，所述滑槽的下端安装冲头，所述冲头位于负载上。当然，输出机构也可以采用其他连杆结构。
[0012]再进一步，所述负载为弹簧块。该结构形式可以模拟锻压机，如果是其他机床，也可以采用其他类型的负载。
[0013]所述小齿轮轴上安装转速传感器，所述转速传感器与用于根据转速传感器信号生成转速曲线的转速波动演示模块。所述转速波动演示模块可以采用PC机来实现。
[0014]所述飞轮盘和飞轮片通过螺栓连接，所述飞轮盘中间部分设有用以高速旋转时防止重心偏移的台阶。
[0015]本发明的有益效果主要表现在:简化结构、降低成本、操作简便、适用于教学使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明实施例1提供的演示飞轮调速的装置的结构示意图；
[0017]图2本发明实施例1提供的飞轮结构示意图；
[0018]图3本发明实施例1提供的飞轮调速转速波动图；
[0019]图4本发明实施例1提供的飞轮调速装置的六杆肘杆机构示意图；
[0020]图5为图4中A处的放大示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0022]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、夕卜形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
[0023]参照图1?图5，一种演示飞轮调速的装置，包括底座和飞轮，所述飞轮盘107和飞轮片108，所述飞轮片108固定安装在飞轮盘107上，所述飞轮盘107固定安装在飞轮轴105上，所述装置还包括一级传动部分1、二级传动部分2、输出机构3和负载，其中，
[0024]所述一级传动部分I包括用于提供动力的手柄101，所述手柄101安装在转盘上，
所述转盘固定安装在输入轴103上，所述输入轴103的一侧安装在靠近所述转盘的第--
级轴承座1021上，所述输入轴103的另一端通过联轴器104与飞轮轴105的一端相连，所述飞轮轴105的另一端安装所述飞轮盘107，所述飞轮轴105安装在第二一级轴承座1022上，所述第一一级轴承座1021和第二一级轴承座1022固定安装在底座上，所述飞轮轴105上安装有小同步带轮106 ；
[0025]所述二级传动部分2包括用于连接一级和二级传动的大同步带轮209,所述小同步带轮106、大同步带轮209套装在同步带上，所述大同步带轮209安装在小齿轮轴204的一端，所述小齿轮轴204的另一端安装有小齿轮208，所述大同步带轮209和所述小齿轮208之间的小齿轮轴上安放有两个第一二级轴承座2021，所述小齿轮208与大齿轮205啮合，所述大齿轮205安装在大齿轮轴203上，所述大齿轮轴203安装在第二二级轴承座2022上，且与所述大齿轮轴203的轴线重合的中间轴201安装在第三二级轴承座2023上，所述第一二级轴承座2021、第二二级轴承座2022和第三二级轴承座2023均固定安装在底座上；
[0026]所述大齿轮轴203和中间轴201的相对端均与所述输出机构3连接，所述输出机构3与负载联动。
[0027]优选的，所述输出机构3为六杆肘杆机构，所述六杆肘杆机构包括支架301、两根摆杆304、一根连杆306、两根支撑杆3031、3032、一根支杆302、一根滑杆309，所述大齿轮轴203和中间轴201的相对端均与一根摆杆304的上端连接，一根连杆306的上端位于两根摆杆304的下端之间，一根连杆306的上端和两根摆杆304的下端之间通过销305相连，所述一根连杆306的下端与其中一根支撑杆3031的下端、另一根支撑杆3032的上端通过销307相连，其中一根支撑杆3031的上端与一根支杆302的一端通过销相连，一根支杆302的另一端固定安装在支架301的上部，所述另一根支撑杆3032的下端与滑杆309的上端通过销308相连，所述滑杆309可上下滑动地套装在滑槽310内，所述滑槽310固定安装在所述支架301的下部，所述滑槽310的下端安装冲头311，所述冲头311位于负载312上。当然，输出机构也可以采用其他连杆结构。
[0028]再进一步，所述负载312为弹簧块。该结构形式可以模拟锻压机，如果是其他机床，也可以采用其他类型的负载。
[0029]所述小齿轮轴204上安装转速传感器206，所述转速传感器206与用于根据转速传感器信号生成转速曲线的转速波动演示模块。所述转速波动演示模块可以采用PC机来实现。
[0030]所述飞轮盘107和飞轮片108通过螺栓连接，所述飞轮盘中间部分设有用以高速旋转时防止重心偏移的台阶109。
[0031]本实施例的教具基于工程实例——锻压机为模型设计而成，通过演示飞轮调速的功能，使学生将理论与实际结合起来，进一步掌握飞轮理论知识，并激发学生深入探究的兴趣。
[0032]图1是本发明实施例1提供的飞轮调速装置的结构示意图。如图所示，本发明实施例I提供的飞轮调速装置包括:用于安装手柄101和飞轮的一级传动部分1，用于连接整个装置的功率输入和输出的二级传动部分2，用于执行输出的六杆肘杆机构和作为负载的弹黃块3。
[0033]本发明提供的实施例中，飞轮功能的体现主要是飞轮具有大的转动惯量。而飞轮的转动惯量主要又体现在飞轮片108的转动惯量上。对于一个质点的转动惯量可以表示为I =mr2，其中I是转动惯量，m是其质量，r是质点和转轴的垂直距离。
[0034]对飞轮片108的设计我们采用材料最佳优化法，即以最少的材料来获得最大的转动惯量。结合飞轮片108的结构和转动惯量公式，我们把飞轮片108设计成一个具有一定厚度的圆环，这样飞轮片108整体的质量就会集中在轮缘上，使得在相同材料的情况下飞轮片108可以做得更大，即让飞轮片108的半径变得更大。这样，我们就实现了用最少的材料来获得最大的转动惯量。
[0035]如图2所示，飞轮由飞轮盘107和飞轮片108通过螺栓连接组合而成。其中，飞轮盘107和飞轮片108上对称的4个位置上各有4个光孔，用螺栓连接组合。飞轮盘107中间部分设有台阶109，这个结构的设计是防止飞轮高速旋转时造成飞轮重心偏离轴心，而导致左右晃动。
[0036]这样，本发明提供的实施例中可以通过改变飞轮片108的数量来实现飞轮转动惯量的变化，从而对比展现出飞轮的功能。
[0037]本发明提供的实施例中，装置的角速度波动显示是由小齿轮轴204上的传感器206采集速度信号，用单片机对信号进行处理，然后将得到的数据传输到PC机，由PC机生成转速曲线，通过安装不同数量的飞轮片，可以得到不同的速度波动曲线，通过对比展现飞轮的调速功能。
[0038]传感器206采用光电编码器，配合20栅格码盘207可以测量轴的转速。传感器206的信号可以直接送给单片机的I/O 口，且信号为标准的方波信号。
[0039]单片机内部可以利用一个外部中断对脉冲进行捕获，再开启一个定时中断产生周期性的中断，每次进定时中断时取出脉冲计数变量的值，并且重置计数变量的值为O。然后利用取出来的值与定时的周期计算出转速。例:码盘为20栅格，每转一圈产生20个脉冲。计算转速的方法:如果一秒得到40个脉冲，则转速为40/20 = 2转/秒。
[0040]由于向PC机传输的数据有两组并且存在时间上的差异，所以在单片机将数据通过USB传输到PC机后，会将数据做一次保存，而数据保存的格式以二进制的形式保存在PC机上。
[0041]在得到未加飞轮片和加飞轮片两种情况下转速的数据后，我们利用MATLAB软件对得到的数据经过平滑处理后，在同一张图中显示出来，从而直观清晰地对比两种情况下的转速波动情况。
[0042]在针对手摇问题上人的因素的处理上:经过我们长期的实验，并且认真分析了大量数据，我们对同一个人的两次情况经过程序算法的一定优化，其中优化的主要重心是引入算术平均和距离因子的概念，可以较为合理地解决两次手摇的人为因素的影响。
[0043]在这里，介绍一下对两次数据的算法优化:首先，将两次记录下来的数据分别进行算术平均处理得到两个数据A、B。在这里，我们假定A SB。将数据B乘以算法给出的距离因子c得到数据D，若|A-D|彡δ，δ为算法给出的阀值，则我们将平均值为B的那组数据分别乘以距离因子c ;若|A-D|彡δ，则更新距离因子c的值，重复上述操作。
[0044]如图3所示，装置在未加飞轮片和加飞轮片两种情况下的调速效果不同，直观展现了飞轮调速的功能。
[0045]如图4和图5所示，为了使冲头有更大的力，选用六杆肘杆机构，其在接近机构下死点时，具有很大的机械利益，满足锻压工作的需要。连杆303和滑杆309采用三点共线的销接方式，使机构在运行时，滑杆309的上下移动变得更加稳定。
[0046]本发明以工程实例锻压机为模型进行教具设计，破除学生心中对工程设备的神秘感，将理论知识与实际融会贯通；通过手摇的驱动方式和飞轮片的拆装，增加了学生的参与性，实现互动式教学；利用手摇让学生亲身体会到飞轮带来的效果，加深学生的印象；整个教具的机构原理清晰明了，外型小巧美观，消除学生对机械教具的畏怯感，激发学生探究的热情。
[0047]本领域技术人员应该理解，本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不予赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
【权利要求】
1.一种演示飞轮调速的装置，包括底座和飞轮，所述飞轮盘和飞轮片，所述飞轮片固定安装在飞轮盘上，所述飞轮盘固定安装在飞轮轴上，其特征在于:所述装置还包括一级传动部分、二级传动部分、输出机构和负载，其中， 所述一级传动部分包括用于提供动力的手柄，所述手柄安装在转盘上，所述转盘固定安装在输入轴上，所述输入轴的一侧安装在靠近所述转盘的第一一级轴承座上，所述输入轴的另一端通过联轴器与飞轮轴的一端相连，所述飞轮轴的另一端安装所述飞轮盘，所述飞轮轴安装在第二一级轴承座上，所述第—级轴承座和第二一级轴承座固定安装在底座上，所述飞轮轴上安装有小同步带轮； 所述二级传动部分包括用于连接一级和二级传动的大同步带轮，所述小同步带轮、大同步带轮套装在同步带上，所述大同步带轮安装在小齿轮轴的一端，所述小齿轮轴的另一端安装有小齿轮，所述大同步带轮和所述小齿轮之间的小齿轮轴上安放有两个第一二级轴承座，所述小齿轮与大齿轮啮合，所述大齿轮安装在大齿轮轴上，所述大齿轮轴安装在第二二级轴承座上，且与所述大齿轮轴的轴线重合的中间轴安装在第三二级轴承座上，所述第一二级轴承座、第二二级轴承座和第三二级轴承座均固定安装在底座上； 所述大齿轮轴和中间轴的相对端均与所述输出机构连接，所述输出机构与负载联动。
2.如权利要求1所述的一种演示飞轮调速的装置，其特征在于:所述输出机构为六杆肘杆机构，所述六杆肘杆机构包括支架、两根摆杆、一根连杆、两根支撑杆、一根支杆、一根滑杆，所述大齿轮轴和中间轴的相对端均与一根摆杆的上端连接，一根连杆的上端位于两根摆杆的下端之间，一根连杆的上端和两根摆杆的下端之间通过销相连，所述一根连杆的下端与其中一根支撑杆的下端、另一根支撑杆的上端通过销相连，其中一根支撑杆的上端与一根支杆的一端通过销相连，一根支杆的另一端固定安装在支架的上部，所述另一根支撑杆的下端与滑杆的上端通过销相连，所述滑杆可上下滑动地套装在滑槽内，所述滑槽固定安装在所述支架的下部，所述滑槽的下端安装冲头，所述冲头位于负载上。
3.如权利要求1或2所述的一种演示飞轮调速的装置，其特征在于:所述负载为弹簧块。
4.如权利要求1或2所述的一种演示飞轮调速的装置，其特征在于:所述小齿轮轴上安装转速传感器，所述转速传感器与用于根据转速传感器信号生成转速曲线的转速波动演示模块。
5.如权利要求1或2所述的一种演示飞轮调速的装置，其特征在于:所述飞轮盘和飞轮片通过螺栓连接，所述飞轮盘中间部分设有用以高速旋转时防止重心偏移的台阶。
【文档编号】G09B25/02GK104200735SQ201410350706
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】陈教选, 陈教料, 卓德城, 李超栋, 王晓地, 项晓军 申请人:浙江工业大学