机械原理课程系列教具的设计(1)毕业设计论文.doc

北京信息科技大学 毕业设计（论文）题 目： 机械原理课程系列教具的设计（1） 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 祝千皓 班级/学号 机械1104/2011010108 指导老师/督导老师： 王科社 起止时间：2015 年 3 月 1 日 至 2005 年 6 月 25 日任务书任务书摘要摘 要机械原理是机械类学科的核心课程，关于机械原理的学习直接影响该机械类学生对于整个机械系统的掌握。所以，在思考如何将机械原理课程的教学变得更加有效，让学生对于枯燥空洞的理论知识理解更加充分时，教具的使用就变得尤为重要。纵观现如今机械类教具的市场，大多为简单的模型类教具，虽然可以直观的观察典型机构的具体构造，但对于知识点的展示不够充分，很难让学生在观察中深刻理解体会知识点如何运用，把理论联系到实际操作。所以，本次毕业设计的目的是以机械原理为基础，设计一套紧贴教材与习题的多功能教具。在设计时要保证方便教师的教学，并且轻便好携带。整套教具包含平面机构平台，平面四杆机构平台，凸轮机构平台，传动机构平台及轮系机构平台几个方面。各个平台之间要做到相互联系，既能整合成一个整体，又可以进行拆分进行单独讲解。我在整个系统中完成的是平面机构的结构分析平台和平面四杆机构曲柄存在条件探究平台的设计，主要包括虚约束和自由度的讲解，铰链四杆机构展示和曲柄摇杆机构展示。论文首先系统综述了国内外关于教具设计应用的概况，并提出了设计新型教具的方案，根据方案，设计了本套教具的传动方式和空间结构，并为以后本套教具的应用提出方案。现已完成的工作位：任务说明说的撰写，平面机构的结构设计平台和平面四杆机构曲柄存在条件探究平台的装配图及零件图，部分机构的三维建模及其动画演示。关键词：机械原理；教具；平面机构；自由度；四杆机构；曲柄摇杆 AbstractAbstract Mechanical principles are mechanical core curriculum subjects, learning about the direct impact of the mechanical principles of students in mechanical control for the entire mechanical system. So, in thinking about how to mechanical principle course teaching more effective, so that students theoretical knowledge for boring holes when more fully understood, the use of teaching aids becomes particularly important. Looking now mechanical aids market, mostly simple model class teaching aids, although you can visually observe the specific structure typical organization, but for showing insufficient knowledge points, it is difficult for students to observe a profound understanding of the knowledge experience how to use, the theory to practice. Therefore, the purpose of this design is based on mechanical principles, based on the design of a multi-function close to teaching aids and exercises. Designed to ensure that teachers convenience, and good light to carry. Aids package contains plane mechanism platform, flat platform four institutions, the cam mechanism platform, transmission platforms and train mechanism platform aspects. To do interlinkages between the various platforms, both integrated into a whole, and can be split individually to explain. I finished the entire system structural analysis platform plane bodies and plane crank four-bar mechanism design platform to explore the presence, including explanation of the virtual constraint and freedom, hinged four-bar mechanism and a crank rocker mechanism showcase display. Firstly, systematic review of the domestic and international overview of teaching aids design applications, and proposed solutions to design new teaching aids, according to plan, design and spatial structure of the transmission mode of this set of teaching aids, and a proposal for the future application of this set of teaching aids. Bit of work has been completed: the mission statement said, writing, design platform plane bodies and plane crank four-bar mechanism to explore the presence of platform assembly drawings and part drawings, 3D modeling and animation parts of the organizationKeywords: Mechanical principles; teaching aids; plane institutions; freedom; four bodies; crank-rocker目录目录任务书 I摘要 Abstract 第一章 概述 1 1.1 研究的意义 1 1.2 研究的现状及已有成果1 1.3 研究内容 3 1.3.1 研究方向 3 1.3.2 研究内容 3 1.3.3 系统功能 4 第二章 平面机构的结构分析设计 4 2.1 平面机构概述 4 2.2 教具的整体介绍 4 2.3 虚约束机构 4 2.4 一自由度机构 6 2.4.1 自由度的计算 7 2.4.2 机构级别的判别 7 2.5 二自由度机构 8 2.5.1 自由度的计算 9 2.5.2 机构级别的判别 9 2.6 本章小结 10第三章 平面连杆机构的结构设计 10 3.1 平面机构概述 10 3.2 教具整体介绍 10 3.3 平面四杆机构 10 3.3.1 平面四杆机构曲柄存在条件 11 3.3.2 四杆机构的变化 11 3.3.3 平面四杆机构的急回特性和机构的压力角传动角 14 3.4 曲柄滑块机构 14 3.4.1 曲柄存在条件讨论 15 3.5 本章小结 16第四章 教具平台设计计算及关键部分设计 16 4.1 平面机构驱动电机的选择计算 16 4.1.1 火车轮的转矩计算 16 4.1.2 二自由度圆盘的转矩计算 18 4.1.3 大电机的选择计算 18 4.1.4 小电机的选择计算 20 4.2 传动部分设计计算 21 4.2.1 同步带的选取 22 4.2.2 传动轴的设计计算 26 4.3 X型剪式升降台设计 28第五章 三维设计与仿真 29第六章 技术经济分析 30 6.1 技术分析 30 6.2 经济分析 31第七章 结束语 32后记 32 参考文献 33 正文第1章 概述 二十一世纪，随着现代科学技术的飞速发展，机械知识的应用方向越来越多样化，如今的机械专业毕业生也面对着各种各样的挑战，所以打好基础尤为重要。“机械原理”作为机械类专业一门非常重要的基础课,其任务是使学生掌握机构学和机械系统动力学的基本理论以及常用机构的分析和设计方法,并拥有设计机械系统运动方案的能力。学好“机械原理”对于学生在以后的工作是非常有帮助的。然而虽然我国在近些年以来对“机械原理”课程的教学方式和教学内容方式方法进行过很多次的改革,编写出了多种多样的教材和研发教学软件,在教学手段的现代化方面也做了许多工作,但是从我大学期间学吸机械原理课程的效果来看,“机械原理”的教学效果还是存在一些问题。因为机械学科需要一定的空间想象能力，学生在学习期间面对复杂的原理和公式，很难自我代入到空间模型当中，理论知识与实践不能很好地结合在一起，其结果就变成了会计算公式却不认识实物。所以这时教具就体现出了它的优点。通过运用教具，教师可以更加方便直观的介绍知识要点，讲解理论原理。1.1研究的意义 机械原理是所有机械类课程的基础，学好机械原理对于学生在以后的学习设计中会有很大帮助。然而在当今大学中，对于课程的讲解方式仍显单一，多数仍然在延续着教师在课堂上讲，学生在下面记笔记的模式，这对于需要极强空间想象能力的机械学科来说，效果并不很明显。虽然现如今教具已经慢慢出现在课堂之中，但其种类多数为模型，无法做到动手实践，所以仍然效果甚微，达不到期望。 在此背景下，我设计的教具有以下意义： 1.紧贴课本知识点设计出实物教具，让学生在课堂上就能做到能观察能动手，理论联系实践，使教学更加生动化。 2.充分利用学校资源制造，降低成本，让教具更加贴近日常生产生活，让学生充分体验实践的乐趣。 3.对于教具地使用更加多元化，做到能装配，可拆分，单位体积小，重量轻，让教师方便携带，使教学更加灵活。 1.2研究的现状及已有成果通过查阅资料发现，现如今的教具市场大多是材料为PVC的模型教具，这种教具虽然可以生动形象的展示单一机构的具体结构，但其能动性几乎为零，不能运动仿真，虽然在课堂上能做到具体的展示，但缺乏动手实践仍然很难提起学生的积极性。同时市面上也有一类教具现在已经可以进行运动展示，让学生明白机构的运动过程，进而讲解知识点。但这类教具普遍体积大，造价高，而且为一个整体不可拆卸。这对于教学的灵活性有很大的局限。下列图片是现如今已有的教具模型及其价格： 图1.1 机械原理教具 上述图片为各类院校现普遍使用的教具模型和陈列展示板，结构简单，能做到图形讲解，但操作性很差。货号图号产 品 名 称单位金额（元）备注AA010-1单缸内燃机只248模型AA020-3锁链连接只140AA030-4移动副 (a 、 b)只140AA040-5螺旋副只150AA101-4带传动 (4 种 )套750AA131-17带的重力自动张紧装置只288AA141-18平带传动的张紧装置只288AA151-19V 带传动的张紧装置只288AA162-1螺旋线的形成只140AA172-2外螺纹 (2 种 )只220AA182-3内螺纹 (2 种 )只280AA202-5螺纹的牙型 (4 种 )套400AA212-15台虎钳只210AA222-16螺旋千斤项只258AA232-17机床工作台移动机构只235AA2452-21差动螺旋传动原理只255AA262-24滚珠螺旋传动只378AA273-1链传动只238AA283-2滚子链只210AA293-3多排链 ( 双排 )只250AA313-7直齿轮传动只210AA333-7人字齿轮传动只288AA353-7齿轮齿条传动只228AA363-8直齿锥齿轮传动只255AA373-8斜齿锥齿轮传动只265AA383-8曲线齿锥齿轮传动只285 1.3研究内容 1.3.1研究方向 本次设计的研究方向是以“机械原理”课程为基础，设计一套可以充分贴近教材与课后习题的系列教具。教具的功能要包括能够充分讲解机械原理课程中所学知识点，包括讲解虚约束的作用，自由度的计算，复合铰链的判别等，同时可以让学生可以进行亲自动手进行实践。教具在进行演示的时候要做到结构清晰好辨认，实践时要简单易操作，给学生增加更好的教学体验，充分投入到知识当中。在教具的制造上要求材料成本低，易加工，尽量做到方便拆装好携带，让教师在教学之中有更大的灵活性。 1.3.2研究内容（1） 教具的整体规划设计；（2） 平面机构的结构分析平台；平面四杆机构曲柄存在条件探究平台的设计。（3） 传动部分运动与动力学计算；（4） 零部件的工作能力计算； 1.3.3系统功能此套教具包含了六个模块，要求设计时要能保证各个模块能装配在同一个平台之中，同时进行各个知识点的讲解与演示。在需要单一平台进行讲解时，整个系统也要做到方便拆卸，单一模块可以进行正常演示。我在整个系统中所要完成的的是平面机构的结构分析平台和平面四杆机构曲柄存在探究平台。 虽然我所涉及的是其中一部分，但希望我通过与小组成员的合作沟通，尽量做到即能化零为整，又能化整为零，与教科书、习题、实验结合紧密，每一模块体积小、质量轻，方便老师携带。第2章 平面机构的结构分析设计2.1平面机构概述平面机构是机械原理课程主要内容的第一章，所以，平面机构的机构设计对于学生理解课程是非常重要的。通过与导师讨论，决定平面机构主要包括虚约束、一自由度、二自由度和符合教练的讲解。2.2教具的整体介绍此部分教具用了2 个（直流）电机带动所有器件。其中用一个大电机带动火车轮机构、一自由度的机构，以及二自由度机构中的一部分，此部分运用了三个同步轮进行传动，实现了动力的分流；小电机控制二自由度小圆盘的转动。火车轮机构的中间杆件的去除，我们采用手动的方式，通过利用中间杆件的轴向移动添加或去除虚约束，添加时用限位块固定滑块。2.3虚约束机构 虚约束在运动中不起任何约束作用。如图2.1中EF杆即为虚约束，此时计算平面四边形的自由度，F为： 运算结果很显然结果是错误的，并证明虚约束会影响计算自由度的正确性。正确的计算方式是将机构中构成虚约束的组件连同其运动副一起去掉不计。则去掉后的结果为： 虽然虚约束会影响自由度的计算，但虚约束并不会影响机构的运动情况，而且能改善机构的受力状况，在提高机构平稳性上有很大帮助。 根据其原理，在设计时添加了可以去除虚约束杆的功能。为了让教具更加贴近实际生活，我初步选择大家熟悉的火车轮来讲解虚约束。对火车轮添加去除虚约束装置，通过有无虚约束对机构运动带来的差异，对比突出虚约束的重要作用，让同学们加深对虚约束理解。火车轮的转动是通过电机带动了同步带转动，同步带的转动带动了与火车轮过盈配合的轴转动，从而驱动了火车轮的转动。 火车轮的转动是通过电机带动同步带转动，同步带的转动带动了与火车轮过盈配合的光轴转动，从而驱动了火车轮的转动。通过去除虚约束，在四杆重叠位置，从动曲柄会出现有相反方向转动的可能，其运动轨迹会有不确定性，这样就会干扰正常的火车轮转动，在实际生活中这种例子有很多，我们要进行特别注意，不然有重大的影响。去除虚约束我们采用了手动操作，中间轴的支座固定在两个滑块上，滑块又在光轴上可以自由的移动，我们使用限位块限制滑块的自由移动，在去除虚约束（中间杆）时，只需把从中间杆支座后面的限位块拿到支座前面。2.4一自由度机构为了让教具更具有多元化，让同学们对于自由度的理解更加充分，我和老师讨论后决定在设计一自由度机构时，加入复合铰链的知识点。在机构的选取上，我决定使用精压机机构，机构件图如图2.4所示：图示2.4为一自由度机构典型代表，我们把此机构的主动件转化为一个圆盘，圆盘的半径就是主动件的长度。圆盘与光轴过盈配合，有同步带带动带轮转动，从而带动光轴的转动，机构就这样运动起来了。如图2.4所示，由于机构中存在复合铰链过多，各个连杆很难在同一个平面运动演示，所以设计改变了杆件之间的连接形式，各连接部位采用铆钉铆紧，抛弃了传统的螺栓固定。杆件的材料采用塑亚克力板，根据需要，亚克力板可以方便经济的满足要求。各连杆两端的厚度为中间厚度的，这样可以保证各个杆件在同一水平面上运动，其连接形式如图2.5所示：2.4.1自由度的计算 机构具有确定运动时，所必须给定的独立运动参数的数目称为机构的自由度。我们在计算自由度时一定要注意以下三点：局部自由度、复合铰链、虚约束。虚约束在火车轮机构中已经详细体现，在一自由度机构中主要讲解复合铰链的知识。由图2.6可知，在计算自由度时，去除虚约束部分，然后正确计算复合铰链，则有（3-1=2）个转动副。计算自由度有：2.4.2机构级别的判别机械原理教材上面描述：机构级别是按照基本杆组的最高级级别来判定的。通常我们把不能在进行分割并且其自由度为零的杆件叫做基本杆组。也就是说，机构中杆组的最高级别决定杆组的级别。机构的结构分析过程是把机构分解为原动件和基本杆组，并确定机构级别的过程。一般步骤为：计算机构的自由度并确定原动件；高副低代，去除局部自由度和虚约束；从远离原动件的部位开始拆杆组，首先试拆级杆组，拆下的杆组是自由度为零的基本杆组，最后剩下的原动件数目与自由度数相等。选择此一自由度机构来进行机构的结构分析，首先我们要知道上述的自由度公式计算，得出此为一自由度机构的结论，然后观察其杆件连接，含有复合铰链以及虚约束。通过去除虚约束，可以进行杆组分析：精压机仅有一个原动件（最简机构）和三个级杆组，所以可以得出结论，此机构是级机构。通过此一自由度机构可以明确如何去对机构的结构进行分析，在掌握理论知识的同时，灵活运用，加深了对知识点的认识与理解。2.5二自由度机构二自由度机构，初设计选用大筛机构，两个原动件，所以需要两个两个电机带动，为了使结构紧凑，减少电机的数量，方便我们控制，在火车轮光轴的一端我们再过盈配合一个圆盘，把它作为一个原动件，其半径就是原动件的长度。如图：为了制造简单，此二自由度机构改变简图中凸轮原动机的形式，改成类似一自由度圆盘原动件的样式，让此机构更清晰直白表述二自由度机构运动方式。2.5.1自由度的计算 计算自由度时要注意此机构包括两处虚约束和一处复合铰链，虚约束用来保证杆件运动的平稳性。其自由度公式为：2.5.2 机构级别的判别 此二自由度机构含有局部自由度和虚约束。在分析结构时，首先去除所含的虚约束；然后采用高副低代的方式，把凸轮与滚子之间的高副用一个带有两个低副的平面构件来代替，如图2.10所示，在这要注意要找出两高副元素的接触点处的公法线。和曲率中心；在拆分杆组时，要注意首先要把两个原动件拆分出去。杆组的拆分如图2.11所示。2.6本章小结 这部分教具通过三个具有代表性的机构，详细的概括和展示了平面机构的组成原理与结构。包括多种形式的运动副、机构运动简图的绘制、自由度的计算、复合铰链的辨认、虚约束的作用、怎样正确划分杆组等。各个机构之间通过同步带传动带动所有器材，在空间结构上尽量节省，做到教具尽量方便携带。在材料上，多数组件选择亚克力板，质量小，硬度高，加工方便，便于携带。底板方面选择铝合金，设计底板中间镂空，方便安装拆卸螺钉螺母，便于教具在应用时可供学生拆卸零件，学习划分杆组知识。第3章 平面连杆机构的结构设计3.1平面机构概述 四杆机构作为平面连杆的典型机构，所以设计时为了更好的贴近课程的讲解，平面机构的设计选择四杆机构进行设计。在曲柄摇杆机构的选择上也使用了熟悉的曲柄滑块机构。 本章节教具主要介绍四连杆的变换、探究曲柄存在的条件，正确判断机构的急回特性，把握机构的死点位置，观察曲柄滑块中偏心距对曲柄存在条件的影响。3.2教具整体介绍本章节的教具一共分为两部分，第一部分是一个四杆机构，此部分完全是手动控制，通过调节四杆机构中机架和主动连架杆的长度，达到了四杆变换的效果。第二部分是一个可以调节偏心距的曲柄滑块机构，用一个直流电机带动主动曲柄的运动，用丝杠螺母副驱动升降机来调节偏心距，观察偏心距的改变与机构运动情况的关系。3.3平面四杆机构平面四杆机构的基本形式是铰链四杆机构。在平面四杆机构中，所有的运动副全部是转动副。如图3.1所示，平面四杆机构根据其两个联架杆的运动形式，可以分为以下三种情况：3.3.1平面四杆机构曲柄存在条件机械原理教材中定义平面四杆机构曲柄存在的条件在机械原理教材上有过详细描写。 （1）最短杆与最长杆长度之和必小于或等于其余两杆长度之和。 （2）连架杆和机架中必有一杆是最短杆。 在当各构件长度不变，且满足（2）的情况下，若取不同构件作为机架时，可得到以下三种形式的铰链四杆机构： （1）以最短杆的相邻杆为机架时，得到曲柄摇杆机构。 （2）以最短杆为机架时，得到双曲柄机构。 （3）以最短杆的相对杆为机架时，得到双摇杆机构。3.3.2四杆机构的变化图3.2为所涉及机构单位图：为了便于调节四杆机构个杆的长度，满足设计要求，设计中四个杆不在同一个平面内，四杆的长度如表3.1所示：杆件机架联架杆1联架杆2连杆长度（mm）40-15030-100100120表3.1 设计各杆长度为了让四杆机构可以通过改变杆长进行曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构的转变，设计连架杆1中间铣一个槽，通过螺母把连杆的一端铰接在连架杆上，连架杆和机架的固定方式也是如此。由于我们的杆长变量有两个，所以设计时我们需要固定三个杆长，然后通过变化可变杆的杆长，确定存在曲柄摇杆、双曲柄、双摇杆的条件。如图3.3所示，若已知AD为机架，=120mm，探究机构为双曲柄、双摇杆、曲柄摇杆时的杆长条件：（1） 若此机构为曲柄摇杆机构，且AB为曲柄，则满足杆长条件下，AB必须为最短杆，由杆长条件： 因此有： 即： （2）若为双曲柄机构，则在满足杆长条件下，AD杆必须为最短杆，而AB杆范围是30-100mm,所以我们最长杆确定为BC杆，由杆长条件可知：则有：因此：当在上述取值范围之外，即时，此机构为双摇杆机构。此机构为曲柄摇杆、双曲柄、双摇杆的杆长条件如表3.2所示：表3.2 杆长范围四杆机构曲柄摇杆双曲柄双摇杆30-5090-10050-90若已知AD为机架，探究机构为双曲柄，双摇杆，曲柄摇杆时的杆长条件：（1） 若此机构为曲柄摇杆机构，且AB为曲柄，则满足杆长条件下，AB必须为最短杆，而最长杆不能确定，由杆长条件：若为最长杆：若为最长杆：综上所述：的取值范围是：（2） 若此机构为双曲柄机构，则在满足杆长条件下，AD 杆必须为最短杆，由杆长条件可知： 当在上述取值范围之外，即，此机构为双摇杆机构，此机构为曲柄摇杆、双曲柄、双摇杆的杆长条件如表3.3所示：表3.3杆长范围四杆机构曲柄摇杆双曲柄双摇杆（mm)90-15040-5050-90由上述例子，我们可以总结出一下，如何来探究四杆机构曲柄存在的条件：图3.3 曲柄存在流程图 由上述原理分析可知当改变四杆机构中的杆长时，可以实现铰链四杆机构基本形式间的相互转换，在教具的使用过程中可以通过四杆变换的实验，灵活运用公式，熟知四杆曲柄存在的条件，如表3-4 所示，归纳了不同杆长情况下的铰链四杆机构的杆长范围。表3.4 杆长范围已知机架求联架杆曲柄摇杆双曲柄双摇杆4060-10030-60503070-10030-706030-4080-10040-807030-5090-10050-908030-6010060-1009030-7070-10010030-8080-10011030-9090-10012030-100 已知机架求联架杆曲柄摇杆双曲柄双摇杆3050-15040-504060-15040-605070-15040-706080-1504040-807090-15040-5050-9080100-14040-6060-100140-15090110-13040-7070-1001308080-1503.3.3平面四杆机构的急回特性和机构的压力角传动角 经过PRO/E三维模型试验，可以发现在匀速转动手摇盘的时候，带动曲柄转动的情况下，摇杆做来回往复运动会出现快慢不同的情况，机构的这种运动性质被称为急回特性。在教具的使用中可以充分利用这一特性向同学讲解急回特性。通过实物演示，让学生在动手中可以学习理论知识，明白急回特性的作用。3.4曲柄滑块机构 曲柄滑块机构应用普遍，是机械业中比较典型的机构，也是多种大型机械的基础机构，在机械产业中具有重要意义。根据其结构的特点，大致分为三大类：对心曲柄滑块、偏执曲柄滑块和偏心轮机构。在本次设计中，主要的侧重点定在如果区分各种机构的特点，并讨论曲柄滑块中偏心距对曲柄存在的影响，了解曲柄滑块中最小传动角出现的位置。在设计中通过使用了剪叉式升降平台，如图3.4，使机构改变偏心距，并配有刻度尺让学生可以时刻观察偏心距大小，以达到教学目的。3.4.1曲柄存在条件讨论我设计的机构相关数据为：曲柄滑块机构曲柄连杆偏心距4095-1560教具在使用中，已知曲柄和连杆长度的情况下，通过实验的方式，让学生亲自动手，使用升降架调整偏心距，观察学习曲柄滑块机构中曲柄的存在条件。可以很明显的观察到，在曲柄滑块机构运动到近极位置和远极位置时，此时曲柄和连杆是重合的，而偏心距就决定了机构是否能够通过死点位置。极近位置:；极远位置:；所以，曲柄滑块机构当曲柄存在时的条件为： 同时，通过转动手摇盘改变偏心距，也可以观察偏心距对于滑块行程的影响。3.5本章小结 这部分教具即使教学装置又是实验装置，主要以学生动手实验为主，实验部分主要有：铰链四杆机构杆长变化实验和急回特性实验、曲柄滑块机构曲柄存在条件实验和观察偏心距对于滑块行程的影响。虽然较平面机构来说结构较为复杂，但此平台多数均为手动控制，通过转动手摇盘达到实验目的，提高了教具的操作性和趣味性，更能让学生投入到所学知识，动手能力得到一定加强。第4章 教具平台设计计算及关键部分设计 平面机构教具平台结构简单，负载小，初步设计由两个小型直流电机驱动，由同步带带传动传递功率。平面连杆机构平台多数为手动控制，但曲柄摇杆机构中，曲柄的转动需要电机驱动，所以也需要设计电机。4.1平面机构驱动电机的选择计算 4.1.1火车轮的转矩计算 火车轮机构圆盘由一根驱动轴带动转动，再由连杆带动另一个圆盘做等速度转动。如图4.1所示。为了减轻重量，方便制造，选择火车轮机构的主要材料为亚克力板，其密度为：，为了让教具更直观观看，设计的圆盘直径为：，厚度：，稳定匀速转动时转速为：。根据其密度，算出一个火车轮圆盘质量为：火车轮圆盘设计启动时间为1S，启动转矩为：转动惯量：所以，所以火车轮圆盘的启动转矩为：火车轮圆盘的摩擦转矩为：，为摩擦力矩，为圆盘的旋转半径。火车轮机构选择传动使用深沟球轴承，查表所得摩擦系数f的值为0.001，初定传动轴的直径为8mm，承受转矩的长度为40mm,轴的材料为45钢，轴承材料的密度为：。将上诉参数代入公式得：所以一个火车轮圆盘的总转矩为：因为火车轮结构中是一个圆盘通过连杆带动另一个火车轮转动，所以两个圆盘的转矩约等于一个圆盘转矩的两倍，即火车轮圆盘总转矩为：。4.1.2二自由度圆盘的转矩计算因为平面机构整体设计为一根轴带动火车轮圆盘和二自由度圆盘共同转动，所以二自由度圆盘的转矩也需要计算。设计圆盘直径为50mm,厚度为5mm，因为两个圆盘在一根轴上，所以，圆盘转速同火车轮圆盘相同，为。相同的，圆盘的材料和火车轮的圆盘一样，密度也也是。圆盘质量：，半径启动转矩为：因为启动时间也为1s 所以启动转矩。 二自由度圆盘的摩擦力矩 ，为了使机构设计简便，材料之间互换性好，所以在轴承使用上统一使用深沟球轴承，其摩擦系数为0.001。为圆盘和轴重力之和4.1.3大电机的选择计算 通过计算可以看出，平面机构并无大负载，所以在电机的选择上放弃传统意义上的的大型交流电机。因为教具平台空间较小，为了使整个机构的结构紧凑，体积小，方便携带，现选择小型直流电机为动力源。因为整个平台由有4个圆盘需要大电机驱动，一自由度圆盘的参数同二自由度原判相同，所以一自由度圆盘的转矩约等于而自由度圆盘，为。所以平面机构所需总的工作转矩为：根据公式：计算查表可知，总效率为：电动机所需功率为：综合计算所得，因为转矩为，设计要求转速为，因为所需功率较小，在选择电机时未找到功率特别相符的电机型号，所以通过咨询，选择了正科直流电机ZFA37RG40iDC 24v，如图4.2图4.2 大电机外形图通过查询电机参数。选择马达型号50G。参数如下：图4.3 大电机参数大电机的额定功率为10W，大于电动机所需功率，可行。确定传动装置总传动比，计算和分配： 预设计为60r/min,为选定的电动机满载转速84r/min，所以，可计算出传动装置总传动比为 取，。转速的计算：各轴转速：各轴输入功率：转矩T：轴：轴： 4.1.4小电机的选择计算二自由度机构有两个主动件，一个由大电机驱动，另一个由小电机驱动，小电机驱动的元件为小的圆盘，其直径为40mm，厚度为5mm，圆盘转速同二自由度圆盘相同，为。相同的。圆盘质量：，半径启动转矩为：因为启动时间也为1s所以启动转矩二自由度小圆盘摩擦力矩为： ，为了使机构设计简便，材料之间互换性好，所以在轴承使用上统一使用深沟球轴承，其摩擦系数为0.001。为圆盘和轴重力之和根据公式：计算查表可知，总效率为：电动机所需功率为：选择小电机过程同大电机，根据电动机所需功率转矩，选择正科减速电机ZGA25RP 12V。其技术参数马达型号如图4.4：图4.4 小电机参数4.2传动部分设计计算 平面机构平台设计目的包括使用时方便携带，便于拆装，结构紧凑，所以设计时考虑了了无法为传动部分提供过大空间，所以此平台放弃了传统的V带传动，选用了结构更为紧凑的同步带，使带轮轴和轴承的尺寸全部减小。4.2.1同步带的选取 电机额定输出功率计算 根据选取的电机参数可知，额定输出功率为：10w 确定计算功率 假设电动机每天使用两小时左右，查表可得得到工作情况系数=1。则计算功率为: 小带轮转速计算 选定同步带带型和节距 查阅同步带选型图可以看出，因为平台要求的功率和转速很小，所以带的型号可以任意选取，现在选取XL型带，节距。 选取主动轮齿数 由表4.2可知，XL型带最小齿数为10，先初选主动轮齿数为20。 由于设计系统传动比为1:1，大带轮齿数等参数数据与小带轮完全相同。齿数，节距 带速v的确定，小于。 初定周间间距 根据公式 得： 现在选取轴间间距为144mm。 因为设计同步轮传动比为1:1，所以啮合齿数为带轮齿数的一半，即。 基本额定功率的计算 查表可以知道，m=0.022kg/m。所以同步带的基准额定功率为： 计算作用在轴上力 同步带的节线长度计算 根据网络上节线长度计算得： 图4.5 节线长计算 经查表，选取型号为154XL型同步带，齿数 现选择037型号同步带，带宽为10mm。 同步带轮选择 根据所选同步带型号和设计要求，选择有档边有台阶的BF型同步带轮，如图4.64.2.2传动轴的设计计算1. 平面机构输入轴设计 根据课程设计经验，轴的材料现初步选用45钢。 按钮转强度估算轴的直径：，转速根据最小轴直径计算公式计算：因为轴太小不好加工且自身容易断裂，所以初选轴直径为确定轴各段之直径长度：（1）L1段为连接联轴器部分，因为查阅所选电机尺寸型号，得到电机伸出轴直径为6mm,选择北京正科兴业联轴器，内径6x8mm,联轴器外形尺寸25x20mm，半联轴器长度为12.5mm，所以设计L1长度为19mm，因为此联轴器是用定位螺丝固定，所以州的直径不用进行特殊处理，设计。（2）L2段为与同步带轮配合，所选择的同步带轮内径为12mm，长度为23mm，同步带轮台阶处有M3螺纹孔，并配置定位螺丝紧固，所以L2部分轴长度设计为23mm,直径（3）L3处为放置轴承处，因为整个传动系统并为传递过大载荷，所以，通过查表，选择的深沟球轴承，型号为6100。轴承左端由轴肩固定，右端由轴承座突出部分固定，轴承座突出部分未与轴承转动部位接触，不影响轴承工作。所以L3部分长度设计为轴承长度8mm,直径为。（4）L4部分为整根轴末端，方便整个轴承的定位安装。所以L4部分并无明确设计要求，现设计长度为5mm,直径。 2.平面机构火车轮轴设计：火车轮轴材料与输入轴相同，为45钢。按钮转强度估算轴的直径：，转速因为轴太小不好加工且自身容易断裂，所以初选轴直径为。确定各轴直径长度： （1）L1部分为轴与火车轮圆盘过盈配合部分，因为火车轮圆盘转动不需要过大扭矩，所以，为了使结构简单好拼装，设计圆盘孔与轴过盈配合，所以此段轴加工时应按照装配图公差加工，此段长度为26mm，直径为。（2） L2部分为与轴承接触部分，此处设计与输入轴L3处相同，为了拥有更好的互换性，使教具的拆卸维修更方便，轴承采用同一种，6100深沟球轴承。此段长度为8mm，直径为。（3） L3部分轴肩部位，其直径应小于轴承的内圈外径，为了使轴承右端固定，设计此段轴承直径比L2略高，使轴承轴向固定。此段长度为3mm，直径为。（4） L4部分无特殊要求，长度为37mm,直径为。（5） L5部分为与同步带轮配合部分，因为传动机构总传动比为1:1，输入轴与火车轮轴同步带轮型号一致，所以设计与输入轴相同。此段直径为23mm,直径为。（6） L6部分同L4部分，无特殊设计要求。长度为12mm,直径为。（7） L7部分与L8部分设计相同，方向相反，因为火车轮轴同时驱动火车轮圆盘和二自由度圆盘转动，所以，在轴承的设计和选取上采取一致原则。两端长度共11mm,L7直径为，L8直径为。（8） L9部分为轴与二自由度圆盘过盈配合部分，长度为30mm，直径为。4.3 X型剪式升降台设计 曲柄摇杆机构的设计包括通过手摇盘可以改变偏心距，在设计中选择X型剪式升降台。因为其相比较其他