全国大学生机械创新设计大赛

第五届全国大学生机械创新设计大赛作品说明书学校全称：上海市同济大学作品名称：康乐马申报者姓名：王世元、刘玉炯、弓鹏伟孙通、潘强标指导老师：訚耀保2012年5月康乐马设计说明书设计者：王世元，弓鹏伟，刘玉炯，孙通，潘强标指导老师：訚耀保（同济大学机械工程学院，上海，201804）作品内容简介“康乐马”是一个以人工脚踏为动力的四脚步行机械马。这机械马以健身，休闲娱乐为设计主题。“康乐马”结构上分成主体框架，马腿和脚踏传动三大部分。主体框架使用铝合金材料，即达到强度要求也减轻整体重量，框架上安装有齿轮，链轮等机构传递动力给四个马腿。马腿采用对称布置，但行走时仿照真正马的方式，四个马腿相互错开行走，并且马腿抬腿，收腿速度不同，实现了“康乐马”在行走时重心始终不变，保持行走时的平稳。脚踏传动部分我们沿用现有自行车脚踏的结构，链条链轮的方式传动，安装方便的同时也节约成本。“康乐马”采用仿生设计，人骑在上面以脚踏的形式提供动力，然后通过传动机构带动机械马的四肢从而实现前进后退。由于仿照马行走时四肢的相互平衡协调的特性，本作品相比于现在使用的自行车，人坐在上面将会很舒适的越过泥泞，草地,沙地等不平稳的路面，即使马蹄踩到石头等物品也不会出现翻侧的情况。本作品操作简单，只要坐上去就会操作，完全不用像自行车得经过学习才能使用，是老小皆宜的大众化产品，而且以人力为动力的机械马完全不受能源的限制，并且不会对周围环境造成污染，同时它体积小，只要有小块空地就能使用，可以是家里使用的健身工具，也可供小区里人们休闲娱乐。1.研制背景和意义目前城市里的人大部分都没机会在生活接触到真正的马，更不用说骑上真正的马奔驰在草原上。同时忙碌的都市生活也只能让人在空闲时在健身房里重复着单一的动作来运动运动手脚。这样单调乏味的生活可以因“康乐马”这一发明而改变。“康乐马”仿照马的外形让人有一种亲近大自然的感觉，让人不自觉的爱上骑马。同时“康乐马”结构简单，相对于市场上的健身器材，不仅价格低廉，而且也为携带提供了方便。使用者可以“康乐马”带到小区的草地上，一边观赏自然，一边脚踏着“康乐马”锻炼身体。由于体积小，重量轻，康乐马可以使用在小区和家里，极大的扩展了健身器材的使用范围。2.设计方案2.1整体设计方案康乐马整体按功能分为三部分，分别为支撑架，行走机构和传动机构。支撑架一方面承受人的重力，将其传给腿，另一方面给其他机构提供一个相对静止的机架。支撑架分为前段、中段、后段。其中，前段后段分别放置前后腿及前后传动变速齿轮。中段安置安置座子和脚踏机构。行走机构即腿的机构，由两组四杆机构构成，由脚踏机构传来的动力驱动。传动部分分为链条传动和齿轮传动，安置在机架内部，将人脚产生的扭矩传递到四条腿的主动件上。整体结构如图各主要参数如下表项目参数总长1400mm总宽660mm总高900mm每步长度300mm行走速度216m/h1效率0.7822.2腿的设计方案由于腿是整个机构的执行部分，又是整个马的承重部分，因此，腿的设计至关重要。首先，要保证腿上脚的部分运动轨迹尽量拟合直线，并且使抬脚的时间尽量短，触地的时间长，这样有利于保证行走的平稳。其次，单独的平面结构容易使腿在承重时左右弯曲，也会是关节处受力加大。解决第一个问题，马的腿部机构采用两个四杆机构构成，由同一个主动件驱动，只有一个自由度，如下图所示。项目尺寸（mm）110022953180428051306410742084209331经反复的仿真实验，确定各部分尺寸解决第二个问题，马腿的结构采用空间杆组来加强其稳定性。如图所示2.2.1关节的设计：为了实现马迈步的灵活性和减小摩擦，马腿关节加装轴承。关节由套筒、轴、轴承、耳及螺母组成，结构如下图。222架子的设计：架子由四部分组成，各个部分由矩形钢管焊接而成，其中，为了保证三角架受力的均衡，将三角拉杆置于架子中部。各部分零件如下图所示Iflfl223传动部分设计方案：传动部分主要由两部分组成，第一部分为链条传动，将人脚产生的扭矩传递到前面架子上的齿轮；将前面架子上的扭矩传递到后面架子上的齿轮。链条具有不受传递距离限制的优点，因此采用链条传动，这样可以使得脚踏的位置可以随意安置。第二部分为齿轮传动，将链条传来的扭矩变速后传递到四杆机构的原动件。整体布置如下图。变速齿轮设计：为了保证运动的平稳，马的抬腿时间应尽量短，这样，出现三条腿着地的时间就会很短，大部分时间是四条腿平稳移动。为了实现这个特点，在传动上设计了变速齿轮，以使在马腿抬高的相位内加速。变速齿轮如下图。3理论设计计算3.1查资料可知普通成年人可以提供200w左右的动力。普通成年人正常情况下蹬自行车为60r/min。即P=200wn=60r/mini=5链轮传递效率1=0.94齿轮传递效率2=0.94滚动轴承传递效率3=0.94设定：脚踏轴为0轴，前腿齿轮主动轴为I轴，前腿齿轮被动轴为II轴因为后腿的齿轮轴是由前腿的链条带动，因此有功率损失，受力比前腿的轴小，故只需校核前腿的轴。传动比计算：根据运动循环图可以求出变速齿轮的传动比。设加速齿轮传动比为a，则慢速时传动比为1/a，加速时间为ti=0.2t,慢速时间t2=0.8t加速相位为136,慢速相位2241360.得a=1.562240.8因此，链条传动比b=i/a=3.20轴nd=60r/min山=也=18.75r/mimb(3)n轴沁2r/min1.56各轴的输入功率0轴Pd=200w1=0.94I轴分别传递到两条两条，每一个链条传动包括一个链条传动，一对轴承2二0.88n轴包括两队轴承和两对齿轮传动，但与两队齿轮单独啮合P2二R21241.4w各轴的理论转矩0轴Fd0.2Td=9550=955032N.mnd60I轴TCWCFCLLC0.094.“aT=9550-=955047.87N*m1n118.75n轴F00414T=95502二955033N*m川n212各轴运动和动力参数汇总表轴号理论转速(r/min)输入功率(w)输入转矩(Nm)传动比0轴60200323.2第1轴18.759447.871.56第II轴1241.4333.2轴承设计计算马腿上的1轴承校核:因为本作品的功率不大，故根据本作品极限位置的受力来校核轴承强度。轴的内径d=20mm且支承处只受径向载荷，初选深沟球轴承的型号为61804查表得C4030NGr2320NFrlfr轴承受力1. 根据受力可得2. 因F=1500N故R=Fr2=750N初步计算当量动载荷P,根据式P=fp(XFr+YFa)按照表13-6，受轻微冲击，选fp=1.2。因只受径向载荷，X=1,Y=0.P=1.2X1X750=900N根据式(13-6)，求轴承应有的基本额定动载荷值C=700N于设计手册上的额定动载荷Cr=4030N额定静载荷G=2320N故符合强度马腿上的轴承2校核:2.因为本作品的功率不大，故根据本作品极限位置的受力来校核轴承强度。轴的内径d=15mm且支承处只受径向载荷，初选深沟球轴承的型号为61802查表得C2200NGr1260N轴承受力3. 根据受力可得4. 因F=1500N故Fr1=Fr2=750N初步计算当量动载荷P,根据式P=fp(XFr+YFa)按照表13-6，受轻微冲击，选fp=1.2。因只受径向载荷，X=1,Y=0.P=1.2X1X750=900N根据式（13-6）,求轴承应有的基本额定动载荷值C=P=700N于设计手册上的额定动载荷Cr=2200N额定静载荷C0=1260N故符合强度3.2轴的设计计算3.2.10轴上的功率P、转速nd、转矩TdP=200wnd=60r/minTd=32N-m估算轴的最小直径低速轴选用材料：45号钢，调质处理。取Ao=11233dmin亠A）11216.7mm；nd,60由于需要考虑轴上的键槽放大，二dmin=20mm因该轴较短，故由上面的剪切强度计算已可以。322I轴上的功率R、转速m、转矩T1P1=94wNi=18.75r/min=47.87Nm估算轴的最小直径低速轴选用材料：45号钢，调质处理。取Ao=1123u3:P0.094dmin-氏.=11219.2mmnd.18.75由于需要考虑轴上的键槽放大，二dmin=25mm利用autodeskinventor软件的轴设计功能进行校核。轴扭应力图轴弯矩图如上图所示，弯矩和扭矩均发生在中间位置，由弯扭合成强度条件公式打caJ：；24（：）（町）24（：）W=0.1d3=1562.5mm3取=0.31.18241031562.5)24(0.37.8016)2=4.7MPa轴的材料为45钢，其【J】=55MPa，所以二ca+J，满足要求323II轴上的功率P2、转速门2、转矩T2P2=41.4wN=12r/minT2=33N-m估算轴的最小直径低速轴选用材料：45号钢，调质处理取A。=112二112,0.041412=16.9mm由于需要考虑轴上的键槽放大二dmin=20mm轴II的结构Kl#mm轴弯曲应力图1轴弯矩图如上图所示，弯矩和扭矩均发生在中间位置，由弯扭合成强度条件公式ca=屆2+4（a巧）2取二=0.3；ca二.（4.0064）24（0.30.32）2=4MPi轴的材料为45钢，其厂=55MPa，所以二ca+J，满足要求3.3齿轮设计计算1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1）根据传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。7级精度（2）运输机为一般工作状态的机器，转速不高，故齿轮选择（3）材料选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度280HBS大齿轮材料为45#钢（调质）HB=240（4）选小齿轮的齿数乙=39;则大齿轮齿数Z2=61（5）输入功率按0.2kw计算2、按齿面接触疲劳强度设计（1）确定公式内的各计算数据1）、试选Kt=1.3;去失效概率1%,安全系数S=1,二H12）、T=9550旦=95500002,9.5510、选取d=1;1、查得材料的弹性影响系数Ze=189.8MPa按齿面硬度查得小齿轮的解除疲劳强度极限二円简=600MPa大齿轮的解除疲劳强度极限；Hlim2=550MPa计算应力循环次数N1=60nLh=6020183005=1.441078N17N210.921071.56N*mm；ni20；H2=632.5MPa（2）计算1）试算小齿轮分度圆直径ditd1t-2.323=63.378mm1.39.551042.56189.8221.5660022）、计算圆周速度V=d1_=0.067m/s6010003）、计算齿宽bidd1t=163.378=63.378mm4）计算齿宽和齿高的比-h模数mt旦=邑卫8=1.63z139齿高h=2.25g=3.66mm-=17.33h5）计算载荷系数根据v=0.067m/s,7级精度，查得动载荷系数K=1.0直齿轮KH二Kf=1由表查得使用系数KA=1.25由表用插值法查得7级精度Kh1=1.422由-=17.33,K=1.422，查得Kf：=1.33h故载荷系数K=1.4226）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得dd1t3:65.31Kt7）计算模数diZi65.3139=1.673、按齿根弯曲强度设计弯曲强度计算公式（1）确定公式内的各个计算数值1）查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限6Ei=500MPa大齿轮的弯曲疲劳强度极限二FE2=380MPa2）取弯曲疲劳寿命系数Kfn1=0.92,Kfn2=0.973）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，匚F1KFN1；FE1S0.925001.4=328.57MPa；F2=263.29MPa4）计算载荷系数KK二KaKvKf”=1.665）查取齿形系数由表查得YFa1=2.40,YFa2=2.286）查取应力校正系数由表查得YSa1=1.67,绻2T.737）计算大、小齿轮的Yf显a竹密=0.0122，筈=00150-1.37321.669.551040.0122T392对比计算结果，取m=2mmZi=dl=32,Z2=321.56=50m3.4键的设计计算键的强度校核变速齿轮安装在轴的两个支撑点间，齿轮和轴的材料都是锻钢，用键构成静连接。齿轮的精度为7级，装齿轮处的轴径的=20mm齿轮轮毂宽度为28mm需传递的转矩T=95.5Nm载荷有轻微冲击。采用平键，根据d=20mn查表得的键的截面尺寸为：宽度b=6mm高度h=6mm由轮毂宽度并参考键的长度系列，取键长l=25mm根据机械设计式6-13对轴计算阶段选取的键进行校核。2T10kld因为材料都是钢，由机械设计表6-2，取Jp=ii0MPa取C型普通平键C6X28GB/T1096(b=6mmh二6mmL二25mm)键的工作长度l二Lb/2=25-6/2=22mm键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h=0.56=3mm2T103kld_295.510332220二144.9MPaIP二110MPa4工作原理及性能分析4.1迈步的机械运动循环图左前腿仃走行走仃走t恬腿右前腿左厉腿00.2t.00,25t0-5t0.75i4.2使机器运转所需要的力（保证人可以蹬的动）用mad机械设计软件分析，加载支撑力500N,摩擦力100N,分析主动件受力情况，如下图但四条腿并非同时达到最大值，在一条腿达到最大值时，其他三条腿处于负值区，起促进运动的作用，这时候，脚的力将分配到受力最大的腿上，由上面计算可知人脚提供的扭矩足够驱动。但该扭矩超过了设计时的平均扭矩T2=33Nm故需重新校核。轴扭应力图轴弯矩图如上图所示，弯矩和扭矩均发生在中间位置，由弯扭合成强度条件公式；ca-；24(:-,)2取-0.3l2n二ca=、(5.4)4(0.30.45)=5.407Mfa轴的材料为45钢，其二l=55MPa，所以匚ca：，满足要求4.3效率本机器马的机械传动效率：滚动轴承：0.995链条：0.9齿轮：0.9620总的传动效率为：n=0.9995x0.96x0.9=0.7824.4重心估计由于马左右对称，重心落到整体结构的中心面上，但由于马的四条腿迈步顺序不同，会使整体中心在中心平面上变动。一条腿的重心矩形管30*15厚度1mm表面积90mmA2钢的密度7.85g/cmA3可求出钢管线密度0.7065g/mm由公式mximy：xy二送m送m代入各杆中心坐标和相应质量，可求得重心坐标极限位置1Xi22yi2411极限位置2x2二-152.4y2二-1986可见x方向重心变化量为130.4,整个马重心移动最多的情况是架子质量为0,且四条腿同时向前迈，这时，重心变化范围就是130.4因此实际情况下整个马的重心前后变动不会超过130.4，可以通过人来调整。应用前景随着科技的发展，汽车等产品成为了人们的代步工具，而马逐渐淡出了人们的视线。尤其是城市中明确规定不准骑马，这对城市中的孩子来说，马仅仅是一个概念，只存在与课本上，更不用说体验骑马的乐趣了。基于此种情况，我们设计了这款机械马，可以让孩子们对马有个清晰认识，了解马的运动方式等，更能自己亲身体验另一番骑马的乐趣。本机械马既可以作为家庭娱乐机械，作为孩子的个人玩具，又可以放在社区、公园等作为公众娱乐机械，应用范围广泛。作品特色（1）由于运动时四条腿不同速，所以行走时会打摆，每条腿底部安置一个单向轮，使马腿随运动趋势自动调整，趋于稳定；（2）轴的运动采用变速齿轮，使马腿抬起腾空的时间缩短，从而使其运动更加稳定。（3）座位与扶手的设计参照公路自行车的设计，使人骑马时上身微微下趴，使重心靠近中间位置，便与稳定。（4）采用脚力驱动，不仅简单易操作，符合人们的日常习惯，更是使人们亲自参与之中，乐趣无穷。参考文献纪名刚机械设计（第八版）高等教育出版社.2010.11孙恒.陈作模.机械原理.高等教育出版社.2009.5杨兴骏.廖念钊.互换性与技术测量.中国计量出版社.2009.6同济大学、上海交通大学等院校.机械设计制图手册.同济大学出版社.1991.8.1王昆.何小柏.课程设计.高等教育出版社.2010.127）取接触疲劳寿命系数6h=1.0,6h=1.158）8）计算接触疲劳许用应力K厂Khn11=1.0600=600MPa