机械原理课程设计——游戏机

1目录一、概述……………………………………………二、报告内容………………………………………1．设计目的………………………………2．功能要求………………………………3．工作原理………………………………4．原始数据………………………………5．参考方案………………………………6．设计任务………………………………7．设计步骤与要求………………………1)机械设计的方案的构思2)传动机构设计3)执行机构设计8．数据…………………………………9．运动分析的结果………………………三、总结………………………………………………四、设计体会…………………………………………五、参考书目……………………………2一、概述随着人类生产力的发展，我国经济也飞速发展，人们的生活水平也日益提高，人们的生活质量也进一步提高。人们设计出来的机械也逐渐由仅仅应用于社会生产到满足人们精神生活的娱乐机械上来了。从迪斯尼乐园中的大型摩天轮到一般公园中的过山车，这些无不是通过机械设计师设计出来的娱乐机械。某游乐场欲添设一新的游乐项目，该项目是在一暗室中，让一画有景物的屏幕（观众可以看见屏幕上的景物），由静止逐渐开始左右晃动，晃动的角度由小变大，并越来越大最后屏幕竟旋转起来，转数周后，屏幕渐趋静止。由于观众在暗室中仅能看见屏幕上的景物，根据相对运动原理，观众将产生一个错觉，他不认为是屏幕在晃动，反而认为是自己在晃动，并且晃动的越来越厉害，最后竟旋转起来，这是一个有惊无险的游乐项目。现要求设计一机械传动装置，使屏幕能实现上述运动规律。二、报告内容1．设计目的机械原理课程设计是使学生较全面、系统掌握机械原理课程的基本原理和方法的重要环节，是培养学生“初步具有确定机械运动方案，分析和设计机械的能力”及“开发创新能力”的一种手段。其目的是：1)以机械系统运动方案设计与拟定为结合点，把机械原理课程中分散于各章的理论和方法融会贯通起来，进一步巩固和加深学生所学的理论知识；2)通过拟定机械运动方案的训练，使学生初步具有机构选型与组合和确定运动方案的能力；3)使学生在了解机械运动的变换与传递及力传递的过程中，对机械的运动、动力分析与设计有一个较完整的概念；4)进一步提高学生运算、绘图、运用计算机和技术资料的能力；5)通过编写说明书，培养学生表达、归纳、总结和独立思考与分析的能力2．总功能要求3设计一新游戏，让一画有景物的屏幕由静止逐渐开始左右晃动，晃动的角度由小变大，最终旋转起来，转几周后，屏幕又渐趋静止。3．工作原理由于观众在暗室中仅能看见屏幕上的景物，根据相对运动原理，观众产生一个错觉，他不认为屏幕在晃动，反而认为自己在晃动，并且晃动的越来越厉害，最后竟旋转起来，这是一个有惊无险的游乐项目。现要求设计一个机械传动装置，使屏幕能实现上述运动规律。4．原始数据⑴屏幕由静止开始晃动时的摆角约30°。⑵每分钟晃动次数约为10次。⑶屏幕由开始晃动到出现整周转动，历时约2分钟。⑷屏幕约转10多转后，渐渐趋于静止。⑸用三相交流异步电动机带动，其同步转速为1000r/min功率约1KW.⑹屏幕摆动幅度应均匀增大或稍呈加速的趋势。设曲柄的最小长度为200mm，机架长度为1000mm，确定四杆机构ABCD其余杆长。设取齿轮、蜗轮传动的模数为4mm，计算个齿轮传动的主要尺寸。5．参考方案参考方案如附图1所示，由电动机通过一级带传动、一级蜗杆传动带动一曲柄摇杆机构ABCD，再通过一级齿轮传动带动屏幕左右晃动。附图1游戏机机构运动方案为了改变屏幕晃动幅度的大小，使之逐渐增大，并最终使屏幕作连续回转，4其实是曲柄摇杆机构和双曲柄机构相互转换，可采用如下三种方法来实现：1）、摇杆长度不变，逐渐增大曲柄AB的长度。2）、曲柄长度不变，逐渐缩短摇杆CD的长度。3）、同时改变曲柄和摇杆的长度，但这样将使结构复杂，不足取。如何在不停车的状态下改变曲柄或摇杆的长度呢？如附图2和附图3所示为两种供参考的方案。6．设计任务1）、至少提出两种传动方案，然后进行方案分析评比，选出一种传动方案进行设计。2）、确定电动机的型号。3）、设计传动系统中各机构的运动尺寸，并绘制出机构运动简图。4）、作必要的运动分析和动力分析。5）、设计V带传动和蜗杆传动，对所用到的齿轮进行强度计算，确定其尺寸。6）、进行传动系统结构设计，绘制其装配图。7）、编写课程设计说明书。7．设计步骤与要求1)机械设计的方案的构思由于游戏机只有一个机构和执行构件，在一个运动循环中，这个执行构件要实现从静止开始逐渐晃动，晃动的角度由小变大，最终旋转起来，转几周后，屏幕有逐渐静止。这个运动较为复杂。游戏机系统需完成减速运动交替和转换停歇的功能，除上面图中给的蜗轮—蜗杆机构还可选择将图中换向机构换做圆锥斜齿轮机构2)传动机构设计①方案分析传动机构是把原动机的动力和运动传送到执行机构的传动装置。以传递动力为主的传动又称为动力传动。以传递运动为主的运动传动。机械传动是最见的一种传动形式。方案一：V带+蜗轮—蜗杆传动（机构示意图如图1所示）5由电动机通过一级V带传动、一级蜗轮—蜗杆传动带动方案二：V带+圆锥斜齿轮传动（）由电动机通过一级V带传动、圆锥斜齿轮传动带动②选择运动方案：圆锥齿轮、蜗轮蜗杆传动圆锥斜齿轮传动特点：用来传递两相交轴的运动；圆锥斜齿轮传递的圆周速度较低，曲齿用于圆周速度较高的场合。蜗轮蜗杆传动特点：传动平稳无噪音，结构紧凑，传动比大，可做成自杆。综合比较，可以确定应选用一级蜗轮传动。最终选定的方案是方案一。③执行机构设计由电动机通过一级带传动、一级蜗轮传动带动一曲柄摇杆机构ABCD，再通过一级齿轮传动带动屏幕左右晃动。为了改变屏幕晃动幅度的大小，使之逐渐增大，并最终使屏幕作连续回转，其实是曲柄摇杆机构和双曲柄机构相互转换，可采用如下三种方法来实现：1）、摇杆长度不变，逐渐增大曲柄AB的长度。2）、曲柄长度不变，逐渐缩短摇杆CD的长度。3）、同时改变曲柄和摇杆的长度，但这样将使结构复杂，不足取。可以通过下面两种情况在不停车的状态下改变曲柄或摇杆的长度。如图（2）6和图（3）所示。采用四杆机构面临以下几个问题;开始运动时市委曲柄摇杆机构，为了实现摆动变为转动，试将之变为双曲柄机构（机架为最短杆）还是平行四边形机构.改变哪一根杆的长度，是增加AB杆还是缩短CD杆，改变杆长是采用凸轮机构还是四杆机构双曲柄机构（机架为最短杆）平行四边形机构增加AB杆缩短CD杆若采用双曲柄机构，只能增长AB杆长，使CD最终实现周转，四杆机构由曲柄摇杆变为双曲柄机构，由于急回运动行程相当大，无法实现运动要求，所以四杆机构定为平行四边形机构.若采用缩短CD杆，则在运动过程中只能将摆动变为匀速移动，只能用凸轮机构来实现，且设计复杂，加工困难，不予考虑.方案一：通过一个行星轮系和一个螺旋机构来改变曲柄AB的长度。如图（2）所示。优点：传动平稳无噪音，减速比大；可实现转动与直线移动互换；滑动螺旋可做成自锁螺旋机构；缺点：工作速度一般很低，只适应于小功率传行星轮系曲柄销B螺旋副连杆A曲柄图（2）方案二：通过一个行星轮系和一个凸轮机构来改变曲柄AB的长度。如图（3）7所示。优点：结构紧凑，工作可靠，调整方便，可获得任意运动规律；缺点：但动载荷较大，传动效率较低。根据设计要求和优缺点，该机构选定方案一。行星齿轮机构特点：传动比大，结构紧凑，工作可靠，制造和安装精度要求高，其他特点同普通齿轮传动。曲柄销B连杆圆柱凸轮图（3）8．机构运动设计1)确定电动机的型号，设计传动系统并确定其传动比分配传动机构的顺序：电动机——V带传动——蜗轮传动——四杆机构——屏幕①根据电动机的转速和设计要求，选取电动机的转速n=1000r/min,功率1kw。屏幕的晃动是10次/min,则曲柄的转速n=10r/min,所以蜗轮的转速n=10r/min，确定传动机构的总传动比为i=1000/10=100②传动比的分配，选用二级减速，第一级采用V带传动选取带传动比5，蜗轮蜗杆为第二级减速，传动比为20。8执行机构的顺序：蜗轮——四杆机构——齿轮蜗轮--蜗杆：这种蜗杆，在垂直于蜗杆轴线的平面(即端面)上，齿廓为阿基米德螺旋线，在包含轴线的平面上的齿廓(即轴向齿廓)为直线，其齿形角α0=20°。它可在车床这种蜗杆，在垂直于蜗杆轴线的平面(即端面)上，齿廓为阿基米德螺旋线，在包含轴线的平面上的齿廓(即轴向齿廓)为直线，其齿形角α0=20°。它可在车床上用直线刀刃的单刀(当导程角γ≤3°时)或双刀(当γ3°时)车削加工。安装刀具时，切削刃的顶面必须通过蜗杆的轴线。这种蜗杆磨削困难，当导程角较大时加工不便。i=蜗杆转速n1蜗轮转速n2=蜗轮齿数z2蜗杆头数z1错误!未指定书签。2)尺寸设计A、蜗轮蜗杆设蜗杆头数Z1蜗杆的头数越多，传动效率越高（自锁功能差），但加工越困难，所以Z1的推荐取值范围为：Z1=1，大传动比、反行程自锁Z1=1、2、4、6Z1＞1，反行程无自锁，用于动力传动，具有较高的传动效率。根据传动比的分配Z2=20，题目给定蜗轮模数4m，分度圆计算公式：mqd122mzd齿数模数（mm）压力角（0）直径（mm）蜗轮22042080蜗杆11420mqB、圆柱齿轮设计9齿轮在制造时为了避免根切现象，齿数Z17，按国家标准分度圆上的压力角取标准值，α=20°，1h*a，25.0c*假设小齿轮齿数Z2=40，大齿轮齿数Z1=80，根据标准选模数m=4;计算齿轮各参数如下：3)执行机构A、曲柄摇杆机构任取一点D，作等腰三角形腰长为CD，夹角为φ;作C2P⊥C1C2，作C1P使∠C2C1P=90°－θ,交于P;作△PC1C2的外接圆，则A点必在此圆上。选定A，设曲柄为a，连杆为b，则AC1=a+b,AC2=b-a，故有：a=(AC1－AC2)/2以A为圆心，AC2为半径作弧交于E,得：a=EC1/2b=AC1－EC1/2名称代号小齿轮2大齿轮1模数m4压力角α20分度圆直径d160320齿顶圆直径da168328齿根圆直径df140310齿顶高ha4齿根高hf5齿全高h9标准中心距a240传动比ii12=d2/d1=0.510В、曲柄改变机构曲柄摇杆机构——双曲柄机构——双摇杆机构由于a(min)=200,d=1000mm根据不同机构的特性分析a的范围对于曲柄摇杆机构，d为机架,a为曲柄所以a+b=c+d,b-c=800CD杆为最长杆，所以可有以下几组数据：L(CD)L(BC)θΦK1300100020°23°1.251300120018°25°1.221200110017°25°1.20CC1P90°-θEφθoB2θADB111综合题目形成速比系数K值越小越好，所以选最后一组数据，即CD=1200，CB=1100.对于双曲柄机构，d为机架根据题目要求双曲柄机构为平行四边形机构a=c,b=d因为d杆为机架即AB=∥CD,BC=∥AD所以AB杆最长时和CD长度相等AB=CD=1200，BC=AD=1100C、根据以上的分析可确定改变AB长度的螺旋机构的长度，螺旋机构丝杆最短为L=12009．运算分析的结首先，是机构系统的运动过程。根据机构运动简图，我们可以看到，由电动机带动皮带轮的飞轮1，再通过飞轮2减速传递，由电动机的转速n1=1000r/min到飞轮2转速n2=200r/min,再带动一级蜗轮蜗杆传动，蜗轮的速度降低到n3=10r/min,又通过四杆机构ABCD传动到齿轮上，四杆机构通过改变AB长度从曲柄摇杆机构变到双曲柄机构，实现屏幕不同运动，齿轮1，2又起到传动和减速的功能最终由齿轮2带动屏幕按预定的速度运动。以上都是传动机构中起减速作用的机构。接着分析，执行机构的运动，，四杆机构通过改变AB长度从曲柄摇杆机构变到双曲柄机构，实现屏幕不同运动，执行机构分为四杆机构和改变曲柄AB长度的行星轮系+螺旋机构。执行机构则主要是使屏幕达到运动交替、转换、停歇（即摆动、旋转、停歇的平稳变换）。下面主要分析执行机构的运动。对于四杆机构的变化规律，前面已经说明，主要是：ABCD12曲柄摇杆机构——双曲柄机构——双摇杆机