机械原理课程系列教具的设计毕业设计论文概论

1、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日任务书任务书毕业设计（论文）任务书学院=机电工程学院 专业=机械设计制造及其自动化 班级二机1104学生情況指翩师情况题目类型m学号姓名职称单位虹专业文、管、結做口祝千 皓2011010108王舱机1题目机械原理课程系列教具的设计（1）是否口OR 目标毕业设计应完成的兰宴內容，设计任务达到的巨标）本i殳计杲以机械原理课程为基础，设计一套面向未来机械原理基础教学的教具。

2、本 套教具以机械原理教学主要知识点为主线,涉及了机械原理基础教学中的各种典型机构， 在机构的设计中涵盖了平面连杆.凸轮、齿轮、螺旋机构、间歇运动机构等各部分连接形 式多祥化.展现方法形象化，知识点讲解具体化。此套教具包含了六个模块：h平面机构 的结构分析平台：包括自由度的计算.机构简團的绘制.杆组分析及吕副低代；2.平面四 杆机构曲柄存在条件探究平台：包括钱琏四杆机构中双曲柄.曲柄搖杆、双摇杆的转换，曲 柄滑块机构曲柄存在条件的探究芬3.平面四杆机构典型运用平台：介绍了內燃机汽缸机构. 牛头刨床、鹤氏起重机等典型机构,4.凸轮机构轮廓设计及从动件运动特性测绘平台,5、 多种传动形式传动特性比较

3、平台：包括带传动、链传动、摩擦轮传动、齿轮传动、蜗杆传动、 蝮旋传动、槽轮传动等；&定轴轮系和周转轮系功能展示及对比分析平台，包括了定轴轮 系和周转轮系的变速比较.差速器运动的合成与分解，行星轮的运动特性分析。 机械嫖理课程系列教具的设计（1）设计內容句括：（1）机械熄理课程系列教具的总体设计；（2）平面机构的结构分析平台j平面四杆机 构曲柄存在条件探究平台的设计。（3）传动韶分运动与动力学计算：（4）零却件的工作能 力计算；（5）平台的工作动画：典型平台的实物制作。所设计的机械原理课程系列教具，即能化零为整，又能化整为零，与教科书.习题.实 殓结合紧密，每一模块体积小.质量轻，方侵老

4、师携带，使教与学娈得更加直观似简单化, 它既是课堂展示教具又是实验装置，做到了教具一套多用;它是可拆卸欢具，臥知识为指导' 加强培养学生的实践创新能力，启发学生独乂思考.解决问题的能力，适应新时代要求的创 新型人才&翩 形式平面机构的结构分析平台的装配團，平面四杆机构曲柄存在条件探究平台的装配图；零 件图和动画演乎等；（以上图量不小于3A0）;典型平台的头输制作o设计说明韦対两万字； 外文翻译不小于5千汉字；与一篇论文，题目自定,调研报舌（2000字左右）5文献综述报 舌（40008000字）（参考文献15篇（包括至少2篇外文资料）以上5开题报告。要求设计由6个模块组合，涵盖机

5、械原理课程主要內谷针对重点难点，具有董节性、专题性， 与教科书.习题.实峻紧密结合充分展现未来教具机电一体化的发展方向具有前瞻性的成套 装置；它既能作为课堂教学与实验操作展不，又能宙学生自主设计组装，培养粋生动手实践 能力和创新能力；凸轮机构实现从动件行程曲线设计凸轮和凸轮运动行程曲线的双向对比； 通过有无虎约束的对比突出虔约束在机构中的重要应用;通过高副低代具体机构的实验分析 化抽象为具体；各种平面机构与传动件的组合创新形象生动。I摘婆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

6、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，本次毕业设汁的目的是以机械原理为基础，设汁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。整套教具包含平而机构平台，平而四杆机构平台, 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而机构的结构分析平台

7、和平而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，狡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, 平而机构的结构设计平台和平而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IIIAbstractAbstractMechanical principles are mechanical core cu

8、rriculum 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 ful

9、ly understood, the use of teaching aids becomes particularly importantLooking 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 student

10、s to observe a profound understanding of the knowledge experience how to use, the theory to practiceTherefore, 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

11、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

12、 to explainI 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,

13、 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

14、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: Mechani

15、cal principles; teaching aids;plane institutions; freedom; four bodies; crank-rocker#目录目录任务书 I摘要 IIAbstract Ill第一章概述11.1 研究的意义11.2 研究的现状及已有成果11.3 研究内容 31.3. 1研究方向 31.3.2研究内容31. 3. 3系统功能 4第二章平面机构的结构分析设计 42. 1平面机构概述42.2 教具的整体介绍 42. 3虚约束机构42.4 一自由度机构62. 4.1自由度的计算 72. 4.2机构级别的判别 72.5 二自由度机构 82. 5.1自由度的计

16、算92. 5.2机构级别的判别 92.6 本章小结 10第三章平面连杆机构的结构设计 103. 1平面机构概述 103.2 教具整体介绍 103.3 平面四杆机构 103. 3. 1平面四杆机构曲柄存在条件 113. 3.2四杆机构的变化 113. 3. 3平而四杆机构的急回特性和机构的压力角传动角 143.4 曲柄滑块机构 143. 4.1曲柄存在条件讨论 153.5 本章小结 16第四章教具平台设计计算及关键部分设计 164. 1平面机构驱动电机的选择计算 164. 1. 1火车轮的转矩计算 164.1.2二自由度圆盘的转矩计算 184. 1. 3大电机的选择计算 18目录4. 1.4小电

17、机的选择计算 204. 2传动部分设计计算214.2.1同步带的选取 224. 2.2传动轴的设计计算 264. 3X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 306. 1技术分析 306. 2经济分析 31第七章结束语 32后记32参考文献33正文第一章 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，英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讣方法，并拥有设汁机械系统运动方案的能力。学好“

18、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左的空间想象能力, 学生在学习期间而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，教师可以更加方便宜观的介绍知识要点，讲解理论原理。1.1研究的意义机械

19、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讣中会有很 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，学生在下而记笔记的模式，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

20、地使用更加多元化，做到能装配，可拆分，单位体积小，重虽轻，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査阅资料发现，现如今的教具市场大多是材料为PYC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，造价髙，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机械原理教具动联魁芻®

21、; 1. 2机械基础教学模型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。表:L1机械教学模型类型|贷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程只288AA141-18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

22、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2851.3研究内容1. 3.1研究方向本次设汁的研究方向是以"机械原理”课程为基础，设计一套可以充分贴

23、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，自由度的汁算，复合较链的判别等，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淸晰好辨认，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

24、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而机构的结构分析平台和平而四杆机构曲柄存在探 究平台。虽然我所涉及的是英中一部分，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。第二章平面机构的结构分析设计2.1平面机构概述平而机构是机械原理课程主要内容的第一章，所以，平而机构的机构设汁对于学生理解 课程是非常重要的。通过与导师讨论，决泄平而机构主要

25、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。英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朿,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杆图2.1平行四边形的虚约朿即为虚约朿，此时计算平而四边形的自由度，F为：F = 3n-2P -Ph =3x4-2x6 = 0运算结果很

26、显然结果是错误的，并证明虚约朿会影响il算自由度的正确性。正确的汁 算方式是将机构中构成虚约朿的组件连同其运动副一起去掉不计。则去掉后的结果为：F = 3n_2P、_Ph =3x3-2x4 = l虽然虚约束会影响自由度的讣算，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 朿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

27、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。图2. 2火车轮结构團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。通过去除虚约朿，在四杆重叠位苣，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左性，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，我们要进行特別注意，不然有重大的影响。去除虚约束我们采用了 手动操作，中间轴的支座固泄在两个滑块上，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。5正文2

28、.3火车轮结构三维團2. 4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，我和老师讨论后决泄 在设讣一自由度机构时，加入复合较链的知识点。在机构的选取上，我决立使用精压机机构, 机构件图如图24所示:S 2.4精压机机构简图图示24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较链过多，各个连杆很难在同一个平而运动演示, 所以设计改变了杆件之间的连接形式，各连接部位采用钏钉钏紧，抛弃了传统的螺栓固定。 杆件的

29、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而上运动，其连接形式如图2.5 所示:S 2. 5连杆连接形式2. 4.1自由度的计算机构具有确定运动时，所必须给左的独立运动参数的数目称为机构的自由度。我们在计 算自由度时一立要注意以下三点：局部自由度、复合铁链、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钱链的知识。虚约束复合较链團26精压机运动简團分析由图2.6可知，任讣算自由度时，去除虚约束部分，然后正确计算复合铁链，则有（3-1=2） 个转动副。计算自由度有：厂=3”一2呂一几=3x7

30、-2x10 = 12.4.2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髙级级别来判泄的。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，并确左机构级别的过程。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朿：从远离原 动件的部位开始拆杆组，首先试拆II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，首先我们要知逍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

31、观察其杆件连接，含有复合钱链以及虚约朿。通过去除虚约束，可以进行杆组分析：9a 2.7机构结构分析精压机仅有一个原动件（最简机构）和三个II级杆组，所以可以得出结论，此机构是1【 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。2.8-自由度三维團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，苴半径就是原动件的长度。如图：1-原动曲柄2-原动凸轮3-筛子图29犬筛

32、机构结构简图为了制造简单，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，让此机构更淸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钱链，虚约束用来保证杆件运 动的平稳性。其自由度公式为：F = 3n 2P弘=3" 2x97 = 22. 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 后采用髙副低代的方式，把凸轮与滚子之间的高副用一个带有两个低副的平而构件来代替， 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

33、 杆组时，要注总首先要把两个原动件拆分出去。杆组的拆分如图211所示。图210咼副低代后间图（G嫌动件<b）二级杆组图211二自由度结枸分析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、复合狡链的辨认、虚约 朿的作用、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。底板方而选择铝合金，设汁底板中间镂空，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

34、件，学习划分杆组知识。第三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而连杆的典型机构，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， 把握机构的死点位宜，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

35、动，用线杠螺母副驱动升降 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平面四杆机构平而四杆机构的基本形式是较链四杆机构。在平而四杆机构中，所有的运动副全部是转 动副。如图3. 1所示，平而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:正文3. 3.1平面四杆机构曲柄存在条件机械原理教材中泄义平而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 三种形式的绞链四杆机构：（1）以最

36、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：E 3. 2四杆机构三维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而内, 四杆的长度如表3.1所示:11正文表3. 1设计各杆长度杆件机架联架杆1联架杆2连杆长度（mm）40-15030-100100120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，设汁连架杆1中间铳一个槽，通过螺母把连杆的一端钱接在连架杆上，连架杆和机架的 固泄方式也是如此。由

37、于我们的杆长变量有两个，所以设计时我们需要固泄三个杆长，然后 通过变化可变杆的杆长，确泄存在曲柄摇杆、双曲柄、双摇杆的条件。如图3. 3所示，若已知AD为机架,lBC =120mm, lCD = 100mm , /加=70加，探究机 构为双曲柄、双摇杆、曲柄摇杆时/肋的杆长条件：（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：+ *C 'cD + I AD因此有：I xli < lcl） +1AD lHC = 100 + 70-120 = 50mm即：Gmax = 50"（2）若为双曲柄机构，则在满足杆长条件下,AD杆必须为

38、最短杆，而AB杆范围是30-lOOmm, 所以我们最长杆确定为BC杆，由杆长条件可知：LD + G + G则有：IAl > lBC +1 w - lCD = 120 + 70 -100 = 90 mm因此：Lmax = 90 呦当/肋在上述取值范围之外，即50nun<lAB<mm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，族= 120"”，心=1°°""，厶8 = 70劝，探究机构为双曲柄,

39、 双摇杆，曲柄摇杆时/加的杆长条件：（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, 而最长杆不能确迄，由杆长条件：若/肚为最长杆：g +BC ' AD +CDI w > 90 mm若为最长杆:I AB + AD Sc + I CDGd<150综上所述：lAD的取值范围是：90mm < lAD <150 nun（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：IBC + AD AB + GlAD < 50Dmax =血加当/g在上述取值范用之外，即50"90奶，此机构为双摇杆机构

40、，此机构为曲柄摇杆.双曲柄、双摇杆的杆长条件如表33所示：表3. 3杆长范围四杆机构曲柄摇杆双曲柄双摇杆lAD (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，可以实现较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钱链四杆机构的杆长范闱。表3. 4杆长范围30 < / 炳 < 100心=120lCD = 10040 </AD <140厶。（

41、曲）曲柄摇杆（G）双曲柄（厶B）双摇杆（厶B）4060-10030-60503070-10030-706030-1080-10040-80正文已知机架/加求联架杆/朋7030-5090-10050-908030-6010060-1009030-7070-10010030-8080-10011030-9090-10012030-100已知机架,求联架杆/肋人（""）曲柄摇杆a初）双曲柄（W）双摇杆（/.初）3050-15040-50：060-15040-605070-15040-706080-1501040-807090-15040-5050-9080100-14040-60

42、60-100140-15090110-13040-7070-1001308080-1503. 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

43、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，主要的侧重点泄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。IsmlEl03.4剪叉式升降平台底座三维團3. 4.1曲柄存在条件讨论我设汁的机构相关数据为:表3. 5曲柄滑块设计尺寸曲柄滑块机构曲柄连杆偏心距l(mm)1095-1560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

44、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垃时，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。E 3- 5曲柄滑块机构死点位置图极近位宜ABC : b-a>e； 极远位置ABC : b + a>e i所以，曲柄滑块机构当曲柄存在时的条件为：b>a + e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世又是实验装置，主要以学生动手实验为主，实验部分主要有： 较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

45、而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。第四章 教具平台设计计算及关键部分设计平而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。平而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。为了减轻重虽，方便制造，选择火车轮机构的主要材料为亚克力板，其密度

46、为：Q = l2g/c”F,为了让教具更宜观观看，设计的圆盘直径为：d =85/wh ,厚度： /?! =5nun ,稳定匀速转动时转速为：60/7min °图4.1火车轮圆盘三维图根据英密度，算出一个火车轮圆盘质咼为：= /7Vm = /? n R2h = 034Kg火车轮圆盘设讣启动时间为is,启动转矩为：转动惯疑：J=±卜叫才20.34x0.425=3.073x10-2ttxDxhrv. = 0.2669/7?/ s1R = 0.425/nvcox = = 6.28mt/5R0a =/所以，a = 6.2Srad/s2所以火车轮圆盘的启动转矩为：了 =人 x a】=1

47、.93 x 10"' N m火车轮圆盘的摩擦转矩为：人为摩擦力矩，凡为圆盘的旋转半径。F'2=fxn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,初泄传动轴的直 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：7.S5g/cm 将上诉参数代入公式得：F2 =(034 = zrx008'x40xQ)xxgx fF2 = 0.0708 N7；=只 xE =000309N加厶所以一个火车轮圆盘的总转矩为：Tk=T+T2 = .96xNm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

48、 一个圆盘转矩的两倍，即火车轮圆盘总转矩为：以总=3.9x10Nm。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60r/min 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：m2=pR2/i = 0A2Kg ,半径人= 0.025也0 12 x 0 0252 =3.75x10-启动转矩为：J*2ttxDxh= 0.157 mls1因为启动时间也为IsLCO V t/ cc 八= / = 6.2

49、Srad / s-/ R所以启动转矩T3 = J2a2 = 2.335 x KT4N m。二自由度圆盘的摩擦力矩T4= F4xR2, F4= fxn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，H 摩擦系数为0. OOlo耳为圆盘和轴重力之和耳=/N = (02 + ;rx0.0082x40xQ)xgx/=0.002744 NT4=F4xR2 = 0.02744 x 0.025 = 6.86xl(T'N加T-. =7；+7；=3.O21xlO-42V/n4.1.3大电机的选择计算通过il算可以看出，平而机构并无大负载，所以在电机的选择上放弃传统意义上的的大

50、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3.021X107N"。所以平面机构所需总的工作转矩为：%. = 27 +2T -=4.5x103/V- m根据公式：7 = 9550-计算n化=2.827 x IO-w査表可知，总效率为：总=% X 加咏 X"联轴器=0.98X0.992 x 0.97 = 0.90正文电动机所需功率为:P =A = 2827xig_ = o.O314w'

51、;%°9综合计算所得，因为转矩为T; =4.5xl03N /n,设计要求转速为60/7min,因为所需功 率较小，在选择电机时未找到功率特别柑符的电机型号，所以通过咨询，选择了正科直流电 机 ZFA37RG40iDC 24v,如图 4. 21DIRECTION OF RORATION持水耘册 1.chicMl Data电 ITVoLtB«»CVDC)12/12Y12V12VW2<V24V24V24V24V马这昱昙八“】!T(J込SOGSOG3SG50G&X；SOGSGB违比 fU-iucUx1/2UT1/242i/ia31/104X/3Q 5i/e&

52、#187;1/2421/180l/：041/40齿纶活扶底Lancth <*>29.529.5国52B 524 S» 529. S29 S26. S 20 S203050100520soSO120訪定话咗S”“ <Kj«>3 5M2135703 514213584兼室力X5< K<T 1815)<8 84.5151510 56.33 95尊非中，充 »»<<! Cwr< Mp>0 161 11 1I 11.1O 250.3B0 36O 36 O 36图43大电机参数图4.2大电机外形图通过

53、查询电机参数。选择马达型号50G。参数如下:大电机的额左功率为10W,大于电动机所需功率，可行。正文2确左传动装置总传动比，讣算和分配：几预设计为60r/min, ©为选上的电动机满载转速84r/min,所以，可计算出传动装置总传动比为nu 84 仁：= 1.4 总%60取=1.4, z2 =lo转速的计算：各轴转速：z/j = = 60r/min Ag = "=60/7 nin g各轴输入功率：<=0.0314 wP、= 0.0314 x 0.98 = 0.030772 wg = R x z = 0.0284 w转矩T：% = 0.0045 N加I 轴：T=Tox x A = 0.006174 N mI【轴：T2=Txtj2xi2 = 0.005694 N-m4.1.4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40呗厚度为5mm,圆盘转速同二自由度圆盘相同，为60" min。 相同的。圆盘质量:加3=。兀已= 0096色 半径/?3= 0.02mj _ 也J3 = Q09