三、结构设计项目3——创意玩具的设计与制作

【任务情景】

这是一个创意玩具——跳跃的袋鼠，其设计是对不倒翁原理的知识迁移。如图1.49所示，其运动原理如下：在开始位置，袋鼠依靠脚后跟（旋转中心1），以尾部为支点整体静立在斜坡上；由于袋鼠身体受到重力的作用，其身体开始前倾，后腿绕旋转中心1旋转，尾部支点脱开；当止点接触时，由于惯性作用，袋鼠身体仍要绕后腿轴旋转，这时尾部就会翘起，前腿脚底变成旋转中心2；一旦袋鼠沿旋转中心2转动，后腿稍离地并以逆时针绕重心点自由转动，袋鼠重心和旋转中心2形成的转矩使尾部支点重新触地，又开始以后腿脚后跟为旋转中心重复前述运动。

图1.49　袋鼠下斜坡时的运动分析

【设计要求】

（1）尺寸要准确。

（2）周边要打磨光滑。

（3）孔与轴的配合不可过紧或过松。

【设计准备】

1．材料

（1）厚20mm（制作袋鼠身体用）和8mm（制作腿用）的410#代木板（或松木板）板材。

（2）直径3mm、长36mm和直径6mm、长36mm的钢轴各一根。

（3）750mm（长度）×200mm（宽度）×5mm（厚度）的中密度纤维板一块（制作斜坡，可以多组学生共用）。

2．工具及材料

电动曲线锯（图1.50a）或手工曲线锯（图1.50b），小台钻配对应钻头及夹具（图1.50c），以及砂纸、喷漆、502胶水等材料（图1.50d）。

a．电动曲线锯b．手工曲线锯    c．小台钻（含所需钻头）    d．砂纸、喷漆、502胶水

图1.50　加工袋鼠原型所需的工具

【设计过程】

任务一：设计分析

根据上文所介绍的运动原理，分析袋鼠模型的运动过程，明确关键数据（图1.51）。

图1.51　图纸和数据

任务二：绘制加工图

在A4纸上，严格按照比例绘出袋鼠的图样（鼠身、鼠腿），如图1.52所示。如果是1∶1，可直接复印，也可在三维CAD软件环境中建立一个袋鼠模型，并利用数控机床或3D打印机快速而精确地加工出来。

图1.52　设计放样图（可以1∶1复印后粘贴在加工板材表面）

任务三：模型制作

袋鼠模型制作步骤如图1.53所示。

（1）如果已有自己的三维模型，请生成2D图纸并打印出放样图；如果没有使用软件建模可以按1∶1比例扫描或复印图1.50的设计放样图并打印出来，将打印纸贴在木板表面并沿轮廓线切割加工（图1.53a）。

（2）在钳工台上夹持住袋鼠工件进行整形及打磨处理（图1.53b），保证外形的光滑，减少运动摩擦。

（3）使用钻床进行打孔，将加工完成的袋鼠身体、腿和钢轴进行组合，滴加少量502胶水固定钢轴和腿（图1.53c）。为了减少身体和腿的摩擦力，建议使用薄的垫圈。

（4）如果想美化模型外观，可以将袋鼠身体和腿分别喷漆，然后再装配（图1.53d）。

a.沿图样的轮廓线用曲线锯切割袋鼠外形

b.对袋鼠外表面进行打磨和整形

c.在钻床上钻孔后安装腿并固定钢轴

d.表面喷漆，干燥后用不同坡度的斜面测试运动性能

图1.53  袋鼠模型的制作过程

任务四：测试与评价

完成制作后请在斜坡上进行测试，注意斜坡的坡度是可调整的，目的是获得最佳的跳跃效果。

请同学们根据设计要求和测试结果，参照表1.7对自己小组和其他小组的作品进行评价。

表1.7  袋鼠模型评价表（自评与他评）

注：评价按A、B、C、D四个等级划分。

任务五：设计优化

基于测试和评价结果，请同学们对自己的设计方案进行改进，优化并完善你的设计。

活动延伸

赛车模型设计与制作

这是一个STEM（科学、技术、工程、数学）项目，综合了多学科知识。它要求能够应用流体力学中的伯努利方程来分析车身结构形状、前后翼形状设计对车辆动力学性能的影响，并在三维CAD/CAM/CAE环境中建立空气流体与车身相互作用仿真模型，分析预测赛车模型的运动性能，还要利用数控机床和3D打印技术进行原型加工，并完成赛车制作。

如果学校有适用的三维CAD软件、数控机床及3D打印机，则可以先到网站上下载教程、项目设计图纸、模型和加工程序，从而完成三维建模及装配(图1.54a)、虚拟流体力学分析(图1.54b）、数控机床加工(图1.54c）和原型产品装调与涂装(图1.54d）。

a.三维建模及装配b.流体力学分析

c.数控机床加工d.装调与涂装

图1.54赛车模型的数字化设计—仿真分析—数控加工—原型涂装过程

——完——