汽车风窗刮水器机构设计

..机电工程系课程设计说明书专业：机械电子工程课程：机械原理课程设计XX：廖聪学号：2015143227班级：15级机械电子工程2班时间：2017.06.26～2017.06.30..目录设计任务书1第一章机械方案的设计与选择11.1功能要求11.2机械方案的设计与选择1第二章机构构造设计12.1原始数据12.2图解法设计机构12.3解析法设计机构1第三章机械系统运动简图绘制13.1选定比例尺13.2运动简图绘制1第四章解析法运动分析14.1建立机构位置方程14.2位置方程求解〔消元法〕14.3位置方程求解〔几何法〕14.4建立速度方程并求解124.5建立加速度方程并求解14.6运动分析程序13第五章图解法运动分析15.1选取分析位置15.2分析位置机构运动简图绘制15.3速度分析145.4加速度分析15第六章计算机编程166.1交互界面设计166.2数据输入有效性检验176.3主程序设计176.4完毕退出程序设计20总结1..设计任务书一、设计任务汽车风窗刮水器机构二、课程设计的目的1、进一步稳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QUOTE；〔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QUOTE120r/min60mm120°225r/min60mm120°330r/min60mm120°430r/min65mm120°本设计小组为第3组数据。四、任务图示图1汽车风窗刮水器机构五、要求〔1〕针对题目查阅、收集和研究与设计容相关的参考文献与资料，在功能分析的根底上，拟定出至少两种机械系统运动方案；进展分析比照、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构造参数确实定。〔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〕进展运动分析，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展运动分析，并将结果与解析法比拟。〔5〕编写设计计算说明书。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QUOTE；〔3〕刮水器左右平均速度相等，无急回特性；刮水器的启动与停顿由控制系统控制，不在本课程设计围。1.2机械方案的设计与选择1、方案1：图2方案1构造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。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QUOTE处，图中最高点本方案第一机构为对心曲柄滑块机构，偏心距，QUOTE，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〕构造分析方案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，增加润滑系统那么会显著增加开发和使用本钱。如果移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、方案2图4方案2构造草图方案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QUOTE，那么机构无急回特性。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，构造简单，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，传动机构构造紧凑。3、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。计算及说明结果第二章机构构造设计2.1原始数据原始数据：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QUOTE在QUOTE的延长线上选取一点A作为曲柄固定铰链中心，设QUOTE，那么根据"机械原理"公式5-11由图示可知：所以2.3解析法设计机构图6解析法设计机构QUOTE中，QUOTE中，将QUOTE带入上式得由于方程有无穷多解，含两个未知数，可假定一个QUOTE，再求解QUOTE。为了与图解法比拟设计结果，设QUOTE的长度为图解法的求解结果：根据公式求解那么根据图5，求出第三章机械系统运动简图绘制3.1选定比例尺本方案选取QUOTE3.2运动简图绘制〔1〕建立坐标系QUOTE，以下按比例尺作图〔2〕根据QUOTE，在QUOTE轴正方向确定D点铰链中心〔3〕根据QUOTE，在QUOTE轴正方向确定A点铰链中心〔4〕根据QUOTE，以A点为圆心，AB为半径画圆，与QUOTE轴交点分别为QUOTE和QUOTE。〔5〕根据QUOTE，以D点分别作与QUOTE轴成60°的斜线，交QUOTE轴分别为QUOTE和QUOTE。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𝐴，𝑥轴沿机架𝐴𝐷方向，建立如图直角坐标系QUOTE。〔2〕建立封闭矢量环如图〔3〕建立矢量投影位置方程给定QUOTE，那么变量为QUOTE和QUOTE4.2位置方程求解〔消元法〕上式方程可变为上式两边平方相加消去QUOTE设；QUOTE那么方程为：将带入上式，解出同理解得QUOTE表达式中负号代表下列图所示位置，由于四杆机构为平面四杆机构，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4.3位置方程求解〔几何法〕图12位置方程的几何法求解因为所以三角形BCD中，可求出QUOTE因为所以显然，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：变换后得：两式相加消去QUOTE同理可得用矩阵形式表示，那么为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〔QUOTE〕：采用消去法可求出QUOTE和QUOTE。用矩阵形式表示，那么为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。选取QUOTE作为分析位置，得出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展图解法运动分析，并与解析法的结果进展比拟。我们选取QUOTE作为分析位置。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QUOTE〔2〕根据QUOTE确定AD铰链中心〔3〕根据QUOTE和QUOTE确定铰链B的位置〔4〕以B为圆心，以QUOTE为半径画圆弧，以D为圆心，以QUOTE为半径画圆弧，两圆弧的交点为铰链C的位置5.3速度分析矢量方程：QUOTE图14图解法速度分析选择一点QUOTE为极点，根据速度比例尺作矢量QUOTE代表QUOTE〔QUOTE〕；过QUOTE作垂直于BC的射线；过QUOTE作垂直于CD的射线；两射线交于QUOTE。QUOTE代表C点绝对速度值；代表C点相对于B点的速度值。计算QUOTE和QUOTE与解析法结果相比拟，可以看出，求得的结果与解析法根本一致，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QUOTE大小QUOTE？QUOTEQUOTE"方向∥DC⊥DC∥AB∥BC⊥BC图15图解法加速度分析〔1〕选择一极点QUOTE，根据加速度比例尺作矢量QUOTE代表QUOTE〔QUOTE〕,方向为平行于AB；〔2〕以QUOTE开场作QUOTE矢量，大小为QUOTE，方向平行于BC；〔3〕以QUOTE开场作一射线，方向垂直于BC；〔4〕以QUOTE开场作矢量QUOTE代表QUOTE〔QUOTE〕,方向为平行于CD；〔5〕以QUOTE开场作一射线，方向垂直于CD；〔6〕两射线交点为QUOTE；与解析法结果相比拟，可以看出，求得的结果与解析法根本一致，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软件界面设计左侧为参数输入系列控件，参数监控用于输入QUOTE的角度值，并观察对应QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE的结果。右侧为QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE曲线观察axes控件。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，那么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'))ifisnan(user_entry)errordlg('请输入数值','你输入错误...')end6.3主程序设计主程序在"开场计算〞按钮的回调函数中编写，将QUOTE按照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;globalomega1l1l2l3l4;%获取控件数据l1=str2double(get(handles.L1VALUE,'String'));l2=str2double(get(handles.L2VALUE,'String'));l3=str2double(get(handles.L3VALUE,'String'));l4=str2double(get(handles.L4VALUE,'String'));%下面为选择QUOTEpopup_sel_index=get(handles.W1VALUE,'Value');switchpopup_sel_indexcase1omega1=20;case2omega1=25;case3omega1=30;case4omega1=35;case5omega1=40;case6omega1=45;end%计算铰链四杆机构位移，角速度，角加速度forn1=1:361phi1(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));ifsita2<0sita2=sita2*pi;endphi3(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))];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',roundn(alpha3(91)*2*pi/3600,-4))guidata(hObject,handles);%关键数据观察6.4完毕退出程序设计在回调函数中，输入以下代码：selection=questdlg(['Close'get(handles.figure1,'Na