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1、大连理工大学机 械 原 理课程设计说明书设计题目：划船器所属学院：机械工程学院专业班级：机制1101学生姓名：姚舜铭 付俊帆指导教师：高媛 王红玲2013年 11月目录一.概述3二.设计机构发展史综述3三.实际工程与生活中应用43.1 现场图片43.2 机构简图及自由度计算43.3 机构方案特点5四.相关机构专利检索54.1 专利检索简述54.2 典型专利分析64.3 专利方案评价7五.机构再生运动链设计85.1 主运动的原形机构85.2 划船器运动链的一般化95.3 主运动链数综合95.4 主运动链特定化95.5 主运动链具体化115.6 机构方案确定125.7 死点的克服12六.机构设计1
2、36.1 设计原则及原理136.2 设定参数求解146.3 整体设计尺寸综述15七.机构运动分析及仿真177.1 Inventor运动仿真177.2 ADAMS运动分析18八.搭接设计机构物理模型20九.设计小结219.1 设计综述219.2 课程设计感悟21十.参考资料22十一.项目分工23十二.附录24一. 概述“流水不腐，户枢不蠹”从古至今，人们都会强调身体健康的重要性，运动从来也是人们生活中重要的组成部分。在当下，市场上有着数以百计的各种健身器材，每年都会有新型的健身推向市场。因此，需要有新型的健身器材的创新以满足人们日益增长的需求。目前的健身器材多为单人使用，这样的健身过程较为枯燥乏
3、味，因此可以考虑设计出一种可以供双人或者多人同时使用的健身器材。该器材在健身的同时，可以使多名使用者之间能够有相互的交流，使健身过程变得更为有吸引力和愉快。本次机械原理课程设计中，我们选取划船器进行设计，将原先的单人的划船器设计为双人的划船器，这样的双人划船器节约了器材安装的占地面积，对于节约室内面积有一定意义。在划船器设计中，新机构的设计应当是建立在单人划船器的基础上改进，既能满足单人健身的需求又能满足双人健身的需要，划船器上的座位的倾斜也应当控制在合理范围内以保证安全。二. 设计机构发展史综述划船运动中，每一个屈伸的划臂动作，都能使约90%的伸肌得到锻炼，同时对锻炼背部肌肉也有明显效果，能
4、让脊背在体前屈和体后伸当中有更大的活动范围，使脊柱的各个关节得到锻炼。这不但能提高肌肉的弹性，也能增强其韧性。因此，模拟划船运动的划船器就应运而生了。划船器又称测功仪，在19世纪中叶，早期的划船器便已经出现。1872年，美国人WB Curtis申请了一种液压阻尼的划船器装置。使用线性气动阻力的划船器出现在1900年前后，其中一种名为纳拉甘西特划船器最为流行。但是至此时为止的划船器对实际划船动作并没有模仿得非常相似。现代健身器材中所见的划船器多为非阻尼的自重式的运动式设计，这种设计舍弃了测量功率的功能，主要是面向普通的健身者。这种设计使用的是连杆机构，手柄的运动并非标准的划船动作，而是模拟该动作
5、，因此这种设计被称为“划船模拟器”。三. 实际工程与生活中应用 3.1 现场图片图1 单人划船器图2双人划船器3.2 机构简图及自由度计算图3 单人划船器机构简图单人划船器自由度计算：F=3n-2PL-PH=35-27-0=1图4双人划船器机构简图双人划船器自由度计算：F=3n-2PL-PH=37-210-0=13.3 机构方案特点单人划船器结构紧凑，机构整体刚度好，荷载的分担比较合理。但是原动件直接与座位铰接，因此扶手与座位的相对运动轨迹为一段圆弧，并且在做出推出以及拉回动作时，两种本应不同的运动却是完全相同的运动轨迹，这一点上与实际划船运动有一定差距。双人划船器是在上述单人划船器的基础上创
6、新设计而成的，实现了双人同时使用的目的，并且继承了其结构紧凑，机构整体刚度好，荷载的分担合理的有点。但是，该双人划船器的原动件与座位也是直接铰接，因此也继承了其扶手与座位的相对运动轨迹不够理想的缺点。四. 相关机构专利检索本节将通过检索划船器相关专利，获得现有相关划船器设计的机械机构，后续将通过再生运动链设计法寻找双人划船器的机构方案。4.1 专利检索简述申请号名称申请日公开号所属类别2012301600160划船器20120509302176574S外观设计2010301903573划船器20100603301394891S外观设计201330069222具有椭圆轨迹的划船器健身机20130
7、318302620071S外观设计95200510划船器199501092244946实用新型201120421947一种双人划船器20111031202355767U实用新型201110336114一种划船器20111031103083858A实用新型表4.1 划船器典型专利4.2 典型专利分析机构类型专利号结构示意图机构简图说明四杆机构20123016001601-机架，2-摇杆、扶手，3-连杆，4-摇杆四杆机构20103019035731-机架，2-摇杆，3-液压缸，4-扶手六杆机构2013300692221-机架，2-曲柄，3-座椅，4-摇杆，5-连杆，6-扶手六杆机构95200510
8、1-机架，2-踏板，3-连杆，4-连杆，5-连杆，6-座椅八杆机构2011204219471-机架，2-曲柄，3-座椅，4-曲柄，5-扶手，6-曲柄，7-扶手，8-曲柄六杆机构2011103361141-机架，2-摇杆，3-座椅，4-原动件，5-曲柄，6-摇杆表4.2 典型专利分析4.3 专利方案评价1.划船器专利申请号：2012301600160方案评价：该机构为四杆机构，设计简单，摇杆与扶手的固接，在转动扶手时，可以实现连杆3上的座椅与扶手的相对位移，从而模拟了划船运动。该设计由于机架上只设置了两个铰接处，因此承重有限，因此只能针对单人设计。2. 一种简易划船器专利申请号：20103019
9、03573方案评价：该机构为四杆机构。该设计将座椅与机架固定在一起，而使扶手运动，从而实现座椅与扶手之间的相对运动。由于设计中使用了气压缸为阻尼器，所以较为符合划船时的力的状态，但是运动轨迹的模拟并不令人满意。3. 具有椭圆轨迹的划船器健身机专利申请号：201330069222方案评价：该机构为六杆机构。从实物图以及机构简图中可以看出，本方案为所检索方案中最贴近划船运动的一个方案，很好地将划船时扶手与座椅之间的运动关系模拟了出来，并且用脚蹬的办法解决了曲柄死点的问题，三个机架铰接点也使该机构能够承受较大的承重。4.划船器申请专利号：95200510方案评价：该机构为六杆机构。该设计中将扶手与机
10、架固接，使座椅与踏板运动，在对扶手与座椅相对运动模拟之外，还加入了踏板与扶手的相对运动模拟，进一步完善了对于划船运动的模仿。但是该机构占地面积较大，作为单人运动器材还应进一步紧凑结构。5. 一种双人划船器专利申请号：201120421947方案评价：该机构为八杆机构，但是也可以将1,2,3,4视为一个四杆机构，扶手7（5）可以调节座椅3上的铰接点D（C）的高度，从而使这个四杆机构运动起来。该方案可以实现划船器的双人使用，同时也可以满足一个人时能够使用。双人使用该划船器时要求两个人的运动相互配合，实现了其趣味性。6. 一种划船器专利申请号：201110336114方案评价：该设计为现在市场上所销
11、售的绝大多数的划船器的设计方案。该方案为六杆机构，结构简单合理，各个支点承重均匀。原动件与座椅之间的相对运动轨迹为圆弧，与实际划船的运动轨迹仍有差距。五. 机构再生运动链设计图5 划船器机构简图上节专利简介中的第五个专利为唯一已知的能实现椭圆轨迹的划船器。由该专利的机构简图可知，该机构为六杆七副机构。但是该双人划船器结构对称，构件6为扶手，构件4、5为一个二杆三副的机杆组，构件2、3为一个二杆三副的机杆组，其中构件2为曲柄，这是能使该划船器成为能够实现椭圆轨迹的划船器的关键。5.1 主运动的原形机构以上节专利简介中的第三个专利为原形机构，归纳其拓扑构造特性如下：1.其主运动机构为单自由度机构。
12、2.该机构为六杆七副平面机构。3.该机构中，有一个机架（构件1）、三个连杆（构件2、构件3、构件5）、一个摇杆（构件4）、一个原动件（构件6）4.运动副全部为转动副5.2 划船器运动链的一般化图6具有椭圆轨迹的划船器健身机及其机构简图将原形机构抽象为图论图形，消除尺度影响，可表示为一般化的运动链，如下图所示，该运动链为瓦特运动链：图7 瓦特运动链5.3 主运动链数综合由于该划船器的原形机构是六杆机构，可以直接得到两种一般化运动链型，即瓦特运动链和斯蒂芬孙运动链。5.4 主运动链特定化对于划船器，运动链特定化时需要符合的设计要求与约束条件如下：1）必须有一个构件作为机架，为增强机构整体刚度，采用
13、三副构件作为机架。2）由于座位需要保证平稳安全，不能有剧烈的角度摆动因此座位不能是连架杆。3）原动件应尽可能选择连架杆，以避免其运动过于复杂。4）原动件不宜与座位相连，否则扶手与座位之间的相对运动曲线为一端圆弧，不能较好模拟实际的划船运动。5）机架、原动件和座位不可以在同一个子运动链中，以避免形成四杆机构。根据上述划船器的设计要求与约束条件，对其运动链进行特定化。1、机架将一个三副构件作为床身。对于瓦特运动链和斯蒂芬孙运动链，由于两者都具有对称性，分配机架的结果各有一个。如下图所示： 图8 a）A1型 b）B1型2、座位为了保证座位的倾斜角度不会太大而影响安全性，因而座位不能为连架杆。由于A1
14、型对具有的对称性，符合要求的设计结果只有一种。而对于B1型，由于其对称性，符合要求的设计结果有两种。图9 a）A11型 b）B11型 c）B12型3、原动件为了设计方便，原动件可以尽可能选择为连架杆，这样所得到的扶手的运动轨迹会相对简单许多。选择原动件的同时，还应该同时避免机架、座位和原动件在一个子运动链内。根据上述要求，A11型、B11型和B12型运动链中各有一种原动件选择方案，如下图所示。 图10 a）A111型 b）B111型 c）B121型5.5 主运动链具体化对划船器主运动机构进行了运动链特定化之后，得到了三种可行的运动链方案。对此三种运动链方案进行运动链具体化，得到如下三种划船器主
15、运动机构方案。图11 a）A111型图12 b）B111型图13 c）B121型5.6 机构方案确定在上述三种机构简图的方案中，A111型的机构较为紧凑，占地面积小，但是整个方案仅仅是将原动件摆动角度放大，并没有真正改变座位与原动件的运动关系，并且承重多落在左右两个铰链上，中间的铰链分担荷载的能力有限。B111型的布局合理，承重均匀，整体刚度较好，结构较为紧凑，占地面积小，是一个比较理想的方案，但同样在模拟划船运动时没有将推进与拉回的区别表现出来。B121型的布局不如B111型结构承重均匀，但连架杆可以作为曲柄从而使得推进与拉回时，座位与扶手的相对位置有所不同，从而达到更好模拟真实划船运动的效
16、果，且在第四节专利检索中并未发现类似的设计。综合以上各个方面考虑，选择以B121型作为目标方案。5.7 死点的克服由于原动件为摇杆，曲柄为从动件，当曲柄与三副杆出于共线位置时，会出现两个死点，如下图所示，因此应设计方案解决死点的问题。图14 远死点 图15 近死点解决死点的通常方法有设置飞轮和外力作用两种方法，由于划船器在实际使用中为低速状态，因而设置飞轮不适用与划船器上。外力作用克服死点的方法可以采用弹簧力的方法，利用弹簧长度不同产生的力的方向不同的的特点来克服死点问题。如下图安装弹簧位置，并弹簧原长l满足lminl0lmax。图16 弹簧安装示意图当划船器处于图17所示近死点位置时，由于l
17、l0，此时弹簧处于压缩状态，构件4受到一个向上的力，使其顺时针通过死点位置。图17 近死点位置时弹簧作用示意图当划船器处于图18所示远死点位置时，由于ll0，此时弹簧处于拉伸状态，构件4受到一个向下的力，使其顺时针通过死点位置。图18 远死点位置时弹簧作用示意图六. 机构设计6.1 设计原则及原理在设计中我们发现，要实现推出与拉回动作的区别，最好的方式是实现扶手与座位间的椭圆运动，因此在所选方案六杆机构中我们以座位与三副杆与座位铰接点作为给定运动轨迹的点来进行设计。给定运动轨迹求构件尺寸应按轨迹综合方法来进行分析，为了简化求解过程，我们将已知参数设定完毕以后再选取轨迹点进行求解。6.2 设定参
18、数求解选取轨迹为近似椭圆上的四点A0、B0、C0、D0，实现座位的椭圆运动；原动件杆长设计为300mm，三副杆长1000mm，求符合要求的固定铰链点。如图所示，以原动件与机架铰接点为原点建立直角坐标系，已知A、B、C、D与A0、B0、C0、D0坐标，求解R、XC、YC。图19 解析法进行机构设计由已知列出方程：直线方程：(Y1-573.4)/(X1-869.3) = 0.229(Y2-236.3)/(X2-971.7) = 0.055(Y3-115.3)/(X3-879.2) = -0.167(Y4-336.5)/(X4-1033.7) = 0.039固定铰链圆心点与圆点方程：(X1-XC)2
19、 + (Y1-YC)2=R2(X2-XC)2 + (Y2-YC)2=R2(X3-XC)2 + (Y3-YC)2=R2(X4-XC)2 + (Y4-YC)2=R2杆件上圆点所在位置固定，列出连等式：(Y1-573.4)2+(X1-869.3)2=(Y2-236.3)2+(X2-971.7)2=(Y3-115.3)2+(X3-879.2)2 =(Y4-336.5)2+(X4-1033.7)2综合以上方程，运用matlab求解方程组：图20 运用matlab进行求解R = 150mm;XC = 220mm;YC = 860mm6.3 整体设计尺寸综述求得固定铰链点位置之后，座位的杆长以及左摆杆的杆长
20、按照尽量减少座位上下波动范围，并符合人体尺寸来设计，分别取1500mm以及360mm，座位安装在距三副杆铰接点500mm的位置上。整体设计尺寸如下图所示：图21 整体设计尺寸图七. 机构运动分析及仿真7.1 Inventor运动仿真图22 Inventor建模过程图23 Inventor 模型渲染图仿真动画：运动仿真及运动分析动画inventor实物模型动画.wmv(Ctrl+点击可观看)拆卸动画：运动仿真及运动分析动画inventor拆卸动画.wmv(Ctrl+点击可观看)7.2 ADAMS运动分析1、建模过程：图24 ADAMS建模过程图25 ADAMS动画制作过程Adams动画：运动仿真
21、及运动分析动画ADAMS运动分析模型动画.avi(Ctrl+点击可观看)2、运动线图分析图26 座位Y方向位移变化曲线图根据座位Y方向位移曲线图可知，座位的上下浮动约为320mm，幅度较小，对于人体感觉不会造成太大影响。图27 座位综合运动速度曲线图根据座位的综合运动速度曲线图可知，座位在扶手推出动作时速度最大，且变化幅度大，在拉回动作时平均速度小且速度变化小，符合划船运动中推出动作使划艇加速前进，拉回动作使划艇匀速前进的模拟。图28 扶手综合运动速度曲线图根据扶手的综合速度曲线图可知，扶手在推进时的速度比在拉回是的速度要快，且推进时速度峰值靠前，拉回时速度峰值靠后，符合人体拉伸运动规律。八.
22、 搭接设计机构物理模型图29 实验室搭接模型九. 设计小结9.1 设计综述本次课程设计所设计的划船器，基本达到了我们所预想达到的功能，在划船器运动模拟方面，我们对传统划船器推出与拉回动作进行了区分，从而达到了模拟划船运动的目的。9.2 课程设计感悟在整个课程项目设计的过程中，我们历经坎坷，在最开始确定选题的时候我们就有遇到困难的准备，划船器种类如此之多，我们如何做到创新与实用相结合，如何与其他产品区分开来。但在后来的实际设计过程中依然问题重重，我们最开始的设想并未得到老师的肯定，而且在实际求解过程中此类设计并无先例，我们只能摸着石头过河，一步一步来推导以及修改。在此期间，我们不仅深刻体会到了机
23、械原理这门课程所带来的作用，更理解了一个合格的设计从想法诞生到基本成型是一个多么困难的过程，设计并不仅仅要求知识上的灵活运用，更要求耐心地不断完善，要求解决问题的决心。在整个设计过程中，老师的指导给予了我们很大的帮助，在我们最初的设计中，过于强调单人划船器改双人划船器，而忽视了对于划船器本身运动的创新，老师将我们的缺点指了出来，让我们有了修改的余地。在最后的运动仿真中，同学们的帮助也使我们的进度顺利不少。相信在未来的学习生活中，我们将深深记住本次课程设计所学所得，让自己成为一名合格的机械工程设计人员。十. 参考资料 1 王德伦，高媛.机械原理M.北京：机械工业出版社，2011:104-1.52
24、 王正盛.Matlab数学工具软件实例简明教程R.南京.20023 李增刚. ADAMS入门详解与实例M.北京：国防工业出版社，20064 Inventor 运动仿真入门教程2013年12月21日取自于十一. 项目分工项目参与者概述付俊帆设计机构发展史综述付俊帆实际工程与生活中应用付俊帆相关机构专利检索姚舜铭、付俊帆机构再生运动链设计姚舜铭、付俊帆机构设计姚舜铭、付俊帆机构运动分析及仿真姚舜铭、付俊帆搭接设计机构物理模型姚舜铭、付俊帆设计小结姚舜铭十二. 附录matlab源程序syms X1 X2 X3 X4 Y1 Y2 Y3 Y4 XC YC R;X1,X2,X3,X4,Y1,Y2,Y3,Y
25、4,XC,YC,R=solve(Y1-573.4)/(X1-869.3)=0.229,(Y2-236.3)/(X2-971.7)=0.055,(Y3-115.3)/(X3-879.2) = -0.167,(Y4-336.5)/(X4-1033.7) = 0.039,(X1-XC)2 + (Y1-YC)2=R2,(X2-XC)2 + (Y2-YC)2=R2,(X3-XC)2 + (Y3-YC)2=R2,(X4-XC)2 + (Y4-YC)2=R2,(Y1-573.4)2+(X1-869.3)2=(Y2-236.3)2+(X2-971.7)2=(Y3-115.3)2+(X3-879.2)2 =(Y4-336.5)2+(X4-1033.7)2);
