汽车风窗刮水器机构设计

机电工程系 课程设计说明书 专专 业 业 机械电子工程机械电子工程 课课 程 程 机械原理课程设计机械原理课程设计 姓姓 名 名 廖聪廖聪 学学 号 号 班班 级 级 15 级机械电子工程级机械电子工程 2 班班 时时 间 间 2017 06 26 2017 06 30 I 目 录 设计任务书 1 第一章 机械方案的设计与选择 3 1 1 功能要求 3 1 2 机械方案的设计与选择 3 第二章 机构结构设计 6 2 1 原始数据 6 2 2 图解法设计机构 6 2 3 解析法设计机构 7 第三章 机械系统运动简图绘制 8 3 1 选定比例尺 8 3 2 运动简图绘制 8 第四章 解析法运动分析 9 4 1 建立机构位置方程 9 4 2 位置方程求解 消元法 9 4 3 位置方程求解 几何法 11 4 4 建立速度方程并求解 12 4 5 建立加速度方程并求解 12 4 6 运动分析程序 13 第五章 图解法运动分析 13 5 1 选取分析位置 13 5 2 分析位置机构运动简图绘制 13 5 3 速度分析 14 5 4 加速度分析 15 II 第六章 计算机编程 16 6 1 交互界面设计 16 6 2 数据输入有效性检验 17 6 3 主程序设计 17 6 4 结束退出程序设计 20 总 结 21 1 设计任务书 一 设计任务一 设计任务 汽车风窗刮水器机构 二 课程设计的目的二 课程设计的目的 1 进一步巩固和加深我们所学的理论知识 并将它们应用于实际机构的分 析研究和设计中 培养我们分析问题 解决问题的能力 2 使我们得到机械运动方案设计的完整训练 并具有机构选型 组合以及 确定传动方案的能力 培养我们开发和创新机械产品的能力 3 使我们对于机械的运动学分析和设计有一较完整和系统的概念 4 进一步提高我们的设计计算 分析 绘图 表达和使用技术资料的能力 三 原始条件三 原始条件 1 工作条件 1 曲柄 AB 由电机通过减速器带动单向转动 2 刮水器左右摆动角 120 3 刮水器左右平均速度相等 无急回特性 2 精度与误差要求 摆角允许误差 5 3 原始数据 组数曲柄转速 1 2 120r min60mm120 225r min60mm120 330r min60mm120 430r min65mm120 本设计小组为第 3 组数据 四 任务图示四 任务图示 图 1 汽车风窗刮水器机构 五 要求五 要求 1 针对题目查阅 收集和研究与设计内容相关的参考文献与资料 在功 能分析的基础上 拟定出至少两种机械系统运动方案 进行分析对比 评价选 优 确定设计方案 2 机械系统中各机构的运动尺寸设计和有关结构参数的确定 3 绘制机械系统运动简图 4 用解析法对主体机构各位置 一个运动循环 进行运动分析 绘制主 体机构执行构件的运动线图 用相对运动图解法对主体机构某一位置进行运动 分析 并将结果与解析法比较 5 编写设计计算说明书 3 第一章 机械方案的设计与选择 1 1 功能要求 根据任务书的要求和汽车风窗刮水器机构的工作实际 确定刮水器机械 系统的功能要求 1 曲柄 AB 由电机通过减速器带动单向转动 2 刮水器左右摆动角 120 3 刮水器左右平均速度相等 无急回特性 刮水器的启动与停止由控制系统控制 不在本课程设计范围 1 2 机械方案的设计与选择 1 1 方案 方案 1 1 图 2 方案 1 结构草图 对心曲柄滑块机构没有急回特性 但从动件作滑块来回直线往复运动 需 要将其转化为往复摆动的运动 为此 方案 1 主要包括以下两组机构 1 对心曲柄滑块机构 由主动件 AB 杆 连杆 BC 滑块 3 和机架组成 滑块的两个极限位置为 C1 和 C2 2 移动转块导杆机构 由移动转块 4 摆杆 5 组成 其中转块与滑块 4 通过活动铰链相连 跟随 构件 4 作平动 同时也作转动 带动摆杆 5 来回摆动 4 特点分析 1 传动角分析 图 3 曲柄滑块机构传动角分析图 一般曲柄滑块机构传动角分析见图 最小值为处 图中最高点 90 本方案第一机构为对心曲柄滑块机构 偏心距 0 可见 对心曲柄滑块机构最小传动角可以通过曲柄和连杆的长度来控制 容易满足最小传动角的要求 不计转动导杆 4 与摆杆 5 之间的摩擦 第二机构的传动角始终为 90 传 动性能较好 2 结构分析 方案 1 需要设置尺寸较大的滑轨 给构件 3 定向 加工复杂 3 受力与功率分析 方案 1 中 滑块 3 与机架导轨之间 摆杆与移动转块之间可能存在严重的 摩擦 使功率损耗严重 增加润滑系统则会显著增加开发和使用成本 如果移 5 动副之间过脏或出现卡滞 甚至造成损坏电机的严重后果 总之 方案 1 具有传动性能较好 最小传动角容易控制的优点 但机构相 对复杂 摩擦损耗大 可靠性较差等缺点 2 2 方案 方案 2 2 图 4 方案 2 结构草图 方案 2 由曲柄 1 连杆 2 摆杆 3 机架组成 构成曲柄摇杆机构 摆杆 3 的铰链中心在曲柄中心上方 曲柄铰链中心 A 与连杆 BC 的 C 点两个极限位置共 线 显然 该机构极位夹角 则 0 180 180 1 机构无急回特性 特点分析 1 该方案全部采用转动副 只要满足传动角要求 功率消耗较小 2 该方案采用转动副 结构简单 工作可靠 满足汽车恶劣气候条件 工作在雨雪天气 下工作的要求 3 该方案摆杆 CD 段处于转动副 D 点下端 尺寸较小 而工作段在上端 传动机构结构紧凑 3 3 方案确定 方案确定 通过两种方案的特点分析 综合考虑机构的使用要求 可靠性 经济性等因 素 确定本设计采用方案 2 6 计 算 及 说 明结 果 第二章 机构结构设计 2 1 原始数据 原始数据 1 30 60 120 图 5 图解法设计机构 2 2 图解法设计机构 建立如图坐标系Oxy 1 2 2 sin 2 103 92 在的延长线上选取一点 A 作为曲柄固定铰链中心 设 1 2 则 1 300 2 1 1 2 196 08 根据 机械原理 公式 5 11 1 2 2 51 96 1 30 60 120 7 1 2 2 248 04 由图示可知 cos 2 30 sin 2 248 04 所以 2 2 249 85 2 3 解析法设计机构 图 6 解析法设计机构 180 1 1 0 中 1 2 1 2 2 sin 2 60 51 96 248 04 249 85 8 中 1 2 1 22 2 2 2 cos 将带入上式得 1 2 2 sin 2 2 sin 2 2 2 2 2 cos 由于 0 2 sin 2 2 2 2 2 方程有无穷多解 含两个未知数 可假定一个 再求解 为了与图解法比较设计结果 设 的长度为图解法的求解 结果 51 96 根据公式求解 则 248 04 根据图 5 求出 249 85 第三章 机械系统运动简图绘制 3 1 选定比例尺 9 uL 运动尺寸的实际长度 图上所画的长度 m mm或 mm mm 本方案选取 1 3 2 运动简图绘制 1 建立坐标系 以下按比例尺作图 Oxy 2 根据 在 轴正方向确定 D 点铰链中心 30 y 3 根据 在 轴正方向确定 A 点铰链中 248 04 心 4 根据 以 A 点为圆心 AB 为半径画 51 96 圆 与 轴交点分别为和 1 2 5 根据 以 D 点分别作与 轴成 60 的斜线 120 y 交 轴分别为和 1 2 图 9 本方案机构运动简图绘制 第四章 解析法运动分析 4 1 建立机构位置方程 按照一般曲柄摇杆机构建立机构位置方程 图 10 曲柄摇杆机构位置矢量 1 原点通过 轴沿机架 方向 建立如图直角坐标 系 51 96 248 04 60 249 85 1 10 2 建立封闭矢量环如图 1 2 3 4 0 3 建立矢量投影位置方程 1cos 1 2cos 2 3cos 3 4 0 1sin 1 2sin 2 3sin 3 0 给定 则变量为和 1 2 3 4 2 位置方程求解 消元法 上式方程可变为 2cos 2 4 1cos 1 3cos 3 2sin 2 1sin 1 3sin 3 上式两边平方相加消去 2 2 2 2 1 2 3 2 4 2 1 4cos 1 2 3 4 1cos 1 cos 3 2 1 3sin 1sin 3 设 2 3 4 1cos 1 2 1 3sin 1 2 1 2 3 2 4 2 2 2 1 4cos 1 则方程为 cos 3 sin 3 0 将 cos 3 1 tan2 3 2 1 tan2 3 2 11 sin 3 2tan 3 2 1 tan2 3 2 带入上式 解出 3 2tan 1 2 2 2 同理解得 2 tan 1 3sin 3 1sin 1 4 1cos 1 3cos 3 表达式中负号代表下图所示位置 由于四杆机构为平面 3 四杆机构 机构运动状况不可能出现此情况 所以 图 11 位置方程的假根 3 2tan 1 2 2 2 2 tan 1 3sin 3 1sin 1 4 1cos 1 3cos 3 4 3 位置方程求解 几何法 图 12 位置方程的几何法求解 2 1 2 4 2 1 4cos 1 因为 12 sin 1 1 sin 1 所以 1 sin 1 1sin 1 三角形 BCD 中 可求出 2 2 cos 1 2 2 3 2 2 2 3 3 1 2 因为 2sin 2 1sin 1 3sin 3 所以 2 sin 1 3sin 3 1sin 1 2 显然 采用几何法求解过程 运算相对简单 4 4 建立速度方程并求解 对位置方程求导得速度方程 2 2sin 2 3 3sin 3 1 1sin 1 2 2cos 2 3 3cos 3 1 1cos 1 变换后得 2 2sin 2cos 2 3 3sin 3cos 2 1 1sin 1cos 2 2 2cos 2sin 2 3 3cos 3sin 2 1 1cos 1sin 2 两式相加消去 2 13 3 1 1sin 1 2 3sin 3 2 同理可得 2 1 1sin 1 3 2sin 3 2 用矩阵形式表示 则为 2sin 2 3sin 3 2cos 2 3cos 3 2 3 1 1sin 1 1 1cos 1 4 5 建立加速度方程并求解 对速度方程求导得加速度方程 1 0 1 2 1cos 1 2sin 2 2 2cos 2 2 2 3sin 3 3 3cos 3 2 3 1 2 1sin 1 2cos 2 2 2sin 2 2 2 3cos 3 3 3sin 3 2 3 采用消去法可求出和 2 3 3 2 2 2 1 2 1cos 1 2 3 2 3cos 3 2 3sin 3 2 2 3 2 3 1 2 1cos 1 3 2 2 2cos 2 3 2sin 2 3 用矩阵形式表示 则为 2sin 2 3sin 3 2cos 2 3cos 3 2 3 2cos 2 3cos 3 2sin 2 3sin 3 2 2 2 3 1 2 1cos 1 1 2 1sin 1 4 6 运动分析程序 根据位置 速度 加速度方程编制运动分析程序 程序源 文件见第六章 14 选取作为分析位置 得出 1 45 第五章 图解法运动分析 5 1 选取分析位置 可以任选一位置进行图解法运动分析 并与解析法的结果 进行比较 我们选取作为分析位置 1 45 5 2 分析位置机构运动简图绘制 图 13 分析位置机构运动简图 1 选取 1 2 根据确定 AD 铰链中心 4 3 根据 和确定铰链 B 的位置 1 1 45 15 4 以 B 为圆心 以 为半径画圆弧 以 D 为圆心 以 2 为半径画圆弧 两圆弧的交点为铰链 C 的位置 3 5 3 速度分析 1 1 108 83 矢量方程 图 14 图解法速度分析 选择一点 为极点 根据速度比例尺作矢量代表 p p 过 作垂直于 BC 的射线 过 作垂直于 CD 的射线 p bp 两射线交于 代表 C 点绝对速度值 代表 C 点相对于 B c p 点的速度值 计算和 2 3 16 与解析法结果相比较 可以看出 求得的结果与解析法基 本一致 由于作图难免带来误差 图解法的精度相对较低 5 4 加速度分析 矢量方程 即 大小 2 3 2 1 2 2 方向 DC DC AB BC BC 17 图 15 图解法加速度分析 1 选择一极点 根据加速度比例尺作矢量代表 方向为平行于 AB 2 1 2 以 开始作矢量 大小为 方向平行于 2 2 BC 3 以开始作一射线 方向垂直于 BC 4 以 开始作矢量代表 方向 2 3 为平行于 CD 5 以 开始作一射线 方向垂直于 CD 6 两射线交点为 2 18 3 与解析法结果相比较 可以看出 求得的结果与解析法基 本一致 由于作图难免带来误差 图解法的精度相对较低 第六章 计算机编程 机构运动分析的解析法结果利用 Matlab 编程实现计算机 自动运算 6 1 交互界面设计 利用 Matlab 设计 GUI 界面 图 16 软件界面设计 19 左侧为参数输入系列控件 参数监控用于输入的角度值 1 并观察对应 的结果 2 3 2 3 右侧为 曲线观察 axes 控件 2 3 2 3 2 3 6 2 数据输入有效性检验 参数输入系列控件输入值必须为数值型 如果为字符型 则需要提示用户重新输入 在相应回调函数 callback 中输入以下代码 user entry str2double get hObject String if isnan user entry errordlg 请输入数值 你输入错误 end 6 3 主程序设计 主程序在 开始计算 按钮的回调函数中编写 将按照 1 1 度递增求取 360 个位置的速度 加速度特征值 主程序如下 hd pi 180 du 180 pi global omega1 l1 l2 l3 l4 获取控件数据 l1 str2double get handles L1VALUE String 20 l2 str2double get handles L2VALUE String l3 str2double get handles L3VALUE String l4 str2double get handles L4VALUE String 下面为选择 1 popup sel index get handles W1VALUE Value switch popup sel index case 1 omega1 20 case 2 omega1 25 case 3 omega1 30 case 4 omega1 35 case 5 omega1 40 case 6 omega1 45 end 21 计算铰链四杆机构位移 角速度 角加速度 for n1 1 361 phi1 n1 n1 1 hd Lbd sqrt l4 l4 l1 l1 2 l4 l1 cos phi1 n1 sita1 asin l1 Lbd sin phi1 n1 sita2 acos l2 l2 l3 l3 Lbd Lbd 2 l3 Lbd if sita2 0 sita2 sita2 pi end phi3 n1 pi sita1 sita2 计算 l3 角位移 phi2 n1 asin l3 sin phi3 n1 l1 sin phi1 n1 l2 计算 l2 角位移 A l2 sin phi2 n1 l3 sin phi3 n1 l2 cos phi2 n1 l3 cos phi3 n1 B l1 sin phi1 n1 l1 cos phi1 n1 omega A omega1 B omega2 n1 omega 1 omega3 n1 omega 2 计算角速度 A l2 sin phi2 n1 l3 sin phi3 n1 l2 cos phi2 n1 l3 cos phi3 n1 B omega1 omega1 l1 cos phi1 n1 l1 sin phi1 n1 22 C l2 omega2 n1 cos phi2 n1 l3 omega3 n1 cos phi3 n1 l2 omega2 n1 sin phi2 n1 l3 omega3 n1 sin phi3 n1 alpha A C omega B alpha2 n1 alpha 1 alpha3 n1 alpha 2 计算角加速度 End 绘图 转换为度 弧度 秒 弧度 平方秒 axes handles axes5 plot phi2 du axes handles axes6 plot phi3 du axes handles axes1 plot omega2 2 pi 60 axes handles axes2 plot omega3 2 pi 60 axes handles axes3 plot alpha2 2 pi 3600 axes handles axes4 plot alpha3 2 pi 3600 绘图 关键数据观察 转换为度 弧度 秒 弧度 平方秒 23 set handles edit2 String roundn omega2 91 2 pi 60 4 guidata hObject handles set handles edit3 String roundn alpha2 91 2 pi 3600 4 guidata hObject handles set handles edit4 String roundn omega3 91 2 pi 60 4 guidata hObject handles set handles edit5 String r