绿色多功能环保行李箱设计说明书

摘 要环保机械产品是近年来备受市场亲睐的绿色新型科技产品。我经过几个月的思考与实践，设计出了这一款多功能环保行李箱，它能帮助人们解决许多日常生活中的环保问题，也能使人们意识到环保、科技、机械之间的重要联系。在设计过程当中，通过对各数据的计算、CAD 应用及工程图的绘制、机械运动仿真、PRO/E、SolidWorks 中参数的选取及三维实体建模等，设计出了这款由上、中、下三箱体组成的多功能环保行李箱。 关键词：SolidWorks 与 CAD 应用；运动仿真；环保与机械；绿色新型科技产品ABSTRACTThe environmental protection engineering products were the recent years are subject to the market kissed lai the green new science and technology product。I undergo several month-long ponders and the practice，Designed this section of green multi-purpose environmental protection suitcases，It can help the people to solve in many daily life environmental protection problems，Can also cause the people to realize between the environmental protection, technical, machinerys important relation，In designs in the middle of the process，Through to various data computation, in engineering plat plan, mechanical movement simulation, SolidWorks parameter selection and three dimensional entity modelling and so on，esigned this section the multi-purpose environmental protection suitcases which was composed of the upper, middle and lower three box of bodies.Key words： solidworks and cad application；movement simulation； environmental protection and machinery； green new science and technology product目 录一 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外状况11.3 发展趋势11.4 应用对象11.5 设计构想1二 工作原理22.1 设计理念22.2 设计原理22.3 总体模型2三、设计计算33.1 运动情况43.2 受力情况53.2.1 选取弹簧53.2.2 杆件的选取63.2.3 轴 1 旋转杆件的选取73.2.4 圆柱杆件的选取83.3 开口销的选择83.4 箱盖、箱盖附板以及其连接设计93.4.1 箱盖附板的设计93.4.2 箱盖附板与箱盖连接设计.103.4.3 箱盖设计113.4.4 箱盖与箱体的连接设计11四、产品 CAD 零件图12五、运动仿真技术与 Pro/ENGINEER 应用125.1 对产品设计理念的影响125.2 产品工作装置运动仿真设计步骤12六、产品工作装置的三维实体建摸136.1 工作装置零件建摸136.1.1 箱体的生成136.1.2 上盖的生成146.1.3 座椅的生成156.1.4 连杆的生成156.1.5 抽屉的生成166.1.6 连接销轴的生成166.2 工作装置装配模型建摸176.2.1 轴 1 与箱体的连接模型装配186.2.2 轴 2 与轴 1 的连接模型装配196.2.3 轴 3 与轴 2 的连接模型装配196.2.4.轴 3 与椅子背板的连接206.2.5 椅子背板与座板的连接模型装配216.2.6 轴 1 与轴 4 的连接模型组装配216.2.7 轴 4 与磁铁板的连接模型装配226.2.8 抽屉与磁铁板以及箱体的连接模型装配22七、整体工作装置运动仿真237.1 概述237.2 创建产品工作装置的机械运动仿真247.2.1 连接轴的设置247.2.2 创建快照247.2.3 定义伺服电动机247.2.4 运行运动277.2.5 获取分析结构307.2.6 运动机构的仿真示例31八、材料的选择338.1 选材原则338.2 材料类型33九、设计小结34十、致谢35十一、参考文献361 绪论1.1 研究背景及意义随着人类科学技术的不断发展，人与自然的和谐已成为当今世界的焦点。关注环境，即关注人类生存的明天。由于人们物质文化生活水平的提高，已趋于一种享受生活的精神意态。户外活动也就不断的增多，但就当我们在享受生活时，却不无意识的“伤害”到了大自然，威胁着人类自身的生存空间。针对目前的这一情况，我设计了一款简单实用的绿色多功能环保箱。其可广泛用于各类风景区、自然保护区、生态公园以及一些人们平时的户外野炊活动的场所。1.2 国内外状况 目前，我国的各类环保产品种类繁多，其应运已涉及到人们的日常生活当中。随着北京申奥的成功，环境保护更是与经济快速发展息息相关。随着我国经济持续、健康、高速稳定的发展，对环保产品的需求将增长，在国家经济宏观调控与环境保护的互补形式下，研究与开发类似本产品的环保机械产品，将成为各开发商新的焦点。国外尽管有类似的产品，但对于大多数的发展中国家及一些贫困地区，其高昂的费用就令人们望而止步。因此，本设计的开发在不久的将来将存在很大的市场发展空间。1.3 发展趋势轻巧、方便能更好的符合人们的需求，取材以轻质塑胶为主，功能全面、适用范围广、价格适宜。环保功能更是一个新的创新。1.4 应用对象户外活动群体各风景区、自然保护区、生态公园以及一些社区活动休息中心等场所。1.5 设计构想（多功能、全系列）产品折叠是外形类似于普通的行李箱，分上中下三层。上层为存储空间，可适宜携装各类必备物品或工具；中间层为抽屉用于回收各类事后废弃物；下层为各机构活动的主空间，展开后可当做简易的带椅子的小桌用。2、工作原理2.1 设计理念本产品以绿色设计为设计理念，以结构、材料、工艺的选择为出发点，节能省料、简化零件，采用模块化设计，从而达到即环保又适用的目的。2.2 设计原理以空间四杆机构为运动的主体，辅之于一些简易的拉伸、活动销轴等机构。2.3 总体模型 （如图 1、图 2、图 3）图 1 图 2图 33、设计计算主体桌面总长为 1000 mm,总宽为 500+200*2=900 mm主体箱高为 300 mm3.1 运动情况说明：一般成年人体重在 440N980N 之内，座椅背的最大摆角为 30 ，摆动速度由弹簧控制。具体情况见图 4、图 5 分析：图 4 椅子摆动前图 5 椅子摆动后座椅背摆动到最大角 30 时，四杆机构运动如图 5。座椅背的摆动由四杆机构带动抽屉做进出运动，座椅背摆动至最大角度时，推动轴 2、轴 3 组成的连杆向右移动，然后经轴 1、轴 4 组成的连杆推动抽屉向外运动。各部件在水平方向的运动距离经几何计算可得，当摆动角在 030 间时，抽屉的进出拉伸距离 S 的范围 S=0160 mm。几何计算过程如下：在等腰三角形 中，已知 =150 mm, = ,则：12AB12AB12BA5由余弦定理易知 = =289.78mm21COS同理在三角形 中： = 即为轴 4 的长度 , 即为所求的抽屉进12C124L12出的距离 S Max=160mm， = , ，则：512由余弦定理易知 =88.86mm4L又取 =100 mm 所以有轴 1 =150+ =250 mmAD ADL轴 2 =500+ +50=650 mm轴 3 =300+75+ =475 mm3.2 受力情况 （如图 6、图 7）图 6 摆动前受力图 7 摆动后受力3.2.1 选取弹簧已知人体重、摆动的角度及各运动杆件的长度，由上图 6、图 7 受力分析运用平行四边行法则可得：（ 取最大值 30 ，G 取 980N）=Sin*G=490N （1）1FF= =245N (2)30SinF=k*x （3）弹簧拉伸长度 x 在图 5 中由余弦定理可知：x=92.65mm所以，Kmax=F/x=2.64据此选择弹簧材料型号：取弹簧直径 D=1mm，D 级钢丝弹簧，则其极限强度 =2300MPa。 （查机械设计手册 软件版 2008）而 Max=F/A= =1441.58 MPa =2300MPa 满足要求。13.64/*3.2.2 杆件的选取一般成年人体重 F=440N980N；查机械设计手册 软件版 2008 选用碳素钢Q195 作为杆件。其应力 b=315 MPa390 MPa， =2 min= =315/2 图 8 轴力图由杆件的轴力图 8 可知：受力杆件各截面上的轴力相等，但为满足产品轻巧原则，杆件材料选空心碳素结构钢。则其横截面面积为：A= （4）221144d（其中空心杆件管壁厚为 2mm）则危险截面上的最大正应力：Max= = （5） 4AMaxF2211980 min= 157.MPa4d代入 即可求的 2.25mm2故可取 =25mm13.2.3 轴 1 的旋转杆件的选取图 9 受力分析图如图 9 所示，经受力分析可知：= = = （6）AyFByCDmg2314dLg(其中 m 为轴 1 的质量， 为轴 1 直径， )3d为 销 轴 材 料 碳 素 钢 密 度由 M, 图知 CD 段为纯弯曲 则：s= 100 （7）maxcMAyCX2314Lg( 已知为 100mm, =7.8kg/ )3m横放时销轴的最大弯曲正应力为：Max= min=157.5 MPa （8）3/2ZWd21380gLd （其中 为销轴的直径）3d即可求的 0.34mm故可取 =25mm33.2.3 如图所示圆柱杆件的选取图 10如图 10 所示，经受力分析可知：（9）13042AyFGSin367.5AyFN由 M, 图 9 知:s2.45N m （10）maxcMmax102BBCSinX(其中 =20mm)BCXMax= min=157.5 MPa （11）34/2ZWd34.5d即可求的 0.54mm故可取 =25mm43.3 开口销的选取（如图 11）图 11由与销轴连接的两杆件直径为 25mm,故查表 GB/T8822000 可知此处销钉长度在 620mm 之内，所以开口销直径 D=3.2mm。则开口销材料为 Q235,不经表面处理,其=530 MPa560 MPa，b强度核算，最大剪切力为：Max= 312.1 MPa （12）29804MaxFAD530MPa满足题意，故取开口销直径 D=3.2mm3.4 箱盖、箱盖附板以及其连接设计3.4.1 箱盖附板的设计箱盖附板的板长 a 为 980mm，宽 b 为 200mm，受到的附着力 F 最大值为600N，采用 Q195 碳素结构钢。 =320MPa （如图 12、图 13）图 12图 13对其应力分析如下：1.92 10-3mm （13）1bFda 9 10-3mm （14） 2bFda取 d=2mm3.4.2 箱盖附板与箱盖连接设计箱盖附板与箱盖连接如图 14 所示，拉出方式采用手动拉出，连接装置的材料为 Q195 碳素结构钢， =320MPa，其中单侧受正压力为 F=300，a=10mmb图 14= （15）b1Fad所以 10.9bFdma取 =2mm1同理可得取 =2mm23.4.3 箱盖的设计箱盖的长度 a=1000mm，宽为 b=500mm，箱盖受力为 F=600N 选材料 Q195 碳素结构钢。 （如图 15）图 15（16）bFd（17）3.7510bm取 d=2mmC=7 d=7 2=14mm箱盖中间可加以长度与箱体长相同的筋板，这样当桌面承受一定的重量时，可减少桌面的受力弯曲程度。3.4.4 箱盖与箱体的连接箱体与箱盖的连接采用合叶连接，如图 16 所示图 164、CAD 零件图（附：零件图图纸）5、运动仿真技术与 Pro/ENGINEER 应用5.1 对产品设计理念的影响以计算机仿真和产品生命周期为基础；以机械运动学，动力学和控制理论为核心，借助成熟的三维计算机图形技术,图形用户界面技术，信息技术，集成技术，多媒体技术，并行处理技术等。将分散的产品设计开发和分析过程集在一起，使得产品相关的所有人员能在产品研制的早期直观形象的对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真以及使用仿真等。而 Pro/ENGINEER 应用软件在工程中的应用，使机械二维、三维动态造型仿真的更直观更形象。而对本产品实行绿色设计的理念无疑将起着重大的作用。5.2 产品工作装置运动仿真设计步骤（如图 17）图 17工程图见整体装配图6、产品工作装置三维实体建模6.1 工作装置零件建模合理运用 Pro/ENGINEER 的各种不同的生成方法，合理、高效、快速的生成三维实体模型。6.1.1 箱体的生成 （如图 18）图 18箱体建模主要采用拉伸，首先选定草绘平面进入草绘模式，绘出箱体二维草图，然后进行拉伸生成箱体三维实体，再在其上半部分为打盲孔，下半部分选择深度方式为穿透，应注意保证主要尺寸的准确性（尺寸见零件图） 。6.1.2 上盖的生成 （如图 19）图 19采用拉伸方法建立上盖基本体，然后采用对齐的方式插入边沿两平板。6.1.3 座椅的生成 （如图 20）图 20先建立底盘框架，采用裁减命令生成槽钢结构，在框架上生成后续特征。座椅的生成主要采用了拉伸命令，裁减命令和复制命令。座椅建模过程中需注意翻转座背连接杆的正确定位及角度控制。6.1.4 连结杆的生成 （如图 21）图 21连杆的生成比较简单，主要采用了拉伸命令，需要注意的是在草绘截面时尺寸的标注，要保证主要尺寸的准确，比如两孔中心距。6.1.5 抽屉的生成 （如图 22）图 22抽屉建模主要采用拉伸，首先选定草绘平面进入草绘模式，绘出抽屉二维草图，然后进行拉伸生成抽屉三维实体，再在其上打盲孔，应注意保证主要尺寸的准确性（尺寸见零件图） 。6.1.6 连接销轴的生成 （如图 23）图 23销轴建模主要采用旋转命令，先绘制一条旋转轴，接着草绘截面，再绕旋转轴旋转 360 度就可生成销轴实体，然后生成轴端的限位孔，最后在需要倒角的部位倒角。要注意的是建立限位孔时需先创建与柱面相切的基准面作为草绘截面。6.2 工作装置装配模型建模零件设计完成后，往往需要根据设计要求对零件进行装配。在 Pro/ENGINEER 的装配模块中，通过定义零件之间的位置约束关系，可以把子零件装配成一个装配件，并检查零件之间是否有干涉以及装配体的运动情况是否合乎设计要求。同时在生成装配体过程中，用户可以根据需要添加生成新的零件和特征。使用 Pro/E 进行装配设计有两种基本方法，示意图如图 24 所示。 在上面两种方法中，第 1 种方法相对第 2 种方法是比较低端的方法。因为在真正的概念设计中，很少利用一个零件来控制整个装配体的设计，往往都是在拿出产品的外在概念和功能概念后，逐步对产品进行设计上的细化，直至细化到单个零件。零 件 设 计 示 意 图 零 件 零 件部 件 装 配 件 部 件 装 配 件零 件零 件装 配 件装 配 体 设 计 示 意 图（a）由底向上的设计方法装 配 体 设 计 示 意 图 装 配 件 零 件 零 件部 件 装 配 件部 件 装 配 件零 件零 件零 件 设 计 示 意 图(b)由顶向下的设计方法图 24 Pro/E 的装配件设计方法前面已经生成多功能环保箱的各种底层零件的三维模型，然后采用由底向上的装配设计方法对这些零件进行空间定位来生成装配件。在装配件设计时，可以根据需要对装配件中的零件进行修改，比如修改零件尺寸，移动零件在装配件中的位置，生成新的特征等。对于一个装配件，当其中所有的零件都被完全约束时，这种装配件就称为参数化的装配件，否则就是非参数化的装配件。下面对本次多功能环保箱工作装置模型的装配设计过程作简要叙述：6.2.1 连杆 1 与箱体的连接模型装配：连杆 1 与箱体之间采用销轴连接，轴对齐为元件的 A-10 轴与主体的 A-41 轴。（如图 25）图 256.2.2 连杆 2 与连杆 1 的连接模型装配连杆 2 与连杆 1 采用销轴连接，轴对齐为元件的 A-13 轴与连杆 1 的 A-4 轴，之后调整位置使连杆 2 与连杆 1 成 90 度。 （如图 26）图 266.2.3 连杆 3 与连杆 2 的连接模型装配连杆 3 与连杆 2 采用销钉连接，轴对齐方式为元件的 A-4 轴与连杆 2 的 A-4 轴，之后调整位置使连杆 3 与连杆 2 成 180 度角。（如图 27）图 276.2.4 连杆 3 与椅子背板的连接连杆 3 与椅子背板采用销钉连接，轴对齐为元件的 A-13 轴与连杆 3 的 A-8 轴，调整位置使连杆 3 与椅子背板成 90 度角。 （如图 28）图 286.2.5 椅子背板与座板的连接模型装配：椅子背板与座板的销钉连接，轴对齐为元件的 A-15 轴与椅子背板的 A-4 轴，调整位置使椅子背板与座板成 90 度角。 （如图 29）图 296.2.6 连杆 1 与连杆 4 的连接模型组装配：连杆 1 与连杆 4 采用销钉连接，轴对齐为元件的 A-8 轴与连杆 1 的 A-7 轴，调整位置使连杆 1 与连杆 4 成 90 度角。 （如图 30）图 306.2.7 连杆 4 与磁铁板的连接模型装配：连杆 4 与磁铁板采用销钉连接，轴对齐为元件的 A-2 轴与连杆 4 的 A-4 轴，调整位置使连杆 4 与磁铁板成 180 度角。 （如图 31）图 316.2.8 抽屉与磁铁板以及箱体的连接模型装配：抽屉的两个外侧面与箱体的两个内侧面分别采用平面连接，抽屉的底面与磁铁板的平面采用刚性连接。 （如图 32、33、34）图 32图 33图 347、整体工作装置的运动仿真7.1 概述完成整体工作装置的装配模型设计后，就要开始进行本次设计的核心内容多功能环保箱工作次试验才确定的。可能因为初次设计，缺乏经验的原因，但也能够看出正确的装配方法是确保运动仿真能够实现的关键。在 Pro/ENGINEER 的“机械（ Mechanism）”模块中，可进行一个机械装置的机械运动仿真，并将其结果输入到 Pro/MECHANICA 中，以便于进一步进行力学分析，也可以将“机械”模型带入到“设计动画”中来创建一个动画序列。7.2 创建整体工作装置的机械运动仿真7.2.1 连接轴的设置设置仿真组件的连接后，可以通过连接轴的设置功能多主体的现对位置、零位置参照和运动范围进行设置。7.2.2 拖动和快照拖动功能可以在允许的运动范围内移动元件，快照将在组件中为初始条件定义所有主体的位置。适用拖动和快照，能够验证运动关系是否正确，有利于添加运动关系，作为分析的起始点。7.2.3 创建伺服电动机连接伺服电动机能够为机构提供驱动，通过伺服电动机可以实现主体的旋转和平移运动，并且能以函数的方式定义运动速度。本机构电动机模的定义方式：类型：余弦参数：q=A*cos(360*x/T)+CA=幅值B=相位C=偏移量T=周期输出图形：余弦曲线的轮廓过程如下：（如图 35、图 36、图 37）图 35类型 2：常数参数：q=aA=18图 36图 377.2.4 运行运动向工作装置中增加伺服电动机后，可以启动“运行运动”命令，通过该命令可以设置伺服电动机时间周期和运动增量，来定义工作装置的运动方式。下面是本次设计的整体机构工作装置运行运动的操作过程：（图 38、图 39、图40、图 41、图 42、图 43）图 38图 39图 40图 41图 42图 437.2.5 获取分析结果进行分析后，可以通过回放、测量和轨迹曲线功能来获取分析结果。适用回放功能可以实现运动干涉检测、创建运动包络和动态影像捕捉；通过测量功能，可以查看机构运动过程中精确的参数；适用轨迹曲线功能，可以直观的了解以运动主体的点、边或曲线相对运动对于零件的运动。7.2.6 运动机构的仿真示例（如图 44、图 45、图 46、图 47）图 44图 45图 46图 478、材料的选择零件在合理的结构设计后，选材及材料的后续加工十分重要，它将直接关系到产品的质量及生产效益。合理的选材标准应该是在满足零件工作要求的条件下，最大限度地发挥材料潜力，提高性能价格比，具有较好的工艺性和经济性。8.1 选材原则以轻质、环保、价宜、方便为准则8.2 材料类型以塑胶原料为主，辅之以金属原料9、设计小结环保机械产品是近年来备受市场亲睐的新型科技产品。我经过几个月的