基於WM的螺母自轉問題物理模型的二維動力學模擬

近日，項目小組與順時針魔方俱樂部河南總部的李璐老師圍繞模型製作再次進行交流，商討怎樣用簡單的機械結構還原出螺栓在振動環境中旋轉行進的過程，方便觀眾明白其中奧妙。

先前進行的動畫模擬只是對項目模型運動原理進行驗證，雖然驗證了物理原理的正確性，但是不便於模型的製作，因為在運動齒輪上安裝驅動電機，供電和控制是非常困難的。

模型優化

經過細緻的商討，我們決定運用齒輪傳動原理，用一個電機控制所有齒輪的轉動，用中間齒輪在動力齒輪和螺栓齒輪之間傳動，確保螺栓只有公轉，沒有自轉。

本次設計的二維動力學模擬模型，既能驗證科學原理，又能方便模型製作，還能作為設計教學案例，微主比較滿意。

數據輸出

在電機驅動和齒輪傳動下，該機械裝置實驗對螺栓震動導致螺母旋轉的動態模擬，為模型製作提供了新的思路。

螺母螺栓小間隙

螺母螺栓小間隙

螺母螺栓中間隙

螺母螺栓中間隙

螺母螺栓大中間隙

螺母螺栓大間隙

為了讓對照實驗更為明顯，將大螺母和小螺母套在同一個螺栓之上，讓大小螺母的角速度數據在同一個圖表中輸出，從而更便於對比、觀察和分析。

螺母螺栓間隙大小對比

螺母螺栓間隙大小對比

模擬結論

螺母自轉角速度隨著螺栓振動角速度的增大而增大，隨著螺母螺栓間的增大而增大。

模擬結論與理論分析完全吻合。

實物模型

按照上述設計原理，在順時針魔方俱樂部李璐老師的幫助下，我們已經利用樂高搭建起了實物模型，設計原理被成功驗證。

實物模型

傳動機構

相關連接

理論探究螺栓振動頻率對螺母旋轉角速度的影響

焦作十一中創新工作室

河南焦作十一中創新工作室是焦作市第十一中學青藍工程中率先推出的名師工作室，是焦作市極具影響力的教育公眾平台，以創新教育為主要研究方向，分享創新案例，講解創新方法，啟迪創意設計，指導論文寫作，組織參加科技創新大賽和專利申請，發現、培養和成就一批具有創新潛質的學生。

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