西工大机械原理课程设计幻觉式游乐机.doc
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西工大机械原理课程设计
幻觉式游乐机
一、概述
随着生产力的发展，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。
某游乐场所欲添加一新的游乐项目，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，并越来越大最终旋转起来，转几周后，屏幕又渐趋静止。
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。
二、设计要求及原始数据
2.1功能要求及工作原理
⑴总功能要求
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。
⑵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。
2.2设计数据与要求
⑴屏幕由静止开始晃动时的摆角约60°。
⑵每分钟晃动次数约为10～12次。
⑶屏幕由开始晃动到出现整周转动，历时约2～3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或1500r/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。
2.3设计任务
1）根据功能要求和工作原理，绘制机械工作原理图。
2）构思系统运动方案（至少两个以上），然后进行方案分析评价，选出较优方案。
3）确定电动机的型号，设计传动系统并确定其传动比分配。
4）按工艺动作过程拟定运动循环图。
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。
对执行机构进行运动尺寸设计，然后绘制出机构运动简图，并作必要的运动分析和动力分析。
6）编写课程设计说明书。
三、运动方案的讨论
游戏机系统只有一个传动机构和一个执行构件，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，屏幕又渐趋静止。
这个运动过程较复杂，游戏机系统需完成减速、运动交替和转换、停歇的功能。
3.1传动机构设计
传动机构是把原动机输出的机械能传递给执行机构并实现能量的分配、转速的改变及运动形式的改变的中间装置。
其中机械传动是最常见的一种传动形式。
针对设计要求和实际传动情况，提出以下三种传动方案：
方案一：
电动机通过一级V带传动、一级圆柱齿轮、一级圆锥齿轮传动
方案二：
电动机通过一级V带传动、一级蜗轮蜗杆传动、一级直齿圆柱齿轮带动
方案三：
电动机通过一级V带传动、二级斜齿圆柱齿轮传动带动
传动方案中各元件传递运动特点如下：
特点
寿命
应用
圆柱斜齿轮
除可用于平行中传动，还可用于交叉轴传动（螺旋齿轮机构），重合系数大，传动平稳，齿轮强度高，适于重负载，相比直齿而言，斜齿有轴向力。
取决于齿轮材料的接触和弯曲疲劳强度以及抗胶合与抗磨损能力
金属切削机床、汽车、起重运输机械、冶金矿山机械以及仪器等
圆柱直齿轮
用于平行轴传动，齿轮啮合与退出时沿着齿宽同时进行，容易产生冲击，振动和噪音。
取决于齿轮材料的接触和弯曲疲劳强度以及抗胶合与抗磨损能力
金属切削机床、汽车、起重运输机械、冶金矿山机械以及仪器等
锥齿轮
用来传递两相交轴之间的运动和动力，制造、安装困难，传动的精度和承载能力低。
取决于齿轮材料的接触和弯曲疲劳强度以及抗胶合与抗磨损能力
一般应用于轻载、低速场合。
蜗杆传动
结构紧凑，单级传动能得到很大的传动比；传动平稳，无噪音；可制成自锁机构；传动比大、滑动速度低时效率低；中、高速传动需用昂贵的减磨材料；制造精度要求高，刀具费用贵。
制造精确，润滑良好，寿命较长；低速传动，磨损显著
金属切削机床（特别是分度机构）、起重机、冶金矿山机械、焊接转胎等
带传动
轴间距范围大，工作平稳，噪音小，能缓和冲击，吸收振动；摩擦型带传动有过载保护作用；结构简单，成本低，安装要求不高；外廓尺寸较大；摩擦型带有滑动，不能用于分度链；由于带的摩擦起电，不宜用于易燃易爆的地方；轴和轴承上的作用力很大，带的寿命较短
带轮直径大，带的寿命长。
普通V带3500-5000h
金属切削机床、锻压机床、输送机、通风机、农业机械和纺织机械
综合考虑各种传动方案的优缺点特别是制造成本和运行精度以及寿命、使用场合等，结合传动比的实际情况，本设计最终选定的方案是方案二。
其运动简图如右图所示。
3.2执行机构设计
对本设计，要求屏幕依次经历均匀摆动加速、圆周转动、摆动减速三个阶段，与连杆机构在不同杆长条件下的运动特性相似。
因此本设计采用连杆机构改变杆长的方法获得不同运动特性的连杆机构，通过控制对应时间下的杆长，使杆长、连杆机构位置、转动基准与转动角度相对应，进而满足不同时间下摆动角度或转动的要求。
但要注意的是，由于连杆机构的摇杆在摆动时仅限于单向摆动，需在其上再增加角度放大装置。
因此，总的传动方案是由电动机通过一级带传动、一级蜗轮传动和一级齿轮传动带动曲柄摇杆机构或双曲柄机构ABCD转动，再通过一级齿轮传动放大角度带动屏幕左右晃动以及整周转动。
因此，执行机构设计的核心是对主动杆杆长改变的设计，综合考虑各方面，在改变杆长上，提出了以下三种主要方案：
方案一：
行星轮系和螺旋机构来改变曲柄AB的长度。
在此机构中，行星轮绕涡轮轴线公转并丝杠绕自身轴线转动，在转动中实现了主动杆AB杆长的增加。
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，只适用于小功率传动；杆长连续改变，不能比较精确地满足摆动时摆角变化的要求，且整周转动时杆长依然增加，运动不稳定。
方案二：
行星轮系和凸轮机构改变曲柄AB的长度。
在此机构中，行星轮绕涡轮轴线公转并圆柱凸轮绕自身轴线转动，在转动中实现了主动杆AB杆长的增加。
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：
动载荷较大，传动效率较低；凸轮转动回程较困难；整周转动时不能保持AB长度不变。
方案三：
凸轮机构相对转动来改变曲柄AB的长度。
主视图
右视图
立体图
在此机构中，连杆与凸轮在齿轮啮合传动时利用变位修正在保证中心距不变的条件下出现转速差，利用主动杆相对于凸轮的转动实现主动杆杆长的改变。
优点：
工作较为精确，能较为准确地实现运动规律，成本不高，结构灵活，适应性强。
缺点：
机构复杂，距离精确运动仍有一定差距。
经综合对比，尽管方案一、方案二具有结构、成本上的优势，但运动效果不理想，而方案三虽然结构占用空间较大，但成本不太高、运动效果较好。
因此，执行机构选定为方案三。
四、机构及运动参数的确定
机械工作原理图如方案三主视图。
传动机构的顺序：
电动机——V带传动——蜗轮传动——齿轮传动——四杆机构——齿轮放大——屏幕
工作时序图为：
时间
0
0~2min20s
2min20s~6min
6min~6min40s
6min40s
动作
启动
摆动
周转
减速
停止
机械运动循环图为：
传动比的分配和计算
转速
传动比
传动比分配
i1
i2
i3
凸轮
2.85r/min
10000/19
2.5
50
80/19
主动杆
3r/min
500
2.5
50
80/20
传动零件选择
V带
直径
蜗轮蜗杆
齿数
大轮
150
蜗杆
1
小轮
60
蜗轮
50
齿轮
模数
压力角（度）
齿数
1
m=2
α=20
80
2
80
3
20
4
19
连杆机构尺寸设计：
杆或机架
AB
BC
CD
AD
长度
45-100
300
100
300
要特别注意的是，由于曲柄摇杆机构中摇杆在摆动时左右摆动的不均匀性以及摆动中心不断变化，通过编写程序，我们发现在连杆和机架长度相等时，其长度越长，摆动的不均匀性越不明显，在连杆及机架长度为摇杆或曲柄最大值的3倍时，初始摆动中心角为98°，偏差已比较小，而再增加连杆及机架长度时初始中心角较小并不明显。
因此以摇杆对机架转角94°对应屏幕竖直位置。
为保证摆动角度均匀增加以及杆长变化不太剧烈，通过编程，得到全部杆长下的摆动角度，从其中取出具有代表性的摆角和杆长进行凸轮的设计,。
具体数据见另附文件“数据”，计算程序见附录。
从中取出的数据点如下：
AB长度
AB转动总角度
AB相对凸轮转动角度
摇杆相对94°摆角
屏幕摆角
45
0
0
0
0
46.4
124.42
6.221
32.5
65
60
299.32
14.966
36.5
73
68.8
482.52
24.126
43.5
87
74.2
657.42
32.871
45.6
91.2
78.4
840.72
42.036
50.6
101.2
82.9
1015.62
50.781
54.1
108.2
85.2
1198.42
59.921
58
116
88.8
1373.82
68.691
61.9
123.8
91.2
1555.32
77.766
66.1
132.2
93.5
1731.82
86.591
70.1
140.2
96.8
1911.72
95.586
74.1
148.2
97.1
2089.92
104.496
78
156
99.5
2268.22
113.411
81.3
162.6
99.3
2447.92
122.396
86.2
172.4
100
2520
126
90
180
100
2880
144
180
180
100
3240
162
180
180
100
3600
180
180
180
100
3960
198
180
180
100
4320
216
180
180
100
4680
234
180
180
100
5040
252
180
180
100
5400
270
180
180
100
5760
288
180
180
100
6120
306
180
180
100
6480
324
90
180
94.8
6585.9
329.295
74.1
148.2
78.4
6778.1
338.905
61.9
123.8
64
6969.4
348.47
50.6
101.2
46.7
7163.5
358.175
36.5
73
45
7200
360
0
0
设计出的对心直动滚子推杆几何封闭盘形凸轮机构如下图所示：
五、运动结果分析
本设计运动分析主要是摆动角度的分析。
（1）摆动加速阶段
以从动杆对机架转角为94°为屏幕竖直位置，从45mm到100mm杆长的摆角数据中抽出，使摆角基本上均匀增加，并使主动杆长度不出现较大波动。
模拟结果如下图所示：
由图像可以看出，随着主动杆与凸轮的相对转动，摆角实现了较为均匀的增加，与设计要求符合较好。
（2）减速阶段
基本数据从加速摆动过程中抽出，并加以反向处理，以使凸轮外形较为光滑。
模拟结果如下图所示：
（3）转动周期内摆角分布情况
由图像可以看出，随着主动杆与凸轮的相对转动，首先是摆角较为均匀的加速阶段，其次是180°整周转动阶段，最后是减速阶段，整个过程拥有较高的准确度，与设计要求符合很好。
六、设计心得
在这次课程设计的过程中，感触最深的就是为了完善我们的成果查阅了很多书籍，资料，加深了C语言编程的使用、以及CATIA、AutoCAD等绘图软件的使用。
经过小组研讨，我们掌握了连杆与凸轮机构的基本原理以及其运动规律及特点。
在作业进行过程中，我们小组合理分工，加强了团队协作，在互助进步中理论知识逐步完善。
本次的作业给了我们一次锻炼机会，从理论到实践，每一步都环环相扣，每一个结果都息息相关，最终在我们共同的努力下完成了本次课程设计。
这次的课程设计我们走了很多弯路，但总算是顺利的完成了，学习到的东西也很多，它让我们受益匪浅。
【参考文献】
1、裘建新.机械原理课程设计指导书.北京：
高等教育出版社，2004
2、孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理.第七版.北京：
高等教育出版社，2005
3、邹慧君.机械原理课程设计手册.北京：
高等教育出版社，1998
4、邹慧君.机械运动方案设计手册.上海：
上海交通大学出版社，1994
附录
附录1：
连杆计算程序
计算不同连杆和机架长度时摇杆初始中心角以及计算不同曲柄长度时各参数值程序
#include
#include
intmain（）
{
doubles1,s2,s3,s4;
s1=40;
s2=500;
s3=100;
s4=500;
doublezhong,jia,you,zuo,du3,du1,u,m;
doublepi=180/3.141592653;
inti,j;
FILE*p;
p=fopen（"data.txt","w+"）;
u=90.0;
for（i=0;i<601;i++）
{
fprintf（p,"\n%.1lf\t",s1）;
printf（"\n%.1lf",s1）;
du1=acos（（s4*s4+（s1+s2）*（s1+s2）-s3*s3）/2/（s1+s2）/s4）;
du1=du1*pi;
du3=acos（（s4*s4-（s1+s2）*（s1+s2）+s3*s3）/2/s3/s4）;
du3=du3*pi;
you=180-du3;
printf（"%.2lf\t%.2lf\t",du1,you）;
fprintf（p,"%.1lf\t%.1lf\t",du1,you）;
du1=acos（（s4*s4+（s1-s2）*（s1-s2）-s3*s3）/2/（s2-s1）/s4）;
du1=du1*pi;
du3=acos（（s4*s4-（s1-s2）*（s1-s2）+s3*s3）/2/s3/s4）;
du3=du3*pi;
zuo=180-du3;
printf（"%.2lf\t%.2lf\n",du1,zuo）;
fprintf（p,"%.1lf\t%.1lf\t",du1,zuo）;
jia=zuo-you;
printf（"%.1lf\t",jia）;
fprintf（p,"%.1lf\t",jia）;
fprintf（p,"%.1lf\t",jia/2+you）;
s1=s1+0.1;
}
return0;
}
附录2：
凸轮计算程序
凸轮计算程序
L1=[45,46.4,60,68.8,74.2,78.4,82.9,85.2,88.8,91.2,93.5,96.8,97.1,99.5,...
99.3,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,94.8,78.4,64,...
46.7,45];%主动杆的变化
theta=[0,6.221,14.966,24.126,32.871,42.036,50.781,59.921,68.691,77.766,...
86.591,95.586,104.496,113.411,122.396,126,144,162,180,198,216,234,...
252,270,288,306,320,329.295,338.905,348.47,358.175,360];
%主动杆相对于凸轮转动的角度
L1=L1+15;
fori=1:
32
y（i）=L1（i）*cosd（theta（i））;
x（i）=L1（i）*sind（theta（i））;
end
L1=L1';
theta=theta';
scatter（x,y）;
holdon;
plot（x,y）;
gridon;
15
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