日地月公轉自轉演示儀設計說明書

1、華中科技大學機械科學與工程學院機械原理課程設計說明書太陽地球月球公轉與自轉演示儀指導教師：楊家軍設計者：卜凡 林翰 U201110297王澤坤劉鐳華中科技大學機械科學與工程學院機械中英1101班2014年1月目 錄1.作品內容簡介22.設計任務2 2.1設計背景2 2.2設計目標32.3設計目的及意義33.設計方案3 3.1設計方案選擇3 3.2設計方案總體介紹5 3.3運動循環(huán)圖6 3.4結構解析64.理論分析與計算7 4.1下壓角度預計算7 4.2曲柄長度預計算7 4.3下壓行程預計算7 4.4校正數據84.5運動軌跡模擬85.設計過程中的亮點10 5.1創(chuàng)意上的亮點10 5.2結構上的亮

2、點10 5.3繪圖上的亮點105.4團隊上的亮點106.收獲與體會107.參考文獻128.附錄1312華中科技大學機械科學與工程學院太陽地球月球公轉與自轉演示儀設計者：卜凡、林翰、王澤坤、劉鐳指導老師： 楊家軍（華中科技大學機械科學與工程學院，武漢430074）作品內容簡介太陽與月亮對我們生活影響至深，日出而作，日落而息，春種秋收，冬暖夏涼，這便是太陽、月亮及地球的天體運動產生的。然而，許多人對日地月三者的運動規(guī)律不甚了解，不知道為何有四季之分，不清楚何來潮漲潮落，更不知在地球上只能看見月亮的一面。因此，我們決定利用所學的機械知識，尤其是齒輪與齒輪系的知識去設計模擬地球自轉及繞太陽的公轉，月球

3、的自轉及繞地球的公轉的演示儀。以期能直觀反映日地月的運動規(guī)律。并設計以手動搖桿作為輸入，以讓學習者可以親手操作模擬轉動過程，而加深知識的印象。該演示儀可以作為天文選修課的入門學習教具，也可以供天文愛好者入門學習之用。聯系人：卜凡聯系電話：EMAIL：2 設計任務2.1 設計背景公元前十一世紀，傳說中國周朝建立測景臺，最早測定黃赤交角。公元前七世紀，中國用土圭測定冬至和夏至，劃分四季。1542年，波蘭哥白尼提出太陽中心說，認為恒星天層不動，地球每天繞其軸旋轉一周，并作為一個行星每年繞太陽運行一周。而近代來，隨著科學技術的快速發(fā)展，天文學的成就更是日新月異，我們的目光早已投向太陽系之外的天體。我們

4、了解并且能夠精確計算漫天的星體運動，太陽系內的行星更是了若指掌。人類的足跡也已踏上了月球，機器人也已代替人登上了火星，并正向太陽系外前進。但是，許多人卻依然缺乏天文學的基本知識。莫說漫天的星辰，許多人連對我們生活影響最深的太陽、月亮和地球三者的運動規(guī)律都不甚了解。這三大星體對我們的日常生活影響最深，甚至可以說決定了我們的生活方式。但是，許多人依然懵懵懂懂，知其然而不知其所以然。但天文知識又是極其深奧和復雜，對于普通人來說，并無過多時間去深入研究。因此，我們希望通過演示儀來生動表現日地月自轉與公轉的過程，讓人們可以直觀快速地了解這些知識。2.2 設計目標該演示儀可分為三大模塊，太陽地球公轉模塊，

5、地球自轉模塊，地球月球自轉與公轉模塊。太陽地球公轉模塊：我們的目標在于體現太陽地球公轉的周期時間，以及表現公轉的橢圓軌道，從而能解釋四季變化。地球自轉模塊：我們的目標在于表現地球自轉周期時間，以及黃赤交角，從而解釋晝夜變化，并進一步解釋四季變化。地球月球自轉與公轉模塊：我們的目標在于表達月球公轉的周期時間，以及公轉與自轉速度一致的事實，從而解釋潮汐的起落和為何我們只能看見月球的一面。2.3 設計目的及意義我們的目的是通過機械設計來仿真出日地月三者在宇宙空間各時刻的相對位置,并能形象地表明地球月亮的運動狀態(tài),科學地解釋由此產生的各種自然現象。使學習者通過該演示儀之演示，可輕松地了解這些基本知識。

6、且特意將演示儀設計為手動操作，可快可慢，由學習者自己掌握，因而學習者可直接觀察運動全過程。可玩性強，可提高學習效率。3 設計方案3.1 橢圓運動設計方案選擇1）連桿機構橢圓規(guī)方案連桿機構橢圓規(guī)方案的機構運動簡圖：如圖，將輸入的力作用于連桿OM上，則偏離M點的P點可畫出橢圓的軌跡。但這種方案無法設計不同的傳動比，因而無法調整公轉和自轉的速度。2）行星輪機構橢圓規(guī)方案如圖，將輸入的力作用于連桿，齒輪Z2上的B點畫出橢圓軌跡。且齒輪Z2可繼續(xù)傳動，以此可實現一輸入多輸出，保證公轉和自轉的傳動比。3）橢圓運動設計方案選擇上述兩種方案均可實現橢圓運動，但我們希望能實現一輸入多輸出，并將日地月的傳動比通過

7、機構固定。因此，我們選擇行星輪機構橢圓規(guī)方案。且該方案相比連桿機構橢圓規(guī)方案更簡單，裝配更容易。3.2總體設計方案的優(yōu)化過程1）簡單連桿機構方案簡單連桿機構方案的機構圖：將動力源的力作用在地球連桿和月球連桿上，使其分別繞著各自中心軸旋轉。但該機構過于簡單，無法實現一個輸入多個輸出，且無法實現非圓周的復雜運動。2）行星輪機構橢圓規(guī)方案該方案利用了行星輪橢圓規(guī)機構，成功模擬了公轉的橢圓軌跡。且利用齒輪傳動可達到用一個輸入產生自轉和公轉輸出的效果。但自轉與公轉傳動比太大而使齒輪半徑過大，因而該方案實際上不可以行。3）行星輪機構橢圓規(guī)第一次優(yōu)化方案該方案在行星輪機構橢圓規(guī)方案上進一步改進了公轉與自轉之

8、間的傳動裝置，增設多級齒輪以達到減小齒輪半徑而快速增加傳動比的效果。但該方案因齒輪向外延伸，橫向距離依然偏大。切該方案依然無法加入月球。4）行星輪機構橢圓規(guī)第二次優(yōu)化方案該方案在行星輪機構橢圓規(guī)第一次優(yōu)化方案上將公轉自轉之間的齒輪傳動裝置由橫向改為縱向而節(jié)省了空間。并加入了月球極其傳動裝置。該方案已經在機械機構上達到最終的目的。5） 行星輪機構橢圓規(guī)最終方案該方案在行星輪機構橢圓規(guī)第二次優(yōu)化上，考慮日地距離要比月地距離大得多，因而在日地連桿之間加入4個惰輪來增加日地距離，從而更貼近日地月公轉與自轉的真實情況，至此完成機構設計方案。3.2 設計方案總體介紹日地月公轉與自轉演示儀總體結構圖該演示儀

9、可分為日地傳動部分、日月傳動部分、動力輸入與傳遞部分三大部分。日地傳動部分用于實現模擬地球公轉與自轉之間的傳動比，并實現模擬地球繞太陽公轉的橢圓軌跡以及地球自轉平面與公轉平面的夾角。日月傳動部分用于實現模擬月球公轉與地球公轉的傳動比，并實現模擬月球公轉自轉的同步以及月球繞地球公轉的軌跡。動力輸入與傳遞部分用于實現動力的輸入與傳遞，并且拉長日地之間的距離，更好地模擬真實情況。3.3 結構解析1） 日地傳動部分2）日月傳動部分中心轉軸套筒3） 動力輸入與傳遞部分4 理論分析與計算如圖，為該機構中所有齒輪的名稱與齒數。Z1和Z2之間距離為550mm，Z2和Z3之間距離為40mm。所有齒輪模數與齒數如

10、下:Z1=100 Z2=50 M1=M2=2mmZ2=57 Z3=23 M2=M3=1mmZ4=23 Z3=57 M4=M3=1mmZ2=63 Z5=17 M2=M5=1mmZ6=17 Z5=63 M6=M5=1mmZ6=63 Z7=17 M6=Z7=1mmZ7=63 Z8=17 M7=M8=1mm4.1 計算地球公轉與自轉之比當計算地球公轉速度與自轉速度之比時，應將其視為定軸齒輪系進行計算。W1為公轉速度，W8為自轉速度。地球自轉與公轉速度之比=W8/W1=(Z1*Z2*Z5*Z6*Z7)/(Z2*Z5*Z6*Z7*Z8)=377.2即地球公轉一圈，自轉377.2圈。實際一年中，地球自轉為3

11、65.24圈。為了齒輪制造配合方便，在誤差并不影響實際模型效果的前提下而采用上述齒輪齒數。4.2 計算月球公轉與地球公轉之比實際中，月球繞地球公轉速度與其自轉速度一致，觀察時可認為其繞地球公轉，因而月球不設自轉機構。當計算月球公轉與地球公轉之比時，應將其視為定軸齒輪系進行計算。W1為地球繞太陽公轉速度，W4為月球繞地球公轉速度。月球公轉與地球公轉速度之比=W4/W1=(Z1*Z2Z3/Z2*Z3*Z4)=12.28即地球公轉一圈，月球公轉12.28圈。實際一年中，地球上觀察到月球公轉為12.37圈。在實際模型演示中，誤差可忽略，并且齒輪制造配合方便。4.3行星輪橢圓的分析如圖所示，為使B點軌跡

12、為一橢圓，則齒輪Z2繞齒輪Z1公轉1圈，齒輪Z2繞其中心自轉2圈。因此Z1/Z2=100/50=2，此時滿足條件，可畫出橢圓軌跡。5 設計過程中的亮點5.1 創(chuàng)意上的亮點緊扣時代發(fā)展的脈搏，以“節(jié)能環(huán)保，綠色出行”的先進理念 ，實現了騎行與趣味健身的有機結合，而且產品采用模塊化設計，使得騎行運動功能模塊和趣味健身功能模塊可以無縫切換。騎行運動功能模塊使得騎行的安全性得到很大的提高，趣味健身功能模塊結合自發(fā)電技術使得室內健身過程不但動感非凡，趣味十足，而且更加綠色環(huán)保。產品使用環(huán)保材料，輕量化結構設計，讓出行更綠色。5.2結構上的亮點通過大膽地改造現有自行車的動力輸入方式，避開了傳統的腳蹬動力輸

13、入方式轉而改成利用臀部下壓產生的動力進行動力輸入，利用曲柄滑塊機構的優(yōu)點良好的實現了這一設計目標，在主軸處通過離合套筒結構實現了兩大功能模塊的切換，實現了雙功能。同時改進減震機構的放置，既更好的滿足了臀部動力輸入方式，又改進了減震效果，具有一舉雙得的效果。5.3繪圖上的亮點沒有簡單地以完成任務為目標地設計結構、表達結構為重點，在繪圖中充分地考慮了產品外觀和實際功能的需要，大量使用曲面造型，整體設計經過兩次繪圖，雖然增加了很大的工作量但最終還是有很大程度上地提高產品外觀質量，同時所有圖紙和模型結構均使用計算機制作，大大地提高了產品的整體效果。5.4團隊上的亮點團隊利用團隊成員各自擅長方向的不同，

14、合理地分工合作，優(yōu)勢互補，良好的分工協作和時間管理為作品的完成打了基礎。同時在作品完成過程中相互交流、共同學習進步，收獲了很多知識和協作精神。6 收獲與體會機械原理的課程設計是機械原理課程的一個延續(xù)和補充，是當中的非常重要的一環(huán)，本次課程設計時間不到兩周略顯得倉促一些。但是通過本次每天都過得很充實的課程設計，從中得到的收獲還是非常多的。兩周的課程設計結束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我們所學習的知識，也培養(yǎng)了我們如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設計過程中，與同學分工設計，和同學們相互探討，相互學習，相互監(jiān)督。學會了合作，學會了運籌帷幄，學會了寬容，學會了理解，也學

15、會了做人與處世，這些團隊協作的歷練也是成長過程中很重要的一步。課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，這是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程?！扒Ю镏惺加谧阆隆保ㄟ^這次課程設計，我們深深體會到這句千古名言的真正含義。我們今天認真的進行課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎。通過這次課程設計，我們在多方面都有所提高。在此感謝我們的老師，老師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我們工作、學習中的榜樣；老師循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我們無盡的啟迪；這次設計的很多細節(jié)處理，都離不開老師您的指導。而您開朗的個性和寬容的態(tài)度，鼓勵與幫助我們

16、能夠很順利的完成了這次課程設計。同時也很感謝對我們幫助過的同學們，同學對我們的幫助和支持，相互學習與促進使得我們的作品得以更加完善，同時也讓我們更加感受到同學之間的友誼。由于團隊的能力有限，在設計過程中難以避免出現一些錯誤，懇請老師們多多指教,我們十分樂意接受你們的批評與指正。這次課程設計我們在一個多月前就已經開始組隊并思考做一個什么樣的題目，在通過對現有生活的觀察和市場分析后，我們把目標定為設計一個產品而不僅僅是完成一個作業(yè)的作品，我們討論后確定的題目是設計一個多功能運動休閑山地自行車，由于知識和經驗儲備的不足，在一開始的時候有些手忙腳亂，不知從何入手。后來在設計過程中也是遇到了各種之前沒有

17、想到的問題，可謂是一波三折，差點沒有放棄這個題目。不過在老師的指導和同學們的熱情幫助下，我們還是找到了信心，并堅持一定要把這個題目完成。現在想想其實課程設計當中的每一天都是很累的，臨答辯那兩天更是一直畫圖到深夜兩點才爬到床上去。課程設計沒有想像的那么簡單，一點一滴都是自己動手和勤加思考的結果，想抄襲或者想自己胡亂蒙兩個數據上去、臆造什么東西來騙老師都感覺行不通，經過這段時間里的努力，在很多細節(jié)問題和設計問題都解決了，但是還是難免有疏忽和遺漏的地方。還有一些細節(jié)東西也沒來得及完善，完美總是可望而不可求的，獲取知識與經驗，為以后的工作打下堅實的基礎才是最重要的。在整個構思設計過程中，對我們的綜合運用機械原理課程及其他課程理論知識和利用生產實踐知識來解決實際問題的能力有很大的提高，真正做到了學以致用。在此期間我們同學之間互相幫助，共同面對機械原理課程設計當