汽车风窗刮水器机构设计(共28页)

精选优质文档-倾情为你奉上机电工程系课程设计说明书专 业：机械电子工程课 程：机械原理课程设计姓 名：廖聪学 号：班 级：15级机械电子工程2班时 间：2017. 06. 262017. 06. 30专心-专注-专业目 录234566770设计任务书一、设计任务汽车风窗刮水器机构二、课程设计的目的1、进一步巩固和加深我们所学的理论知识，并将它们应用于实际机构的分析研究和设计中，培养我们分析问题、解决问题的能力。2、使我们得到机械运动方案设计的完整训练，并具有机构选型、组合以及确定传动方案的能力，培养我们开发和创新机械产品的能力。3、使我们对于机械的运动学分析和设计有一较完整和系统的概念。4、进一步提高我们的设计计算、分析、绘图、表达和使用技术资料的能力。三、原始条件1、工作条件（1）曲柄AB由电机通过减速器带动单向转动；（2）刮水器左右摆动角=120；（3）刮水器左右平均速度相等，无急回特性； 2、精度与误差要求摆角允许误差：5%3、原始数据：组数曲柄转速1lCD120r/min60mm120225r/min60mm120330r/min60mm120430r/min65mm120本设计小组为第3组数据。四、任务图示图1 汽车风窗刮水器机构五、要求（1）针对题目查阅、收集和研究与设计内容相关的参考文献与资料，在功能分析的基础上，拟定出至少两种机械系统运动方案；进行分析对比、评价选优，确定设计方案； （2）机械系统中各机构的运动尺寸设计和有关结构参数的确定。（3）绘制机械系统运动简图。（4）用解析法对主体机构各位置（一个运动循环）进行运动分析，绘制主体机构执行构件的运动线图；用相对运动图解法对主体机构某一位置进行运动分析，并将结果与解析法比较。（5）编写设计计算说明书。第一章 机械方案的设计与选择1.1 功能要求 根据任务书的要求和汽车风窗刮水器机构的工作实际，确定刮水器机械系统的功能要求。（1）曲柄AB由电机通过减速器带动单向转动；（2）刮水器左右摆动角=120；（3）刮水器左右平均速度相等，无急回特性； 刮水器的启动与停止由控制系统控制，不在本课程设计范围。1.2 机械方案的设计与选择1、方案1：图2 方案1结构草图对心曲柄滑块机构没有急回特性，但从动件作滑块来回直线往复运动，需要将其转化为往复摆动的运动，为此，方案1主要包括以下两组机构：（1）对心曲柄滑块机构由主动件AB杆、连杆BC、滑块3和机架组成。滑块的两个极限位置为C1和C2。（2）移动转块导杆机构由移动转块4、摆杆5组成，其中转块与滑块4通过活动铰链相连，跟随构件4作平动，同时也作转动，带动摆杆5来回摆动。特点分析：（1）传动角分析图3 曲柄滑块机构传动角分析图一般曲柄滑块机构传动角分析见图，最小值为=90处，图中最高点cosmin=a+eb本方案第一机构为对心曲柄滑块机构，偏心距，e=0， cosmin=ab可见，对心曲柄滑块机构最小传动角可以通过曲柄和连杆的长度来控制，容易满足最小传动角的要求。不计转动导杆4与摆杆5之间的摩擦，第二机构的传动角始终为90，传动性能较好。（2）结构分析方案1需要设置尺寸较大的滑轨，给构件3定向，加工复杂。（3）受力与功率分析方案1中，滑块3与机架导轨之间、摆杆与移动转块之间可能存在严重的摩擦，使功率损耗严重，增加润滑系统则会显著增加开发和使用成本。如果移动副之间过脏或出现卡滞，甚至造成损坏电机的严重后果。总之，方案1具有传动性能较好，最小传动角容易控制的优点；但机构相对复杂，摩擦损耗大，可靠性较差等缺点。2、方案2图4 方案2结构草图方案2由曲柄1、连杆2,、摆杆3、机架组成，构成曲柄摇杆机构，摆杆3的铰链中心在曲柄中心上方，曲柄铰链中心A与连杆BC的C点两个极限位置共线，显然，该机构极位夹角=0，则K=180+180-=1机构无急回特性。特点分析：（1）该方案全部采用转动副，只要满足传动角要求，功率消耗较小。（2）该方案采用转动副，结构简单，工作可靠，满足汽车恶劣气候条件（工作在雨雪天气）下工作的要求。（3）该方案摆杆CD段处于转动副D点下端，尺寸较小，而工作段在上端，传动机构结构紧凑。3、方案确定通过两种方案的特点分析，综合考虑机构的使用要求、可靠性、经济性等因素，确定本设计采用方案2。计 算 及 说 明结 果第二章 机构结构设计2.1 原始数据原始数据：1=30r/minlCD=60mm=120图5 图解法设计机构2.2 图解法设计机构建立如图坐标系OxyC1C2=2lCDsin2=103.92mm在C1C2的延长线上选取一点A作为曲柄固定铰链中心，设C1A=300mm，则C2A=C1A-C1C2=196.08mm根据机械原理公式5-11AB=C1A-C2A2=51.96mmBC=C1A+C2A2=248.04mm由图示可知：yD=lCDcos2=30mmxA=lCDsin2+BC-AB=248.04mm所以AD=yD2+xA2=249.85mm2.3 解析法设计机构图6 解析法设计机构=180K-1K+1=0DC1C2中，C1C2=2csin2AC1C2中，C1C22=b+a2+b-a2-2b+ab-acos将C1C2=2csin2带入上式得2csin22=b+a2+b-a2-2b+ab-acos由于=02csin22=b+a2+b-a2-2b+ab-a方程有无穷多解，含两个未知数，可假定一个a，再求解b。为了与图解法比较设计结果，设a的长度为图解法的求解结果：a=AB=51.96mm根据公式求解 b则b=BC=248.04mm根据图5，求出d=AD=249.85mm第三章 机械系统运动简图绘制3.1选定比例尺uL=运动尺寸的实际长度图上所画的长度mmm或mmmm本方案选取uL=1mmmm3.2运动简图绘制（1）建立坐标系Oxy，以下按比例尺作图（2）根据yD=30mm，在y轴正方向确定D点铰链中心（3）根据xA=248.04mm，在x轴正方向确定A点铰链中心（4）根据AB=51.96mm，以A点为圆心，AB为半径画圆，与x轴交点分别为B1和B2。（5）根据=120，以D点分别作与y轴成60的斜线，交x轴分别为C1和C2。图9 本方案机构运动简图绘制第四章 解析法运动分析4.1 建立机构位置方程按照一般曲柄摇杆机构建立机构位置方程：图10 曲柄摇杆机构位置矢量（1）原点通过𝐴，𝑥轴沿机架𝐴𝐷方向，建立如图直角坐标系Oxy。（2）建立封闭矢量环如图L1+L2-L3-L4=0（3）建立矢量投影位置方程l1cos1+l2cos2-l3cos3-l4=0l1sin1+l2sin2-l3sin3=0给定1，则变量为2和34.2位置方程求解（消元法）上式方程可变为l2cos2=l4-l1cos1+l3cos3l2sin2=-l1sin1+l3sin3上式两边平方相加消去2l22=l12+l32+l42-2l1l4cos1+2l3l4-l1cos1cos3-2l1l3sin1sin3设A=2l3l4-l1cos1；B=-2l1l3sin1C=l12+l32+l42-l22-2l1l4cos1则方程为：Acos3+Bsin3+C=0将cos3=1-tan2321+tan232sin3=2tan321+tan232带入上式，解出3=2tan-1BA2+B2-C2A-C同理解得2=tan-1l3sin3-l1sin1l4-l1cos1+l3cos33表达式中负号代表下图所示位置，由于四杆机构为平面四杆机构，机构运动状况不可能出现此情况，所以：图11位置方程的假根3=2tan-1B+A2+B2-C2A-C2=tan-1l3sin3-l1sin1l4-l1cos1+l3cos34.3位置方程求解（几何法）图12 位置方程的几何法求解lBD=l12+l42-2l1l4cos1因为lBDsin1=l1sin1所以1=sin-1l1sin1lBD三角形BCD中，可求出22=cos-1lBD2+l32-l222lBDl33=-1-2因为l2sin2=-l1sin1+l3sin3所以2=sin-1l3sin3-l1sin1l2显然，采用几何法求解过程，运算相对简单。4.4 建立速度方程并求解对位置方程求导得速度方程：-l22sin2+l33sin3=l11sin1l22cos2-l33cos3=-l11cos1变换后得：-l22sin2cos2+l33sin3cos2=l11sin1cos2l22cos2sin2-l33cos3sin2=-l11cos1sin2两式相加消去23=l11sin1-2l3sin3-2同理可得2=l11sin1-3l2sin3-2用矩阵形式表示，则为-l2sin2l3sin3l2cos2-l3cos323=l11sin1-l11cos14.5 建立加速度方程并求解对速度方程求导得加速度方程（1=0）：-l112cos1-l2sin22-l2cos222=-l3sin33-l3cos332-l112sin1+l2cos22-l2sin222=l3cos33-l3sin332采用消去法可求出2和3。3=l222+l112cos1-2-l332cos3-2l3sin3-22=l332-l112cos1-3-l222cos2-3l2sin2-3用矩阵形式表示，则为-l2sin2l3sin3l2cos2-l3cos323=l2cos2-l3cos3l2sin2-l3sin32232+l112cos1l112sin14.6 运动分析程序根据位置、速度、加速度方程编制运动分析程序，程序源文件见第六章。选取1=45作为分析位置，得出 第五章 图解法运动分析5.1 选取分析位置可以任选一位置进行图解法运动分析，并与解析法的结果进行比较。我们选取1=45作为分析位置。5.2 分析位置机构运动简图绘制图13 分析位置机构运动简图（1）选取uL=1mmmm（2）根据l4确定AD铰链中心（3）根据l1和1=45确定铰链B的位置（4）以B为圆心，以l2为半径画圆弧，以D为圆心，以l3为半径画圆弧，两圆弧的交点为铰链C的位置5.3 速度分析vB=1l1=108.83mm/s矢量方程：vC=vB+vCB图14 图解法速度分析选择一点p为极点，根据速度比例尺作矢量pb代表vB（pb=vBuv）；过b作垂直于BC的射线；过p作垂直于CD的射线；两射线交于c。pc代表C点绝对速度值； bc代表C点相对于B点的速度值。计算2和3与解析法结果相比较，可以看出，求得的结果与解析法基本一致，由于作图难免带来误差，图解法的精度相对较低。5.4 加速度分析矢量方程：C=B+CB即 Cn+Ct=B+CBn+CBt大小 32lCD ？ 12lAB 22lBC ?方向 DC DC AB BC BC 图15 图解法加速度分析（1）选择一极点p，根据加速度比例尺作矢量pb代表B（pb=12lAB/ua）,方向为平行于AB；（2）以b开始作bb矢量，大小为22lBC/ua，方向平行于 BC；（3）以b开始作一射线，方向垂直于 BC；（4）以p开始作矢量pc代表Cn（pc=32lCD/ua）,方向为平行于CD；（5）以c开始作一射线，方向垂直于CD；（6）两射线交点为c；CBt=2lBC=bcuCt=3lCD=ccu与解析法结果相比较，可以看出，求得的结果与解析法基本一致，由于作图难免带来误差，图解法的精度相对较低。第六章 计算机编程机构运动分析的解析法结果利用Matlab编程实现计算机自动运算。6.1 交互界面设计利用Matlab设计GUI界面图16 软件界面设计左侧为参数输入系列控件，参数监控用于输入1的角度值，并观察对应2，3，2，3的结果。右侧为2，3，2，3，2，3曲线观察axes控件。6.2 数据输入有效性检验参数输入系列控件输入值必须为数值型，如果为字符型，则需要提示用户重新输入。在相应回调函数callback中输入以下代码：user_entry=str2double(get(hObject,String)if isnan(user_entry)errordlg(请输入数值,你输入错误.)end6.3 主程序设计主程序在“开始计算”按钮的回调函数中编写，将1按照1度递增求取360个位置的速度、加速度特征值。主程序如下：hd=pi/180;du=180/pi;global omega1 l1 l2 l3 l4;% -获取控件数据l1=str2double(get(handles.L1VALUE,String);l2=str2double(get(handles.L2VALUE,String);l3=str2double(get(handles.L3VALUE,String);l4=str2double(get(handles.L4VALUE,String);% -下面为选择1popup_sel_index = get(handles.W1VALUE, Value);switch popup_sel_index case 1 omega1=20; case 2 omega1=25; case 3 omega1=30; case 4 omega1=35; case 5 omega1=40; case 6 omega1=45;end% -计算铰链四杆机构位移，角速度，角加速度for n1=1:361 phi1(n1)=(n1-1)*hd; Lbd=sqrt(l4*l4+l1*l1-2*l4*l1*cos(phi1(n1); sita1=asin(l1/Lbd)*sin(phi1(n1); sita2=acos(-l2*l2+l3*l3+Lbd*Lbd)/(2*l3*Lbd); if sita20 sita2=sita2*pi; end phi3(n1)=pi-sita1-sita2;% -计算l3角位移 phi2(n1)=asin(l3*sin(phi3(n1)-l1*sin(phi1(n1)/l2);% -计算l2角位移 A=-l2*sin(phi2(n1),l3*sin(phi3(n1);l2*cos(phi2(n1),-l3*cos(phi3(n1); B=l1*sin(phi1(n1);-l1*cos(phi1(n1); omega=A(omega1*B); omega2(n1)=omega(1);omega3(n1)=omega(2);% -计算角速度 A=-l2*sin(phi2(n1),l3*sin(phi3(n1);l2*cos(phi2(n1),-l3*cos(phi3(n1); B=omega1*omega1*l1*cos(phi1(n1);l1*sin(phi1(n1); C=l2*omega2(n1)*cos(phi2(n1),-l3*omega3(n1)*cos(phi3(n1);l2*omega2(n1)*sin(phi2(n1),-l3*omega3(n1)*sin(phi3(n1); alpha=A(C*omega+B); alpha2(n1)=alpha(1);alpha3(n1)=alpha(2);% -计算角加速度End% -绘图，转换为度、弧度/秒、弧度/平方秒axes(handles.axes5);plot (phi2*du)axes(handles.axes6);plot (phi3*du)axes(handles.axes1);plot (omega2*2*pi/60)axes(handles.axes2);plot (omega3*2*pi/60)axes(handles.axes3);plot (alpha2*2*pi/3600)axes(handles.axes4);plot (alpha3*2*pi/3600)% -绘图% -关键数据观察，转换为度、弧度/秒、弧度/平方秒set(handles.edit2,String,roundn(omega2(91)*2*pi/60,-4)guidata(hObject,handles);set(handles.edit3,String,roundn(alpha2(91)*2*pi/3600,-4)guidata(hObject,handles);set(handles.edit4,String,roundn(omega3(91)*2*pi/60,-4)guidata(hObject,handles);set(handles.edit5,String,roundn(alpha3(91)*2*pi/3600,-4)guidata(hObject,handles);% -关键数据观察6.4 结束退出程序设计在回调函数中，输入以下代码：selection = questdlg(Close get(handles.figure1,Name) ?,. Close get(handles.figure1,Name) .,. Yes,No,Yes);if strcmp(selection,No) return;enddelete(handles.figure1)1=30r/minlCD=60mm=120CD=60mmAB=51.96mmBC=248.04mmAD=249.85mmAB=51.96mmBC=248.04mmCD=60mmAD=249.85mmuL=1mmmm总 结经过一个星期的努力，我们终于将机械设计课程设计做完了。作为机械电子工程大二的学生，我们觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。在已度过的大二的时间里我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去锻炼我们的实践能力？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当数查阅大量的设计手册了。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅机械设计手册是十分必要的，同时也是必不可少的。我们是在作设计，但我们不是艺术家。他们可以抛开实际，尽情在幻想的世界里翱翔，我们是工程师，一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。作为一名专业学生掌握一门或几门制图软件同样是必不可少的，由于本次大作业要求用autoCAD制图，因此要想更加有效率的制图，我们必须熟练的掌握它。虽然过去从未独立应用过它，但在学习的过程中带着问题去学，我发现效率好高，记得大一学CAD时觉得好难，就是因为我们没有把自己放在使用者的角度，单单是为了学而学，这样效率当然不会高。边学边用这样才会提高效率，这是我作本次课程设计的第二大收获。但是由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。