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機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)-指南車
機(jī)械原理課程設(shè)計(jì) 指南車的設(shè)計(jì)研究
學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 指導(dǎo)教師：
目錄
目錄 ................................................................................................. 1 第一章 研究背景 ............................................................................ 2 第二章 基本原理 ............................................................................ 3 第三章 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ............................................................................ 3 1、機(jī)構(gòu)原理 .............................................................................. 3 2、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .............................................................................. 4 3、設(shè)計(jì)方案 .............................................................................. 5 第四章 仿真分析 ............................................................................ 7 1、實(shí)體建模 .............................................................................. 7 2、仿真結(jié)果 .............................................................................. 8 第五章 總結(jié) .................................................................................. 10 附 電子檔清單 .............................................................................. 12
第一章 研究背景
指南車，又稱司南車，是中國(guó)古代用來指示方向的一種機(jī)械裝置。它利用差速齒輪原理，它與指南針利用地磁效應(yīng)不同，它是利用齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，由車上木人指示方向。不論車子轉(zhuǎn)向何方，木人的手始終指向南方，“車雖回運(yùn)而手常指南”。
指南車是古代一種指示方向的車輛，也作為帝王的儀仗車輛。指南車起源很指南車復(fù)原模型早，歷代曾幾度重制，但均未留下資料。直至宋代才有完整的資料。它利用齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和離合裝置來指示方向。在特定條件下，車子轉(zhuǎn)向時(shí)木人手臂仍指南。指南車的自動(dòng)離合裝置顯示了古代機(jī)械技
術(shù)的卓越成就。但是，正如永動(dòng)機(jī)不可能成功，機(jī)械式指南車也有它解不開的死穴。因?yàn)樗袡C(jī)械指南車，都是以兩輪之間的“差動(dòng)”來工作的，它希望兩輪與地面作純滾動(dòng)，這是一種理想的數(shù)學(xué)模式，在實(shí)際中從來不曾有過。我們知道車輪尺寸會(huì)有制造誤差，也會(huì)有磨損不均，還會(huì)有地面的坑坑洼洼。若將試驗(yàn)條件相對(duì)放寬，機(jī)械式指南車必定會(huì)與預(yù)期有較大的差異，被歷史淘汰也是不可避免的。
本次研究的主題是指南車的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，本小組對(duì)指南車的核心機(jī)構(gòu)——加法機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并通過CAD/CAE/CAM集成軟件Solidworks對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)行實(shí)體建模與運(yùn)動(dòng)分析。
第二章 基本原理
車箱內(nèi)部設(shè)置有一套可自動(dòng)離合的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)車子行進(jìn)中偏離正南方向，向東(左)轉(zhuǎn)彎時(shí)，東轅前端向左移動(dòng)，而后端向右(向西)移動(dòng)，即將右側(cè)傳動(dòng)齒輪放落，使車
輪的轉(zhuǎn)動(dòng)能帶動(dòng)木人下方的大齒輪向右轉(zhuǎn)動(dòng)，恰好抵消車輛向左轉(zhuǎn)彎的影響，使木人手臂仍指南方。當(dāng)車子向西(右)轉(zhuǎn)彎時(shí)，則左側(cè)的傳動(dòng)齒輪放落，使大齒輪向左轉(zhuǎn)動(dòng)，以抵消車子右轉(zhuǎn)的影響。而車子向正前方行進(jìn)時(shí)，車輪與齒輪系是分離的，因此木人手臂所指的方向不受車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的影響。如此，不管車子的運(yùn)動(dòng)方向是東西南北，或不斷變化，車上木人的手臂總是指向南方，起著指引方向的作用。
第三章 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
1、機(jī)構(gòu)原理
指南車使用了差動(dòng)齒輪裝置，或者稱加法機(jī)構(gòu), 或者稱差速器。其原理是當(dāng)車輛直線行駛時(shí)左右兩車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度相等。差動(dòng)機(jī)構(gòu)沒有輸出。車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)兩側(cè)車輪角速度不相等，這時(shí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出這個(gè)差值。驅(qū)動(dòng)指示機(jī)構(gòu)。
類似的裝置應(yīng)用在現(xiàn)代汽車的差速器和工業(yè)上加工齒輪的專用設(shè)備插齒機(jī)以及滾齒機(jī)中。
2、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)指南車的運(yùn)動(dòng)特性，在自由度為一的定軸輪系設(shè)計(jì)中，由于直線前進(jìn)時(shí)，自動(dòng)離合裝置不會(huì)與左右兩輪相結(jié)合，故輸出桿件不會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而能固定指向；但在左右旋轉(zhuǎn)時(shí)，則必須固定某一輪使其轉(zhuǎn)速為零，并以該輪與地面的接觸點(diǎn)為圓心，由另一輪的旋轉(zhuǎn)使車身轉(zhuǎn)彎；在轉(zhuǎn)彎時(shí)，自動(dòng)離合裝置啟動(dòng)，將車輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞至輸出桿件，產(chǎn)生與車身相等的角速度旋轉(zhuǎn)但方向相反的運(yùn)動(dòng)，使輸出桿件保持固定指向。而在自由度為二的差動(dòng)輪系設(shè)計(jì)中，整體機(jī)構(gòu)的輸入即為左右兩輪的旋轉(zhuǎn)角速度，用以控制輸出件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在直線前進(jìn)時(shí)，左右兩輪保持相同轉(zhuǎn)速，此時(shí)車身并不旋轉(zhuǎn)，同樣地輸出件此時(shí)角速度也會(huì)因?yàn)樽笥覂奢喌牡冉撬俣冗\(yùn)動(dòng)而相互抵銷轉(zhuǎn)速為零，但在左右旋轉(zhuǎn)時(shí)，車身會(huì)因?yàn)樽笥覂奢喌乃俣炔疃a(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而輸出桿件則由內(nèi)部傳動(dòng)造成輸出桿件作與相等的角速度旋轉(zhuǎn)但方向相反的運(yùn)動(dòng)，使輸出桿件保持固定指向。
因此，在車輪與車身的運(yùn)動(dòng)分析上，定軸輪系指南車便成為差動(dòng)輪系指南車的一個(gè)特例。而輸出桿的運(yùn)動(dòng)，則會(huì)因內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)而不同。據(jù)此，首先須推導(dǎo)出，左右兩輪的角速度所造成車身旋轉(zhuǎn)的角速度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。假設(shè)左右兩輪的角速度分別為 ωL 與 ω
R ，車身旋轉(zhuǎn)的角速度為 ω ，車輪的半徑為 R ，兩車輪中心距為 L ， 則依照?qǐng)D 4-1 所示，車在向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，左右兩輪以點(diǎn) O 為圓心作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， r1 與 r2 分別表示左右兩輪與圓心 O 的距離(旋轉(zhuǎn)半徑)， S1 與 S 2 則表示左右兩輪所行走的距離，則所有參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系推導(dǎo)如下：
根據(jù)兩輪行進(jìn)距離可得：
綜上可得：
3、設(shè)計(jì)方案
基于差動(dòng)輪系，設(shè)計(jì)一套加法機(jī)構(gòu)。當(dāng)車輛直線行駛時(shí)左右兩車輪
轉(zhuǎn)動(dòng)角速度相等，差動(dòng)機(jī)構(gòu)沒有輸出。車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)兩側(cè)車輪角速度不相等，這時(shí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出這個(gè)差值。通過加法機(jī)構(gòu)，將兩輪輸入的角度差值轉(zhuǎn)化為指向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從而實(shí)現(xiàn)指向盤所指方向不變的工作特性，即起到“指南”的作用。
本組的設(shè)計(jì)方案如圖所示（附件包含該圖的AutoCAD圖紙以及Solidworks的仿真分析模型）。圖示為指南車的后輪，差動(dòng)輪系將左右兩個(gè)后輪的輸入轉(zhuǎn)化為指南盤轉(zhuǎn)角的輸出。輪系中的齒輪參數(shù)如下表格所示：
車輪參數(shù)：
左右輪直徑：Φ400mm 軸距：400mm
通過以上參數(shù)可得ω=0.5(ωL-ωR)，本設(shè)計(jì)滿足件，故能夠?qū)崿F(xiàn)“指南”的功能。
的條
第四章 仿真分析
1、實(shí)體建模
這里選用于SolidWorks的環(huán)境下進(jìn)行指南車實(shí)體模型的建立。SolidWorks是一個(gè)架構(gòu)在窗口操作系統(tǒng)下的3D實(shí)體繪圖設(shè)計(jì)工具，讓使用者擁有直覺式的設(shè)計(jì)空間。
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維模型如圖所示。齒輪大小不相同時(shí), 其厚度也不相同, 建模時(shí)是完全根據(jù)實(shí)際尺寸進(jìn)行造型的。
而整體的機(jī)構(gòu)仿真圖二如下：
圖二 2、仿真結(jié)果
為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性,使用仿真技術(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析。以下給出仿真結(jié)果曲線。圖三中曲線是指向盤的相對(duì)于車身的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度曲線w12??30,圖四中曲線是右輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度wL?600，圖五中曲線是左輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度wR?660。
圖三：指向盤相對(duì)于車身角速度
圖四：右輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度
圖五：左輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度
圖六：指向盤相對(duì)于地面角速度 我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)RR?0.5,車身相對(duì)于對(duì)面的角速度w??(wL?wR)?30LL
這與指向盤相對(duì)車子的角速度w12??30大小相等方向相反,所以指向盤相對(duì)地面的角速度始終為0，如圖六所示, 實(shí)現(xiàn)了始終指南的功能。
仿真動(dòng)畫更清楚地顯示了小車沿任意路徑前進(jìn),指向盤的朝向始終不變的結(jié)果。
第五章 總結(jié)
本次課程設(shè)計(jì)，小組成員運(yùn)用《機(jī)械原理》課程所學(xué)習(xí)的輪系相關(guān)知識(shí)，并查閱有關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)出適用于指南車工作的差動(dòng)輪系，并通過Solidworks對(duì)指南車外觀及核心機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模，使用Solidworks Simulation模塊對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，驗(yàn)證了小組機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。
在設(shè)計(jì)過程中，小組成員通過查閱大量有關(guān)資料，并與老師同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，使我們學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲巨大。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我們懂得了許多東西，樹立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)做的可能不夠完善，但是在設(shè)計(jì)過程中所學(xué)到的東西是這次課程設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我們終身受益。
課程設(shè)計(jì)這兩周非常充實(shí)，讓我們學(xué)到了很多東西。非常感謝老師的熱心教導(dǎo)，與這次課程設(shè)計(jì)難得可貴的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)！
附 電子檔清單
1、課題研究報(bào)告；
2、輪系設(shè)計(jì)圖紙；
3、指南車運(yùn)動(dòng)仿真視頻；
4、指南車虛擬樣機(jī)（Solidworks 2013裝配體格式）；
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