機械原理程設計

1、 機械原理課程設計說明書 設計題目: 幻覺式游樂機傳動系統(tǒng)設計 專 業(yè) 機 械 設 計 班 號 設 計 者 指導教師 完成時間 1.1設計題目 某游樂場欲添設一新的游樂項目。該項目是在一暗室中，讓一個畫有景物的屏幕（觀眾可以看見屏幕上的景物），由靜止逐漸開始左右晃動，晃動的角度由小變大，并越來越大，最后屏幕竟然旋轉起來，轉數(shù)圈之后，屏幕漸漸趨于靜止。由于觀眾在暗室中僅能看見屏幕上的景物，根據(jù)相對運動原理，觀眾將產(chǎn)生一個錯覺，他們不認為是屏幕在晃動，反而認為是他們自己在晃動，并且晃動的越來越厲害，最后竟旋轉起來。這是一個有驚無險的游樂項目?，F(xiàn)要求設計一機械傳動裝置，使屏幕能實現(xiàn)上述運動要求。其設

2、計技術要求如下： 1）屏幕的尺寸為長4 m和寬 3 m，屏幕的幾何中心為其轉動中心；屏幕由靜止開始晃動時的擺角約60，每分鐘晃動次數(shù)約1012次，屏幕由開始晃動到出現(xiàn)整周轉動，歷時約23分鐘，約轉10多周之后，屏幕由漸趨靜止；屏幕擺動幅度應均勻增大即呈均加速度的趨勢。2）整個游樂裝置欲利用一個交流異步電動機帶動，其同步轉速可選為750r/min或1000r/min或1500r/min。電機的功率這里暫先可以不考慮。因屏幕及其機械系統(tǒng)設計的等效轉動慣量較小，可以不考慮其動力學問題，故僅對其作運動設計。3）每一次游樂為一個運動循環(huán)。每次游樂開始可由手動操作通過離合器來控制，接下來整個運動由機械自動

3、完成。在完成滿足上述游樂基本運動要求前提下，最好能增設屏幕晃動擺角、晃動次數(shù)和轉動次數(shù)以及速度大小可調(diào)節(jié)的一些功能。1.2機械系統(tǒng)的方案擬定1.2.1工作原理幻覺式游樂機是一種通過一定的機械裝置實現(xiàn)暗室中，一個畫有景物的屏幕（觀眾可以看見屏幕上的景物），由靜止逐漸開始左右晃動，晃動的角度由小變大，并越來越大，最后屏幕旋轉起來，轉數(shù)圈之后，屏幕漸漸趨于靜止的有驚無險的游樂項目。由于觀眾在暗室中僅能看見屏幕上的景物，根據(jù)相對運動原理，觀眾將產(chǎn)生一個錯覺，他們不認為是屏幕在晃動，反而認為是他們自己在晃動，并且晃動的越來越厲害，最后竟旋轉起來。我們設計的幻覺式游樂機由三部分組成。第一部分減速機構，如圖

4、一所示。本設計題目中給的電動機的轉速是比較大，而我們所需要的速度很低（每分鐘十幾轉的速度），在本設計中我們使用了兩個行星輪系（齒輪1、2、3、4和11、12、13、14）。機構本身的尺寸也很小。并且齒輪傳動傳動比精確，有利于實現(xiàn)精確傳動。圖一第二部分是換向機構。如圖二所示為了實現(xiàn)曲柄的正反轉，我們使用了凸輪，以及滑動齒輪作為換向機構通過適當調(diào)節(jié)凸輪的轉速就可以實現(xiàn)比較精準的換向。在換向減速機構中，通過與電動機直接相連的行星輪系將轉速降低，提供給系統(tǒng)合適的轉速。換向機構由錐齒輪與其相連的凸輪組成，通過錐齒輪5和錐齒輪6、7嚙合使得錐齒輪6、7的轉向相反，與錐齒輪相連的齒輪8、9的轉速相反。凸輪十

5、七的轉動使桿19左右擺動，推動凸輪齒輪10在軸上左右移動，適當?shù)目刂仆馆喌妮喞?，就可以使的齒輪10分別與齒輪8、9嚙合，實現(xiàn)速度方向的變換。圖二第三部分是本次設計中最主要的一部分。如圖三執(zhí)行機構我們采用對心曲柄滑塊機構?；糜X式游樂機工作時，執(zhí)行部件中固定的齒輪通過可以左右水平運動的齒條帶動，齒條充當著曲柄滑塊中滑塊的角色。在執(zhí)行部件中曲柄是原動件，它的運動規(guī)律收到槽輪限制。初始時刻當曲柄順時針運動時，由于槽輪的限制作用曲柄的實際工作長度逐漸變長，每轉動一周齒條的的行程逐漸變大，反映在齒輪上齒輪的擺角逐漸增大并最終通過合適的曲柄長度和齒輪半徑比實現(xiàn)齒輪的周轉運動。圖三1.2.2執(zhí)行構件及其運動設

6、計 通過我們住的成員討論后，執(zhí)行構件的設計方案有三種。方案一執(zhí)行機構我們采用對心曲柄滑塊機構。幻覺式游樂機工作時，執(zhí)行部件中固定的齒輪通過可以左右水平運動的齒條帶動，齒條充當著曲柄滑塊中滑塊的角色。在執(zhí)行部件中曲柄是原動件，它的運動規(guī)律收到槽輪限制。初始時刻當曲柄順時針運動時，由于槽輪的限制作用曲柄的實際工作長度逐漸變長，每轉動一周齒條的的行程逐漸變大，反映在齒輪上齒輪的擺角逐漸增大并最終通過合適的曲柄長度和齒輪半徑比實現(xiàn)齒輪的周轉運動。如圖三所示。方案二執(zhí)行機構我們采用四桿機構。通過改變平面四桿機構的連架桿的長度使得機構變成曲柄搖桿、雙曲柄機構，適當控制連架桿的桿長變化情況，就可以使得另外的

7、一個連架桿的轉動角度實現(xiàn)轉角由60度逐漸變大，然后整周轉動，然后角度逐漸變小，最后逐漸停止的運動規(guī)律。方案三執(zhí)行機構采用導桿機構，通過改變桿bc的長度來使擺桿cd的擺動角度逐漸變化，并別通過連桿de將桿cd的擺動轉化為滑塊的左右直線，將滑塊替換成齒條，齒條再與齒輪配合，即可將齒條的移動轉化為齒輪的轉動。cb每轉動一周齒條的的行程逐漸變大，反映在齒輪上齒輪的擺角逐漸增大并最終通過合適的cb長度和齒輪半徑比實現(xiàn)齒輪的周轉運動。如圖四所示。圖四通過比較上面的三個方案，發(fā)現(xiàn)方案一的主要困難在與實現(xiàn)曲柄長度的變化比較困難，機構總體上比較簡單，同時轉角的變化規(guī)律容易控制。方案二的困難點在于轉角和曲柄長度的

8、關系比較難確定，需要用到大量的數(shù)值計算和數(shù)值分析，并且轉角的變化范圍只是在一部分范圍里面變化（0180然后就是整周轉動）。方案三的執(zhí)行機構的運動情況比較難以確定，也需要較大量的數(shù)值計算。通過上面的分析，我們選擇第一種方案，曲柄的長度變化由自己設計一個凸輪盤（里面有軌道）來改變曲柄的長度，通過適當?shù)目刂仆馆啽P的軌道，就可以使得屏幕的轉角實現(xiàn)逐漸增大，然后整周轉動，然后通過自己設計的換向機構讓曲柄的轉向相反，實現(xiàn)轉角組件減小。1.2.3原動機的選擇 整個游樂裝置利用一個交流異步電動機帶動，其同步轉速按照最終需要選為750r/min。電機的功率因屏幕及其機械系統(tǒng)設計的等效轉動慣量較小，可以不考慮其動

9、力學問題，暫不考慮故僅對其作運動設計。1.2.4執(zhí)行構件的運動協(xié)調(diào)性（運動循環(huán)圖）設計（1）機構工藝動作分析：原動件電動機變速機構曲柄滑塊及槽輪機構齒輪齒條機構（運行半個周期之后）錐齒輪換向機構重復上述過程停止（2）機械運動循環(huán)圖 1.2.5機構選型及組合 1.傳動機構 系統(tǒng)中的傳動機構是把原動機輸出的機械能傳遞給執(zhí)行機構并實現(xiàn)能量的分配、轉速的改變及運動形式的改變的中間裝置。傳動機構最常見的有齒輪傳動、帶傳動、蝸桿傳動等。他們的特點如表1：特點壽命應用齒輪傳動承載能力和速度范圍大；傳動比恒定，采用衛(wèi)星傳動可獲得很大傳動比，外廓尺寸小，工作可靠，效率高。制造和安裝精度要求高，精度低時，運轉有噪

10、音；無過載保護作用取決于齒輪材料的接觸和彎曲疲勞強度以及抗膠合與抗磨損能力金屬切削機床、汽車、起重運輸機械、冶金礦山機械以及儀器等蝸桿傳動結構緊湊，單級傳動能得到很大的傳動比；傳動平穩(wěn)，無噪音；可制成自鎖機構；傳動比大、滑動速度低時效率低；中、高速傳動需用昂貴的減磨材料；制造精度要求高，刀具費用貴。制造精確，潤滑良好，壽命較長；低速傳動，磨損顯著金屬切削機床（特別是分度機構）、起重機、冶金礦山機械、焊接轉胎等帶傳動軸間距范圍大，工作平穩(wěn)，噪音小，能緩和沖擊，吸收振動；摩擦型帶傳動有過載保護作用；結構簡單，成本低，安裝要求不高；外廓尺寸較大；摩擦型帶有滑動，不能用于分度鏈；由于帶的摩擦起電，不宜

11、用于易燃易爆的地方；軸和軸承上的作用力很大，帶的壽命較短帶輪直徑大，帶的壽命長。普通V帶 3500-5000h金屬切削機床、鍛壓機床、輸送機、通風機、農(nóng)業(yè)機械和紡織機械鏈傳動軸間距范圍大；傳動比恒定；鏈條組成件間形成油膜能吸振，對惡劣環(huán)境有一定的適應能力，工作可靠；作用在軸上的荷載?。贿\轉的瞬時速度不均勻，高速時不如帶傳動平穩(wěn)；鏈條工作時，特別是因磨損產(chǎn)生伸長以后，容易引起共振，因而需增設張緊和減振裝置與制造質(zhì)量有關5000-15000h農(nóng)業(yè)機械、石油機械、礦山機械、運輸機械和起重機械等表一由上述幾種主要的傳動裝置相互比較，齒輪傳動、帶傳動用于減速，切削機構使用齒輪傳動。齒輪傳動可靠、準確。本

12、次設計的機構中需要精確的傳動比，特別是執(zhí)行機構和換向機構的時間要很準確才能實現(xiàn)準確的換向，故我們在本次機構設計中大部分的傳動機構選用齒輪傳動，其中對于傳動距離較大的，我們選用帶輪傳動（傳動比為1:1）。由于每分鐘屏幕轉動1012次，換向機構里面的凸輪的轉速為0.5r/min，整個游樂裝置用一個交流異步電動機帶動，其同步轉速可選為750r/min或1000r/min或1500r/min。我們在這里考慮到在機構的設計中需要很大的減速比，我們使用的主要是齒輪，為了使齒輪的尺寸盡量的小一些，我們選用轉速為750r/min的電機。電機的功率這里暫先可以不考慮。因屏幕及其機械系統(tǒng)設計的等效轉動慣量較小，可

13、以不考慮其動力學問題，故僅對其作運動設計。而電動機的轉速為750r/min，其傳動路線為轉速為750r/min的電動機經(jīng)行星輪（1、2、3、4）將運動傳到錐齒輪5，錐齒輪5與錐齒輪6、7嚙合后使得錐齒輪6、7的轉速相反，從而帶動直齒輪8、9的轉向相反。行星輪（11,、12、13、14）與錐齒輪7想固連，將錐齒輪7的速度進一步降低后傳送至帶輪15，通過帶傳送（15、16）將運動傳送至錐齒輪（主要起換向作用，圖中沒有畫出）然后錐齒輪帶動凸輪17一起轉動，從而帶動桿十九左右擺動，桿的左右擺動促使齒輪10左右擺動（停留在直齒輪8、9的時間很長，并且時間相等，在中間過渡的時間很短，實現(xiàn)上述的運動主要是由

14、凸輪17的輪廓決定），從而實現(xiàn)速度的換向。齒輪10的軸與執(zhí)行機構的曲柄相連帶動曲柄以每分鐘10r/min的速度轉動。曲柄帶滑塊（齒條）左右直線運動，通過與齒條嚙合的齒輪將齒條的移動轉化為齒輪的轉動，即屏幕的轉動。原理圖如圖五所示。圖五2.執(zhí)行機構執(zhí)行機構我們采用對心曲柄滑塊機構。幻覺式游樂機工作時，執(zhí)行部件中固定的齒輪通過可以左右水平運動的齒條帶動，齒條充當著曲柄滑塊中滑塊的角色。在執(zhí)行部件中曲柄是原動件，它的運動規(guī)律收到槽輪限制。初始時刻當曲柄順時針運動時，由于槽輪的限制作用曲柄的實際工作長度逐漸變長，每轉動一周齒條的的行程逐漸變大，反映在齒輪上齒輪的擺角逐漸增大并最終通過合適的曲柄長度和齒

15、輪半徑比實現(xiàn)齒輪的周轉運動。1.3 相關機構的尺度及運動簡圖 （1）齒輪的參數(shù) 零件齒輪的模數(shù)齒輪的壓力角（度）齒數(shù)1m=2=204924934845052063074082092010401139123913381440 （2）帶輪的參數(shù)設計： 帶輪15的直徑d=60mm ，帶輪14的直徑為30mm傳動比的計算： 一級減速： 二級減速： 三級減速： 四級減速： 帶輪只起很小的減速的作用，只是為了其傳遞較長的距離的運動的作用。如果用齒輪傳動，需要較多的齒輪！經(jīng)過三級減速后運動由電動機傳至齒輪10，齒輪室的運動經(jīng)過軸B傳到曲柄。總的減速比為：故軸B的轉速為輪16的轉速為 （3）曲柄滑塊機構的參數(shù)

16、設計 連桿的長度l=900mm 齒條（滑塊）的參數(shù)：m=2.5 齒距15mmL=400mm 齒輪的參數(shù)：m=2.5 z=61 (4)凸輪17的設計 桿十七的長度l=130mm 而齒輪8、9之間的距離為20mm 則桿17的擺角為a=arctan(20/130)=8.7 ,由于擺角很小，可以近似的認為桿17的一段的擺動做直線運動，而凸輪安裝在桿17的中間，由比例關系可知剛在中心處的位移為5mm。因為我們本次設計要求桿的左右擺動促使齒輪10左右擺動（停留在直齒輪8、9的時間很長，并且時間相等，在中間過渡的時間很短，所以我們用兩段半徑差為5的圓弧，并且中間弧線來過渡。草圖如下： （5）凸輪盤的設計凸輪

17、盤的設計由齒輪和齒條的嚙合而決定。由已知條件開始時屏幕的轉動角度為60，每分鐘晃動次數(shù)約1012次，屏幕由開始晃動到出現(xiàn)整周轉動，歷時約23分鐘，約轉10多周之后，屏幕由漸趨靜止；屏幕擺動幅度應均勻增大即呈均加速度的趨勢。我們?nèi)∶看蔚慕嵌仍隽繛?5，則經(jīng)過二十個循環(huán)屏幕的轉角達到整周回轉（360）。則齒輪的線位移為*m*z*(1/6+n/24) 注：n為從初始位置屏幕循環(huán)的次數(shù)，大小取整數(shù)。齒輪的線位移與齒條的線位移相同。由曲柄滑塊機構的結構特點我們可以知道滑塊的行程為曲柄長度的兩倍。在這里記曲柄的長度為L，滑塊的行程為S。則： S=2*L （1） L=*m*z*(1/6+n/24) （2）則

18、可以解得=40.5. =7.5即凸輪盤的=81，=15。兩個軌道間我們用一段圓弧過渡，草圖如下圖所示：繪制好的凸輪盤如下：動畫在上面的上面的超鏈接里面通過前面的計算和分析，可以大致的確定在自己的設計的機構中需要的零件的尺寸以及必要的參數(shù)，然后用solidworks繪制零件的三維圖，并且將繪制好的零件進行裝配，得到裝配圖，添加電動機就可以實現(xiàn)機構的運動仿真。圖五是得到機構的運動仿真后通過動力仿真得到的屏幕的轉角隨時間的變化曲線，從曲線中可以看出屏幕的轉角變化近似的呈均勻變化（由于軟件在繪圖時幀數(shù)取得比較低，圖線在繪制時不是太光滑），基本符合題目的要求。圖五下面是繪制的部分零件的截圖： 圖六（行星

19、輪一級減速器）圖七（行星輪四級減速）圖八（換向機構齒輪傳動部分） 圖九（換向機構的執(zhí)行部分）1.4課程設計體會和建議回顧起這次機械原理課程設計，我感慨頗多，從選題到定稿，從理論到實踐，這些日子里我學到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的東西。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重：在設計換向機構時我們一直找不到合適的機構，最后在大家的集思廣益和廣泛的查找資料下終于找到了合適的方案，這讓我感受到了一個團隊的力量。通過這次機械原理課程設計，我們小