機(jī)械原理課程系列教具的設(shè)計(1)畢業(yè)設(shè)計論文

1、 北京信息科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目： 機(jī)械原理課程系列教具的設(shè)計（1） 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名： 祝千皓 班級/學(xué)號 機(jī)械1104/2011010108 指導(dǎo)老師/督導(dǎo)老師： 王科社 起止時間：2015 年 3 月 1 日 至 2005 年 6 月 25 日任務(wù)書任務(wù)書摘要摘 要機(jī)械原理是機(jī)械類學(xué)科的核心課程，關(guān)于機(jī)械原理的學(xué)習(xí)直接影響該機(jī)械類學(xué)生對于整個機(jī)械系統(tǒng)的掌握。所以，在思考如何將機(jī)械原理課程的教學(xué)變得更加有效，讓學(xué)生對于枯燥空洞的理論知識理解更加充分時，教具的使用就變得尤為重要?？v觀現(xiàn)如今機(jī)械類教具的市場，大多為簡單的模型類教具，雖

2、然可以直觀的觀察典型機(jī)構(gòu)的具體構(gòu)造，但對于知識點的展示不夠充分，很難讓學(xué)生在觀察中深刻理解體會知識點如何運用，把理論聯(lián)系到實際操作。所以，本次畢業(yè)設(shè)計的目的是以機(jī)械原理為基礎(chǔ)，設(shè)計一套緊貼教材與習(xí)題的多功能教具。在設(shè)計時要保證方便教師的教學(xué)，并且輕便好攜帶。整套教具包含平面機(jī)構(gòu)平臺，平面四桿機(jī)構(gòu)平臺，凸輪機(jī)構(gòu)平臺，傳動機(jī)構(gòu)平臺及輪系機(jī)構(gòu)平臺幾個方面。各個平臺之間要做到相互聯(lián)系，既能整合成一個整體，又可以進(jìn)行拆分進(jìn)行單獨講解。我在整個系統(tǒng)中完成的是平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析平臺和平面四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在條件探究平臺的設(shè)計，主要包括虛約束和自由度的講解，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)展示和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)展示。論文首先系統(tǒng)綜述了國

3、內(nèi)外關(guān)于教具設(shè)計應(yīng)用的概況，并提出了設(shè)計新型教具的方案，根據(jù)方案，設(shè)計了本套教具的傳動方式和空間結(jié)構(gòu)，并為以后本套教具的應(yīng)用提出方案?，F(xiàn)已完成的工作位：任務(wù)說明說的撰寫，平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計平臺和平面四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在條件探究平臺的裝配圖及零件圖，部分機(jī)構(gòu)的三維建模及其動畫演示。關(guān)鍵詞：機(jī)械原理；教具；平面機(jī)構(gòu)；自由度；四桿機(jī)構(gòu)；曲柄搖桿 AbstractAbstract Mechanical principles are mechanical core curriculum subjects, learning about the direct impact of the mechanical

4、principles of students in mechanical control for the entire mechanical system. So, in thinking about how to mechanical principle course teaching more effective, so that students theoretical knowledge for boring holes when more fully understood, the use of teaching aids becomes particularly important

5、. Looking now mechanical aids market, mostly simple model class teaching aids, although you can visually observe the specific structure typical organization, but for showing insufficient knowledge points, it is difficult for students to observe a profound understanding of the knowledge experience ho

6、w to use, the theory to practice. Therefore, the purpose of this design is based on mechanical principles, based on the design of a multi-function close to teaching aids and exercises. Designed to ensure that teachers' convenience, and good light to carry. Aids package contains plane mechanism p

7、latform, flat platform four institutions, the cam mechanism platform, transmission platforms and train mechanism platform aspects. To do interlinkages between the various platforms, both integrated into a whole, and can be split individually to explain. I finished the entire system structural analys

8、is platform plane bodies and plane crank four-bar mechanism design platform to explore the presence, including explanation of the virtual constraint and freedom, hinged four-bar mechanism and a crank rocker mechanism showcase display. Firstly, systematic review of the domestic and international over

9、view of teaching aids design applications, and proposed solutions to design new teaching aids, according to plan, design and spatial structure of the transmission mode of this set of teaching aids, and a proposal for the future application of this set of teaching aids. Bit of work has been completed

10、: the mission statement said, writing, design platform plane bodies and plane crank four-bar mechanism to explore the presence of platform assembly drawings and part drawings, 3D modeling and animation parts of the organizationKeywords: Mechanical principles; teaching aids; plane institutions; freed

11、om; four bodies; crank-rocker目錄目錄任務(wù)書 I摘要 Abstract 第一章 概述 1 1.1 研究的意義 1 1.2 研究的現(xiàn)狀及已有成果1 1.3 研究內(nèi)容 3 1.3.1 研究方向 3 1.3.2 研究內(nèi)容 3 1.3.3 系統(tǒng)功能 4 第二章 平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計 4 2.1 平面機(jī)構(gòu)概述 4 2.2 教具的整體介紹 4 2.3 虛約束機(jī)構(gòu) 4 2.4 一自由度機(jī)構(gòu) 6 2.4.1 自由度的計算 7 2.4.2 機(jī)構(gòu)級別的判別 7 2.5 二自由度機(jī)構(gòu) 8 2.5.1 自由度的計算 9 2.5.2 機(jī)構(gòu)級別的判別 9 2.6 本章小結(jié) 10第三章 平面連

12、桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 3.1 平面機(jī)構(gòu)概述 10 3.2 教具整體介紹 10 3.3 平面四桿機(jī)構(gòu) 10 3.3.1 平面四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在條件 11 3.3.2 四桿機(jī)構(gòu)的變化 11 3.3.3 平面四桿機(jī)構(gòu)的急回特性和機(jī)構(gòu)的壓力角傳動角 14 3.4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 14 3.4.1 曲柄存在條件討論 15 3.5 本章小結(jié) 16第四章 教具平臺設(shè)計計算及關(guān)鍵部分設(shè)計 16 4.1 平面機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)的選擇計算 16 4.1.1 火車輪的轉(zhuǎn)矩計算 16 4.1.2 二自由度圓盤的轉(zhuǎn)矩計算 18 4.1.3 大電機(jī)的選擇計算 18 4.1.4 小電機(jī)的選擇計算 20 4.2 傳動部分設(shè)計計算 2

13、1 4.2.1 同步帶的選取 22 4.2.2 傳動軸的設(shè)計計算 26 4.3 X型剪式升降臺設(shè)計 28第五章 三維設(shè)計與仿真 29第六章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 30 6.1 技術(shù)分析 30 6.2 經(jīng)濟(jì)分析 31第七章 結(jié)束語 32后記 32 參考文獻(xiàn) 33 正文第1章 概述 二十一世紀(jì)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械知識的應(yīng)用方向越來越多樣化，如今的機(jī)械專業(yè)畢業(yè)生也面對著各種各樣的挑戰(zhàn)，所以打好基礎(chǔ)尤為重要?！皺C(jī)械原理”作為機(jī)械類專業(yè)一門非常重要的基礎(chǔ)課,其任務(wù)是使學(xué)生掌握機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)的基本理論以及常用機(jī)構(gòu)的分析和設(shè)計方法,并擁有設(shè)計機(jī)械系統(tǒng)運動方案的能力。學(xué)好“機(jī)械原理”對于學(xué)生在以

14、后的工作是非常有幫助的。然而雖然我國在近些年以來對“機(jī)械原理”課程的教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容方式方法進(jìn)行過很多次的改革,編寫出了多種多樣的教材和研發(fā)教學(xué)軟件,在教學(xué)手段的現(xiàn)代化方面也做了許多工作,但是從我大學(xué)期間學(xué)吸機(jī)械原理課程的效果來看,“機(jī)械原理”的教學(xué)效果還是存在一些問題。因為機(jī)械學(xué)科需要一定的空間想象能力，學(xué)生在學(xué)習(xí)期間面對復(fù)雜的原理和公式，很難自我代入到空間模型當(dāng)中，理論知識與實踐不能很好地結(jié)合在一起，其結(jié)果就變成了會計算公式卻不認(rèn)識實物。所以這時教具就體現(xiàn)出了它的優(yōu)點。通過運用教具，教師可以更加方便直觀的介紹知識要點，講解理論原理。1.1研究的意義 機(jī)械原理是所有機(jī)械類課程的基礎(chǔ)，學(xué)好機(jī)

15、械原理對于學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)設(shè)計中會有很大幫助。然而在當(dāng)今大學(xué)中，對于課程的講解方式仍顯單一，多數(shù)仍然在延續(xù)著教師在課堂上講，學(xué)生在下面記筆記的模式，這對于需要極強空間想象能力的機(jī)械學(xué)科來說，效果并不很明顯。雖然現(xiàn)如今教具已經(jīng)慢慢出現(xiàn)在課堂之中，但其種類多數(shù)為模型，無法做到動手實踐，所以仍然效果甚微，達(dá)不到期望。 在此背景下，我設(shè)計的教具有以下意義： 1.緊貼課本知識點設(shè)計出實物教具，讓學(xué)生在課堂上就能做到能觀察能動手，理論聯(lián)系實踐，使教學(xué)更加生動化。 2.充分利用學(xué)校資源制造，降低成本，讓教具更加貼近日常生產(chǎn)生活，讓學(xué)生充分體驗實踐的樂趣。 3.對于教具地使用更加多元化，做到能裝配，可拆分，單

16、位體積小，重量輕，讓教師方便攜帶，使教學(xué)更加靈活。 1.2研究的現(xiàn)狀及已有成果通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)如今的教具市場大多是材料為PVC的模型教具，這種教具雖然可以生動形象的展示單一機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)，但其能動性幾乎為零，不能運動仿真，雖然在課堂上能做到具體的展示，但缺乏動手實踐仍然很難提起學(xué)生的積極性。同時市面上也有一類教具現(xiàn)在已經(jīng)可以進(jìn)行運動展示，讓學(xué)生明白機(jī)構(gòu)的運動過程，進(jìn)而講解知識點。但這類教具普遍體積大，造價高，而且為一個整體不可拆卸。這對于教學(xué)的靈活性有很大的局限。下列圖片是現(xiàn)如今已有的教具模型及其價格： 圖1.1 機(jī)械原理教具 上述圖片為各類院?，F(xiàn)普遍使用的教具模型和陳列展示板，結(jié)構(gòu)簡單，

17、能做到圖形講解，但操作性很差。貨號圖號產(chǎn) 品 名 稱單位金額（元）備注AA010-1單缸內(nèi)燃機(jī)只248模型AA020-3鎖鏈連接只140AA030-4移動副 (a 、 b)只140AA040-5螺旋副只150AA101-4帶傳動 (4 種 )套750AA131-17帶的重力自動張緊裝置只288AA141-18平帶傳動的張緊裝置只288AA151-19V 帶傳動的張緊裝置只288AA162-1螺旋線的形成只140AA172-2外螺紋 (2 種 )只220AA182-3內(nèi)螺紋 (2 種 )只280AA202-5螺紋的牙型 (4 種 )套400AA212-15臺虎鉗只210AA222-16螺旋千斤項

18、只258AA232-17機(jī)床工作臺移動機(jī)構(gòu)只235AA2452-21差動螺旋傳動原理只255AA262-24滾珠螺旋傳動只378AA273-1鏈傳動只238AA283-2滾子鏈只210AA293-3多排鏈 ( 雙排 )只250AA313-7直齒輪傳動只210AA333-7人字齒輪傳動只288AA353-7齒輪齒條傳動只228AA363-8直齒錐齒輪傳動只255AA373-8斜齒錐齒輪傳動只265AA383-8曲線齒錐齒輪傳動只285 1.3研究內(nèi)容 1.3.1研究方向 本次設(shè)計的研究方向是以“機(jī)械原理”課程為基礎(chǔ)，設(shè)計一套可以充分貼近教材與課后習(xí)題的系列教具。教具的功能要包括能夠充分講解機(jī)械原

19、理課程中所學(xué)知識點，包括講解虛約束的作用，自由度的計算，復(fù)合鉸鏈的判別等，同時可以讓學(xué)生可以進(jìn)行親自動手進(jìn)行實踐。教具在進(jìn)行演示的時候要做到結(jié)構(gòu)清晰好辨認(rèn)，實踐時要簡單易操作，給學(xué)生增加更好的教學(xué)體驗，充分投入到知識當(dāng)中。在教具的制造上要求材料成本低，易加工，盡量做到方便拆裝好攜帶，讓教師在教學(xué)之中有更大的靈活性。 1.3.2研究內(nèi)容（1） 教具的整體規(guī)劃設(shè)計；（2） 平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析平臺；平面四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在條件探究平臺的設(shè)計。（3） 傳動部分運動與動力學(xué)計算；（4） 零部件的工作能力計算； 1.3.3系統(tǒng)功能此套教具包含了六個模塊，要求設(shè)計時要能保證各個模塊能裝配在同一個平臺之中，同時進(jìn)

20、行各個知識點的講解與演示。在需要單一平臺進(jìn)行講解時，整個系統(tǒng)也要做到方便拆卸，單一模塊可以進(jìn)行正常演示。我在整個系統(tǒng)中所要完成的的是平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析平臺和平面四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在探究平臺。 雖然我所涉及的是其中一部分，但希望我通過與小組成員的合作溝通，盡量做到即能化零為整，又能化整為零，與教科書、習(xí)題、實驗結(jié)合緊密，每一模塊體積小、質(zhì)量輕，方便老師攜帶。第2章 平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計2.1平面機(jī)構(gòu)概述平面機(jī)構(gòu)是機(jī)械原理課程主要內(nèi)容的第一章，所以，平面機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)設(shè)計對于學(xué)生理解課程是非常重要的。通過與導(dǎo)師討論，決定平面機(jī)構(gòu)主要包括虛約束、一自由度、二自由度和符合教練的講解。2.2教具的整體介紹此部

21、分教具用了2 個（直流）電機(jī)帶動所有器件。其中用一個大電機(jī)帶動火車輪機(jī)構(gòu)、一自由度的機(jī)構(gòu)，以及二自由度機(jī)構(gòu)中的一部分，此部分運用了三個同步輪進(jìn)行傳動，實現(xiàn)了動力的分流；小電機(jī)控制二自由度小圓盤的轉(zhuǎn)動?；疖囕啓C(jī)構(gòu)的中間桿件的去除，我們采用手動的方式，通過利用中間桿件的軸向移動添加或去除虛約束，添加時用限位塊固定滑塊。2.3虛約束機(jī)構(gòu) 虛約束在運動中不起任何約束作用。如圖2.1中EF桿即為虛約束，此時計算平面四邊形的自由度，F(xiàn)為： 運算結(jié)果很顯然結(jié)果是錯誤的，并證明虛約束會影響計算自由度的正確性。正確的計算方式是將機(jī)構(gòu)中構(gòu)成虛約束的組件連同其運動副一起去掉不計。則去掉后的結(jié)果為： 雖然虛約束會影響

22、自由度的計算，但虛約束并不會影響機(jī)構(gòu)的運動情況，而且能改善機(jī)構(gòu)的受力狀況，在提高機(jī)構(gòu)平穩(wěn)性上有很大幫助。 根據(jù)其原理，在設(shè)計時添加了可以去除虛約束桿的功能。為了讓教具更加貼近實際生活，我初步選擇大家熟悉的火車輪來講解虛約束。對火車輪添加去除虛約束裝置，通過有無虛約束對機(jī)構(gòu)運動帶來的差異，對比突出虛約束的重要作用，讓同學(xué)們加深對虛約束理解?；疖囕喌霓D(zhuǎn)動是通過電機(jī)帶動了同步帶轉(zhuǎn)動，同步帶的轉(zhuǎn)動帶動了與火車輪過盈配合的軸轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動了火車輪的轉(zhuǎn)動。 火車輪的轉(zhuǎn)動是通過電機(jī)帶動同步帶轉(zhuǎn)動，同步帶的轉(zhuǎn)動帶動了與火車輪過盈配合的光軸轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動了火車輪的轉(zhuǎn)動。通過去除虛約束，在四桿重疊位置，從動曲柄會

23、出現(xiàn)有相反方向轉(zhuǎn)動的可能，其運動軌跡會有不確定性，這樣就會干擾正常的火車輪轉(zhuǎn)動，在實際生活中這種例子有很多，我們要進(jìn)行特別注意，不然有重大的影響。去除虛約束我們采用了手動操作，中間軸的支座固定在兩個滑塊上，滑塊又在光軸上可以自由的移動，我們使用限位塊限制滑塊的自由移動，在去除虛約束（中間桿）時，只需把從中間桿支座后面的限位塊拿到支座前面。2.4一自由度機(jī)構(gòu)為了讓教具更具有多元化，讓同學(xué)們對于自由度的理解更加充分，我和老師討論后決定在設(shè)計一自由度機(jī)構(gòu)時，加入復(fù)合鉸鏈的知識點。在機(jī)構(gòu)的選取上，我決定使用精壓機(jī)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)件圖如圖2.4所示：圖示2.4為一自由度機(jī)構(gòu)典型代表，我們把此機(jī)構(gòu)的主動件轉(zhuǎn)化為

24、一個圓盤，圓盤的半徑就是主動件的長度。圓盤與光軸過盈配合，有同步帶帶動帶輪轉(zhuǎn)動，從而帶動光軸的轉(zhuǎn)動，機(jī)構(gòu)就這樣運動起來了。如圖2.4所示，由于機(jī)構(gòu)中存在復(fù)合鉸鏈過多，各個連桿很難在同一個平面運動演示，所以設(shè)計改變了桿件之間的連接形式，各連接部位采用鉚釘鉚緊，拋棄了傳統(tǒng)的螺栓固定。桿件的材料采用塑亞克力板，根據(jù)需要，亞克力板可以方便經(jīng)濟(jì)的滿足要求。各連桿兩端的厚度為中間厚度的，這樣可以保證各個桿件在同一水平面上運動，其連接形式如圖2.5所示：2.4.1自由度的計算 機(jī)構(gòu)具有確定運動時，所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目稱為機(jī)構(gòu)的自由度。我們在計算自由度時一定要注意以下三點：局部自由度、復(fù)合鉸鏈、虛約

25、束。虛約束在火車輪機(jī)構(gòu)中已經(jīng)詳細(xì)體現(xiàn)，在一自由度機(jī)構(gòu)中主要講解復(fù)合鉸鏈的知識。由圖2.6可知，在計算自由度時，去除虛約束部分，然后正確計算復(fù)合鉸鏈，則有（3-1=2）個轉(zhuǎn)動副。計算自由度有：2.4.2機(jī)構(gòu)級別的判別機(jī)械原理教材上面描述：機(jī)構(gòu)級別是按照基本桿組的最高級級別來判定的。通常我們把不能在進(jìn)行分割并且其自由度為零的桿件叫做基本桿組。也就是說，機(jī)構(gòu)中桿組的最高級別決定桿組的級別。機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析過程是把機(jī)構(gòu)分解為原動件和基本桿組，并確定機(jī)構(gòu)級別的過程。一般步驟為：計算機(jī)構(gòu)的自由度并確定原動件；高副低代，去除局部自由度和虛約束；從遠(yuǎn)離原動件的部位開始拆桿組，首先試拆級桿組，拆下的桿組是自由度為

26、零的基本桿組，最后剩下的原動件數(shù)目與自由度數(shù)相等。選擇此一自由度機(jī)構(gòu)來進(jìn)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，首先我們要知道上述的自由度公式計算，得出此為一自由度機(jī)構(gòu)的結(jié)論，然后觀察其桿件連接，含有復(fù)合鉸鏈以及虛約束。通過去除虛約束，可以進(jìn)行桿組分析：精壓機(jī)僅有一個原動件（最簡機(jī)構(gòu)）和三個級桿組，所以可以得出結(jié)論，此機(jī)構(gòu)是級機(jī)構(gòu)。通過此一自由度機(jī)構(gòu)可以明確如何去對機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在掌握理論知識的同時，靈活運用，加深了對知識點的認(rèn)識與理解。2.5二自由度機(jī)構(gòu)二自由度機(jī)構(gòu)，初設(shè)計選用大篩機(jī)構(gòu)，兩個原動件，所以需要兩個兩個電機(jī)帶動，為了使結(jié)構(gòu)緊湊，減少電機(jī)的數(shù)量，方便我們控制，在火車輪光軸的一端我們再過盈配合一個圓

27、盤，把它作為一個原動件，其半徑就是原動件的長度。如圖：為了制造簡單，此二自由度機(jī)構(gòu)改變簡圖中凸輪原動機(jī)的形式，改成類似一自由度圓盤原動件的樣式，讓此機(jī)構(gòu)更清晰直白表述二自由度機(jī)構(gòu)運動方式。2.5.1自由度的計算 計算自由度時要注意此機(jī)構(gòu)包括兩處虛約束和一處復(fù)合鉸鏈，虛約束用來保證桿件運動的平穩(wěn)性。其自由度公式為：2.5.2 機(jī)構(gòu)級別的判別 此二自由度機(jī)構(gòu)含有局部自由度和虛約束。在分析結(jié)構(gòu)時，首先去除所含的虛約束；然后采用高副低代的方式，把凸輪與滾子之間的高副用一個帶有兩個低副的平面構(gòu)件來代替，如圖2.10所示，在這要注意要找出兩高副元素的接觸點處的公法線。和曲率中心；在拆分桿組時，要注意首先要

28、把兩個原動件拆分出去。桿組的拆分如圖2.11所示。2.6本章小結(jié) 這部分教具通過三個具有代表性的機(jī)構(gòu)，詳細(xì)的概括和展示了平面機(jī)構(gòu)的組成原理與結(jié)構(gòu)。包括多種形式的運動副、機(jī)構(gòu)運動簡圖的繪制、自由度的計算、復(fù)合鉸鏈的辨認(rèn)、虛約束的作用、怎樣正確劃分桿組等。各個機(jī)構(gòu)之間通過同步帶傳動帶動所有器材，在空間結(jié)構(gòu)上盡量節(jié)省，做到教具盡量方便攜帶。在材料上，多數(shù)組件選擇亞克力板，質(zhì)量小，硬度高，加工方便，便于攜帶。底板方面選擇鋁合金，設(shè)計底板中間鏤空，方便安裝拆卸螺釘螺母，便于教具在應(yīng)用時可供學(xué)生拆卸零件，學(xué)習(xí)劃分桿組知識。第3章 平面連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1平面機(jī)構(gòu)概述 四桿機(jī)構(gòu)作為平面連桿的典型機(jī)構(gòu)，所

29、以設(shè)計時為了更好的貼近課程的講解，平面機(jī)構(gòu)的設(shè)計選擇四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的選擇上也使用了熟悉的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。 本章節(jié)教具主要介紹四連桿的變換、探究曲柄存在的條件，正確判斷機(jī)構(gòu)的急回特性，把握機(jī)構(gòu)的死點位置，觀察曲柄滑塊中偏心距對曲柄存在條件的影響。3.2教具整體介紹本章節(jié)的教具一共分為兩部分，第一部分是一個四桿機(jī)構(gòu)，此部分完全是手動控制，通過調(diào)節(jié)四桿機(jī)構(gòu)中機(jī)架和主動連架桿的長度，達(dá)到了四桿變換的效果。第二部分是一個可以調(diào)節(jié)偏心距的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，用一個直流電機(jī)帶動主動曲柄的運動，用絲杠螺母副驅(qū)動升降機(jī)來調(diào)節(jié)偏心距，觀察偏心距的改變與機(jī)構(gòu)運動情況的關(guān)系。3.3平面四桿機(jī)構(gòu)平面四桿機(jī)構(gòu)的

30、基本形式是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。在平面四桿機(jī)構(gòu)中，所有的運動副全部是轉(zhuǎn)動副。如圖3.1所示，平面四桿機(jī)構(gòu)根據(jù)其兩個聯(lián)架桿的運動形式，可以分為以下三種情況：3.3.1平面四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在條件機(jī)械原理教材中定義平面四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在的條件在機(jī)械原理教材上有過詳細(xì)描寫。 （1）最短桿與最長桿長度之和必小于或等于其余兩桿長度之和。 （2）連架桿和機(jī)架中必有一桿是最短桿。 在當(dāng)各構(gòu)件長度不變，且滿足（2）的情況下，若取不同構(gòu)件作為機(jī)架時，可得到以下三種形式的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)： （1）以最短桿的相鄰桿為機(jī)架時，得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。 （2）以最短桿為機(jī)架時，得到雙曲柄機(jī)構(gòu)。 （3）以最短桿的相對桿為機(jī)架時，得到雙搖桿機(jī)構(gòu)。

31、3.3.2四桿機(jī)構(gòu)的變化圖3.2為所涉及機(jī)構(gòu)單位圖：為了便于調(diào)節(jié)四桿機(jī)構(gòu)個桿的長度，滿足設(shè)計要求，設(shè)計中四個桿不在同一個平面內(nèi)，四桿的長度如表3.1所示：桿件機(jī)架聯(lián)架桿1聯(lián)架桿2連桿長度（mm）40-15030-100100120表3.1 設(shè)計各桿長度為了讓四桿機(jī)構(gòu)可以通過改變桿長進(jìn)行曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，設(shè)計連架桿1中間銑一個槽，通過螺母把連桿的一端鉸接在連架桿上，連架桿和機(jī)架的固定方式也是如此。由于我們的桿長變量有兩個，所以設(shè)計時我們需要固定三個桿長，然后通過變化可變桿的桿長，確定存在曲柄搖桿、雙曲柄、雙搖桿的條件。如圖3.3所示，若已知AD為機(jī)架，=120mm，探究

32、機(jī)構(gòu)為雙曲柄、雙搖桿、曲柄搖桿時的桿長條件：（1） 若此機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，且AB為曲柄，則滿足桿長條件下，AB必須為最短桿，由桿長條件： 因此有： 即： （2）若為雙曲柄機(jī)構(gòu)，則在滿足桿長條件下，AD桿必須為最短桿，而AB桿范圍是30-100mm,所以我們最長桿確定為BC桿，由桿長條件可知：則有：因此：當(dāng)在上述取值范圍之外，即時，此機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿、雙曲柄、雙搖桿的桿長條件如表3.2所示：表3.2 桿長范圍四桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿雙曲柄雙搖桿30-5090-10050-90若已知AD為機(jī)架，探究機(jī)構(gòu)為雙曲柄，雙搖桿，曲柄搖桿時的桿長條件：（1） 若此機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，且AB為曲柄

33、，則滿足桿長條件下，AB必須為最短桿，而最長桿不能確定，由桿長條件：若為最長桿：若為最長桿：綜上所述：的取值范圍是：（2） 若此機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)，則在滿足桿長條件下，AD 桿必須為最短桿，由桿長條件可知： 當(dāng)在上述取值范圍之外，即，此機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿、雙曲柄、雙搖桿的桿長條件如表3.3所示：表3.3桿長范圍四桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿雙曲柄雙搖桿（mm)90-15040-5050-90由上述例子，我們可以總結(jié)出一下，如何來探究四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在的條件：圖3.3 曲柄存在流程圖 由上述原理分析可知當(dāng)改變四桿機(jī)構(gòu)中的桿長時，可以實現(xiàn)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)基本形式間的相互轉(zhuǎn)換，在教具的使用過程中可以通過四

34、桿變換的實驗，靈活運用公式，熟知四桿曲柄存在的條件，如表3-4 所示，歸納了不同桿長情況下的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的桿長范圍。表3.4 桿長范圍已知機(jī)架求聯(lián)架桿曲柄搖桿雙曲柄雙搖桿4060-10030-60503070-10030-706030-4080-10040-807030-5090-10050-908030-6010060-1009030-7070-10010030-8080-10011030-9090-10012030-100 已知機(jī)架求聯(lián)架桿曲柄搖桿雙曲柄雙搖桿3050-15040-504060-15040-605070-15040-706080-1504040-807090-15040-5

3514040-6060-100140-15090110-13040-7070-1001308080-1503.3.3平面四桿機(jī)構(gòu)的急回特性和機(jī)構(gòu)的壓力角傳動角 經(jīng)過PRO/E三維模型試驗，可以發(fā)現(xiàn)在勻速轉(zhuǎn)動手搖盤的時候，帶動曲柄轉(zhuǎn)動的情況下，搖桿做來回往復(fù)運動會出現(xiàn)快慢不同的情況，機(jī)構(gòu)的這種運動性質(zhì)被稱為急回特性。在教具的使用中可以充分利用這一特性向同學(xué)講解急回特性。通過實物演示，讓學(xué)生在動手中可以學(xué)習(xí)理論知識，明白急回特性的作用。3.4曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)應(yīng)用普遍，是機(jī)械業(yè)中比較典型的機(jī)構(gòu)，也是多種大型機(jī)械的基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)，在機(jī)械產(chǎn)業(yè)中具有重要

36、意義。根據(jù)其結(jié)構(gòu)的特點，大致分為三大類：對心曲柄滑塊、偏執(zhí)曲柄滑塊和偏心輪機(jī)構(gòu)。在本次設(shè)計中，主要的側(cè)重點定在如果區(qū)分各種機(jī)構(gòu)的特點，并討論曲柄滑塊中偏心距對曲柄存在的影響，了解曲柄滑塊中最小傳動角出現(xiàn)的位置。在設(shè)計中通過使用了剪叉式升降平臺，如圖3.4，使機(jī)構(gòu)改變偏心距，并配有刻度尺讓學(xué)生可以時刻觀察偏心距大小，以達(dá)到教學(xué)目的。3.4.1曲柄存在條件討論我設(shè)計的機(jī)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)為：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄連桿偏心距4095-1560教具在使用中，已知曲柄和連桿長度的情況下，通過實驗的方式，讓學(xué)生親自動手，使用升降架調(diào)整偏心距，觀察學(xué)習(xí)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中曲柄的存在條件?？梢院苊黠@的觀察到，在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運動到

37、近極位置和遠(yuǎn)極位置時，此時曲柄和連桿是重合的，而偏心距就決定了機(jī)構(gòu)是否能夠通過死點位置。極近位置:；極遠(yuǎn)位置:；所以，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)當(dāng)曲柄存在時的條件為： 同時，通過轉(zhuǎn)動手搖盤改變偏心距，也可以觀察偏心距對于滑塊行程的影響。3.5本章小結(jié) 這部分教具即使教學(xué)裝置又是實驗裝置，主要以學(xué)生動手實驗為主，實驗部分主要有：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)桿長變化實驗和急回特性實驗、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄存在條件實驗和觀察偏心距對于滑塊行程的影響。雖然較平面機(jī)構(gòu)來說結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但此平臺多數(shù)均為手動控制，通過轉(zhuǎn)動手搖盤達(dá)到實驗?zāi)康?，提高了教具的操作性和趣味性，更能讓學(xué)生投入到所學(xué)知識，動手能力得到一定加強。第4章 教具平臺設(shè)計計算

38、及關(guān)鍵部分設(shè)計 平面機(jī)構(gòu)教具平臺結(jié)構(gòu)簡單，負(fù)載小，初步設(shè)計由兩個小型直流電機(jī)驅(qū)動，由同步帶帶傳動傳遞功率。平面連桿機(jī)構(gòu)平臺多數(shù)為手動控制，但曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，曲柄的轉(zhuǎn)動需要電機(jī)驅(qū)動，所以也需要設(shè)計電機(jī)。4.1平面機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)的選擇計算 4.1.1火車輪的轉(zhuǎn)矩計算 火車輪機(jī)構(gòu)圓盤由一根驅(qū)動軸帶動轉(zhuǎn)動，再由連桿帶動另一個圓盤做等速度轉(zhuǎn)動。如圖4.1所示。為了減輕重量，方便制造，選擇火車輪機(jī)構(gòu)的主要材料為亞克力板，其密度為：，為了讓教具更直觀觀看，設(shè)計的圓盤直徑為：，厚度：，穩(wěn)定勻速轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)速為：。根據(jù)其密度，算出一個火車輪圓盤質(zhì)量為：火車輪圓盤設(shè)計啟動時間為1S，啟動轉(zhuǎn)矩為：轉(zhuǎn)動慣量：所以，所以火車

39、輪圓盤的啟動轉(zhuǎn)矩為：火車輪圓盤的摩擦轉(zhuǎn)矩為：，為摩擦力矩，為圓盤的旋轉(zhuǎn)半徑?；疖囕啓C(jī)構(gòu)選擇傳動使用深溝球軸承，查表所得摩擦系數(shù)f的值為0.001，初定傳動軸的直徑為8mm，承受轉(zhuǎn)矩的長度為40mm,軸的材料為45鋼，軸承材料的密度為：。將上訴參數(shù)代入公式得：所以一個火車輪圓盤的總轉(zhuǎn)矩為：因為火車輪結(jié)構(gòu)中是一個圓盤通過連桿帶動另一個火車輪轉(zhuǎn)動，所以兩個圓盤的轉(zhuǎn)矩約等于一個圓盤轉(zhuǎn)矩的兩倍，即火車輪圓盤總轉(zhuǎn)矩為：。4.1.2二自由度圓盤的轉(zhuǎn)矩計算因為平面機(jī)構(gòu)整體設(shè)計為一根軸帶動火車輪圓盤和二自由度圓盤共同轉(zhuǎn)動，所以二自由度圓盤的轉(zhuǎn)矩也需要計算。設(shè)計圓盤直徑為50mm,厚度為5mm，因為兩個圓盤在一根

40、軸上，所以，圓盤轉(zhuǎn)速同火車輪圓盤相同，為。相同的，圓盤的材料和火車輪的圓盤一樣，密度也也是。圓盤質(zhì)量：，半徑啟動轉(zhuǎn)矩為：因為啟動時間也為1s 所以啟動轉(zhuǎn)矩。 二自由度圓盤的摩擦力矩 ，為了使機(jī)構(gòu)設(shè)計簡便，材料之間互換性好，所以在軸承使用上統(tǒng)一使用深溝球軸承，其摩擦系數(shù)為0.001。為圓盤和軸重力之和4.1.3大電機(jī)的選擇計算 通過計算可以看出，平面機(jī)構(gòu)并無大負(fù)載，所以在電機(jī)的選擇上放棄傳統(tǒng)意義上的的大型交流電機(jī)。因為教具平臺空間較小，為了使整個機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，方便攜帶，現(xiàn)選擇小型直流電機(jī)為動力源。因為整個平臺由有4個圓盤需要大電機(jī)驅(qū)動，一自由度圓盤的參數(shù)同二自由度原判相同，所以一自由度

41、圓盤的轉(zhuǎn)矩約等于而自由度圓盤，為。所以平面機(jī)構(gòu)所需總的工作轉(zhuǎn)矩為：根據(jù)公式：計算查表可知，總效率為：電動機(jī)所需功率為：綜合計算所得，因為轉(zhuǎn)矩為，設(shè)計要求轉(zhuǎn)速為，因為所需功率較小，在選擇電機(jī)時未找到功率特別相符的電機(jī)型號，所以通過咨詢，選擇了正科直流電機(jī)ZFA37RG40iDC 24v，如圖4.2圖4.2 大電機(jī)外形圖通過查詢電機(jī)參數(shù)。選擇馬達(dá)型號50G。參數(shù)如下：圖4.3 大電機(jī)參數(shù)大電機(jī)的額定功率為10W，大于電動機(jī)所需功率，可行。確定傳動裝置總傳動比，計算和分配： 預(yù)設(shè)計為60r/min,為選定的電動機(jī)滿載轉(zhuǎn)速84r/min，所以，可計算出傳動裝置總傳動比為 取，。轉(zhuǎn)速的計算：各軸轉(zhuǎn)速：各

42、軸輸入功率：轉(zhuǎn)矩T：軸：軸： 4.1.4小電機(jī)的選擇計算二自由度機(jī)構(gòu)有兩個主動件，一個由大電機(jī)驅(qū)動，另一個由小電機(jī)驅(qū)動，小電機(jī)驅(qū)動的元件為小的圓盤，其直徑為40mm，厚度為5mm，圓盤轉(zhuǎn)速同二自由度圓盤相同，為。相同的。圓盤質(zhì)量：，半徑啟動轉(zhuǎn)矩為：因為啟動時間也為1s所以啟動轉(zhuǎn)矩二自由度小圓盤摩擦力矩為： ，為了使機(jī)構(gòu)設(shè)計簡便，材料之間互換性好，所以在軸承使用上統(tǒng)一使用深溝球軸承，其摩擦系數(shù)為0.001。為圓盤和軸重力之和根據(jù)公式：計算查表可知，總效率為：電動機(jī)所需功率為：選擇小電機(jī)過程同大電機(jī)，根據(jù)電動機(jī)所需功率轉(zhuǎn)矩，選擇正科減速電機(jī)ZGA25RP 12V。其技術(shù)參數(shù)馬達(dá)型號如圖4.4：圖4

43、.4 小電機(jī)參數(shù)4.2傳動部分設(shè)計計算 平面機(jī)構(gòu)平臺設(shè)計目的包括使用時方便攜帶，便于拆裝，結(jié)構(gòu)緊湊，所以設(shè)計時考慮了了無法為傳動部分提供過大空間，所以此平臺放棄了傳統(tǒng)的V帶傳動，選用了結(jié)構(gòu)更為緊湊的同步帶，使帶輪軸和軸承的尺寸全部減小。4.2.1同步帶的選取 電機(jī)額定輸出功率計算 根據(jù)選取的電機(jī)參數(shù)可知，額定輸出功率為：10w 確定計算功率 假設(shè)電動機(jī)每天使用兩小時左右，查表可得得到工作情況系數(shù)=1。則計算功率為: 小帶輪轉(zhuǎn)速計算 選定同步帶帶型和節(jié)距 查閱同步帶選型圖可以看出，因為平臺要求的功率和轉(zhuǎn)速很小，所以帶的型號可以任意選取，現(xiàn)在選取XL型帶，節(jié)距。 選取主動輪齒數(shù) 由表4.2可知，X

44、L型帶最小齒數(shù)為10，先初選主動輪齒數(shù)為20。 由于設(shè)計系統(tǒng)傳動比為1:1，大帶輪齒數(shù)等參數(shù)數(shù)據(jù)與小帶輪完全相同。齒數(shù)，節(jié)距 帶速v的確定，小于。 初定周間間距 根據(jù)公式 得： 現(xiàn)在選取軸間間距為144mm。 因為設(shè)計同步輪傳動比為1:1，所以嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即。 基本額定功率的計算 查表可以知道，m=0.022kg/m。所以同步帶的基準(zhǔn)額定功率為： 計算作用在軸上力 同步帶的節(jié)線長度計算 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上節(jié)線長度計算得： 圖4.5 節(jié)線長計算 經(jīng)查表，選取型號為154XL型同步帶，齒數(shù) 現(xiàn)選擇037型號同步帶，帶寬為10mm。 同步帶輪選擇 根據(jù)所選同步帶型號和設(shè)計要求，選擇有檔邊有臺階

45、的BF型同步帶輪，如圖4.64.2.2傳動軸的設(shè)計計算1. 平面機(jī)構(gòu)輸入軸設(shè)計 根據(jù)課程設(shè)計經(jīng)驗，軸的材料現(xiàn)初步選用45鋼。 按鈕轉(zhuǎn)強度估算軸的直徑：，轉(zhuǎn)速根據(jù)最小軸直徑計算公式計算：因為軸太小不好加工且自身容易斷裂，所以初選軸直徑為確定軸各段之直徑長度：（1）L1段為連接聯(lián)軸器部分，因為查閱所選電機(jī)尺寸型號，得到電機(jī)伸出軸直徑為6mm,選擇北京正科興業(yè)聯(lián)軸器，內(nèi)徑6x8mm,聯(lián)軸器外形尺寸25x20mm，半聯(lián)軸器長度為12.5mm，所以設(shè)計L1長度為19mm，因為此聯(lián)軸器是用定位螺絲固定，所以州的直徑不用進(jìn)行特殊處理，設(shè)計。（2）L2段為與同步帶輪配合，所選擇的同步帶輪內(nèi)徑為12mm，長度為

46、23mm，同步帶輪臺階處有M3螺紋孔，并配置定位螺絲緊固，所以L2部分軸長度設(shè)計為23mm,直徑（3）L3處為放置軸承處，因為整個傳動系統(tǒng)并為傳遞過大載荷，所以，通過查表，選擇的深溝球軸承，型號為6100。軸承左端由軸肩固定，右端由軸承座突出部分固定，軸承座突出部分未與軸承轉(zhuǎn)動部位接觸，不影響軸承工作。所以L3部分長度設(shè)計為軸承長度8mm,直徑為。（4）L4部分為整根軸末端，方便整個軸承的定位安裝。所以L4部分并無明確設(shè)計要求，現(xiàn)設(shè)計長度為5mm,直徑。 2.平面機(jī)構(gòu)火車輪軸設(shè)計：火車輪軸材料與輸入軸相同，為45鋼。按鈕轉(zhuǎn)強度估算軸的直徑：，轉(zhuǎn)速因為軸太小不好加工且自身容易斷裂，所以初選軸直徑

47、為。確定各軸直徑長度： （1）L1部分為軸與火車輪圓盤過盈配合部分，因為火車輪圓盤轉(zhuǎn)動不需要過大扭矩，所以，為了使結(jié)構(gòu)簡單好拼裝，設(shè)計圓盤孔與軸過盈配合，所以此段軸加工時應(yīng)按照裝配圖公差加工，此段長度為26mm，直徑為。（2） L2部分為與軸承接觸部分，此處設(shè)計與輸入軸L3處相同，為了擁有更好的互換性，使教具的拆卸維修更方便，軸承采用同一種，6100深溝球軸承。此段長度為8mm，直徑為。（3） L3部分軸肩部位，其直徑應(yīng)小于軸承的內(nèi)圈外徑，為了使軸承右端固定，設(shè)計此段軸承直徑比L2略高，使軸承軸向固定。此段長度為3mm，直徑為。（4） L4部分無特殊要求，長度為37mm,直徑為。（5） L5部分為與同步帶輪配合部分，因為傳動機(jī)構(gòu)總傳動比為1:1，輸入軸與火車輪軸同步帶輪型號一致，所以設(shè)計與輸入軸相同。此段直徑為23mm,直徑為。（6） L6部分同L4部分，無特殊設(shè)計要求。長度為12mm,直徑為。（7） L7部分與L8部分設(shè)計相同，方向相反，因為火車輪軸同時驅(qū)動火車輪圓盤和二自由度圓盤轉(zhuǎn)動，所以，在軸承的設(shè)計和選取上采取一致原則。兩端長度共11mm,L7直徑為，L8直徑為。（8） L9部分為軸與二自由度圓盤過盈配合部分，長度為30mm，直徑為。4.3 X型剪式升降臺設(shè)計 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計包括通過手搖盤可以改變偏心距，在設(shè)計中選擇X型剪式升降臺。因為其相比較其他