西工大機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)幻覺式游樂機(jī)

1、西工大機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)幻覺式游樂機(jī)一、概述隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，我國(guó)經(jīng)濟(jì)也飛速發(fā)展，人們的生活水平也日益提高，人們的生活質(zhì)量也進(jìn)一步提高。人們?cè)O(shè)計(jì)出來的機(jī)械也逐漸由僅僅應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)到滿足人們精神生活的娛樂機(jī)械上來了。從迪斯尼樂園中的大型摩天輪到一般公園中的過山車，這些無不是通過機(jī)械設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出來的娛樂機(jī)械。某游樂場(chǎng)所欲添加一新的游樂項(xiàng)目，該項(xiàng)目是在一暗室中，讓一畫有景物的屏幕（觀眾可以看見屏幕上的景物），由靜止逐漸開始左右晃動(dòng)，晃動(dòng)的角度由小變大，并越來越大最終旋轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)幾周后，屏幕又漸趨靜止。 由于觀眾在暗室中僅能看見屏幕上的景物，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，觀眾產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)覺，他不認(rèn)為屏幕在晃動(dòng)，反而

2、認(rèn)為自己在晃動(dòng)，并且晃動(dòng)的越來越厲害，最后竟旋轉(zhuǎn)起來，這是一個(gè)有驚無險(xiǎn)的游樂項(xiàng)目。 現(xiàn)要求設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械傳動(dòng)裝置，使屏幕能實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動(dòng)規(guī)律。二、設(shè)計(jì)要求及原始數(shù)據(jù)2.1功能要求及工作原理 總功能要求 設(shè)計(jì)一新游戲，讓一畫有景物的屏幕由靜止逐漸開始左右晃動(dòng)，晃動(dòng)的角度由小變大，最終旋轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)幾周后，屏幕又漸趨靜止。 工作原理 由于觀眾在暗室中僅能看見屏幕上的景物，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，觀眾產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)覺，他不認(rèn)為屏幕在晃動(dòng)，反而認(rèn)為自己在晃動(dòng)，并且晃動(dòng)的越來越厲害，最后竟旋轉(zhuǎn)起來，這是一個(gè)有驚無險(xiǎn)的游樂項(xiàng)目。 2.2設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與要求 屏幕由靜止開始晃動(dòng)時(shí)的擺角約60。 每分鐘晃動(dòng)次數(shù)約為1012次。 屏

3、幕由開始晃動(dòng)到出現(xiàn)整周轉(zhuǎn)動(dòng)，歷時(shí)約23分鐘。 屏幕約轉(zhuǎn)10多轉(zhuǎn)后，漸漸趨于靜止。 用三相交流異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，其同步轉(zhuǎn)速為1000r/min或1500r/min，功率約1KW. 屏幕擺動(dòng)幅度應(yīng)均勻增大或稍呈加速的趨勢(shì)。 2.3設(shè)計(jì)任務(wù)1）根據(jù)功能要求和工作原理，繪制機(jī)械工作原理圖。2）構(gòu)思系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案(至少兩個(gè)以上)，然后進(jìn)行方案分析評(píng)價(jià)，選出較優(yōu)方案。3）確定電動(dòng)機(jī)的型號(hào)，設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)并確定其傳動(dòng)比分配。4）按工藝動(dòng)作過程擬定運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖。 5）設(shè)計(jì)V帶傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)，對(duì)所用到的齒輪進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，確定其尺寸。對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)尺寸設(shè)計(jì)，然后繪制出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，并作必要的運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析。6）編

4、寫課程設(shè)計(jì)說明書。三、運(yùn)動(dòng)方案的討論 游戲機(jī)系統(tǒng)只有一個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和一個(gè)執(zhí)行構(gòu)件，在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中，這個(gè)執(zhí)行構(gòu)件要實(shí)現(xiàn)從靜止開始逐漸晃動(dòng)，晃動(dòng)的角度由小變大，最終旋轉(zhuǎn)起來；轉(zhuǎn)幾周后，屏幕又漸趨靜止。這個(gè)運(yùn)動(dòng)過程較復(fù)雜， 游戲機(jī)系統(tǒng)需完成減速、運(yùn)動(dòng)交替和轉(zhuǎn)換、停歇的功能。3.1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是把原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)能量的分配、轉(zhuǎn)速的改變及運(yùn)動(dòng)形式的改變的中間裝置。其中機(jī)械傳動(dòng)是最常見的一種傳動(dòng)形式。針對(duì)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際傳動(dòng)情況，提出以下三種傳動(dòng)方案：方案一：電動(dòng)機(jī)通過一級(jí)V帶傳動(dòng)、一級(jí)圓柱齒輪、一級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)方案二：電動(dòng)機(jī)通過一級(jí)V帶傳動(dòng)、一級(jí)蝸輪蝸桿傳動(dòng)、一級(jí)直齒圓柱齒

5、輪帶動(dòng)方案三：電動(dòng)機(jī)通過一級(jí)V帶傳動(dòng)、二級(jí)斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)傳動(dòng)方案中各元件傳遞運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)如下：特點(diǎn)壽命應(yīng)用圓柱斜齒輪除可用于平行中傳動(dòng)，還可用于交叉軸傳動(dòng)（螺旋齒輪機(jī)構(gòu)），重合系數(shù)大，傳動(dòng)平穩(wěn)，齒輪強(qiáng)度高，適于重負(fù)載，相比直齒而言，斜齒有軸向力。取決于齒輪材料的接觸和彎曲疲勞強(qiáng)度以及抗膠合與抗磨損能力金屬切削機(jī)床、汽車、起重運(yùn)輸機(jī)械、冶金礦山機(jī)械以及儀器等圓柱直齒輪用于平行軸傳動(dòng)，齒輪嚙合與退出時(shí)沿著齒寬同時(shí)進(jìn)行，容易產(chǎn)生沖擊，振動(dòng)和噪音。取決于齒輪材料的接觸和彎曲疲勞強(qiáng)度以及抗膠合與抗磨損能力金屬切削機(jī)床、汽車、起重運(yùn)輸機(jī)械、冶金礦山機(jī)械以及儀器等錐齒輪用來傳遞兩相交軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，制

6、造、安裝困難，傳動(dòng)的精度和承載能力低。取決于齒輪材料的接觸和彎曲疲勞強(qiáng)度以及抗膠合與抗磨損能力一般應(yīng)用于輕載、低速場(chǎng)合。蝸桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，單級(jí)傳動(dòng)能得到很大的傳動(dòng)比；傳動(dòng)平穩(wěn)，無噪音；可制成自鎖機(jī)構(gòu)；傳動(dòng)比大、滑動(dòng)速度低時(shí)效率低；中、高速傳動(dòng)需用昂貴的減磨材料；制造精度要求高，刀具費(fèi)用貴。制造精確，潤(rùn)滑良好，壽命較長(zhǎng)；低速傳動(dòng)，磨損顯著金屬切削機(jī)床（特別是分度機(jī)構(gòu)）、起重機(jī)、冶金礦山機(jī)械、焊接轉(zhuǎn)胎等帶傳動(dòng)軸間距范圍大，工作平穩(wěn)，噪音小，能緩和沖擊，吸收振動(dòng)；摩擦型帶傳動(dòng)有過載保護(hù)作用；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，安裝要求不高；外廓尺寸較大；摩擦型帶有滑動(dòng)，不能用于分度鏈；由于帶的摩擦起電，不宜用于易燃易

7、爆的地方；軸和軸承上的作用力很大，帶的壽命較短帶輪直徑大，帶的壽命長(zhǎng)。普通V帶 3500-5000h金屬切削機(jī)床、鍛壓機(jī)床、輸送機(jī)、通風(fēng)機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械和紡織機(jī)械綜合考慮各種傳動(dòng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)特別是制造成本和運(yùn)行精度以及壽命、使用場(chǎng)合等，結(jié)合傳動(dòng)比的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)最終選定的方案是方案二。其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如右圖所示。3.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 對(duì)本設(shè)計(jì)，要求屏幕依次經(jīng)歷均勻擺動(dòng)加速、圓周轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)減速三個(gè)階段，與連桿機(jī)構(gòu)在不同桿長(zhǎng)條件下的運(yùn)動(dòng)特性相似。因此本設(shè)計(jì)采用連桿機(jī)構(gòu)改變桿長(zhǎng)的方法獲得不同運(yùn)動(dòng)特性的連桿機(jī)構(gòu)，通過控制對(duì)應(yīng)時(shí)間下的桿長(zhǎng)，使桿長(zhǎng)、連桿機(jī)構(gòu)位置、轉(zhuǎn)動(dòng)基準(zhǔn)與轉(zhuǎn)動(dòng)角度相對(duì)應(yīng)，進(jìn)而滿足不同時(shí)間下擺動(dòng)角度

8、或轉(zhuǎn)動(dòng)的要求。但要注意的是，由于連桿機(jī)構(gòu)的搖桿在擺動(dòng)時(shí)僅限于單向擺動(dòng)，需在其上再增加角度放大裝置。因此，總的傳動(dòng)方案是由電動(dòng)機(jī)通過一級(jí)帶傳動(dòng)、一級(jí)蝸輪傳動(dòng)和一級(jí)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)或雙曲柄機(jī)構(gòu)ABCD轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過一級(jí)齒輪傳動(dòng)放大角度帶動(dòng)屏幕左右晃動(dòng)以及整周轉(zhuǎn)動(dòng)。 因此，執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是對(duì)主動(dòng)桿桿長(zhǎng)改變的設(shè)計(jì)，綜合考慮各方面，在改變桿長(zhǎng)上，提出了以下三種主要方案：方案一：行星輪系和螺旋機(jī)構(gòu)來改變曲柄AB的長(zhǎng)度。在此機(jī)構(gòu)中，行星輪繞渦輪軸線公轉(zhuǎn)并絲杠繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)桿AB桿長(zhǎng)的增加。優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)平穩(wěn)無噪音，減速比大；可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)與直線移動(dòng)互換；滑動(dòng)螺旋可做成自鎖螺旋機(jī)構(gòu)；缺點(diǎn)

9、：工作速度一般很低，只適用于小功率傳動(dòng)；桿長(zhǎng)連續(xù)改變，不能比較精確地滿足擺動(dòng)時(shí)擺角變化的要求，且整周轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)桿長(zhǎng)依然增加，運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定。方案二：行星輪系和凸輪機(jī)構(gòu)改變曲柄AB的長(zhǎng)度。在此機(jī)構(gòu)中，行星輪繞渦輪軸線公轉(zhuǎn)并圓柱凸輪繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)桿AB桿長(zhǎng)的增加。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，可獲得任意運(yùn)動(dòng)規(guī)律。缺點(diǎn)：動(dòng)載荷較大，傳動(dòng)效率較低；凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)回程較困難；整周轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不能保持AB長(zhǎng)度不變。方案三：凸輪機(jī)構(gòu)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)來改變曲柄AB的長(zhǎng)度。主視圖右視圖立體圖在此機(jī)構(gòu)中，連桿與凸輪在齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)利用變位修正在保證中心距不變的條件下出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差，利用主動(dòng)桿相對(duì)于凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)桿桿

10、長(zhǎng)的改變。優(yōu)點(diǎn)：工作較為精確，能較為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，成本不高，結(jié)構(gòu)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：機(jī)構(gòu)復(fù)雜，距離精確運(yùn)動(dòng)仍有一定差距。經(jīng)綜合對(duì)比，盡管方案一、方案二具有結(jié)構(gòu)、成本上的優(yōu)勢(shì)，但運(yùn)動(dòng)效果不理想，而方案三雖然結(jié)構(gòu)占用空間較大，但成本不太高、運(yùn)動(dòng)效果較好。因此，執(zhí)行機(jī)構(gòu)選定為方案三。四、機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的確定機(jī)械工作原理圖如方案三主視圖。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的順序：電動(dòng)機(jī)V帶傳動(dòng)蝸輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)齒輪放大屏幕工作時(shí)序圖為：時(shí)間002min20s2min20s6min6min6min40s6min40s動(dòng)作啟動(dòng)擺動(dòng)周轉(zhuǎn)減速停止機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖為：傳動(dòng)比的分配和計(jì)算轉(zhuǎn)速傳動(dòng)比傳動(dòng)比分配i1i2i3凸輪2.

11、85r/min10000/192.55080/19主動(dòng)桿3r/min5002.55080/20傳動(dòng)零件選擇V帶直徑蝸輪蝸桿齒數(shù)大輪150蝸桿1小輪60蝸輪50齒輪模數(shù)壓力角（度）齒數(shù)1m=2=2080280320419連桿機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)：桿或機(jī)架ABBCCDAD長(zhǎng)度45-100300100300要特別注意的是，由于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿在擺動(dòng)時(shí)左右擺動(dòng)的不均勻性以及擺動(dòng)中心不斷變化，通過編寫程序，我們發(fā)現(xiàn)在連桿和機(jī)架長(zhǎng)度相等時(shí)，其長(zhǎng)度越長(zhǎng)，擺動(dòng)的不均勻性越不明顯，在連桿及機(jī)架長(zhǎng)度為搖桿或曲柄最大值的3倍時(shí)，初始擺動(dòng)中心角為98，偏差已比較小，而再增加連桿及機(jī)架長(zhǎng)度時(shí)初始中心角較小并不明顯。因此以搖桿

12、對(duì)機(jī)架轉(zhuǎn)角94對(duì)應(yīng)屏幕豎直位置。為保證擺動(dòng)角度均勻增加以及桿長(zhǎng)變化不太劇烈，通過編程，得到全部桿長(zhǎng)下的擺動(dòng)角度，從其中取出具有代表性的擺角和桿長(zhǎng)進(jìn)行凸輪的設(shè)計(jì),。具體數(shù)據(jù)見另附文件“數(shù)據(jù)”，計(jì)算程序見附錄。從中取出的數(shù)據(jù)點(diǎn)如下：AB長(zhǎng)度AB轉(zhuǎn)動(dòng)總角度AB相對(duì)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度搖桿相對(duì)94擺角屏幕擺角45000046.4124.426.22132.56560299.3214.96636.57368.8482.5224.12643.58774.2657.4232.87145.691.278.4840.7242.03650.6101.282.91015.6250.78154.1108.285.21198.

13、4259.9215811688.81373.8268.69161.9123.891.21555.3277.76666.1132.293.51731.8286.59170.1140.296.81911.7295.58674.1148.297.12089.92104.4967815699.52268.22113.41181.3162.699.32447.92122.39686.2172.41002520126901801002880144180180100324016218018010036001801801801003960198180180100432021618018010046802341

14、80180100504025218018010054002701801801005760288180180100612030618018010064803249018094.86585.9329.29574.1148.278.46778.1338.90561.9123.8646969.4348.4750.6101.246.77163.5358.17536.57345720036000設(shè)計(jì)出的對(duì)心直動(dòng)滾子推桿幾何封閉盤形凸輪機(jī)構(gòu)如下圖所示：五、運(yùn)動(dòng)結(jié)果分析本設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)分析主要是擺動(dòng)角度的分析。（1）擺動(dòng)加速階段以從動(dòng)桿對(duì)機(jī)架轉(zhuǎn)角為94為屏幕豎直位置，從45mm到100mm桿長(zhǎng)的擺角數(shù)據(jù)中抽出，使擺

15、角基本上均勻增加，并使主動(dòng)桿長(zhǎng)度不出現(xiàn)較大波動(dòng)。模擬結(jié)果如下圖所示： 由圖像可以看出，隨著主動(dòng)桿與凸輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，擺角實(shí)現(xiàn)了較為均勻的增加，與設(shè)計(jì)要求符合較好。（2）減速階段基本數(shù)據(jù)從加速擺動(dòng)過程中抽出，并加以反向處理，以使凸輪外形較為光滑。模擬結(jié)果如下圖所示：（3）轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)擺角分布情況 由圖像可以看出，隨著主動(dòng)桿與凸輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，首先是擺角較為均勻的加速階段，其次是180整周轉(zhuǎn)動(dòng)階段，最后是減速階段，整個(gè)過程擁有較高的準(zhǔn)確度，與設(shè)計(jì)要求符合很好。六、設(shè)計(jì)心得在這次課程設(shè)計(jì)的過程中，感觸最深的就是為了完善我們的成果查閱了很多書籍，資料，加深了 C語言編程的使用、以及CATIA、AutoCAD

16、等繪圖軟件的使用。經(jīng)過小組研討，我們掌握了連桿與凸輪機(jī)構(gòu)的基本原理以及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律及特點(diǎn)。在作業(yè)進(jìn)行過程中，我們小組合理分工，加強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作，在互助進(jìn)步中理論知識(shí)逐步完善。本次的作業(yè)給了我們一次鍛煉機(jī)會(huì)，從理論到實(shí)踐，每一步都環(huán)環(huán)相扣，每一個(gè)結(jié)果都息息相關(guān)，最終在我們共同的努力下完成了本次課程設(shè)計(jì)。這次的課程設(shè)計(jì)我們走了很多彎路，但總算是順利的完成了，學(xué)習(xí)到的東西也很多，它讓我們受益匪淺?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1、 裘建新 . 機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 . 北京：高等教育出版社，20042、孫桓，陳作模，葛文杰 . 機(jī)械原理 . 第七版 . 北京：高等教育出版社，20053、鄒慧君 . 機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)手冊(cè)

17、 . 北京：高等教育出版社，19984、鄒慧君 . 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)手冊(cè) . 上海：上海交通大學(xué)出版社，1994附錄附錄1：連桿計(jì)算程序計(jì)算不同連桿和機(jī)架長(zhǎng)度時(shí)搖桿初始中心角以及計(jì)算不同曲柄長(zhǎng)度時(shí)各參數(shù)值程序#include#includeint main()double s1,s2,s3,s4;s1=40;s2=500;s3=100;s4=500; double zhong,jia,you,zuo,du3,du1,u,m;double pi=180/3.141592653;int i,j;FILE *p;p=fopen(data.txt,w+);u=90.0;for(i=0;i601;i+)

18、 fprintf(p,n%.1lft,s1); printf(n%.1lf,s1); du1=acos(s4*s4+(s1+s2)*(s1+s2)-s3*s3)/2/(s1+s2)/s4);du1=du1*pi;du3=acos(s4*s4-(s1+s2)*(s1+s2)+s3*s3)/2/s3/s4); du3=du3*pi;you=180-du3;printf(%.2lft%.2lft,du1,you);fprintf(p,%.1lft%.1lft,du1,you);du1=acos(s4*s4+(s1-s2)*(s1-s2)-s3*s3)/2/(s2-s1)/s4);du1=du1*pi;du3=acos(s4*s4-(s1-s2)*(s1-s2)+s3*s3)/2/s3/s4); du3=du3*pi;zuo=180-du3;printf(%.2lft%.2lfn,du1,zuo);fprintf(p,%.1lft%.1lft,du1,zuo);jia=zuo-you; print