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1、多功能传动四杆机构设计说明书设 计 者：崔张亮 胡常帅 常中阳 武 靖 赵晨瑶指导老师：李 辉 马 骉参赛单位：吕梁学院多功能传动四杆机构设计说明书设 计 者：崔张亮 胡常帅 常中阳 武 靖 赵晨瑶指导老师：李 辉 马 骉参赛单位：吕梁学院 摘要：以平面四杆机构的相关原理为研究对象，设计出一种多功能传动四杆机构演示教具，基于实现抽象的平面机构设计原理的再现，能够在演示过程中直观地给出平面机构相关参数，降低学生理解的难度，更好地学习领会相关知识，提高教学质量。关键词：平面四杆机构 多功能 直观 教学质量目录研制背景及意义3设计目的3工作原理3设计计算5主要创新点及特点8对作品的评析及应用前景9参
2、考文献9说明书附图10 附图说明10结构示意图11零件图12装配图22实物图23三维仿真图25一、研制背景及意义：对于机械专业的学生来说，机械原理是非常重要的一门专业课程，由于其涉及面广，内容多而杂 ，知识量大且较为抽象, 要以静态的图形、静态的书本知识, 讲授运动的过程, 这种矛盾在一些无教具可用的课程中体现得更明显, 教师在课堂上尽力以语言描述运动的过程, 而学生听起来却没有头绪, 因为并不是每个学生都能建立起运动的理念的。模型教具在机械原理的课程中有着极其重要的地位，它能够直观形象的展示教学内容，降低学生认知与理解的难度，引起学生学习的兴趣，使抽象的原理具体化直观化，使机械课堂变得趣味、
3、实际、可操作。传统的机械教具是将一些典型的结构分别制作成独立的教具，虽然能够直观展示其涉及的原理，但功能单一，携带不方便，而且不能给出相应的参数，若要进行计算则需用尺子逐一测量各构件的尺寸。因此，我们设计了多功能传动四杆机构。二、设计目的：我们的作品多功能传动四杆机构能够实现在同一个教具上演示平片四杆机构的各种形式及其相互转化，即双摇杆机构、曲柄摇杆机构、双曲柄机构、平行四边形机构。以及齿轮传动、链传动，能够在课堂上或实验中直观地再现机械运动、传动的原理，并且能够给出相关参数，画出杆件运动轨迹，方便而准确。三、工作原理：3.1 结构概述在铰链四杆机构中，固定不动的构件为机架；与机架相连的构件为
4、连架杆，其中，相对机架可作整周旋转的是曲柄，只能在某一角度内摆动的是摇杆；不与机架相连的构件为连杆。多功能传动四杆机构的结构如图六所示：（19）为机架，（20）为滑块，（21）为第一连架杆，（24）为第一套杆，（23）为第一内杆，（24）为第二套杆，（22）为第二内杆。多功能传动四杆机构由带滑块的机架、第一连架杆、可伸缩的第二连架杆及可伸缩的连杆组成。连杆由第一内杆嵌套于第一套杆(4)构成,即第一伸缩杆，第二连架杆由第二内杆(7)嵌套于第二套杆构成，即第二伸缩杆。第一连架杆一端通过滑块与机架连接，另一端与连杆的第一套杆一端连接，连杆的第一内杆一端与第二连架杆的第二内杆一端连接，第二连架杆的第二
5、套杆连接在机架上，机架上有供滑块滑动的槽。第一内杆、第一套杆、第二内杆、第二套杆以及机架上标有刻度，供计算使用。3.2功能实现（1）.曲柄存在的杆长条件为：最短杆和最长杆的长度之和小于或者等于其余两杆长度之和。调节滑块位置并固定，调节两个伸缩杆长度并固定，使各杆长度不满足杆长条件，则得到双摇杆机构，此时机构中没有周转副。- 25 -（2）. 调节滑块的位置并且固定，调节两个伸缩杆长度并且固定，使连杆成为最短的杆， 并且各杆长度均满足杆长条件，得到双摇杆机构， 此时连杆两端的转动副均为周转副，即B和C，第一连架杆以及第二连架杆均为连杆。图 1 双摇杆机构（3）. 调节滑块位置并固定，调节两个伸缩
6、杆长度并固定，使第二连架杆成为最短杆，且各杆长度满足杆长条件，得到曲柄摇杆机构，此时第二连架杆两端均为周转副，即A和B，此时第二连架杆a为曲柄，第一连架杆c为摇杆。图 2 曲柄摇杆机构（4）. 调节滑块位置并固定，调节两个伸缩杆长度并固定，使机架成为最短杆，且各杆长度满足杆长条件，此时两个连架杆与机架连接形成两个周转副，即A和D，第二连架杆a和第一连架杆c都为曲柄，得到双曲柄机构。图 3双曲柄机构（5）调节滑块位置并固定，调节两个伸缩杆长度并固定，成为曲柄滑块机构。图 4曲柄滑块机构四、设计计算：4.1传动方案 本装置选择的传动方案为带传动、蜗杆传动、链传动、锥齿轮传动以及直齿轮传动。4.2带
7、传动设计表格 1 大皮带齿轮参数直径面宽标称轴直径大皮带齿轮6010104.2.1带传动的受力分析带传动所能传递的功率 KA=1.2 Pa=KAP=1.2P=0.12kw Pa=Fev/1000 v=0.05m/s 有效拉力 Fe=1000P/v=1000P/0.05N=2*103PNF0=1500NF1= F0+Fe/2=1+Fe/=3500N F2=F0-Fe/2=1-Fe/2=500NF0为初拉力；F1为紧边拉力；F2为松边拉力。4.2.2带的应力分析拉应力 :紧边拉应力1=F1/A=3500/19.6=178.5715MP松边拉应力2=F2/A=500/19.6=25.5102MPA为
8、带的横截面积。离心拉应力：c=qv/A=15*（0.05）2/0.01=3.75Nq为单位带长的质量；v为带速。弯曲应力: bE(h/dd)=240*(5/60)=20.016MP E为带的弹性模量；h为带的厚度；dd为带的基准齿轮。4.2.3带的滑动率和传动比：滑动率：=（v1-v2）/v1=1-(dd2n2)/( dd1n1) i=n1/n2=dd2/(1-)dd1可忽略，则i= dd2/dd1=60/8.52=7.04234.3蜗杆传动表格 2 蜗轮及蜗杆参数直径d模数m齿数(头数)z压力角面宽标称轴直径蜗轮50150201010蜗杆271252010104.3.1 传动比i=z2/z1
9、=50/25=24.3.2 受力分析蜗杆圆周力Ft1 蜗轮轴向力Fx2 T1=9.55*106*0.1/180=5310N*mm Ft1=Fx2=2T1/d1=2*10/27=393.34N蜗杆轴向力Fx1 蜗轮圆周力Ft2 T1=9.55*106*0.1/60=15920N*mm Fx1=Ft2=2T2/d2=2*15920/50=636.8N 径向力Fr1 蜗轮径向力Fr2 Fr1=Fr2=Fx1tan=636.8*2.237=1424.5N 4.4链传动表格 3 链轮参数直径齿数压力角面宽标称轴直径链轮8018208104.4.1 传动比i=z2/z1=14.4.2 受力分析工作拉力F=
10、1000P/v=100/0.08=1.25*104N离心拉力Fc=qv2=120*0.082=0.768N4.5齿轮设计4.5.1齿轮选用表格 4 齿轮参数齿轮直径d模数m齿数z压力角面宽标称轴直径大齿轮95330201010小齿轮653202010104.5.2受力分析小齿轮的传递功率为P1（KW），转速为n1(r/min)小齿轮传递的转矩 (N.m) T1=9.55*106p1/n1Fn可以分解为两个力：圆周力Ft和径向力Fr T=9.55*106*0.01/60=1.592*10Ft=2T1d1 =Fr= FttanFn= Ftcos4.5.3载荷分析Ftc=KFtK=KAKVKK式中：
11、K载荷系数；KA使用系数；KV动载系数；K齿间载荷分配不均系数； K齿向载荷分配不均系数。 4.5.4许用应力 许用接触力HP=0.9H lim H lim=Ax=B式中，试验齿轮的接触疲劳极限。许用弯曲应力式中 试验齿轮的弯曲疲劳极限；Swmin齿根弯曲疲劳强度最小安全系数4.6其他零件参数十字圆头螺钉：M3 长度为6 用于固定齿轮架和底板，电机和底板，齿轮和齿轮轴M3 长度为12 用于固定滑轨与底板M5 长度为20螺纹长度6 用于固定杆和滑块M6 长度为16 螺纹长度6用于套杆，套杆和杆之间的固定M10 长度为10 用于底板与固定夹之间的固定 固定夹的锁紧 连接轴与支架的锁紧固定 轮支架与
12、支架的锁紧 轮与轮支架的固定五、主要创新点及特点通过日常学习生活的观察以及查阅相关数据了解到，传统的机械教具是将一些典型的结构分别做成独立的教具，制作简单，演示方便，但由于其为单独演示，增加了制作的成本以及教学费用，不方便携带，功能单一。我们的设计相比较传统教具结构简单紧凑，功能多样，有以下创新点：（一）. 通过将连杆和第二连架杆制作成由内杆和套杆嵌套而成的伸缩杆，以及带有滑块的机架，制作出可伸缩的四杆机构，演示出平面四杆机构的各种形式。（二）.在组成连杆的第一套杆和第一内杆、组成第二连架杆的第二内杆和第二套杆以及机架上标有刻度，能够在操作过程中给出相应的各构件参数，便于计算，且可以画出杆件运
13、动轨迹，综合性能较强，从而提高了教学效率。（三）.创新性的使用了可转动、可调节的教版，能够从各个角度观察该教具的演示，使教学更具有灵活性。（四）.机构一体化。将平面四杆机构以及多种机械传动结构（带传动、链传动、蜗杆传动、链传动、齿轮传动）集中体现在同一个教具中，结构紧凑，使用方便。六、作品应用前景： 该作品是为机械课堂设计的教具，以教学需求为出发点，能够极大地简化教学难度。由于其功能多样，携带方便，有较高的使用价值；且结构简单，制作成本低，性价比较高，因此，该作品应有较好的市场前景。参考文献：1机械设计 主编：韩泽光 郑夕健 同长虹 北京航空航天大学出版社 20112机械原理 主编：孙桓 陈作
14、模 葛文杰 高等教育出版社 20063机械创新设计技术 主编：杨家军 科学出版社 20084机械设计实用手册 主编：吴宗泽 北京工业出版社2010附图：附图说明（1） 图1是本多功能传动四杆机构的双摇杆机构的示意图；（2） 图2是本多功能传动四杆机构的曲柄摇杆机构的示意图；（3） 图3是本多功能传动四杆机构的双曲柄机构的示意图；（4） 图4是本多功能传动四杆机构的曲柄滑块机构的示意图；（5） 图5是本多功能传动四杆机构的结构示意图；（6） 图6-27是本多功能传动四杆机构的零件图；（7） 图28是本多功能传动四杆机构的旋转支架装配图；（8） 图29是本多功能传动四杆机构的总装配图；（9） 图3
15、0-32是本多功能传动四杆机构的实物图；（10） 图33是本多功能传动四杆机构的三维仿真图。结构示意图图 5结构示意图零件图图 6底板 1图 7直齿轮架 2图 8蜗轮架 3图 9 蜗杆架 4图 10 传动轴 5图11 蜗轮轴6图 12 大直齿轮轴7 小直齿轮轴8图 13小直齿轮轴8大斜齿轮9 标准件 模数1 齿数50 面宽10轴直径17.5安放距离44.051 标称轴直径10图14 螺杆10涡轮11 标准件 模数0.9 齿数45 螺旋方向 右手 角度5面宽8 轴直径17.5 总长度20 标称轴直径10图15替代链轮12链轮 标准件 链数08B-1 齿数18轴直径14.6 总长度17 标称轴直径10大直齿轮13 标准件 模数3齿数30面宽10 轴直径14标称轴直径10小锥齿轮 14 标准件 模数1 齿数25面宽10轴直径18 标称轴直径10小直齿轮 15 标准件 模数3 齿数20 面宽10 轴直径14 标称轴直径 10图 16小皮带轮16电机17图17 大皮带轮18图18 滑轨19图19 滑块20图20 杆3 21图 21内杆1 22图22 内杆2 23图 23 套杆 24图24 支架25图25 连接轴 26图26固定夹 27图27轮支架 29装配图图28 旋转支架装配图图29 总装配图实物图图 30 总体效果图图 31 正面图图32 背面图三维仿真图图33 三维仿真图
