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作者:鄭智銘(2001-11-21);推薦:徐業良(2001-11-22)
附註:本文為九十學年度元智大學機械系大三機械設計課程實作計畫。

機械設計實作計畫—幼兒玩具機構設計

1. 日常生活中常見的機構

機構是機械領域中最傳統也是最迷人的項目,日常生活中隨處可見到機構應用的例子,這些用品往往藉由極具巧思,且簡單的機構設計便能達到功能性與實用性的目的。以我們每天必須接觸的馬桶來說,很少人實際將馬桶水箱打開研究馬桶是如何在“按一下”的簡單動作,便能完成沖水並且自動補充水箱水量的動作。

我們先試著以“電子式”設計思考如何製作一組馬桶水箱的沖水系統,我們可能需要以手指按下電子開關,啟動馬達或動力裝置將水門打開沖水,可能利用液位感測裝置或流量感測裝置在流出一定水量後停止水門並啟動打水幫浦,在滿水位時停止所有動作恢復使用前狀態。這一連串的動作需要動力系統、感測裝置以及各式電路設計,更需要的是電源,而家中的馬桶僅是利用極具巧思的機械機構便能完成這一連串複雜的動作。

2. 馬桶水箱沖水系統

第一次拆開馬桶水箱蓋的時候,有點驚訝的是馬桶沖水系統的構造原來僅是如此簡單,沖水與自動補給水量的動作完全是由單純的機構動作所構成,圖1為一般馬桶的沖水系統的構造圖,我們可以發現馬桶沖水系統主要分為沖水系統與水量補給系統,都是單純的機構動作。

1.馬桶沖水系統構造圖

(1)沖水系統

馬桶沖水系統如圖2所示,我們可以發現沖水系統是一個簡單的四連桿機構,除了圖2中的三根連桿之外,固定連桿即是馬桶水箱座。如圖2所示,當連桿1因手指按下而逆時針旋轉時拉動連桿2(鍊條),帶動連桿3作逆時針旋轉而使出水口打開進而沖水,接著出水口因沖水所產生的吸力將連桿3(出水口活塞)吸回原先位置堵住出水口。這可說是一個雙搖桿機構,在啟動與復原兩個動作上,連桿1和連桿3分別扮演輸入曲柄與輸出曲柄的角色。

2. 馬桶沖水系統

(2)水量補給系統

馬桶水量補給系統則是一個更簡單的開放式二連桿,如圖3所示,馬桶水箱沖水後水量過低造成浮球隨著水量而下降,藉由活塞連桿的旋轉而拉起進水活塞,當浮球隨著水量到達滿水位時活塞位置也恰好塞住進水口。

3. 水量補給系統

3. 幼兒玩具機構設計

(1)   生活中有許多機構應用的例子,試著選擇日常生活中一項富有巧思的機構設計,觀察這個機構,必要的時候可以是著拆開觀察,你所選擇的物件包含哪些機構元件?是屬於幾連桿、什麼型態的機構?試著將這些機構繪製成骨架圖,並用機構上的專業名稱解釋其動作原理。

(2)   試著結合課堂上所學到的各種機構原理,以及日常生活中所觀察到的機構運動原理,設計屬於你們幼兒玩具所需要的機構系統,試著將你所設計的機構繪製成骨架圖,並用機構上的專業名稱解釋其動作原理。

(3)   試著將你所設計的幼兒玩具機構以Working Model軟體建構,測試是否符合你們預期的功能與動作方式?敘述你們建構機構模型的過程中遇到哪些問題,你們是如何利用Working Model軟體作為輔助修正你們幼兒玩具的工具?

(4)   Working Model進行機構模擬,確認你們的機構設計之後,試著以簡單的保麗龍板、珍珠板、厚紙板、圖釘等簡單的材料製作幼兒玩具的實體機構,觀察機構實體與Working Model軟體模的結果是否相同?實際測試時是否遇到沒有察覺的問題或著讓你們產生了新的設計概念與想法?試著以文字與照片記錄你們製作與測試的過程與感想。

圖片來源

小蝸牛房屋租售網,http://www.housing.com.tw

Michigan State University Extension, http://www.msue.msu.edu/home/.