内摆线轨迹演示装置的制作方法

本实用新型涉及一种内摆线轨迹演示装置，主要用于科普教育和教学实践活动。

背景技术：

摆线是数学中众多的迷人曲线之一，内摆线指的是一个动圆内切于一个定圆作无滑动的滚动，动圆圆周上一个定点的轨迹。它与摆线相当，但是它不是在线上做纯滚动的圆，而是在大圆内表面做纯滚动的圆。

物理学中的物体运动方程，在数学上就是参数方程。参数方程对于解决实际问题具有重要意义。摆线是一类十分重要的曲线，可以分为平摆线、圆摆线、渐开线三大类。我们常见的大部分曲线都可以看成是摆线的特例，如星形线、心脏线、阿基米德螺线、玫瑰线等等。摆线也是很有用的一类曲线，如最速降线就是平摆线；工厂中常用的齿轮通常是渐开线或圆摆线；公共汽车的两折门利用了星形线的原理。再如像收割机、翻土机等许多农业机械和工厂中的车床等，大都采用的是摆线原理。而且，摆线在天文中也有重要应用，行星相对地球的轨迹、月亮相对太阳的轨迹都可以看作是摆线。

在教学过程中，通常教师都要在参数方程说明摆线，并在黑板上通过绘制摆线，尽力地描述摆线的形成和轨迹，由于摆线的轨迹非常多，形状差异较大，无法通过简单的绘制加以描述，造成了直观教学的困难。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的不足之处，本实用新型要解决的技术问题是提供一种内摆线轨迹演示装置，能让参观者或学习者更加直观的感受到内摆线的形成和轨迹，并且适合长期的科普和教学使用。

为了实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种外摆线轨迹演示装置，该演示装置包括支架以及分别固设在支架上的定圆齿轮和副旋转轴，所述副旋转轴的轴身上套设有与支架固定联接并与所述副旋转轴构成转动配合的副轴承座；所述副旋转轴的伸出在副轴承座上部的端头处可转动地设有转动部件，所述转动部件上设置有与所述定圆齿轮构成内啮合的动圆齿轮，所述转动部件与所述动圆齿轮构成转动配合，所述动圆齿轮上固设有与动圆齿轮偏心设置的画笔，该演示装置还包括罩设在所述画笔上侧用于显示画笔轨迹的透明罩；该演示装置还包括用于驱动所述副旋转轴转动的驱动装置，所述驱动装置通过驱动所述副旋转轴旋转而带动动圆齿轮绕定圆齿轮公转和自转。

优选的，所述定圆齿轮的半径与动圆齿轮的半径之比可调。

优选的，所述转动部件为圆盘，所述动圆齿轮包括动圆齿轮轴，所述动圆齿轮轴插设在轴承中，所述轴承的外侧设置有固定在圆盘上的动圆齿轮轴承座。

优选的，该演示装置还包括设置在支架上的台面板，所述定圆齿轮固设在所述台面板上；所述副旋转轴穿过所述台面板与所述转动部件相连接；所述台面板与所述透明罩构成一个封闭的空间。

优选的，所述的画笔可以是白板笔或发光笔；所述透明罩采用亚克力或玻璃制作；

当画笔采用白板笔时，白板笔笔尖与所述透明罩顶部接触；当画笔采用发光笔时，发光笔笔尖与所述透明罩顶部有1-2mm的间隙。

进一步优选的，当画笔采用发光笔时，所述透明罩顶部涂覆长余辉发光材料，或者所述透明罩采用调光玻璃制作。

优选的，所述驱动装置包括便于人手抓握的手轮，所述手轮设置在台面板的上部，且手轮套设固定在旋转主轴上，所述旋转主轴穿过台面板与副旋转轴通过传动机构相联接。

作为传动机构的第一种优选方案，所述传动机构为皮带传动机构，由主皮带轮、皮带以及副皮带轮构成；所述主皮带轮固定安装在旋转主轴上，所述副皮带轮固定安装在副旋转轴上，所述主皮带轮通过皮带驱动副皮带轮转动。

作为传动机构的第二种优选方案，所述传动机构为齿轮传动机构，由主齿轮、过渡齿轮以及副齿轮构成；所述主齿轮固定安装在旋转主轴上，所述副齿轮固定安装在副旋转轴上，所述主齿轮通过过渡齿轮驱动副齿轮转动。

作为传动机构的第三种优选方案，所述传动机构由发电机、导线以及电动机构成；所述发电机与旋转主轴底部固定连接，所述电动机与副旋转轴固定连接，所述发电机经由导线将电传输至电动机并驱使电动机旋转。

本实用新型的有益效果在于：

1)、本实用新型采用由彼此内啮合的定圆齿轮(内齿轮)和动圆齿轮(外齿轮)所构成的一对齿轮，模拟了一个动圆沿着一个定圆在定圆内作无滑动的滚动的情况，并通过设置在动圆齿轮上的画笔，描述了动圆周上一定点的轨迹。

由于采用了透明罩，因此观众可以清晰地观察到内摆线的形成过程，并且通过动圆齿轮上的画笔和透明罩配合，记录了内摆线的形成过程和轨迹，从而大大促进了参观者或学习者对内摆线的形成和轨迹的认知。

2)、在操作过程中，参观者或学习者通过摇动手轮增加了该装置演示过程中的互动性和趣味性，可以实现人为的控制转速的快慢和周期，大大提高了科普和教学质量，使参观者或学习者能够实现自我“画出”内摆线，并体验内摆线的形成过程。

3)通过在圆盘上的径向不同尺寸处开孔，可以根据需要放置直径不同的动圆齿轮，所述动圆齿轮可以根据直径的大小(此时定圆齿轮和动圆齿轮半径比例或直径比例也大小不同)画出不同的内摆线轨迹。

4)、本演示装置中的画笔有多种选择，比如可以采用白板笔直接在透明罩顶部画出内摆线，当然画笔也可以采用发光笔。

当本演示装置中的画笔采用发光笔，同时透明罩顶部涂覆长余辉发光材料时，由于长余辉发光材料其本质上是一种光致发光材料，又被称为蓄光型发光材料、夜光材料，因此，此时透明罩不但可以显示内摆线的形成过程和轨迹，并且可以通过长余辉发光材料的选择，将内摆线的轨迹在适当的时间内消失(复原)，从而实现在适当的时间内反复显示的技术效果。

当画笔采用发光笔和透明罩顶部采用调光玻璃(即通电玻璃)材料制作时，参观者或学习者首先看到的是发光笔光点的轨迹，在调光玻璃通电变成透明时，才能看到内部机构，可以激发参观者或学习者对内摆线形成的探究欲望。

5)、本实用新型设有活动连接的有机玻璃或玻璃材料制作的透明罩，可根据使用需要打开或关闭有透明罩，在演示过程中，透明罩与台面板构成一个内部可视的封闭空间，降低了外界的干扰，为科普和教学成果提供了保证，同时也发挥了长期放置时的防尘作用。

6)、本实用新型由人力驱动，发光笔可采用LED光源和充电电池，可根据实际需要在各种条件和不同场所进行演示，符合目前节能减排的社会需要，并且结构简单，操作方便，易于维护，降低了使用和维护费用，适合于长期的科普和教学使用。

附图说明

图1为本实用新型手摇式皮带传动结构示意图；

图2为本实用新型手摇式齿轮传动结构示意图；

图3为本实用新型手摇式发电机驱动构示意图；

图4为图1、2、3中的局部放大图；

图5为本实用新型圆盘的俯视图。

图中标记符号的含义如下：

1-手轮 2-旋转主轴 3-主轴承座

4a-主皮带轮 4b-主齿轮 4c-发电机

5a-皮带 5b-过渡齿轮 5c-导线

6a-副皮带轮 6b-副齿轮 6c-电动机

7-副旋转轴 8-副轴承座 9-支架

10-台面板 11-定圆齿轮 12-透明罩

13-圆盘 14-画笔 15-画笔座

16-动圆齿轮轴 17-轴承 18-动圆齿轮轴承座

19-动圆齿轮

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例为一种皮带传动的手摇式内摆线轨迹演示装置。

该装置包括设置在支架9上的台面板10，在台面板10的上侧设有圆盘13和定圆齿轮11，所述圆盘13支撑固定在副旋转轴7上，所述副旋转轴7可转动地支撑固定在副轴承座8上，所述副轴承座8固定在所述支架9上，且所述副轴承座8设置在所述台面板10下侧；所述定圆齿轮11固定在台面板10上。所述圆盘13上部设有动圆齿轮19，所述动圆齿轮19通过动圆齿轮轴16、轴承17和动圆齿轮轴承座18可转动地固定设置在圆盘13上。所述动圆齿轮19的外圆周处固设有画笔14。

如图1所示，该演示装置还包括用于驱动所述副旋转轴7转动的驱动装置，所述驱动装置包括便于人手抓握的手轮1，所述手轮1设置在台面板12的上部，且手轮1套设固定在旋转主轴2上，所述旋转主轴2穿过台面板12并在下端固定连接了主皮带轮4a，主皮带轮4a通过皮带5a与副皮带轮6a连接，副皮带轮6a套装在副旋转轴7上。

如图1所示，该演示装置在圆盘13的上侧盖设有透明罩12，所述透明罩12活动安装在台面板10上，且透明罩12与所述台面板10构成一个封闭的空间。

在旋转主轴2驱动副旋转轴7旋转时，所述副旋转轴7带动圆盘13旋转，从而带动动圆齿轮19围绕定圆齿轮11公转，与此同时，支撑在轴承17上的动圆齿轮19也发生自转，此时通过设置在动圆齿轮19上的画笔14和上侧的透明罩12，即可展示内摆线的形成过程和轨迹。

下面结合附图对该演示装置的工作过程做详细说明。

首先，参观者或学习者以顺时针或逆时针方向旋转手轮1，驱动旋转主轴2发生旋转，旋转主轴2接着带动主皮带轮4a以及皮带5a旋转，进而副皮带轮6a也随之发生旋转，副皮带轮6a则驱动副旋转轴7旋转，并带动圆盘13旋转，在圆盘13的带动下动圆齿轮19围绕定圆齿轮11旋转公转，同时，在动圆齿轮19和定圆齿轮11的内啮合作用下，动圆齿轮19旋转自转，带动画笔14运动，参观者或学习者可以通过透明罩12看到内摆线的形成过程和画笔14在透明罩12顶部画出的内摆线轨迹。

当画笔14为白板笔时，画笔14可以在透明罩12顶部平面透明板上画出内摆线轨迹曲线。画出的轨迹可以用白板檫擦去并反复使用。

当画笔14为发光笔时，画笔14可以在顶部平面涂覆了长余辉发光材料的透明罩12上“画”出内摆线轨迹曲线。“画”出内摆线轨迹曲线由于余辉发光材料的特征，可以在一定的时间内“消失”，复原后可以反复使用。

当画笔14采用发光笔和透明罩顶部采用调光玻璃(通电玻璃)材料时，参观者或学习者首先看到的是发光笔的光点在调光玻璃(通电玻璃)的轨迹，当调光玻璃(通电玻璃)通电变成透明时，才能看到内部机构。

当在圆盘13上更换安装不同直径的动圆齿轮19时，可以画出不同的内摆线轨迹。

实施例2

如图2所示，本实施例为一种齿轮传动的手摇式内摆线轨迹演示装置。

该装置包括设置在支架9上的台面板10，在台面板10的上侧设有圆盘13和定圆齿轮11，所述圆盘13支撑固定在副旋转轴7上，所述副旋转轴7可转动地支撑固定在副轴承座8上，所述副轴承座8固定在所述支架9上，且所述副轴承座8设置在所述台面板10下侧；所述定圆齿轮11固定在台面板10上。所述圆盘13上部设有动圆齿轮19，所述动圆齿轮19通过动圆齿轮轴16、轴承17和动圆齿轮轴承座18可转动地固定设置在圆盘13上。所述动圆齿轮19的外圆周处固设有画笔14。

如图2所示，该演示装置还包括用于驱动所述副旋转轴7转动的驱动装置，所述驱动装置包括便于人手抓握的手轮1，所述手轮1设置在台面板10的上部，且手轮1套设固定在旋转主轴2上，所述旋转主轴2穿过台面板10并在下端固定连接了主齿轮4b，主齿轮4b通过过渡齿轮5b与副齿轮6b啮合，副齿轮6b套装在副旋转轴7上。

如图2所示，该演示装置在圆盘13的上侧盖设有透明罩12，所述透明罩12活动安装在台面板10上，且透明罩12与所述台面板10构成一个封闭的空间。

下面结合附图对该演示装置的工作过程做详细说明。

首先，参观者或学习者以顺时针或逆时针方向旋转手轮1，驱动旋转主轴2发生旋转，旋转主轴2接着带动主齿轮4b以及过渡齿轮5b旋转，进而副齿轮6b也随之发生旋转，副齿轮6b则驱动副旋转轴7旋转，并带动圆盘13旋转，在圆盘13的带动下动圆齿轮19围绕定圆齿轮11旋转公转，同时，在动圆齿轮19和定圆齿轮11的内啮合作用下，动圆齿轮19旋转自转，带动画笔14运动，参观者或学习者可以通过透明罩12看到内摆线的形成过程和画笔14在透明罩12顶部画出的内摆线轨迹。

当画笔14为白板笔时，画笔14可以在透明罩12顶部平面透明板上画出内摆线轨迹曲线。画出的轨迹可以用白板檫擦去并反复使用。

当画笔14为发光笔时，画笔14可以在顶部平面涂覆了长余辉发光材料的透明罩12上“画”出内摆线轨迹曲线。“画”出内摆线轨迹曲线由于余辉发光材料的特征，可以在一定的时间内“消失”，复原后可以反复使用。

当画笔14采用发光笔和透明罩顶部采用调光玻璃(通电玻璃)材料时，参观者或学习者首先看到的是发光笔的光点在调光玻璃(通电玻璃)的轨迹，当调光玻璃(通电玻璃)通电变成透明时，才能看到内部机构。

当在圆盘13上更换安装不同直径的动圆齿轮19时，可以画出不同的内摆线轨迹。

实施例3

如图3所示，本实施例为一种发电机驱动的手摇式内摆线轨迹演示装置。

该装置包括设置在支架9上的台面板10，在台面板10的上侧设有圆盘13和定圆齿轮11，所述圆盘13支撑固定在副旋转轴7上，所述副旋转轴7可转动地支撑固定在副轴承座8上，所述副轴承座8固定在所述支架9上，且所述副轴承座8设置在所述台面板10下侧；所述定圆齿轮11固定在台面板10上。所述圆盘13上部设有动圆齿轮19，所述动圆齿轮19通过动圆齿轮轴16、轴承17和动圆齿轮轴承座18可转动地固定设置在圆盘13上。所述动圆齿轮19的外圆周处固设有画笔14。

如图3所示，该演示装置还包括用于驱动所述副旋转轴7转动的驱动装置，所述驱动装置包括便于人手抓握的手轮1，所述手轮1设置在台面板10的上部，且手轮1套设固定在旋转主轴2上，所述旋转主轴2穿过台面板10并在下端固定连接了发电机4c，电动机6c与副旋转轴7固定连接，发电机4c经由导线5c将电传输至电动机6c并驱使电动机6c旋转。

如图3所示，该演示装置在圆盘13的上侧盖设有透明罩12，所述透明罩12活动安装在台面板10上，且透明罩12与所述台面板10构成一个封闭的空间。

下面结合附图对该演示装置的工作过程做详细说明。

首先，参观者或学习者以顺时针或逆时针方向旋转手轮1，驱动旋转主轴2发生旋转，旋转主轴2带动发电机4c发电，电力经过导线5c传输给电动机6c，电动机6c则旋转驱动副旋转轴7旋转，并带动圆盘13旋转，在圆盘13的带动下动圆齿轮19围绕定圆齿轮11旋转公转，同时，在动圆齿轮19和定圆齿轮11的内啮合作用下，动圆齿轮19旋转自转，带动画笔14运动，参观者或学习者可以通过透明罩12看到内摆线的形成过程和画笔14在透明罩12顶部画出的内摆线轨迹。

当画笔14为白板笔时，画笔14可以在透明罩12顶部平面透明板上画出内摆线轨迹曲线。画出的轨迹可以用白板檫擦去并反复使用。

当画笔14为发光笔时，画笔14可以在顶部平面涂覆了长余辉发光材料的透明罩12上“画”出内摆线轨迹曲线。“画”出内摆线轨迹曲线由于余辉发光材料的特征，可以在一定的时间内“消失”，复原后可以反复使用。

当画笔14采用发光笔和透明罩顶部采用调光玻璃(通电玻璃)材料时，参观者或学习者首先看到的是发光笔的光点在调光玻璃(通电玻璃)的轨迹，当调光玻璃(通电玻璃)通电变成透明时，才能看到内部机构。

当在圆盘13上更换安装不同直径的动圆齿轮19时，可以画出不同的内摆线轨迹。

应当指出，本实用新型中对台面板10的支撑机构不局限于使用支架9。也可采取其它具有支撑功能的装置，比如，设计用以支撑台面板并且收纳台面板以下各部件的上箱体，台面板卡合在上箱体上端，上箱体的下端连接有下箱体，在上箱体与下箱体之间设有隔板，下箱体的底座处设有封堵在下箱体底部的底板，底板的一边与底座构成铰接配合，底板的另一边设置有与底座联接在一起的插销结构，可以将底板打开或关闭；打开时，可以方便安装或维护内部构件，结束后，可以通过插销关闭底板。

同样，传动装置还可采用其它结构，如链条传动机构。这样的变换均落在本实用新型的保护范围之内。