课程设计说明书 指南车

课程 —玩具指南车设计 姓名：张峻彬 班级：机制0808班 学号：U200810678 指导老师：杨家军 华中科技大学 目录 一、指南车简介    - 2 - 二、指南车设计参数要求    - 2 - 三、指南车转弯运动学    - 2 - 四、指南车#设计#汇总    - 3 - 定轴指南车方案—宋代指南车    - 3 - 差动式指南车方案—五十年代的指南车    - 4 - 五、指南车设计方案的比较和选择    - 5 - 指南车设计方案比较    - 5 - 指南车设计方案的选择    - 6 - 六、玩具指南车详细设计    - 6 - 差动齿轮系方案选择    - 6 - 玩具指南车外形尺寸设计    - 9 - 玩具指南车的锥齿轮设计    - 10 - 锥齿轮强度校验    - 14 - 其他重要结构设计    - 16 - 七、参考文献    - 17 - 一、指南车简介 指南车，又称司南车（图1），是中国古代用来指示方向的一种机械装置。它利用差速齿轮原理，它与指南针利用地磁效应不同，它是利用齿轮传动系统，根据车轮的转动，由车上木人指示方向。不论车子转向何方，木人的手始终指向南方，“车虽回运而手常指南”。 指南车 图1 二、指南车设计参数要求 指南车是中华民族文化瑰宝，设计指南车玩具有利于提升孩子的智力同时宣扬中华民族传统文化。玩具指南车在设计过程中，应该满足玩具大小的要求，且在空间限制的要求下使得齿轮系的设计最为简单。总的来说，玩具指南车的尺寸要求为140mm×140mm×140mm。 三、指南车转弯运动学 车辆直线行驶时，不存在定向问题，关键在转弯时必需研究一番车辆转弯时的运动情况。如图2所示的车辆转向图，图中车轮直径D、轮距2L、转弯半径r。车辆左转弯，在XOY平面内以θ角度量。假设车辆沿地面作纯滚动(无滑动)，那么，左(内)侧车轮A沿地面滚过弧长为S1 ，右(外)侧车轮B沿地面滚过弧长为S2。车轮A、B绕自身轴线回转的角度分别为ΦA、ΦB ,有： S1 = (r - L)θ = ΦAD/2 S2 = (r + L)θ = ΦBD/2 S2 - S1 = (r + L)θ-(r - L)θ = 2θL =(ΦB - ΦA)/2D ΦB - ΦA =θL/D              (1) 为了讨论简便,令2L = D(轮距等于轮径, 由结构保证) ,则: 2θ = ΦB –ΦA                (2) 指南车运动学原理 图2 当轮距等于轮径的条件下，在车辆转弯时，外侧车轮与内侧车轮绕自身轴线回转的角度差(ΦA- ΦB)应等于整个车辆在XOY平面内转弯角度θ的两倍。上述结论推导的前提是车轮必须沿地面作纯滚动，此结论同样适用于右转弯。不仅适用于前进，也适用于后退，甚至在原地360°回转。当车转动θ角，利用两轮的回转角度差再加以特定的机械结构实现指针相对指南车以反方向转动θ角，从而实现指南的效果。 四、指南车设计方案汇总 指南车内部结构一般为齿轮系。齿轮系有定轴轮系的方案和差动轮系的方案。 对于定轴轮系指南车，其每一齿轮的轴线都是固定的。定轴轮系的机构自由度为1，故只能也只需一个原动件。因此用定轴轮系构造的指南车，其作为原动件的两个车轮不能同时驱动木仙人，而必需有一套自动控和自动离合的装置，并根据车子直行或转弯的情况来实现自动控制。 差动轮系指南车与定轴轮系指南车的主要区别在于其构造上。差动轮系中至少有一个齿轮的轴线可绕另一齿轮的轴线回转，因此这种轮系必有转臂。同时行星轮是空套在转臂上的，所以行星轮既可自转又能公转。在原理上，差动轮系的机构自由度为2。所以用差动轮系构造的指南车，它的两个车轮可同时作为原动件来驱动木仙人，并利用两车轮的转角差来实现木仙人静止。 定轴指南车方案—宋代指南车 宋代指南车为双轮独辕车。辕在车的正中，用直木压在车轴上，伸出车的前端，供驾牲畜用。辕压在车轴上，有支点可以有限转动，以实现转向。它的轮距等于轮径，具体构造和功能如图3所示。 左右车轮D、D′，沿内侧周向分布有齿数为24棒齿的左右附足立子轮E、E′，它与左右小平轮F、F′常啮合。左右小平轮回转轴 O3 固结在车轮轴C上,齿数为12 的棒齿。因为 O3 轴垂直地面, 而车轮轴C平行于地面，所以由附足立子轮到小平轮，实现了传递垂直轴间的运动。 辕A回转轴O2 固结车轮轴C上，其上面安装有中心大平轮G，齿数为48的棒齿。中心大平轮G回转轴O1 固结在辕A上。直线行驶时，中心大平轮G与左右小平轮F、F′留有缝隙，不啮合，站立在中心大平轮G上, O1 处木仙人的手指指向南。左(右) 转弯时：由辕A控制中心大平轮G与右(左)小平轮F、(F′)啮合。这样，随着车轮的转动，实现了由左(右)附足立子轮E、(E′)到左右小平轮F、( F′)；再由左(右) 小平轮F、(F′)到中心大平轮G的传动。 宋代指南车 图3 小平轮是惰轮，前一次啮合是垂直轴间的运动传递，后一次啮合是平行轴间的运动传递，这只有棒齿才有可能；其间实现了总传动比等于二的减速传动，即意味着站立在中心大平轮G上，O1 处的木仙人转过的角度应该是车辆转弯时外侧车轮与内侧车轮绕自身轴线回转的角度差之半。式(2)中木仙人手指相对与车辆沿α～α弧偏转-θ角度，即相对地面不动, 所以木仙人手指永远指南。 差动式指南车方案—五十年代的指南车 与宋代指南车的轮距等于轮径等结构大体相仿的条件下，选择自由度为二的差动轮系作为指南车的传动系统，是从事机械原理研究的人自然会想到的设计。五十年代的指南车如图4 所示，此车就是采用了差动轮系方案。 五十年代的指南车 图4 图中A，B为指南车的轮子，D等于指南车的轮子直径，2L为指南车的宽度。当指南车沿直线行走时，轮子A带动锥齿轮a转动，锥齿轮a带动锥齿轮c和c′转动；同理轮子D带动锥齿轮b转动，锥齿轮b带动锥齿轮d和d′转动。由于直线行走时，锥齿轮c′和d′沿相反的方向转动，且转动速度一样，所以锥齿轮e的转臂不动，锥齿轮e绕固定轴旋转。 当指南车转弯时，齿轮的传动方式一样，但是锥齿轮c′和d′沿相同的方向转动，且转动速度一样，这就会导致锥齿轮e的转臂转动，同时锥齿轮e静止与自身的旋转轴。当车身转过一定角度θ，左轮和右轮会有相应角度差ΦA- ΦB（见章节二），这个角度差ΦA- ΦB通过齿轮组最后使得木仙人相对于车辆转动-θ的角度，而相对于地面静止，所以木仙人就一直指向一个固定的方向。 五、指南车设计方案的比较和选择 我们设计的是一种面向广大儿童的指南车玩具，所以设计的尺寸大小应该控制在140mm×140mm×140mm的空间范围内。在选择指南车方案的过程中，应该考虑方案的可靠性、复杂程度、制作成本和安全性。 指南车设计方案比较 1. 定轴式指南车需要有一套自动控和自动离合的装置，常常是用齿轮的啮合和分离来实现的。但是在啮合的过程中有可能会存在啮合点不正确而导致齿轮啮合不进去的现象，所以可靠性下降。而差动式指南车不存在此现象。 2. 定轴式指南车的行车轨迹只能是直线和定点转动的圆弧，如图5所示。这是由于定轴式指南车固有的结构设计所导致的。如节四所介绍的宋代指南车，当车转弯时，由辕A控制中心大平轮G与一个小平轮啮合，而与另一个小平轮分离，这时候，分离的小平轮不能够有转动，否则就会带来指南的误差，而正因如此，指南车在转弯时只能绕着分离的小平轮所对应的那个大轮子的着地点作圆周旋转。这样的特性使得定轴式指南车的行车轨迹被限制，而且转弯时静止的那个轮可能有轻微的转动而带来误差，减低可靠性。 定轴式指南车行车轨迹 图5 指南车设计方案的选择 由于差动式指南车相比定轴是指南车有更高的稳定性，有更强的可靠性，所以最后决定用差动式的方案来设计玩具指南车。 六、玩具指南车详细设计 差动齿轮系方案选择 指南车的差动齿轮系的方案有许多种，较好的有以下两种齿轮配合结构： 方案一：圆柱齿轮行星轮结构 之前我们提到，差动式指南车需要有两个输入，一个输出，利用行星轮的结构可以实现这个特点，如图6所示。假设以摇臂为输出轴来安装木仙人，齿轮4为一个输入轴，齿轮5为另一个输入轴，假设齿轮5与齿轮4的齿数比为n，则有： 圆柱齿轮行星轮结构 图6 （3） 我们利用圆柱齿轮行星轮结构来设计一个指南车，如图7所示。图上箭头所指示的方向为正方向，行星轮结构的齿轮序号与图6相同，多加了锥齿轮1、2、3、7用于连接两个车轮，在此结构下我们来求解满足指南车的木仙人指南要求时这七个锥齿轮的齿数关系，假设： 圆柱齿轮行星轮指南车 图7 假设指南车纯直行时，左边的大轮正向转动θ，齿轮4输入角度为 ；右边的大轮正向转动θ，齿轮5的输入的角度为 ，带入公式3则： （4） 如果要满足指南车的要求，需要指南车在直行时木仙人相对指南车静止，则需要式4中的 等于0，则： （5） 假设指南车转纯弯时，左边的大轮正向转动θ，齿轮4输入角度为 ；右边的大轮正向转动-θ，齿轮5的输入的角度为 ，带入公式3则： （6） 因为要满足指南车直行时木仙人相对指南车静止的条件，座椅将等式5代入公式6得： 为简化设计，我们将木仙人直接安装在行星轮的摇臂上。当左边的大轮转动θ，右边的大轮转动-θ时，指南车转动-θ角，所以木仙人应转动θ角，则有： （7） 继续阅读