便携式传动机构百宝箱说明书.doc

便携式传动机构百宝箱说明书设计者：吴甜、应俊、蔡国柱、何官彰、陈生运指导老师：李志刚、陈丹湖南文理学院机械工程学院便携式传动机构百宝箱设计者：吴甜、应俊、蔡国柱、何官彰、陈生运指导老师：李志刚、陈丹湖南文理学院机械工程学院摘要：便携式传动机构百宝箱涉及的传动机构包括带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动四种传动机构，为了体现作品的便携式，一方面，将各个运动机构做成可快速装拆的模块，这样既可以进行单独运动演示和组合运动演示，体现教具的多样性；另一方面，独特的展开、闭合式箱体设计不仅可以存放演示零件，而且可以快速为传动结构提供演示平台。为了能够定量分析传动机构，增加了控制模块，从而充分展示各运动机构的特点，让学生更加直观的观察到实验的现象。关键字：教具；传动机构；控制装置；传感器；便携式作品内容简介本作品根据本届机械创新设计大赛的主旨要求而设计，属于“教具类机械”。 此教具主体为铝合金框架结构，当演示时，箱子展开后的面积为332900mm2，展开后可为为传动模块提供演示平台，传动模块可以在上面自由拆卸以及灵活组装，放在讲台上，便于老师的讲课和学生的观察；当演示完毕时，演示平台可以组装成为350210180的箱子，体积为978000mm3，运动模块和控制模块等部件拆卸放入箱体内便于保存，方便携带突出便携的特点。为了能够定量分析传动机构，增加了控制模块，主要用来采集运动模块的物理量和对采集的数据进行处理，然后将处理好的数据输出、显示，根据输出的数据，可以充分展示各运动机构的特点，让学生更加直观的观察到各个运动模块的工作原理、基本功能。联系人：李志刚联系电话：1、研发的背景和意义现有的教具一般是单独的演示教具。此类教具制作简单，演示方便。能在一定程度上给学生直观的演示，使学生分别了解四种传动的工作原理，基本机构，基本功能。但由于其为单独演示，不便于学生对各类机械传动进行观看并比较。还有常见的综合演示教具，它不仅继承了第一类教具的特点，也在一定程度上避免了其存在的缺点。也使学生能同时观看了解四种常见传动的工作原理，基本结构，基本功能。我们在结合综合演示教具的特点并将传统的常见机械传动演示教具的演示范围从对工作原理，基本结构，基本功能的演示进一步拓展到对基本特点的演示。本设计通过模块化设计，独特的展开收缩箱体设计，以及增加相应的控制装置，在适当的位置安装传感器并结合单片机等技术，将抽象的，传统机械传动教具没有演示的基本传动特点直观地对学生演示。2、设计方案2.1、总体设计构想传统的教具一般是单独演示教具，此类教具制作简单，演示方便，但是没有良好的便携性；由于其为单独演示，不能多个运动同时演示，对于传动特点没有通过仪器仪表明确的显示，不便于学生对各类机械传动进行观看并比较；而且演示完后教具的保存收纳也不具有便利性，为了避开传统教具的缺点，从而想到综合演示教具；为了突出教具便携的特点，我们从演示平台入手，将演示平台做成独特的展开、闭合式箱体；同时，为了体现教具的定量分析，从而引进控制模块，对运动模块进行随心所欲地的演示，真正意义上体现这个教具的多样性。2.2 、运动模块放置位置方案比较根据总体设计构想，总共有带传动模块、链传动模块、直齿轮传动模块、锥齿轮传动模块和蜗杆传动模块，外加电机（控制模块不属于机构，暂时不考虑），总共六个模块。如果随机组合，运动模块放置位置方案就多种多样，但是，考虑各个模块的性质和特点，合理的运动模块放置位置方案就比较少了，经筛选，产生以下两个方案：方案一（图1）：电机带传动链传动直齿轮传动锥齿轮传动蜗杆传动；因为直齿轮传动较平稳、精度高，而链传动的传动精度与直齿轮传动低、平稳性差，将链传动放在直齿轮传动前面，导致后面的传动精度降低，所以不宜采用。方案二（图2）：电机带传动直齿轮传动链传动锥齿轮传动蜗杆传动；将直齿轮传动放在链传动前面，可以最大限度的降低整个教具的传动精度，所以采用方案二。图1 方案一图2 方案二2.3、传动模块传动模块包括带传动模块、链传动模块、直齿轮传动模块、锥齿轮传动模块以及蜗杆传动模块。2.3.1、带传动模块带传动是一种挠性传动。带传动的基本组成零件为带轮和传动带。当主动带轮转动时，利用带轮和传动带间的摩擦或啮合作用，将运动和动力通过传动带传递给从动带轮。1、 带轮带轮分为主动带轮和从动带轮。它们的材质都为聚缩醛（POM）。主动带轮的基本尺寸为：外直径45mm、滑轮厚约12mm、轴心厚约23mm、U槽6mm、槽深3mm、R3槽；从动带轮的基本尺寸为：外直径45mm、滑轮厚约12mm、轴心厚约23mm、U槽6mm、槽深3mm、R3槽。、传动带因为我们用于小功率传动，所以我们选用材料为聚氨酯、直径为6mm的绿色圆带结构的传动带。、特点带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲减震等特点，所以步进电机接的第一个模块为带传动模块。2.3.2、直齿轮传动模块齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，形式广泛，传递的功率可达数十万千瓦，圆周速度可达200m/s。本作品齿轮的材料均为。、大齿轮大齿轮的齿数为40齿，齿宽为12mm，模数为1.5、小齿轮小齿轮的齿数为30齿，齿宽为12mm，模数为1.5、特点齿轮传动的主要特点有效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长和传动比稳定。2.3.3、链传动模块链传动是一种挠性传动。它是通过链轮轮齿与链条链节的啮合来传递运动和动力。、链轮链轮为4分9齿，齿外径为40mm，台阶外径为23mm。、链条链条为08A188 GB/T 1242006、特点链传动工作可靠，两轴相距较远，低速重载，工作环境恶劣，链传动的制造与安装要求较低，成本低。2.3.4、锥齿轮传动模块锥齿轮用于传递相交或想错轴之间的运动。本作品齿轮的材料均为45#钢，比例为1:2，它们成90度角。、大锥齿轮大锥齿轮的模数为1.5，齿数30，齿外径为46mm，齿长为10mm，总厚度为24mm。、小锥齿轮小锥齿轮的模数为1.5，齿数15，齿外径为25mm，齿长为10mm，总厚度为25mm。、特点齿轮传动的主要特点有效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长和传动比稳定。2.3.5、蜗杆传动模块蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可以为任意值，我们用的为90度，减速比为1:40。本作品齿轮的材料均为45#钢。、蜗轮蜗轮的外直径为53mm，齿数为40齿，厚度为12mm，模数为1.25，旋向为右旋。、蜗杆蜗轮的外直径为24mm，头数为1，厚度为40mm，模数为1.25，旋向为右旋。、特点蜗杆传动主要特点：实现大的传动比、结构紧凑、冲击载荷小、传动平稳、噪声低、传动具有自锁性。2.3.6联轴器方案比较直齿轮传动模块和链传动模块需要联轴器进行连接，经筛选，产生以下两个方案：方案一（图3）：直齿轮传动模块和链传动模块之间采用梅花联轴器进行连接。优点：连接稳定、可靠，缺点：不方便拆装。正因为不宜拆装，与最初“便携”的思路相违背，所以不宜采用。方案二（图4）：直齿轮传动模块和链传动模块之间采用自主创新设计的“一”字形联轴器进行连接。“一”字形联轴器拆装十分方便，而且传动平稳，加工简单，所以采用“一”字形联轴器。图3 方案一图4 方案二2.4、箱子我们设计的箱子和传统的箱子有本质上的区别，可以说不是纯粹的箱子。当运动演示时，箱子可以展开为运动演示平台；而运动演示完毕时，展开的运动演示平台又可以组装成一个纯粹的箱子，安放运动模块和控制模块。、运动演示平台（图5）运动演示时：箱子可以展开为运动演示平台，传动模块可以在上面自由拆卸以及灵活组装。展开后的面子为332900mm2，放在讲台，便于老师的讲课和学生的观察。、箱子（图6）运动演示完毕时：运动演示平台可以组装成箱子后为350210180，体积为978000mm3，运动模块拆卸放入箱体内便于保存，方便携带突出便携特点。图5 箱子图6 运动演示平台2.5、控制模块控制模块主要包括24V3A的开关电源，步进电机控制器，步进电机，C52单片机以及霍尔传感器模块。由于控制模块与机构无关，属于电子类，在此就不在详叙。3、理论设计计算3.1、总体尺寸设计根据各个零件的具体尺寸，组装成模块，而各个模块的尺寸就决定了运动演示平台的尺寸。、直齿轮传动：长宽高=15083132（单位：mm）；、链传动：长宽高=15083128（单位：mm）；、蜗杆传动：长宽高=1508690（单位：mm）；、运动演示平台：面积=332900mm2；、箱子：长宽高=350210180（单位：mm）,体积=978000mm3。3.2、轴的强度和刚度校核进行轴的强度和刚度校核计算时，应根据轴的具体受载及应用情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。由于我们设计的是教具，载荷相对于许用应力很小，所以轴满足强度和刚度要求。3.3、部分工程图 图7 通用轴 图8 通用导轨 图9 通用滑块 图10 蜗杆传动滑块 图11 蜗轮支撑板 图12 通用支撑板4、工作原理及性能分析4.1工作原理下面对箱子变为运动演示平台的过程予以说明。、如图13为箱子状态。箱子的各个面由铰链或扣子连接（图14），箱子的体积小，体现便携的优点。、将各个模块组装到运动演示平台上（图15）。图13 箱子 图14 扣子（铰链在内侧）图15 模块组装完后4.2、性能、箱子长350mm，宽210mm，高180mm，设计容量9728000mm3、演示平台的面积为332900mm2、各个模块的传动效率和传动比带轮传动：传动比为5；直齿轮传动：传动比为4/3；链传动：传动比为3.5；锥齿轮传动：传动比为1，只是改变传动的方向；蜗杆传动：减少比为1:40。5、实物照片图16 运动演示平台图17 箱子6、创新点及应用6.1、创新点、各个运动机构实现模块化可实现快速拆装，并能进行单独运动演示和组合运动演示。、通过单片机控制电机实现各个运动模块的运行速度，从而充分展示各运动机构的特点，让学生更加直观的了解各个机构的特点。、独特的箱体设计为携带以及课堂的教学展示提供了很好的便利性。6.2、应用此教具为综合演示传动教具，方便携带、便捷的演示能够非常好的适