機械原理課程設計-指南車

時間：2023-05-01 03:39:29 資料我要投稿

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機械原理課程設計-指南車

機械原理課程設計指南車的設計研究

學院：機械工程學院指導教師：

目錄 ................................................................................................. 1 第一章研究背景 ............................................................................ 2 第二章基本原理 ............................................................................ 3 第三章機構設計 ............................................................................ 3 1、機構原理 .............................................................................. 3 2、機構設計 .............................................................................. 4 3、設計方案 .............................................................................. 5 第四章仿真分析 ............................................................................ 7 1、實體建模 .............................................................................. 7 2、仿真結果 .............................................................................. 8 第五章總結 .................................................................................. 10 附電子檔清單 .............................................................................. 12

第一章研究背景

指南車，又稱司南車，是中國古代用來指示方向的一種機械裝置。它利用差速齒輪原理，它與指南針利用地磁效應不同，它是利用齒輪傳動系統(tǒng)，根據(jù)車輪的轉動，由車上木人指示方向。不論車子轉向何方，木人的手始終指向南方，“車雖回運而手常指南”。

指南車是古代一種指示方向的車輛，也作為帝王的儀仗車輛。指南車起源很指南車復原模型早，歷代曾幾度重制，但均未留下資料。直至宋代才有完整的資料。它利用齒輪傳動系統(tǒng)和離合裝置來指示方向。在特定條件下，車子轉向時木人手臂仍指南。指南車的自動離合裝置顯示了古代機械技

術的卓越成就。但是，正如永動機不可能成功，機械式指南車也有它解不開的死穴。因為所有機械指南車，都是以兩輪之間的“差動”來工作的，它希望兩輪與地面作純滾動，這是一種理想的數(shù)學模式，在實際中從來不曾有過。我們知道車輪尺寸會有制造誤差，也會有磨損不均，還會有地面的坑坑洼洼。若將試驗條件相對放寬，機械式指南車必定會與預期有較大的差異，被歷史淘汰也是不可避免的。

本次研究的主題是指南車的機構設計，本小組對指南車的核心機構——加法機構進行分析設計，并通過CAD/CAE/CAM集成軟件Solidworks對機構進行進行實體建模與運動分析。

第二章基本原理

車箱內(nèi)部設置有一套可自動離合的齒輪傳動機構。當車子行進中偏離正南方向，向東(左)轉彎時，東轅前端向左移動，而后端向右(向西)移動，即將右側傳動齒輪放落，使車

輪的轉動能帶動木人下方的大齒輪向右轉動，恰好抵消車輛向左轉彎的影響，使木人手臂仍指南方。當車子向西(右)轉彎時，則左側的傳動齒輪放落，使大齒輪向左轉動，以抵消車子右轉的影響。而車子向正前方行進時，車輪與齒輪系是分離的，因此木人手臂所指的方向不受車輪轉動的影響。如此，不管車子的運動方向是東西南北，或不斷變化，車上木人的手臂總是指向南方，起著指引方向的作用。

第三章機構設計

1、機構原理

指南車使用了差動齒輪裝置，或者稱加法機構, 或者稱差速器。其原理是當車輛直線行駛時左右兩車輪轉動角速度相等。差動機構沒有輸出。車輛轉彎時兩側車輪角速度不相等，這時差動機構輸出這個差值。驅動指示機構。

類似的裝置應用在現(xiàn)代汽車的差速器和工業(yè)上加工齒輪的專用設備插齒機以及滾齒機中。

2、機構設計

根據(jù)指南車的運動特性，在自由度為一的定軸輪系設計中，由于直線前進時，自動離合裝置不會與左右兩輪相結合，故輸出桿件不會產(chǎn)生旋轉運動而能固定指向；但在左右旋轉時，則必須固定某一輪使其轉速為零，并以該輪與地面的接觸點為圓心，由另一輪的旋轉使車身轉彎；在轉彎時，自動離合裝置啟動，將車輪旋轉運動傳遞至輸出桿件，產(chǎn)生與車身相等的角速度旋轉但方向相反的運動，使輸出桿件保持固定指向。而在自由度為二的差動輪系設計中，整體機構的輸入即為左右兩輪的旋轉角速度，用以控制輸出件的運動狀態(tài)。在直線前進時，左右兩輪保持相同轉速，此時車身并不旋轉，同樣地輸出件此時角速度也會因為左右兩輪的等角速度運動而相互抵銷轉速為零，但在左右旋轉時，車身會因為左右兩輪的速度差而產(chǎn)生旋轉運動，而輸出桿件則由內(nèi)部傳動造成輸出桿件作與相等的角速度旋轉但方向相反的運動，使輸出桿件保持固定指向。

因此，在車輪與車身的運動分析上，定軸輪系指南車便成為差動輪系指南車的一個特例。而輸出桿的運動，則會因內(nèi)部傳動機構設計而不同。據(jù)此，首先須推導出，左右兩輪的角速度所造成車身旋轉的角速度之間的數(shù)學關系。假設左右兩輪的角速度分別為 ωL 與 ω

R ，車身旋轉的角速度為 ω ，車輪的半徑為 R ，兩車輪中心距為 L ，則依照圖 4-1 所示，車在向右轉彎時，左右兩輪以點 O 為圓心作順時針旋轉運動， r1 與 r2 分別表示左右兩輪與圓心 O 的距離(旋轉半徑)， S1 與 S 2 則表示左右兩輪所行走的距離，則所有參數(shù)之間的數(shù)學關系推導如下：

根據(jù)兩輪行進距離可得：

綜上可得：

3、設計方案

基于差動輪系，設計一套加法機構。當車輛直線行駛時左右兩車輪

轉動角速度相等，差動機構沒有輸出。車輛轉彎時兩側車輪角速度不相等，這時差動機構輸出這個差值。通過加法機構，將兩輪輸入的角度差值轉化為指向盤的轉動角度，從而實現(xiàn)指向盤所指方向不變的工作特性，即起到“指南”的作用。

本組的設計方案如圖所示（附件包含該圖的AutoCAD圖紙以及Solidworks的仿真分析模型）。圖示為指南車的后輪，差動輪系將左右兩個后輪的輸入轉化為指南盤轉角的輸出。輪系中的齒輪參數(shù)如下表格所示：

車輪參數(shù)：

左右輪直徑：Φ400mm 軸距：400mm

通過以上參數(shù)可得ω=0.5(ωL-ωR)，本設計滿足件，故能夠實現(xiàn)“指南”的功能。

的條

第四章仿真分析

1、實體建模

這里選用于SolidWorks的環(huán)境下進行指南車實體模型的建立。SolidWorks是一個架構在窗口操作系統(tǒng)下的3D實體繪圖設計工具，讓使用者擁有直覺式的設計空間。

傳動機構的三維模型如圖所示。齒輪大小不相同時, 其厚度也不相同, 建模時是完全根據(jù)實際尺寸進行造型的。

而整體的機構仿真圖二如下：

圖二 2、仿真結果

為了驗證結構的合理性,使用仿真技術對機構進行了運動仿真分析。以下給出仿真結果曲線。圖三中曲線是指向盤的相對于車身的轉動角速度曲線w12??30,圖四中曲線是右輪的轉動角速度wL?600，圖五中曲線是左輪的轉動角速度wR?660。

圖三：指向盤相對于車身角速度

圖四：右輪轉動角速度

圖五：左輪轉動角速度

圖六：指向盤相對于地面角速度我們設計時RR?0.5,車身相對于對面的角速度w??(wL?wR)?30LL

這與指向盤相對車子的角速度w12??30大小相等方向相反,所以指向盤相對地面的角速度始終為0，如圖六所示, 實現(xiàn)了始終指南的功能。

仿真動畫更清楚地顯示了小車沿任意路徑前進,指向盤的朝向始終不變的結果。

第五章總結

本次課程設計，小組成員運用《機械原理》課程所學習的輪系相關知識，并查閱有關文獻，設計出適用于指南車工作的差動輪系，并通過Solidworks對指南車外觀及核心機構進行實體建模，使用Solidworks Simulation模塊對模型進行運動分析，驗證了小組機構設計的正確性。

在設計過程中，小組成員通過查閱大量有關資料，并與老師同學交流經(jīng)驗和自學，使我們學到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲巨大。在整個設計中我們懂得了許多東西，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設計做的可能不夠完善，但是在設計過程中所學到的東西是這次課程設計的最大收獲和財富，使我們終身受益。

課程設計這兩周非常充實，讓我們學到了很多東西。非常感謝老師的熱心教導，與這次課程設計難得可貴的學習機會！

附電子檔清單

1、課題研究報告；

2、輪系設計圖紙；

3、指南車運動仿真視頻；

4、指南車虛擬樣機（Solidworks 2013裝配體格式）；

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