机械原理课程设计半自动晾衣架.docx

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机械原理课程设计半自动晾衣架

机械原理课程设计

设计题目：

半自动晾衣架

一简介

二设计概述

1.基本目的

2.设计要求与基本条件

三设计方案及方案的确定

1.设计方案一的原理及结构简图

2.设计方案二的原理及结构简图

3.设计方案三的原理及结构简图

4.设计方案四的原理结构见图及相关的构件尺寸

四方案的具体说明与分析

1零件的详细说明

2杆件分析

3方案的功能与运动分析

五心得体会

六参考文献

一简介：

晾晒衣服是频繁而单调的工作。

面对现在市场上一些所谓的自动晾衣架，其实在很多方面并没有完全自动化甚至符合生活需求，只是适当的减少了工作量。

以前，晾衣架最简单的一种是一根竹竿固定或悬挂在屋顶板下、窗外等地方；现在的居民很多是在天花板下焊接一根铁管作为晾衣架的挂具，晾衣服时，必须将衣服一件一件地穿上衣架，再用杈子将衣服挂在铁管上，工作效率低，又不方便，时常将衣服掉地弄脏，而且还不能充分利用阳光。

即便近期出现的自动晾衣架，

大多也只能通过升降来简化凉衣服的工作量，还不能同时实现升降并且伸缩屋内外这两方面的功能。

根据这样的现实情况我们小组决定运用《机械原理》的知识设计一款实用的半自动晾衣架，我们希望为所有的家庭主妇们带来便利。

现在市场上已经出现了许多款自动或半自动晾衣架，但它们仅仅能实现衣服放入自动的升降，不能使衣服伸出或缩回，所以这种晾衣架注定不会受到广大家居人的追捧。

因此一种功能全面的自动晾衣架必将应运而生。

我们按照晾衣架的总体功能要求，分析了现代家庭式阳台的主要的格局以及相应的尺寸，在保证自动晾衣架的升降和伸缩功能的前提下尽量保证了阳台的美观，设计出一种平稳的半自动晾衣架。

下面我将介绍我们设计的详细过程。

二设计概述

1.基本目的

1）使学生初步了解机械设计的全过程，得到根据功能需要拟定机械运动方案的训练，初步具备的机构选型、组合和确定运动方案的能力；

2）以机械系统运动方案设计为切入点，把机械原理课程各章的理论和方法融会贯通起来，进一步巩固和加深所学的理论知识；

3）使学生掌握机械运动方案设计的内容，方法，步骤，并对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，绘图以及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，总结的能力；

6）培养学生综合运用所学知识，理论联系实际，独立思考与分析问题的能力和创新能力。

2.设计要求和条件：

1）晾衣架能自动升降以缓解举手晾衣的麻烦；

2）晾衣架能自动伸出和缩回，既充分利用了阳光，减少事故隐患

又不影响整个小去区的总体美观；

3）足够的承载力；

4）操作方便，省力。

三设计方案及方案的确定

1.方案一

（1）机构组成:

机构的主体是四杆的曲柄摇杆机构。

其主要构件包括：

杆1×2、杆2×2、杆3×2、齿轮1、齿轮2和晾衣杆A。

齿轮1上装有摇把，齿轮2与杆1是相对静止的。

连接处均为铰链连接。

（2）结构简图：

（侧面图）

（3）工作原理：

此机构的主要工作机构是有杆1、2、3与阳台墙面组成曲柄摇杆机构，曲柄杆1是主动件，杆3为连杆，杆2为摇杆。

晾衣杆A由杆2带动实现升降与伸缩。

次四杆机构利用它的“顶死”特性，当杆2和杆1处于在同一条直线上时，晾衣杆处于最外最高处，此时在干2的顶端档子阻止杆1继续沿顺时针转动，但可以倒转，这样就可以实现顶死。

使杆1主动是通过一对啮合的齿轮1、2的传动来实现，考虑到时杆1转动的力特别大，所以设计齿轮1的齿数要远大于齿轮2的齿数。

这样摇动齿轮1是会非常省力。

2.方案二

（1）机构组成:

此种设计主要用到锥齿轮1、2、3、4，导轨、丝杠、滑轮、绳索、杆1、螺母，可绕绳的滑轮导槽及固定机构、晾衣杆A。

杆与滑轮的链接为铰链连接。

（2）机构简图：

（侧面图）

（3）工作原理：

此机构的工作部分是由可绕绳的滑轮、导轨、丝杠、绳索、定滑轮、杆1与晾衣杆组成。

可绕绳滑轮的前进一方面缠绕绳索，另一方面使杆1前进。

缠绕的绳索通过定滑轮将晾衣杆A上提，这样就实现衣架的前进和上升。

传动方面依靠丝杠的转动来是螺母前进和后退来推动绕绳滑轮的前后移动。

而丝杠的转动则是靠锥齿轮的的传动。

另外丝杠有自锁特性，因此不用设置制动装置。

但它运动很难实现，不容易控制，容易出现卡死现象。

3方案三

（1）机构组成：

机构的主要构件为杆件，包括驱动杆杆EG、从动杆ED、DH、DB、AC，C处为晾衣杆。

各杆件连接均为铰链连接。

（2）结构简图：

（侧面图）

（3）工作原理：

这种设想主要用到连杆的“顶死”特性，转动杆EG推动从动杆AC到达AC1位置，使杆GE1、E1D1杆CD、BD都处于相应的各同一直线上，出现顶死。

但此种机构不稳定，会出现急回现象而且占地面积过大且不是非常美观。

另外这种机构是非常费力的。

4方案四

（1）结构简图：

（侧面图）

（2）机构组成：

此机构包括驱动传动机构和工作部分。

驱动传动部分包括摇把、锥齿轮、连杆、丝杠和螺母。

工作部分包括滑轮、导轨，折叠衣架。

（3）工作原理：

本机构运用折叠杆自由伸缩和前后移动的特性来实现晾衣架的升降和伸缩。

传动机构有锥齿轮的相互啮合来实现丝杠的转动，从而使螺母前后移动给工作部分提供做够的动力。

它的工作部分主体是折叠杆件，螺母将与折叠杆件铰接，螺母的移动带动折叠杆件左端的链接杆的移动，再而带动滑轮的移动从而实现晾衣架的升降和伸缩。

5方案的确定

四种方案的比较：

方面

方案

美观程度

运动难以程度

造价

效率

方案

一

较美观但破坏

阳台的整体性

需要的动力较大且

运动不稳定

造价合理

较低

方案二

较美观

运动比较困难且

运动不稳定

造价适中

较低

方案三

有点难看且占地面较大

运动比较困难且运动的稳定很难实现

造价合理

一般

方案四

较美观

运动比较容易且稳定不会出现急回

造价合理

还行

经过上面的比较我们确定方案四维为最终的方案。

四方案的具体说明与分析

1零件的详细说明

（1）驱动部分：

其主要依靠锥齿轮的传动，锥齿轮如下图：

其工作图如下：

1摇把2、4、5、6锥形齿轮3连杆

（2）传动机构部分：

6导轨7轮子8动力输入齿轮9丝杠10螺母11箱体12轴承13顶杆

（3）衣架的工作部分：

折叠晾衣杆的杆件与传动件（螺母与滑轮）连接的杆长为（250+300）mm，而中间的长连杆长为（250+250）mm，连接挂衣杆的的短杆长250mm。

杆件的截面均为20×10mm2。

杆件的材料为铝合金A213，其许用应力[σ]=315-345（Mp）。

（4）构件尺寸的确定：

1）（梯形齿）丝杠的选择：

梯形丝杆系列代号

梯形丝杆基本尺寸

公称直径

导程／螺距（单条线）

ＳＣＴＲＣＳ３０

３０mm

６mm

螺母前进490mm,丝杆一定要旋转圈数n=490\6=82

2）轴承的选择：

Ｄ＝４７ｍｍ　　Ｂ＝９ｍｍ　　　ｄ＝３０ｍｍ

3）顶杆：

在晾衣服的过程中不起作用，收衣服时保证机构回到原始状态（构件13）。

4）梯形齿螺母的选择：

（5）锥齿轮的选择;

Z2:

Z4=4:

1Z5:

Z6=7:

1

2杆件分析

（1）对衣架两边支撑杆的力的分析及强度的分析。

由上图可知其简化过程，得F=G/（2sina）,Fx=F×cosa=G/（2tana）,同理可得Fy=G/2.

由上图可解O点处的受力情况：

F1+Fycosa-Fycosa-2Fxsina=o;

F2+2Fxcosa+Fysina-Fysina=0;

M+0.55Fycosa+0.25Fxsina-0.30Fxsina=0

由上式可得：

F1=2Fxsina=Gcosa;

F2=-2Fxcosa=-（G/sina-Gsina）;

M=-0.55Fycosa+0.055Fxsina

=-0.25Gcosa;

综上所述，杆BC的受力情况为：

Fx,Fy,F1,F2,M；它们都是夹角a的函数，夹角a的范围是17￮-39￮，BC杆的剪力和弯矩的情况如图：

F1=Gcosa;F’=Gcosa;M=-0.25Gcosa;

则BC杆的剪力图如下：

BC杆的弯矩图如下：

而BC杆的轴向受力:

CO段内力Fco=Fxcosa-Fysina=G/sina-Gsina/2;

OB段内力Fob=F=G/（2sina）.而杆的截面面积A=2×10-4m2;则

FcoMax=200/sin39￮-100sin39￮（N）=254.9N.

FobMax=100/sin39￮（N）=158.9N;

则σMax1=FcoMax/A=254.9/2×104

=1.27（Mp）.

但是BC杆受但弯曲变形，其弯矩MMax=

0.25×200×cos39￮=38.9（N.m）；

则σMa2x=MMax/W.其中W=bh2/12

=1/3×10-6m3;

则σMax2=MMax/W=116.7（Mp）.

即σ总=σMax1+σMax2=117.97（Mp）.

而铝合金的许用应力[σ]=315（Mp）

即所用的材料与尺寸符合强度要求。

可见，杆件产生的应力主要是由于弯矩引起的，因此折叠衣架的其他杆件的强度一定符合要求。

（2）对丝杆上螺母及焊接杆的力分析与强度分析。

其受力情况如下图：

M’=0.1×Fx=G/（20sina）,即此力矩就是螺母对丝杠的矩。

当a=17￮时，M’有最大值，M’Max=200/（20×sin17￮）=34.2（Mp）.

此力矩的大小对螺母连杆产生的弯曲作用是在可允许范围内。

3方案的功能与运动分析

（1）传动机构及工作部分：

1轴承、2螺母、3丝杠、4顶杆、5驱动杆、6导轨、7滑轮

上图为传动机构位置尺寸以及部分机构尺寸。

其说明了机构整体的大小和运动范围。

下图为传动机构和工作机构的实际运行的初始位置和最终位置。

如上图，杆L1的长度为550，杆子L2的长度为250，而且装置的其实位置时的夹角为39￮，而终了角度为17￮，支撑轮子的导轨长度S为393mm，滚轮的直径d为50mm所以衣架的水平运动L与竖直方向H的距离很容易可以得到：

L=S-d+L1×（Cos17￮-Cos39￮）=438-50+300×（Cos17￮-Coa39￮）=441.7mm.

H=（L1+6L2）（Sin39￮-Sin17￮）=（300+6×250）×0.337=606.5mm

（2）机构的运行分析：

我们的这种设计主要考虑了晾衣架的平稳性和升降伸缩功能的实现，采用了锥齿轮的驱动传动和丝杠的传动。

首先手摇锥齿轮来给自动晾衣架提供动力。

锥齿轮的转动来带动丝杠的的转动，丝杠转动促使螺母的前进和后退，螺母的移动带动了折叠衣架驱动杆的上端的移动来实现衣杆的升降和伸缩。

我们在设计的过程中，遇到了研究障碍。

在想在给衣杆挂衣服时，随着重量的增加，滑轮会自动向前滚动可能会是衣服触地带来不便。

我们想的方法就是在折叠架上加了一个顶杆（如上图中的13）顶杆的一段固定在杆上，这样就是斜杆与水平向的角度最大只能到39￮，这样问题就解决了。

在衣架工作的时候，衣服先进行水平移动一段距离，然后再平稳的上升和进一步前移；当丝杠是螺母回移时，顶杆会推动滑轮后移。

这种运动的设计的最大的特点就是衣服伸缩和升降的过程非常稳定。

五心得体会

通过这次课程设计我切身的感觉到自己学到了很多的东西，又一次真正的机会把自己平时所学的课本知识运用到实践中去，作为一名机械系的学生本身就需要很强的动手能力，但是在学校的大部分时间里我们都是扑在书本文化知识上，真正的检验自己的机会很少。

所以我认为进行这样的设计活动是十分有意义的。

在这次课程设计中我们小组密切合作，之所以选择自动晾衣架这个课题是因为我们感觉从事机械行业的根本立足点就是服务大众，解决人们日常生活中的不便，通过机械的设计能够减轻人们的负担，而且自动晾衣架在设计的过程中用到了平时《机械原理》课程中的许多的内容，比如齿轮，连杆机构等等。

这次设计是次挑战，但是我们更愿意把它当成一次机会，一次检验自己的机会，所以我们全心投入，在设计的过程中遇到困难也绝不放弃，力争做到设计完美，用吹毛求疵的态度来进行审视，不断地查阅资料，我们在设计过程中有很多的方案，在这里我们挑选其中比较好的进行对比说明。

通过实践与探索．虽然培养了我们的创新能力和分析能力。

但我认为还有许多不足制约着我们在创新能力方面的提高。

如实验设备明显落后，综合性、设计性的实验有待加强和补充等：

加上缺乏实际知识，在运动方案设计过程中感到无从下手，而且独立工作能力较差等。

因此，我认为在机械创新的路上我们还有很长的路要走。

这次实践让我受益匪浅，衷心感谢老师给我们这次锻炼机会。

六参考文献

1、《机械原理》孙桓陈作模葛文杰主编

2、《材料力学》刘鸿文主编