机械设计大赛说明书国赛一等奖文档格式.docx
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创新教育包含了教学形式的创新和教学理念的创新。
第六届全国大学生机械创新设计大赛（2014年）的主题为“幻·
梦课堂”；
内容为“教室用设备和教具的设计与制作”。
在比赛期间，我们小组成员设计出了具有新意和趣味的教具，一方面是想将部分我们所学运用在实践中，来加深对知识的理解，并提高我们的动手能力，以及对新的知识探索、研究的能力。
另一方面，作为教具，希望能在教学过程中辅助教师教学，提升教学质量，同时因为教具本身的创新性和趣味性，来调动广大学生参与教学的积极性。
在我们看来，教具不仅仅是为了方便老师，使学生对新的机构、新的知识点有更直观的认识，我们所设计出来的教具更多的是希望能够使学生意识到在课本中我们所学到的基本机构，随着组合与创新，能够赋予其新的美感，从而内在激发学生内在的自我创新、实践能力。
1.2研究的基本内容
根据题目要求设计出来的教具其各模块应涉及到尽量多的机械结构，然后用铜丝把所有模块串联起来，形成一个回路。
通过电机带动各机构的运动，对小球进行运输，最终实现小球的循环运动。
基于模块的空间多机构教学平台由齿轮、凸轮、变曲柄摇杆、杠杆、平行四边形等机构，加铜丝等附属连接机构组成，可实现小球提升、下降、回转等一整套完整的循环运动效果，以展示整个机构的运转原理和传动过程。
第2章总体方案
2.1设计方案拟定
根据大赛的参赛标准，我们所设计的基于模块化的空间多机构教学平台由齿轮、凸轮、变曲柄摇杆、杠杆、平行四边形等机构，加铜丝等附属连接机构组成，可实现小球提升、下降、回转等一整套完整的循环运动效果，以展示整个机构的运转原理和传动过程。
同时，该教具可以按模块进行拆装，以便老师在需要的时候，把其中的某一部分拿出来，通过手动摇手柄驱动机构运动，对学生进行详细的讲解。
如图2.1所示：
图2.1平台整体
1）
二级齿轮减速机构：
电机输
入，通过联轴器带动齿数为40的
主动大锥齿轮转动，再把运动传递
给与之啮合的齿数为20的小锥齿
轮，进行齿轮传动，我们设计了连
续两套相同的锥齿轮传动，可以实
现二级减速，输出我们所需要的速
度。
如图2.2所示：
图2.1齿轮变速机构
2）凸轮机构：
凸轮机构是一种常用高副机构，我们所设计的机构可将主动件（轴1）的连续等速的旋转运动转换为从动件（推杆1~8）的往复变速运动。
本机构中凸轮和推杆分别选取盘形凸轮和平底推杆。
盘形凸轮是一个具有变化向径的盘形构件绕固定轴线回转。
平底推杆的优点是凸轮与平底的接触面间易形成油膜，润滑较好。
首先，电机带动轴转动，通过轴的转动带动凸轮的转动，凸轮再带动相应的块体运动，由于凸轮错位，使滑块交替上升。
由于相邻凸轮的180度错位，使得前一滑块到达最高点时，后一滑块的最低点，此时，两滑块的高度相等，但由于块体上表面的倾斜角度，小球从一个块体上运动到另一个块体上。
依次进行，最终实现把小球从最低点运送到最高点的功能。
凸轮的最短径和最长径相差8mm，即每次可以使小球上升8mm的高度，而连续的8个凸轮一共可以把小球提升64mm，如图2.3所示：
图2.2凸轮机构
3）曲柄摇杆机构：
最短杆做回转运动，通过连杆把运动传递给摆杆，带动摆杆做来回摇摆运动，同时，我们在各杆件和底板上准备了很多备用的孔，可以通过调节四杆机构各杆的有效长度，实现双曲柄，双摇杆，曲柄摇杆三种运动状态之间的转换。
再通过与摇杆相连的轴带动末端执行器做急回运动，末端执行器的一端设计了一个凹槽，用来装载小球。
当末端执行器运动到最低点时，将铜丝阀门装置压下，铜丝上的小球滚入凹槽内（凹槽的体积只够容纳一个小球）。
当末端执行器运动到最高点时，由于重力和运动惯性，小球脱离凹槽，落入相应的铜丝轨道内，实现对小球的运输。
如图2.4所示
图2.4曲柄摇杆机构
4）杠杆机构：
我们所设计的该平台包含了典型的杠杆机构。
小球通过相连的铜丝运动到该机构右上角的沟槽里，由于自身的重力，小球向下滚动。
当小球运动到三角机构时，带动三角机构转动（由于有小圆柱阻挡，三角机构只能在一定范围内转动），从而让连续的小球从不同的渠道往下运动，连续的二级结构最终实现把小球分流成四路。
如图2.5所示：
图2.4杠杆机构
5）平行四边形机构：
运用平行四边形原理，实现平行两杆之间的连杆同时上升或下降，在连杆的一端制作一个凹口用以承接小球，使机构的凹口吻合，用杆将两组机构连接起来，让杆在一定角度内摆动，这样，当一组机构的连杆向上运动时，另一组机构的连杆向下运动。
小球向上运动达到最高点时，小球由一组机构的凹口滚动至另一组机构的凹口，依次交替上升，使小球由最低点运动到最高点。
如图2.5所示。
图2.5平行四边形机构
2.2创新与特色简介
此平台涉及到的知识面广，知识点多，且形式新颖，有吸引力，适合机械基础实践教学中学生亲自动手操作，感受并学习机械运动。
具体有以下4项优点：
（1）将不同机构摆放在一起，通过铜丝串联起来，一起实现运送小球的循环运动，而不是单独机构的单独演示，达到锻炼同学们对整体机构运转有更感性认知的目的。
（2）由于我们所设计的平台是模块化的，拆装非常方便，只需将起固定作用的销钉抽出来，就可以将某一机构拿出来，对该机构进行详细讲解，做到学习什么就能从中拆出什么。
（3）当把所有机构固定在底板上时，以电机为动力源，带动所有机构实现整体运转；
拆出来的时候可以通过手柄摇动单一机构转动，方便教学，做到电手两动性。
（4）各种巧妙的连接设计，新颖而富有乐趣，赋予实践教学更多的趣味。
总而言之，此次设计是针对日常教学中所涉及到的上课内容来进行的，也是为了方便广大师生对教具的使用。
创新的地方也是结合之前所用教具的不足之处来提出的。
第3章电机的选择
我们所设计的平台每个机构的动力源均为电机，一共使用了3个电机，具体分布如表3-1所示：
表3-1电机分布
编号
位置
参数
数量
1
二级齿轮减速机构
12V、75Rpm直流电机
2
平行四边形机构
12V、100Rpm直流电机
3
凸轮机构
图3.1电机位置分布
第4章动力与传动机构的设计计算与分析
4.1凸轮的设计计算分析
我们所设计的机构均为电机带动齿轮转动实现动力的传递，所选用的齿轮均为45号钢材质，具体参数见表3-5。
参考濮良贵主编的《机械设计》，以凸轮机构上的两个直齿圆柱齿轮齿轮为例进行分析
z1=36,m=1，分度圆直径d1=36mm
传递扭矩（电机输出扭矩）：
啮合角：
传动比：
载荷系数：
齿宽系数:
齿轮接触强度极限：
接触疲劳寿命系数：
安全系数：
齿根弯曲疲劳强度计算：
齿面接触疲劳强度计算：
材料的弹性硬性系数：
齿轮分度圆直径
：
，
经计算齿轮传动符合要求。
表3-5齿轮参数表
机构
名称
齿数
模数/mm
分度圆直径/mm
中心距/mm
曲柄摇杆
z1
20
30
z2
40
凸轮
z3
36
53
z4
70
平行四边形
z5
z6
4.2传动轴的设计计算分析
我们所设计的凸轮机构使用到轴的传动，参考濮良贵主编的《机械设计》，对该轴进行分析
在长度一定时，传动轴断面尺寸的选择应保证传动轴有足够的强度和足够高的临界转速。
所谓临界转速，就是当传动轴的工作转速接近于其弯曲固有振动频率时，即出现共振现象，以致振幅急剧增加而引起传动轴折断时的转速。
传动轴的临界转速为
NK=1.2*10^8*D/L^2
式中，NK为传动轴的临界转速（r／min）；
LC为传动轴长度（mm），即两万向节中心之间的距离；
Dc为传动轴的直径（mm）。
我们所设计的传动轴直径Dc=10mm，长度LC=280mm，由此，可以计算出，传动轴的临界转速为
NK=1.2*10^8*10/280^2=15306r／min
远大于电机提供的转速100r／min，可行
在设计传动轴时，取安全系数K=NK／NMAX=1.2～2.0，K=1．2用于精确动平衡、高精度的伸缩花键及万向节间隙比较小时，NMAX为传动轴的最高转速（r／min）。
轴管的扭转切应力τc应满足
τl=16DcTs/3.14*D^4≤τc
式中，[τc]为许用扭转切应力，为300MPa；
其余符号同前。
τl=16DcTs/3.14*D^4=16*10*20000/3.14*10^4=102MPa<
300MPa
故满足要求
第5章设计总结
通过这次机械创新设计大赛，让我们更加清醒的认识到，在日常学习生活中，我们要学会发现问题，并且努力尝试运用所学到的知识解决所发现的各种各样的问题，做到学以致用，这样我们的学习能力才会上升，教学水平才会提高，我们的社会才会进步！
我们所设计的多功能组合型平台，内容丰富，相较于之前已有的单一化教具，给我们的学习生活带来了更大的便利。
尤其是添加了创新的巧妙机构，大大提升了老师、学生的上课乐趣。
此教具包含的教学内容广、知识点多，各机构的运动形式非常直观，相信一定会受到广大师生的喜爱！
参考文献
[1].濮良玉，纪名刚.机械设计[M].北京:
高等教育出版社,2005.271-398
[2].郑文维，吴克坚.机械原理[M].第七版.北京:
高等教育出版社,2007.108-121
[3].朱龙根.简明机械零件设计手册[M].机械工业出版社，2005.
[4].何铭新，钱可强，徐祖茂.机械制图[M].第六版.高等教育出版社，2010.
[5].哈尔滨工业大学理论力学研究室.理论力学（I）[M].第七版.北京:
高等教育出版社2009.
[6].陈宁.机械设计基础[M].浙江大学出版社，2006.
[7].赵明岩.大学生机械设计竞赛指导[M].浙江大学出版社，2008.
[8].叶见曙.结构设计原理[M].人民交通出版社，2001.
[9].孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].高等教育出版社，2004.
[10].刘鸿文.材料力学1[M].高等教育出版社，2010.
[11]机械设计手册
附录：
（1）表
表1：
配件清单
序号
部件内容
直流电机12V、100Rpm
直流电机12V、75Rpm
开关
4
导线
若干
5
铜丝
6
直齿圆柱齿轮
7
锥齿轮
8
铝板
9
小球
10
螺栓螺母
（2）平台三维图
（3）装配图
（4）部分零件图
（5）实物图
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