第八届山东省大学生机电产品设计大赛研究报告.doc

完完 全全 拆拆 装装 手手 摇摇 三三 轮轮 车车 研研 究究 报报 告告 1 摘要摘要 我们的主要设计任务与易于组装和减小物体体积有关，因为这木制手摇轮 椅，其中包括物理模型、设计过程和设计笔记记录，是捐赠给那些在发展中国 家患有小儿麻痹症或其他疾病的人，是慈善事业的、无利可图的。根据这些要 求和限制等有关方面的参考，我们设计了一些新的机理来代替旧的机理。然而， 一些原产品所拥有的好的组件，仍然在我们的设计方案中。 为了生动地证明我们的设计，我们使用 Solid Works 绘制三维模型，然后 把这些三维图纸导入到可以缓解和直接制造的工程中。此外，我们已经取得了 质量、功能和部署分析，使设计方案能特别地满足有关各方的期望。我们还通 过模拟分析，来检查某些部件的结构、尺寸和材料是否可以支持应用的负载。 最后，我们得出了一个结论：我们的设计可以缩小物体体积，并且在不牺 牲 PET 车辆优良性能的前提下降低购买成本。 关键字： PET；易于组装；减小车体体积 2 目录目录 摘要 1 目录 2 第一章 介绍 .4 1.1 产品设计的背景 1.2 PET 的前景 第二章 概述 5 2.1 作品设计、发明的目的和基本思路 2.2 技术背景 2.3 创新点 2.4 科学性和先进性 2.5 技术关键和主要技术指标 第三章 QFD 和可衡量的设计目标 .7 3.1 有关各方的声音 3.2 合格的标准设计 3.3 现有产品的性能参数 第四章 概念的产生 10 4.1 前车身控制平衡的设计方案 4.2 焊接的主心轴设计方案 4.3 框架节点的设计方案 4.4 后轴的设计方案 4.5 制动的设计方案 4.6 整体的设计方案 第五章 计划时间表 17 5.1 综合项目分配 5.2 仪器和材料的准备 5.3 参数设计和尺寸计算 5.4 设计优化 3 5.5 物理模型的制作 5.6 导入 CAD 和修改三维模型 5.7 制作 PPT 和写总结报告 第六章 计算与分析 19 6.1 运动学和动力学分析 6.2 主要的计算 第七章 总结 25 参考文献及附录 4 第一章第一章介绍介绍 1.11.1 产品设计的背景产品设计的背景 我们已经知道,木制的人类轮椅是由个人能源运输公司制造的,是慈善的和 非盈利的。这个项目始于 1995 年,当在扎伊尔（现刚果） 、非洲的传教士牧师拉 里山,告诉牧师梅尔西，患有小儿麻痹症和遭受地雷袭击的受害者等下肢残 忍人群急需三轮、手摇轮椅的时候，梅尔联系了一位他长期的朋友、产品设计 师和合作伙伴孟尔康，开始了原型设计过程。 手摇式三轮车项目的使命是给那些所有需要帮助的人们提供适当的移动。首 先,我们试图为那些需求最大并且资源最少的贫穷或者不发达国家优先提供。 1.21.2 完全拆装手摇三轮车的前景完全拆装手摇三轮车的前景 PET 手摇轮椅,已出口到世界上 80 多个个国家中,例如刚果、摩尔多瓦、塞 拉利昂等,旨在帮助那些无法使用它们的腿，但是可以用他们的手的残疾人。目 前,越来越多的人愿意捐钱给 PET 公司,为了帮助那些残疾人将按照自己的愿望 实现自己的梦想。 1.31.3 PETPET 目前的缺点目前的缺点 正如制造商所说,车辆最大的问题是不可折叠，导致海运成本占总成本的较 大部分，新的设计应使整车分解成小包装运输,以及组装时不应该使用复杂的工 具、不需要复杂的技巧。因此,我们应该优先考虑两点:低航运成本和方便的组 装。 5 第二章第二章 概述概述 2.12.1作品设计、发明的目的和基本思路：作品设计、发明的目的和基本思路： 目的目的：为解决援助非洲下肢残疾人群的“自助车”的运输成本远远高于制造成 本的问题，我们设计并制作了“完全拆装木质手动三轮车” 。 基本思路基本思路：在综合各种残疾人自助车的基础上进行了改进；为减轻整车重量、 方便运输，车身主体采用木质结构，并且采用折页和插销连接； 为了提高整车 的平衡性，添加两个阻尼连杆；采用手制动方式，解决刹车问题。 2.22.2 技术背景技术背景： 考虑到车辆的大部分材料都是木头的,这意味着我们不能选择一些依靠材料 性能好的复杂结构。因此,我们应该在成本较低的情况下找到比较简单的原理并 且实现的多种功能的结合。 然而,有关各方说海运是我们的一个主要费用呈现。他们希望我们能够在不 改变车辆大小的情况下缩小运输箱的大小。为了减少运输体积,最好的方法是尽 可能多的分解车辆,但我们易于组装的目标无法实现。因此 ,我们得到了一个悖 论。接下来的限制是,我们应该避免焊接,用更多的螺栓,因为它会给驾驶员带来 伤害，同时也使组装变得复杂。因此,我们必须想出一个合格的项目建议来解决 所有的问题。 尽管这些约束将成为我们的主要障碍,但是它们在另一方面却指导着我们的 设计；我们团队来说，克服这些困难需要较长的时间。 2.32.3 创新点创新点： 1、可折叠性，该特性可大大节省其占用空间，实现了更低的装船运输成本。折 叠过程中无需任何辅助工具，可纯手工拆卸。 2、木质结构，车体轻便，迎合下肢残疾人群的需求 3、车轮主轴两端分别为左旋和右旋螺纹，可实现自动上紧螺栓，从而容易安装 并且更为安全。 2.42.4 科学性和先进性：科学性和先进性： 1、可折叠性，与现在的拥有的技术相比该特性可大大节省其占用空间，降低运 输环节费用，实现最低的成本。 2、手工拆卸：与一般的产品相比，该特性可以在折叠过程中无需任何辅助工具， 可纯手工拆卸，帮助人们实现方便快捷的拆卸和安装，简单的操作运行模式更 具市场价值。 3、木质结构，该产品与现在的大多产品相比较，车身大部分为木质结构，车体 轻便，易于控制，适合下肢残疾人群的需求。 4、阻尼杆的运用，通过添加阻尼杆，使车身更具平稳性，更安全。 5、手制动系统，通过对制动系统的改进，操作更加方便，安全性得到极大提高。 6 2.52.5技术关键和主要技术指标技术关键和主要技术指标： 技术关键技术关键：1、整车的拆卸和折叠方案 2、 后轴的设计方案 3、制动的设计方案 技术指标技术指标：1.自助车折叠后的体积和质量：L35.4in”W27.5”H15.7” 17.75kg 2.后轴：应力 59875.4 N/ ， 位移 0 m ， 应变 1.53774e-007 2 m 3、深沟球轴承：当量静载荷额定动载荷： 2050N N660 4、 驱动力： 220N 7 第三章第三章 QFDQFD 和可衡量的设计目标和可衡量的设计目标 我们从 PET 集团的文档和网站上得到了关于 PET 缺点的反馈。因此,这些缺 点会引导我们的设计和其功能的方向,我们的设计应该把这些都付诸实践。 如今,QFD,即质量、功能和部署,是一个在设计阶段很受欢迎的 和有效的系 统方法。它把客户和市场的需求与产品的设计和研究结合在一起。 3.1.3.1.有关各方的声音有关各方的声音 3.1.13.1.1 设计的弱点设计的弱点 1 1 与前驱动总成的设计问题与前驱动总成的设计问题 A .T-Bold 的固件装配(持有转向柱的前叉)并不总是与方向盘上的小孔相匹配 的。 B .制动手柄的位置妨碍使用者的膝盖。 C .角传动链偶尔擦前端前轮组件。 D .T-Bolts(用于将方向盘与前叉连接起来)是镀锌的并且不应该焊接。烟雾焊 接镀锌对象是有毒性的,可以使你生病。另外,十字架块的直径太小，在固定的 时候很容易弯曲。 E .没办法调整驱动器链的紧松;或当它松动的时候使它变紧。 F .当即时螺栓可用时，手工定制的前车轴可被定制。 G .结合停车休息和手刹这两个功能。 2 2 设计问题设计问题, ,座位座位/ /存储组装存储组装 A .为不同体型的个人，座位的调整不是很容易进行。 B . PVC 轴垫片从来不是相同的大小并且不能够长期使用。 C . 因为他们的坚持，Weld-rear 轴瓦楞纸箱包装盒宽度扩大 20%。 D .用螺丝把木制零件组装一起是耗费时间的过程。 E .把木制座椅靠背拧进木制围栏经常脱离座椅靠背的支持。 F .焊接的车中心轴让存储框架变得不稳固。 G .枢轴销连接，前驱动组装后部座位/存储组件没有调整好，就不得不把他们 放在地面上，让他们一起去。 H .以焊接中心轴为基础，防止前隔板正确附着。 3.1.23.1.2 技术措施技术措施 由制造商列出的那些缺点是棘手的,因此,我们的团队应该采取的一些技术 措施去仔细对付那些弱点。与此同时,技术措施不应该是复杂的。为了这个原则,我 们研究了很长一段时间,即使汽车在初始阶段，我们决定在自行车和三轮车上采 8 用一些机制。尽管现在,这些措施是否可用仍不确定,我们将根据这些已经拥有 的想法，继续设计我们的产品，并且使之不断提高。 3.2.3.2. 一个合格的标准设计一个合格的标准设计 为我们的设计建立一个标准是不可缺少的。但是,对我们来说并没有明确的 标准,因为这些标准是由我们自己通过参考一些网站提供的信息和导师给出的文 档制定出的。 3.2.13.2.1 建立标准建立标准 1 1 海运标准海运标准 他们提供的文档,其中一个主要的持续的开支是海航运。如果我们能减小其 航运箱的大小而不减少 PET 的大小;厂家就能省下一大笔钱。具体来说,PET 标 准成人曲柄大小的航运箱是 41“29“15”目前。我们希望经过设计，能使 大小减小到 L35.4in”W27.5”H15.7” 。 2 2 易于装配易于装配 生产厂家说,我们在 PET 的装配上没有充分利用现代技术。使用建筑胶粘剂 和气动工具将加快组装。 考虑到残疾人的情况,我们最好减小 PET 组装时的复杂程度,并保持已经在 使用前复杂零件组合已装配好。在这些条件下,PET 的组装可以在很大程度变得 简单。 3 3 仓库空间仓库空间 仓库空间仍然是一个问题,在我们继续成长的同时只会变得更加糟糕。最大 的问题是储存空间,尤其是焊接的主心轴使存储框架变得不牢固。从这个意义上 说,我们的团队应该减少 PET 在折叠后的体积,使被折叠的形状类似正方体,就很 容易被存储。 3.2.23.2.2 如何证明产品设计使用的标准如何证明产品设计使用的标准 如果我们能解决了上述所有的问题，其结果是符合标准的，它可以被证明 是成功的。 3.33.3 现有产品性能参数现有产品性能参数 现有各种各样的 PET 模型，他们的直径和性能参数也不同。一些数据都列 在下面。 3.3.13.3.1 标准成人曲柄标准成人曲柄 PETPET 长：52” 宽： 28” 高： 38” 载重：90# 增加容量：300# 实心轮胎 NHS:4.008 海运包装盒：41”29”15” 工具盒和配件包括在内 。 9 3.3.2.3.3.2. 实心座拉实心座拉 PETPET 长：55” 宽： 28” 高： 42” 载重：85# 增加容量：300# 实心轮胎 NHS:4.008 海运包装盒：41”29”15” 扶手在进出是应举起。 工具盒和配件包括在内。 3.3.33.3.3 船席拉的船席拉的 PETPET 长：51” 宽： 28” 高： 44” 载重：85#带有旋转座椅 增加容量：300# 实心轮胎 NHS:4.008 海运包装盒：41”29”15” 工具盒和配件包括在内。 10 第四章第四章 概念的产生概念的产生 对于 PET 的某些重要组成部分，为了确保最佳匹配的设计选择。首先，我 们准备了单独的和一些完全不同的设计。然后和我们的顾问对每个设计进行了 分析和讨论，最后，最终的决定是根据什么是最好的和最现实而选择的。 4.14.1 前车身控制平衡的设计方案（方向盘）前车身控制平衡的设计方案（方向盘） 针对前面的导轴过于灵活，在行驶过程中，驾驶员不易控制方向移动。并 考虑到患有小儿麻痹症的儿童的特殊性，我们增加了一个气动阻尼杆。当我们 完成转向时，前轮会自动回到原位。这样做比较省力，操作方便。细节部分表 现如下。所以两个气体压力伸缩轴连接前轮两侧。他们用螺栓与本体连接，这 样可以方便的拆卸和组装。 （设计图如下 4.1。 ） 图 4 - 1 重新设计的前部导向平衡（转向） 11 图.4-2 阻尼杆连接 在车的两侧，有四个可调螺纹孔。所以，我们可以根据自己的需要来调整前部转向指 导的灵活性。 （设计图如下） 图 4 - 3 气动阻尼杆 12 图 4 - 4 气动阻尼杆 4.24.2 焊接的主心轴设计方案焊接的主心轴设计方案 焊接的主心轴，旨在连接拖车装置与牵引装置，使存储变得稳固。为解决 这一问题，我们想出了两种实际的设计。 设计：采用螺栓固定主心轴代替焊接 主要设计主心轴支持焊接筋板，然后焊接到拖车。但是，我们都知道这是 不可移动和拆卸的，储放架引起了困难的问题。 首先，我们把焊接筋板改为两个可拆卸的部件，并把其中一个焊接在后方 框架上。 （这种设计显示在下图 4.5。 ）其次，我们用销钉固定主心轴上焊接的 部件，放置在后车架上。只有这样我们才能移动方便、节省运输空间的基础上 解决问题。 （这种设计显示在图 5） 13 图 4 - 5 设计的鹅颈 4.34.3 框架节点的设计方案框架节点的设计方案 框架节点，以连接拖车单位装置与牵引装置，使存储装置更稳定。同时，框架节点是 PET 的关键部分，承受来自各个部件的压力，那么它一定要很坚固，而且还要具有操作简 单，外形美观的特点。为了解决这一问题，我们从折叠自行车的设计原则出发，在我们的 设计中，改进和应用折叠自行车框架节点的原理。 双方的框架部分接头分别焊接在 PET 的前方和后方部分，并用螺栓固定的框架节点代替焊 接。这不仅使它能够承受来自各个部件 面的压力，而且连接稳定、更坚固，也易于拆卸。 图 4 - 6 重新设计框架节点（螺栓连接） 14 图 4 - 7 重新设计框架节点（快速螺栓撬杆） 4.44.4 后轴的设计方案后轴的设计方案 因为他们的坚持，原始的后轴焊接使瓦楞纸箱宽度增加 30%。为了解决这个问题，我 们设计了两个供选择的概念。 设计：使后轮车轴移动 第一步，在车辆的支持下焊接轴套，而不是直接焊接轴。通过这种方式，当需要储存 的时候我们可以把轴提取出来。然而，我们也遇到了一些问题，例如如何固定轴上的轴套， 如何避免轴滚动等。因此，我们决定以踏板轴的自行车为模型，制造轴和套筒。看看下面 的草图。 15 图 4-4 后轴的大体草图 车辆行驶过程中，为防止轴脱离套筒滑动，我们稳定地连接轮轴和车轮。并且在轮轴 的两侧，左轴螺纹左旋，右前轮螺纹右旋。当滚动车轮时，车轮轴和轴套连接就会更紧密。 集成后轴 16 图.4-6 轴套 这种设计解决了轴不能拆卸的问题，并保证了移动轴的同轴度、焊接起来的轴和轴套 的同轴度。 4.54.5 制动的设计方案制动的设计方案 以前的刹车设计有两个主要的问题，首先，制动手柄位置的通过用户的膝 盖确定的。其次，考虑到用户都希望在某些特定的环境下停车休息，以及实现 很多功能。从这些问题和要求出发，针对我们的实际生产条件，我们确定采用 自行车的刹车装置。 设计：结合手制动与停车制动 为了实现这样的要求，我们模仿类似的自行车的结构和刹车系统。我们把 自行车的刹车装置连接到 PET 的前身斜梁上。首先，为了解决因为用户的膝盖 而产生的各种问题，我们把闸的形状设计为扁圆小尺寸的样式而不是方形的。 其次，这样的样式简单，易操作控制。 图 4-7 制动手柄的新设计 17 4.64.6 整体的设计方案整体的设计方案 当我们选择设计理念时，我们应该关注的要素是，成本低，易操控，可靠性 高，便于组装，便于运输。基于此，在和我们的指导老师讨论后，我们选择的 方案是框架结构，后轮制动。 就我们个人而言，我们的设计方案比其他的方案更合理可行。然而，最后是 否被采用，还需要进一步的计算分析。 18 第五章第五章 计划时间表计划时间表 任何项目，为了最大限度的提高工作效率，很有必要制定一个规定需要完 成的任务的详细的时间表，并坚持用一些手段和标准来完成这些任务。在人类 动力运输发展中，在时间允许的框架下，团队精心确定了项目的里程碑和最后 的期限，现在将一些最基本的信息放在下面的表格中： 表 5-1 每周任务的大体安排 任务名称持续天数开始时间完成时间 综合项目分配1 天 2012/07/112012/07/12 仪器和材料的准备2 天 2012/07/112012/07/13 参数设计和尺寸计算12 天 2012/07/112012/07/23 设计优化7 天 2012/07/232012/07/30 物理模型的制作15 天 2012/07/302012/08/15 PET 和装配的三维模型3 天 2012/08/152012/08/18 检查与分析2 天 2012/08/182012/08/20 CAD 草图及修改7 天 2012/08/202012/08/27 写总结报告7 天 2012/08/272012/09/03 PPT 准备3 天 2012/09/032012/09/03 最后报告的整合3 天 2012/09/032012/09/09 5.15.1 综合项目分配综合项目分配 整个时间安排 合作，任务分配 仪器，材料选择 选择绘图软件：Solidworks 和 AutoCAD. 5.25.2 仪器和材料的准备仪器和材料的准备 首先，由于其捐献的性质，PET 的设计需要低成本高寿命的材料。目前， 一些类似的产品已经存在，其材质是松木。因此，我们决定使用松木，它可以 显著降低生产成本。其次，准备对我们制造有用的机械工具。 5.35.3 参数设计和尺寸计算参数设计和尺寸计算 这一类项目更广泛，内容包括开发设计时间的确定，如预算，材料强度， 19 加工制造能力的限制，以及使用我们大学实验室的可行性。 在计算方面，我们需要花费更多的时间。在机械设计这本书的帮助下， 我们已经设计好了某些部位的结构，然后计算了尺寸和载重能力。之后，我们 可以确定我们的设计是合理和有效的。 5.45.4 设计优化设计优化 在这个阶段，很有必要评估什么样的系统组件最合理以及什么因素最有可 能影响整体性能。评估包括航运量，刹车，鹅颈，等等。为了选择最合理的一 个，在做最后决定之前，我们已经制定了多个方案。这一阶段，需要设计完成 前定稿模型，但评估需要一直持续下去，这样可以在项目进行当中随时采取措 施，提高 PET 的性能 5.55.5 物理模型的制作物理模型的制作 物理模型的制作，这是工作的主要内容，也是最重要的部分。所以在这个 环节上，我们花费了大部分时间。包括整体设计，成型材料，整机装配，反复 测试（如实用性，耐用性，便利性，灵活性等各种性能） 。最后需要考虑美学， 装饰图案和色彩搭配。 5.65.6 导入导入 CADCAD 和修改三维模型和修改三维模型 在此期间，我们必须绘制模型的所有组件，然后装配这些组件。之后，我 们用 solidworks 模拟组件的受力状态和可行性。三维系统模型可以用很容易导 入其它计算机程序创建的已标记的尺寸和准确的工作图纸的 solidworks 和 CAD 设计。通过相互结合的方式形成装配图。 然后，为了方便加工制造，我们把 solidworks 图导入到 CAD 中，仅仅这一 点是不够的，我们还应该继续修改那些图纸，得到更准确的加工图纸来指导批 量生产。 5.75.7 制作制作 PPTPPT 和写总结报告和写总结报告 在这个阶段，我们的主要任务是总结最后的报告。其次我们还要准备一个 PPT 展示我们的设计和理念。最后，在正式完成之前我们需要汇报给指导老师。 更重要的是，幻灯片需要用图片和图表来介绍项目的进展和每个部件的功能。 20 第六章第六章 计算与分析计算与分析 6.16.1 运动学和动力学分析运动学和动力学分析 在本节中，我们使用一些专业软件分析主要组成部件的变形情况，例如后 轴，前轴等。然后我们通过计算选择合适的轴承。 6.1.16.1.1 前轮轴的模拟分析前轮轴的模拟分析 为了便于分析和加载，我们把轴切成两段，然后，给半轴的边缘加载 2000 牛的力，我们可以保证无论是前轮还是后轮都可以支持负载。 图 6-1 前轴 表 6-2 模拟分析结果 名称类型最小值位置最大值位置 应力 VON MISES1910.8N/ m2-0.200694 in, -0.785581 in, -0.75244 in 7.59624e+007 N/ m2 5.18927e-017 in, -0.2825 in, 3.5 in 位移 URES0 m-0.2825 in, 3.45951e-017 in, -3.5 in 4.5308e-005m0.308915 in, -0.754265 in, -0.00880003 in 应变 ESTRN1.02095e-008 0.213496 in, -0.830549 in, 0.000265897 -0.0298692 in, -0.28274 in, -3.4865 in 21 -0.10423 in 图 6-3 样品 1 的应力-应变图 图 6-4 样品 2 的位移坐标图 22 图 6-5 样品 3 的应力-应变图 我们可以得出一个结论，前轴几乎是不变形的。我们分析这些图可以发现， 尽管施加了最大载荷，轴的变形是微小的。因此，我们得出结论，前轴的尺寸 和材料是合适的。 6.1.26.1.2 后轮轴的模拟分析后轮轴的模拟分析 两个后轴应该能够支持车身和驾驶员的总重量，这是最重要的。经过计算， 我们决定后轴的材料选择 45 号钢。 图 6-6 后轴 表 6-7 模拟分析结果 名称类型最小值位置最大值位置 应力 VON Mises 59875.4 N/ 2 m 0.0716964 in, -0.829177 in, -0.132999 in 8.63811 e+008 N/ 2 m -5.18927e- 017in,- 0.2825in, -3.5 in 位移 URES0 m-0.2825 in, 3.45951e- 017in, -3.5 in 0.00056412m-0.297705 in, -0.796568 in, 0.000997508 in 应变 ESTRN 1.53774e-007 0.0753332 in, -0.778449 in, 0.807685 in 0.0030984 -0.0539483 in, -0.275847 in, -3.48062 in 23 图 6-8 样品 2 的应力-应变图 6-10 样品 3 的应力-应变图 我们得出同样的结论，前轮提供的材料尺寸及结构同样适合后轮的设计要 求。 6.26.2 主要的计算主要的计算 6.2.16.2.1 后轴轴承的选择后轴轴承的选择 由于还没有确定轴承的类型，、e、X、Y 这些值还不能确定，必须进行 r C0 试算。我们采用预选轴承的方法，让它随轮前进，然后检查确定参数，由手册 查的轴承数据如下： 24 表 6-11 轴承的参数 轴承型号 r C r C0DC 深沟球轴承 62309580N4780N40mm12mm 我们还需要一些数据来限定 PET 车的车身，我们还需要搜寻下面的信息 表 6-12 PET 的参考数据 轴向载荷径向载荷 前r F 后r F n h L 100N1500N300N600N100r/min5000 1. 计算当量静载荷 )( ard YFXFfP 径向动载荷系数X 轴向动载荷系数Y 冲击载荷系数 d f 因为 02 . 0 4780 100 r0 a C F 又 , e=0.2 因为 = （） 后r a F F 17 . 0 600 100 e2 . 0e 1X0Y1 . 1 d f 所以 )( dar YFXFfP 后 =6001 . 1 =N660 2. 计算额定动载荷 3 r 16670 n h L PC =660 3 16670 1005000 =2050N 25 轴承的预期使用寿命 h L 冲击载荷系数 d f 因为 PET 车需要工作平稳，并可以承受小的负荷，我们知道可以通过查看 机械手册选择的轴承完全可以满足要求。 6.2.26.2.2 驱动力的计算驱动力的计算 1. 前轮摩擦力的计算 我们估计车辆的