机械创新综合课程设计——指南车设计说明书

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2、能发现许多令我们惊讶的东西，给我们以巨大的启示。指南车就是其中一例，我们希望通过对指南车中所蕴含的机械原理的研究与探索，复原指南车，并且发掘一些新鲜的或者被我们所忽视的东西，为今人所用。二.指南车简介 指南车是中国古代能工巧匠所制作出来的用以指明方向的小车，其特点是车上有一木人，无论车怎么转弯，木人始终指向南方。由于其多次失传与重制，其原理也有很多种，我们只讲述其中一种原理，这也是本文所依据的，即差速齿轮原理。三.设计思路 结构分析 据知，指南车车身有左右两个轮子作为输入件，再经由传动机构，将输入传递至主要的定向机构主体，并将定向杆件根据车身的旋转角度作反向的回馈后输出，来达成输出杆的定向功能

3、。 因此，指南车机构可分解成四个分，分别为：输入件、传递装置、负回馈机构、以及输出件，如图 3-1 所示。 图 3-1指南车结构的组成(1) 输入件 据记载 ，指南车的左右两轮为输入元件。 直行时，两轮提供等角速度的旋转运动，若以大地绝对坐标来看， 以地平面为X轴与Y轴形成的X-Y平面，水平高度为Z轴，则当指南车直线前进时，由于两输入转速相同，故车身并不会与大地坐标产生Z轴方向的旋转运动，转弯时，左右两轮的角速度差则会造成车身相对于大地坐标而产生Z轴方向的旋转。而指南车的功能， 则是用以抵消车身的运动。(2) 传递装置传递装置的主要作用为连接左右两输入件与负回馈机构的主体。负回馈机构负回馈机构

4、(3) 动控制的核心思想就是回馈，通过回馈建 立起输入和输出之间的联系，使控制器可以根据 输入与输出的实际情况来决定控制方式，以达到预定的系统功能。负回馈是通过输入、输出之间的差值作用，使控制器不停的减小差值，使该系统逐渐趋于平衡状态。负回馈机构为指南车机构最重要的主体部分，指南车因为两轮的速度差而造成车身旋转，负回馈系统则使输出件能够反向消除车身的旋转量，使其回到固定指向的目的。(4) 输出件 输出件为负回馈机构中作为定向输出的杆件。据记载，输出件为一木人，其手指恒永远指向固定不变的方向四数据处理 身旋转的角速度之间的数学关系。假设左右两轮的角速度分别为 L 与 R ，车身旋转的 角速度为

5、，车轮的半径为 R ，两车轮中心距为 L ， 则依照图 4-1 所示，车在向右转弯时，左右两轮以点 O 为圆心作顺时针旋转运动， r1 与 r2 分别表示左右两轮与圆心 O 的距离(旋转半径)， S1 与 S 2 则表示左右两轮所行走的距离，则所有参数之间的数学关系推导如下： （4.14.1） (4.2)(4.2)根据两轮行进距离可得 (4.3)(4.3)因此，根据式(7.1)、(7.2)、及(7.3)可得 (4.4) (4.4) 图 4-1车身旋转示意图 通过前面的介绍，选用如下的结构作为运动分析与尺寸设计的对象，并为后续进行计算机实体模型与原型机的制作。设计的简易图如下图4-2所示： 图

6、4-2 指南车机构简图 图 4-2 所示为其机构简图与各组件之标号。此机构共有7个齿轮 ( K G1 、 K G 2 、 K G 3 、 K G 4 、 K G 5 、 K G 6 、 KG 7 )、1根连杆( K L1 )、以及 1 个 机架( K F )。其中， K G 4 与 K L 为两输入件， K G 7 为输出件，传递装置部分则采用直接连结。 1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 、 7 、 L1 分别表示各机件的角速度， N1 、 N 2 、 N3 、 N 4 、 N5 、 N 6 、 N 7 表示各齿轮的齿数，则有如下关系（4.6）（4.7）（4.8）由于 5 = 3 ，

7、 4 = L1 ， N 44 = N11 ， N33 = N 22 ， 2 = L， 1 = R ，因此可得到：（4.9）4.2 尺寸设计 在前面推导出当指南车车身旋转时的角速度与左右两轮角速度L 与 R 的关系式，并挑选图5-2的新型指南车机构来进行运动分析。但是若要达成定向的功能，则必须要满足齿数与几何尺寸上的限制条件。 根据(4.5)式与(4.9)式所示，车要达成指南车的定向功能，则必须满足 7 = ，因此可得：(4.10)(4.11)(4.12)其中， L 表示左右两轮的间距(车宽)， R 表示车轮半径。 在车轮半径与车宽的比例上，采用左右轮的直径与车身宽度相等，即 L = 2R ，并

8、假设 N 2 : N 3 = 1 : 1。由(7.11)式可得 N 5 : N 7 = 1 : 2，代入左轮的回路中，可得 N1 : N 4 = 1 : 3 。 若行星齿轮系选用模数为1.5的齿出，则可得到一组满足指南车动作的尺寸条件，如表 4-1 所示。在进行尺寸设计时，必须考虑齿轮组在轮轴间距( L )中的空间配置，且因有的构形需配合齿轮的旋转方 向，故必须注意齿轮在轮径 R 所形的空间中的配置。 表 4-1 新型指南车机构尺寸参数表齿轮 齿数 模数 半径 mmK G 1 15 3.5 52.5K G 4 45 3.5 157.5K G 2 30 1.5 45K G 3 30 1.5 45

9、K G 5 40 1.5 60K G 6 20 1.5 30K G 7 80 1.5 120车身宽 数值 mm L 200 R 2004.3 虚拟与实体建模 运用solidworks软件进行设计，设计完成后的实体模型如图所示。4.4 运动演示 当小车直行时，两轮的输入速度相同，即差速度为零，上面的木人不动，指向南方。 当小车转弯时，两轮的输入速度不同，形成速度差，通过传入装置与负反馈装置，使得车上的小人以相同的角速度反向旋转，从而小轮相对于地面静止，始终指向南方。 小车的爆炸视图与解除爆炸视图（各零件的安装与配合）。五.主要创新点 1.运用了差速齿轮原理，使得指南车转弯时少了许多限制，精确度更高。 2.结构简单，使用方便，演示是清晰明了，一目了然。六设计体会与心得 制作指南车的想法是我们看历史书时想到的，然后在网上收集资料，借鉴别人的设计经验，再加上我们的努力，独立完成的。在设计过程中，发现了它的许多巧妙之处，例如它用到了差速齿轮原理，让我们不得不叹服于古人的智慧。其实，中国历史上有许多非常有用的机械发明，我们在复原它的同时，既能体验其中的乐趣，又能了解他的原理学到新知识，甚至还能发现新的科技，为今人所用，这大概就是古为今用吧。WPS OfficeMake Presentati