一种双轮盘陀螺进动演示装置的制作方法

本发明属于教学演示实验仪器等技术领域，特别涉及一种双轮盘陀螺进动演示装置，适用于陀螺进动原理的展示。

背景技术：

陀螺进动现象是一个重要的物理现象，以陀螺进动现象为基本原理的陀螺仪在定位与导航系统有着重要的应用。为了使学习者能够理解进动现象的稳定特性和进动现象产生的原理，许多应用于科普和教学的陀螺进动现象演示装置被发明出来，其中已经授权、公开的专利包括《一种陀螺进动演示仪》(申请号：201420391706.0公告号：cn203931278u)、《一种陀螺特性演示装置》(申请号：201410221836.4公告号：cn103971564a)、《一种可调稳定性和运动轨迹的陀螺》(申请号：201510303856.0公告号：cn104857719a)等。目前已经发明出的进动演示装置大多仿照经典的两自由度陀螺仪结构，只有一个自转陀螺，虽然能够明显地演示进动现象，但难以清楚地说明进动现象产生的原因。此外，这些进动演示装置往往结构复杂却功能单一，不能实现陀螺转速的精确控制，也缺乏与观众互动演示的接口。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双轮盘陀螺进动演示装置，可生动形象地演示旋转陀螺的进动现象及其有关性质，并通过多种陀螺自转模式充分展示进动现象产生的原理。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种双轮盘陀螺进动演示装置，包括：

输入部分，包括手轮1，手轮1的手轮轴将动力传递至小同步带轮9；

传动部分，包括主轴18，主轴18上有与小同步带轮9通过同步带40传递动力的大同步带轮39；

展示部分，包括外环17，外环17的底部外侧与主轴18的最上端连接，外环17通过内外环连接轴12连接内环14，内环14能够沿内外环连接轴12旋转，两个对称的转盘套筒31的一端固定在内环14内壁，另一端分别连接有一个转盘36，两个转盘36通过转盘连接轴38连接，每个转盘套筒31中设置有一个电机32，每个电机32的联轴器33驱动一个转盘36自转。

更具体地，所述手轮1的手轮轴底部通过平键与单向离合器5的内圈相连，单向离合器5的外圈通过平键与同步带轮轴6相连，以实现单向传动，同步带轮轴6通过键连接小同步带轮9。

更具体地，所述手轮1的手轮轴外套有用于定位的手轮轴套3，手轮1下方有固定在桌面13上的垫板2，垫板2下方连接手轮承力圆柱4，同步带轮轴6通过第一深沟球轴承7与手轮下方底盘8连接，手轮下方底盘8通过螺钉连在手轮承力圆柱4上，对输入部分的装配体进行竖直方向定位。

更具体地，所述大同步带轮39通过平键与主轴18相连传递扭矩，主轴18下方通过轴套25与角接触球轴承28相接以实现定位，角接触球轴承28内圈与主轴18配合，外圈与主轴下轴承座27配合，主轴下轴承座27顶部与主轴下端盖26连接，角接触球轴承28安装于主轴下轴承座27中。

更具体地，在桌面13下方连接主轴承力圆柱24，主轴承力圆柱24下方连接主轴支撑板29，主轴下轴承座27固定设置在主轴支撑板29上，主轴下端盖26、主轴下轴承座27、主轴支撑板29实现对角接触球轴承28的密封，主轴支撑板29下方固定有为主轴18提供阻尼的第二阻尼器30，主轴支撑板29与第二阻尼器30之间通过螺栓定位。

更具体地，在桌面13上方设置主轴上轴承座21，主轴上轴承座21内部固定了与主轴18连接的圆锥滚子轴承20，主轴上轴承座21上方固定了用于密封轴承的主轴上端盖19。

更具体地，所述主轴18上套装有导电滑环22，导电滑环22通过制动卡环23固定在主轴承力圆柱24上，以确保主轴18旋转时导线不会缠绕。

更具体地，所述外环17为弧形，其的弧底外侧与主轴18的最上端连接，外环17的两端之间通过内外环连接轴12连接封闭的内环14。

更具体地，在所述外环17上方开孔，孔中布置用于支撑内外环连接轴12的第二深沟球轴承11和用于固定内外环连接轴12的外环端盖16，外环端盖16的外部固定有用于给内外环连接轴12提供阻尼的第一阻尼器10，内环14通过紧定螺钉固定在内外环连接轴12上，由内环端盖15进行定位。

更具体地，所述转盘36由第三深沟球轴承35支撑，第三深沟球轴承35由固定在转盘套筒31的自传端盖34固定，转盘36端面开孔，孔中固定用于支撑转盘连接轴38的第四深沟球轴承37。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过双转盘结构的设计，可以使用一套装置展示双转盘同向转动角动量叠加和反向转动角动量抵消两种不同的运动形式对进动现象的影响。

2、观众通过按键控制电机，进而控制转盘的转动，可以准确实现不同运动模式间的有效切换，切实保证双转盘转速之间的准确关系。

3、观众通过手轮控制主体装置的公转，不仅可以增加观众的参与性，还可以通过转动手轮的难易程度直观感受高速自转陀螺抵抗干扰能力的强弱。

4、单向离合器的使用保证运动的单向传递，防止主体运动装置的运动会反向传递给手轮，从而保护观众的安全。同时，加装保护罩也可以有效防护观众的人身安全。

5、内环的圆形和外环的弧形乃至半圆形设计保证了装置在产生进动现象过程中转动的美观性。

6、内环与外环之间采用偏心安装，同时在内外环连接轴上加装阻尼器可以保证进动现象产生之后内环能尽快回到初始位置，便于重复使用。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2是本发明手轮输入部分的结构示意图。

图3是本发明中主轴支撑部分结构示意图。

图4为本发明中内外环连接结构的示意图。

图5是本发明中内环套筒连接结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明一种双轮盘陀螺进动演示装置，主要包括输入部分、传动部分和展示部分，并利用桌面13承载所有部件。

其中，输入部分是靠近用户的部分，可以直接动手操作，其包括手轮1，手轮1的手轮轴将动力传递至小同步带轮9；观众通过手轮1控制主体装置的公转，不仅可以增加观众的参与性，还可以通过转动手轮1的难易程度直观感受高速自转陀螺抵抗干扰能力的强弱。

传动部分包括主轴18，主轴18上有与小同步带轮9通过同步带40传递动力的大同步带轮39。

展示部分包括外环17，外环17可为环形或者弧形，尤其是半环形，其底部外侧与主轴18的最上端连接，外环17通过内外环连接轴12连接内环14(当外环17为弧形时，其两个上端之间通过内外环连接轴12连接封闭的内环14，内环14的圆形和外环17的半圆形设计可保证装置在产生进动现象过程中转动的美观性)，内环14能够沿内外环连接轴12旋转，两个对称的转盘套筒31的一端通过螺栓固定在内环14内壁，另一端分别连接有一个转盘36，两个转盘36通过转盘连接轴38连接，每个转盘套筒31中设置有一个电机32，每个电机32的联轴器33驱动一个转盘36自转。通过双转盘结构的设计，可以使用一套装置展示双转盘同向转动角动量叠加和反向转动角动量抵消两种不同的运动形式对进动现象的影响。观众可通过按键控制电机32，进而控制两个转盘36的转动，准确实现不同运动模式间的有效切换，切实保证两个转盘36转速之间的准确关系。

本发明还提供了上述各部分的更具体结构，如下：

参考图1、图2，在手轮轴外套有用于定位的手轮轴套3，手轮轴底部通过平键与单向离合器5的内圈相连，单向离合器5的外圈通过平键与同步带轮轴6相连，单向离合器5的使用保证运动的单向传递，防止主体运动装置的运动会反向传递给手轮1，从而保护观众的安全。同时，加装保护罩也可以有效防护观众的人身安全。

同步带轮轴6通过键连接小同步带轮9。同时，可在手轮1下方安装有固定在桌面13上的垫板2，垫板2通过螺纹连接件固定在桌面13上，手轮1通过螺纹连接件固定在垫板2上。垫板2下方通过螺钉连接手轮承力圆柱4，同步带轮轴6外配置有第一深沟球轴承7，与手轮下方底盘8配合，手轮下方底盘8通过螺钉连在手轮承力圆柱4上，通过手轮承力圆柱4与垫板2固定，对输入部分的装配体进行竖直方向定位。除手轮1和垫板2外，其余部件设置在桌面13下方。

参考图1、图3，大同步带轮39通过平键与主轴18相连传递扭矩，手轮1的转动被单向离合器5传递到同步带轮轴6，同步带轮轴6用平键将力矩传递到同步带轮9上，再通过同步带40以固定的传动比传递至主轴18上的大同步带轮39，驱动了主轴18的运动。

主轴18下方通过轴套25与角接触球轴承28相接以实现定位，角接触球轴承28内圈与主轴18配合，外圈与主轴下轴承座27配合，主轴下轴承座27顶部与主轴下端盖26连接，角接触球轴承28安装于主轴下轴承座27中。

在桌面13下方连接主轴承力圆柱24，主轴承力圆柱24下方连接主轴支撑板29，主轴下轴承座27固定设置在主轴支撑板29上，主轴下端盖26、主轴下轴承座27、主轴支撑板29实现对角接触球轴承28的密封，主轴支撑板29下方固定有为主轴18提供阻尼的第二阻尼器30，主轴支撑板29与第二阻尼器30之间通过螺栓定位。

在桌面13上方设置主轴上轴承座21，主轴上轴承座21内部固定了与主轴18连接的圆锥滚子轴承20，圆锥滚子轴承20用于承载主轴18的质量，主轴上轴承座21上方固定了用于密封轴承的主轴上端盖19。

主轴18上套装有导电滑环22，导电滑环22通过制动卡环23支撑在一根主轴承力圆柱24的中部，以确保主轴18旋转时导线不会缠绕。

参考图1、图4、图5，外环17的底部与主轴18相连，并通过螺栓固定。在外环17上方开孔，孔中布置用于支撑内外环连接轴12的第二深沟球轴承11和用于固定内外环连接轴12的外环端盖16，外环端盖16的外部固定有用于给内外环连接轴12提供阻尼的第一阻尼器10，内环14通过紧定螺钉固定在内外环连接轴12上，由内环端盖15进行定位。即内外环连接轴12的一端与第一阻尼器10相连，另一端与内环端盖15通过螺钉进行连接，实现了对内环14的定位。内环14与外环17之间可采用偏心安装，第一阻尼器10可以保证进动现象产生之后内环14能尽快回到初始位置，便于重复使用。

转盘36由第三深沟球轴承35支撑，第三深沟球轴承35由固定在转盘套筒31的自传端盖34固定，为了避免悬臂梁结构，优化机构受力情况，转盘36端面开孔，孔中固定用于支撑转盘连接轴38的第四深沟球轴承37，其进一步固定了转盘连接轴38。

本发明的工作原理：

本装置需要三个独立的动力输入，其中两个分别用于两个转盘36的自转，另一个用于整体结构的公转。自转部分通过观众按下不同的按钮来调节两个电机32的转动方向和转速，从而实现两个转盘36的不同转动状态。公转部分通过观众手动转动手轮1，进而将运动通过同步带40以确定的传动比传递给主轴18，带动整个主体装置的公转。两个方向的运动耦合，就产生了进动现象，并且进动现象导致的陀螺稳定性以一定的比例反馈到手轮1上，体现为两个转盘36处于不同的自转状态时，推动手轮1带动主轴18进行公转的力的大小也有所不同。

其演示过程如下：

用户首先从四种模式中选择两个转盘36的转速和方向：快速同向、慢速同向、停止转动、等速反向转动。之后转动手轮1驱动主轴18自转，观察不同转速模式下展示部分显示出的不同现象，感受转动手轮所需要施加的力的不同。当快速同向转动时，转动手轮1需要的力较大，主轴18在自转时会使内环发生进动，产生明显偏转，离开水平面；慢速同向转动时，现象与快速同向类似，不过转动手轮1需要的力稍小，内环偏转较小；在停止转动、反向转动时，转动手轮需要的力最小，且主轴18转动时内环不发生偏转。该现象反映了陀螺转速越大，角动量越大，越难以被干扰，进动现象越明显；同时等速反转可以消除角动量进而消除进动现象。