機(jī)械小黃鴨的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真-機(jī)械鳥【Creo三維含10張CAD圖帶開題報(bào)告-獨(dú)家】.zip

機(jī)械小黃鴨的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真-機(jī)械鳥【Creo三維含10張CAD圖帶開題報(bào)告-獨(dú)家】.zip,Creo三維含10張CAD圖帶開題報(bào)告-獨(dú)家,機(jī)械,小黃鴨,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),運(yùn)動(dòng),仿真,Creo,三維,10,CAD,開題,報(bào)告,獨(dú)家 機(jī)械小黃鴨的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 摘 要 隨著機(jī)械化和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和不斷進(jìn)步，對(duì)人類社會(huì)也是產(chǎn)生了許許多多的影響。拿玩具行業(yè)來說，國(guó)內(nèi)的玩具行業(yè)雖然非?；馃幔沁@只是表面現(xiàn)象，其中的高端產(chǎn)品以及尖端技術(shù)都在國(guó)外，中國(guó)在這方面還是處于弱勢(shì)。而隨著機(jī)械化和自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，玩具行業(yè)也是蒸蒸日上，機(jī)械類玩具以廣東、福建為領(lǐng)頭羊而順勢(shì)發(fā)展起來了。通過將自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用到玩具的控制方面，實(shí)現(xiàn)玩具的自動(dòng)化，大大的提高了我國(guó)玩具產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的實(shí)力。 本次設(shè)計(jì)在自動(dòng)化和機(jī)械化方面研究機(jī)械小黃鴨的動(dòng)作的完成。在傳統(tǒng)機(jī)械玩具制作的基礎(chǔ)上，將自動(dòng)化技術(shù)引入玩具的的控制中，目的在于制造了一種具有自動(dòng)化控制的機(jī)械玩具。同時(shí)深入研究了本次機(jī)械小黃鴨的任務(wù)要求，同時(shí)基于軟件程序驗(yàn)證了機(jī)械小黃鴨動(dòng)作完成的正確性和可行性。 關(guān)鍵詞：機(jī)械化 自動(dòng)化 控制 玩具 Abstract With the development of mechanization and automation technology, there have been many influences on human society. It can be said that all walks of life in human society have changed dramatically because of the progress of mechanization and automation technology. In the toy industry, the domestic toy industry, although very hot, but this is only a surface phenomenon, one of the high-end products and advanced technology in foreign countries, China still at a disadvantage in this respect. With the progress of mechanization and automation technology, the toy industry is also booming, and mechanical toys have developed in the trend of guangdong and fujian. By applying the automation technology to the control of toys, the automation of toys has greatly improved the strength of our toy industry products. This design is in the automation and mechanization aspect research machinery small yellow duck's action complete. On the basis of the production of traditional mechanical toys, the automation technology is introduced into the control of toys. The purpose is to create a mechanical toy with automatic control. At the same time, the task requirement of this machine is studied deeply, and the correctness and feasibility of the operation of the mechanical yellow duck is verified based on the software program. KEY WORDS: mechanize automation control toy 目 錄 摘要 I Abstract II 1 前言 1 2 機(jī)械小黃鴨簡(jiǎn)介 2 2.1 本次設(shè)計(jì)中的小黃鴨的具體要求 2 2.2 機(jī)械小黃鴨的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 2 2.3 機(jī)械小黃鴨的結(jié)構(gòu)組成 2 3 機(jī)械小黃鴨的機(jī)械機(jī)構(gòu)原理和設(shè)計(jì) 3 3.1 頭部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 3.1.1 總體要求 3 3.1.2 原始數(shù)據(jù) 3 3.1.3 頭部機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 3 3.1.4 頭部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容 3 3.1.5 四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 4 3.1.6 電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇 4 3.1.7 傳動(dòng)比的分配 5 3.1.8 計(jì)算各個(gè)傳動(dòng)裝置的參數(shù) 5 3.1.9 蝸輪蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 5 3.1.10 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 8 3.1.11 齒輪軸的設(shè)計(jì)以及計(jì)算 12 3.1.12 設(shè)計(jì)小齒輪軸 14 3.1.13 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 3.1.14 高速軸上的功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩 15 3.1.15 蝸桿軸的設(shè)計(jì) 17 3.1.16 鍵連接 18 3.1.17 潤(rùn)滑油的選擇 19 3.1.18 聯(lián)軸器的選擇 19 3.2 翅膀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 3.2.1 翅膀機(jī)構(gòu)的總體要求 19 3.2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 19 3.2.3 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 20 3.2.4 機(jī)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算 20 3.2.5 翅膀機(jī)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算及電機(jī)的選擇 24 3.3 腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 26 3.3.1 選用凸輪機(jī)構(gòu) 26 3.3.2 臀部凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 26 3.3.3 膝關(guān)節(jié)凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 27 3.3.4 腿部機(jī)構(gòu)電機(jī)的選擇 28 結(jié) 論 30 參考文獻(xiàn) 31 致 謝 33 1 前 言 自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入人們的日常生活中，并且與不少工業(yè)生產(chǎn)有著很密切的關(guān)系，發(fā)展勢(shì)頭非常的迅速，現(xiàn)在看來也算是比較成熟的。已經(jīng)是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分之一，在整個(gè)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)都中發(fā)揮著非常之重要的作用。自動(dòng)化技術(shù)在各行各業(yè)都有著非常好的正面的影響，從在我國(guó)開始出現(xiàn)之后，并發(fā)展到現(xiàn)在，其還具有改善勞動(dòng)條件，以及提高工作的可靠性等巨大的作用。我國(guó)現(xiàn)如今正在全面地實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、信息化，以及高科技化的嶄新時(shí)代。它將會(huì)給我們帶來社會(huì)發(fā)展的更加穩(wěn)定，與更深層次的進(jìn)步。以及帶動(dòng)現(xiàn)代化生產(chǎn)效率的極大提高。因此，在現(xiàn)如今 21 世紀(jì)，積極地去探討與不斷地去深入研究當(dāng)前國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展和戰(zhàn)略目標(biāo)的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，對(duì)民生是有著十分深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)然，本次設(shè)計(jì)的主題是自動(dòng)化技術(shù)和機(jī)械化技術(shù)推動(dòng)玩具行業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)如今國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)在國(guó)際上還是處于弱勢(shì)，因此可以借自動(dòng)化的發(fā)展，來推動(dòng)玩具行業(yè)的高端化，提高該產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，并且響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，同時(shí)使該產(chǎn)品走向國(guó)際化。 機(jī)械化技術(shù)一般來說指的是在生產(chǎn)過程中直接或者間接使用電力或其他動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)或者是操縱機(jī)械設(shè)備，用來代替人力物力，也就是代替手工勞動(dòng)進(jìn)行生產(chǎn)的手段或者是措施。機(jī)械化是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、減輕體力勞動(dòng)的重要途徑。但是在本次設(shè)計(jì)中，則是深入探究機(jī)械化對(duì)玩具行業(yè)的影響。并不是指玩具加工、生產(chǎn)方面，而是玩具的制造方面。通過機(jī)械化的發(fā)展，將其運(yùn)用到玩具行業(yè)上。 10 2 機(jī)械小黃鴨簡(jiǎn)介 2.1 本次設(shè)計(jì)中的小黃鴨的具體要求 小黃鴨在我國(guó)原本是歸為橡膠玩具，毛絨玩具等類別的。本次設(shè)計(jì)是通過將機(jī)械化以及自動(dòng)化技術(shù)融入其中，使其獲得更好的發(fā)展。其中，通過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等機(jī)械機(jī)構(gòu)來保證小黃鴨實(shí)現(xiàn)點(diǎn)頭、搖頭、展翅、前進(jìn)、后退等固定動(dòng)作。同時(shí)，通過單片機(jī)技術(shù)，編寫 C 語言程序來保證小黃鴨來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的效果。 2.2 機(jī)械小黃鴨的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：加入了機(jī)械化技術(shù)，以及自動(dòng)化技術(shù)。相比于傳統(tǒng)小黃鴨玩具來說， 可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。以及我國(guó)玩具行業(yè)有了更尖端的設(shè)計(jì)。 缺點(diǎn)：由于機(jī)械化程度高，所以在經(jīng)濟(jì)性上，相對(duì)于傳統(tǒng)小黃鴨玩具來說不夠理想。 2.3 機(jī)械小黃鴨的結(jié)構(gòu)組成： 整個(gè)小黃鴨全身由金屬支架所支撐，共分為三個(gè)板塊設(shè)計(jì)。分別是頭部、翅膀以及腿部。三個(gè)板塊由金屬支架所所連接起來，構(gòu)成一個(gè)整體。同時(shí)背部設(shè)計(jì)為單片機(jī)主板的放置點(diǎn)。 3 機(jī)械小黃鴨的機(jī)械機(jī)構(gòu)原理和設(shè)計(jì) 3.1 頭部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1.1 總體要求： ①滿足使用要求，務(wù)必要實(shí)現(xiàn)頭部來回?cái)[動(dòng)； ②滿足經(jīng)濟(jì)性方面的要求； ③要求整個(gè)頭部機(jī)構(gòu)的布局合理且緊湊； ④工業(yè)方面要求簡(jiǎn)單且使用性強(qiáng)； ⑤滿足各方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。 3.1.2 原始數(shù)據(jù)： ①工作時(shí)的輸入功率：Pw=2.5Kw ②機(jī)構(gòu)擺動(dòng)的周期：T=10s ③頭部擺動(dòng)的幅度：Ψ=120° 3.1.3 頭部機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖： 圖 1 頭部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 該機(jī)構(gòu)是通過齒輪嚙合以此來達(dá)到減速的目的要求，緊接著由蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的改變這一目的，再借助由四連桿機(jī)構(gòu)所組成的雙搖桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)該整體頭部機(jī)構(gòu)的周期性擺動(dòng)。這個(gè)方案的有以下優(yōu)點(diǎn)，例如蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的傳遞準(zhǔn)確性相對(duì)來說較高，四連桿機(jī)構(gòu)總體的制作成本較低，且制作簡(jiǎn)單，而且齒輪傳動(dòng)足夠平穩(wěn)。 3.1.4 頭部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容： 四連桿機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、傳動(dòng)軸、鍵、潤(rùn)滑油以及聯(lián)軸器 3.1.5 四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)： 圖 2 四連桿機(jī)構(gòu) 因?yàn)樾枰顾倪B桿機(jī)構(gòu)能夠組成雙搖桿機(jī)構(gòu)，所以 BC 必須為曲柄，也就是充當(dāng)減速器上所帶動(dòng)的原動(dòng)件。并且減速器要放在 AB 上。根據(jù)頭部機(jī)構(gòu)整體的大小等因素考慮，我們選取連桿參數(shù)：BC=20mm，CD=160mm，且已知 AB 的擺動(dòng)幅度Ψ=120°，綜合上述已知條件并作圖可得：AD=200mm，AB=92mm， AD+BC=200mm+20mm=220mm＜AB+CD=92mm+160mm=252mm 滿足桿長(zhǎng)的條件，也滿足曲柄的存在條件。 3.1.6 電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇： 通過對(duì)工作條件以及工作要求等各個(gè)方面綜合地進(jìn)行分析，于是決定選擇使用一般用途的臥式封閉型 Y（IP44）系列三相異步電動(dòng)機(jī)。 已知：工作機(jī)所需功率 Pw=2.5Kw。且電動(dòng)機(jī)的輸出功率為：Pd=Pw/η 而整個(gè)傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)效率為： η = η1 * ( η2 ) 3 * η3 * η4 由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》表 2-2 可以得出：?jiǎn)晤^蝸桿η1=0.75； 三對(duì)軸承 η2=0.98； 聯(lián)軸器η3=0.99；齒輪η4=0.95. 故：η=0.75 *（0.98） 3 * 0.99 * 0.95 ≈ 0.6573 由此可得：Pd=Pw/η=2.5/0.6573=3.8Kw 由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》表 16-1 可選出兩種型號(hào)的電動(dòng)機(jī)，參數(shù)如表 1 所示： 表 1 電動(dòng)機(jī)型號(hào)及參數(shù) 方案 型號(hào) 額定功率 同步轉(zhuǎn)速 滿載轉(zhuǎn)速 質(zhì)量 1 Y132M2-6 5.5 1000 960 68 2 Y132S-4 5.5 1500 1440 84 如圖所示，由各參數(shù)可以得出，兩種方案都是可行的，但是根據(jù)實(shí)際分析， 方案 1 的總傳動(dòng)比相對(duì)來說較小，傳動(dòng)裝置的總體結(jié)構(gòu)較小一點(diǎn)，并且耗能小一些，故此，我選擇方案 1，電動(dòng)機(jī)型號(hào)為 Y132M2-6。 3.1.7 傳動(dòng)比的分配： 已知電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：r=960r/min 頭部搖頭周期：T=10s 因此，總傳動(dòng)比為：i=（2πr/60）/（2π/T）=160 其中，減速器采用的是單級(jí)減速方式。第一級(jí)減速采用的是蝸輪蝸桿傳動(dòng)， 而傳動(dòng)比為 62。緊接著是直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為 2.6。 3.1.8 計(jì)算各個(gè)傳動(dòng)裝置的參數(shù)： 蝸桿 N1=960r/min P1=Pd*η2*η3=3.8 x 0.99 x 0.98 =3.69Kw T1=9550 x （P1/N1）=9550 x （3.69/960）=36.7078N·m 蝸輪 N2=960/62=15.5r/min P2=P1* η 1* η 3=3.69 x 0.75 x 0.98=2.71Kw T2=9550 x（P2/N2）=9550 x （2.71/15.5）=1669.7096N·m 齒輪 N3=15.5/2.6=6r/min P3=P2* η 4* η 2=2.71 x 0.95 x 0.98=2.52Kw T3=9550 x（P3/N3）=9550 x （2.52/6）=4011N·m 表 2 各軸參數(shù) 軸號(hào) 轉(zhuǎn)速 N/(r/min) 功率 P/Kw 轉(zhuǎn)矩 T/（N·m） 蝸桿軸 960 3.69 36.7078 蝸輪軸 15.5 2.71 1669.7096 齒輪軸 6 2.52 4011 3.1.9 蝸輪蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)： ①選擇蝸輪蝸桿傳動(dòng)的類型： 根據(jù) GB/10085-1988 的參數(shù)選擇，最終選用漸開式蝸桿（ZI） ②蝸輪蝸桿材料的選擇 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 7-6 可得：蝸桿的材料選擇的是 45 鋼，所以螺旋齒面是需要進(jìn)行淬火的，硬度大約為 45-55HRC。而蝸輪用錫青銅（ZCuSn10P1）。 ③按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩： 取 Z=1，傳動(dòng)效率η=0.75，則 T2=1669709.6N·mm 確定載荷系數(shù)： 已知工作載荷相對(duì)來說是較為穩(wěn)定的，所以取齒向載荷系數(shù)系數(shù) Kβ=1;由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 7-8 選取使用系數(shù) KA=1.15;本次設(shè)計(jì)里該機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速不高，沖擊也不算大，所以取動(dòng)載系數(shù) KV=1.05。則 K = KA * Kβ * KV =1.15 x 1 x 1.05 ≈ 1.21 確定彈性影響系數(shù) ZE： 已知選擇的是鑄錫磷青銅蝸輪和蝸桿相配，因此 ZE=160MPa 確定接觸系數(shù) Zρ： 首先我們可以假設(shè)蝸桿的分度圓直徑 d1 和蝸輪蝸桿傳動(dòng)中心距 a 的比值為 d1/a=0.35，從《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖 7-14 中可以查得到 Zρ=2.9。確定許用接觸應(yīng)力［σH］： 由于已經(jīng)知道了蝸輪材料為鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1，金屬模鑄造，同時(shí)也知道蝸桿的螺旋齒面的硬度>45HRC，可從《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 7-10 中查得蝸輪的基本許用接觸應(yīng)力： ［σ^H］=268MPa 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： N=60jn2Lh=60 x 1 x 32 x （10 x 250 x 2 x 8 x 0.15）=11520000 壽命系數(shù)： KHN= 8 (10 7/11520000) = 0.9825 故［σH］= KHN *［σ^H］=0.9825 x 268=262.8MPa 計(jì)算中心距： =66.43mm 根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)算后，取 a=68.6mm，i-62，因此由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中公 式 7-14 可得分度圓直徑：d1≈0.68 a 0.875 =32.8mm，蝸桿模數(shù) m=（2a-d1）/Z2=2mm， 由此可得，d1/a=0.4。 ④計(jì)算蝸桿和蝸輪的主要尺寸和參數(shù)蝸桿： 軸向齒距 Pa=25.133mm；直徑系數(shù) q=10；齒頂圓直徑 da1=38.4mm；齒根圓直徑 df1=26.6mm ； 分度圓導(dǎo)程角γ =5.713 ° =5 ° 42 ′ 48 ″ ； 蝸桿軸向齒厚 Sa=3.56mm。 蝸輪： 蝸輪齒數(shù) Z2=Z1*i=1 x 62 =62 變位系數(shù) X2=-0.5 蝸輪分度圓直徑 d2=m * Z2=100mm 蝸輪齒頂圓直徑 da2=d2+2ha2=105.6mm 蝸輪齒根圓直徑 df2=d2-2hf2=88mm 蝸輪咽喉母圓直徑 rg2=a-0.5da2=32mm ⑤校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度： 因?yàn)槲佪嗇嘄X的齒形是較為復(fù)雜的，所以想要精確一點(diǎn)計(jì)算齒根的彎曲應(yīng)力的話是有一些困難的，因此一般來說經(jīng)常用的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算方式就會(huì)有相當(dāng)大的條件性。所以一般來說，都會(huì)把蝸輪近似的看做斜齒輪圓柱齒輪來進(jìn)行計(jì)算的，故蝸輪齒根的彎曲應(yīng)力為： σF=(KFt2/b2Mn)*YFa2*YSa2*Yε*Yβ =(2KT2/b2d2Mn)*YFa2*YSa2*Yε*Yβ≦［σF］（MPa） 當(dāng)量齒數(shù): v 2 2 Z = Z / COS 3g= 40 /(COS 5.713°) = 31.47 根據(jù) X2=-0.5， Zv2=31.47， 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖 7-15 可查得齒形系數(shù) YFa2=3.34 螺旋角系數(shù)： Y = 1- 5.71° = 0.9592 b 140° 許用彎曲應(yīng)力： [s ]= [s ]￠ * K F F FN F 從《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 7-11 中可以查得蝸輪若是由 ZCuSn10P1 為材料所制造的的話，其基本許用彎曲應(yīng)力 [s ]￠ = 56MPa 壽命系數(shù)  KFN =  = 0.762 故 [sF ]= 56 ′ 0.762 = 42.672MPa s =（1.53′1.21′1669709.6）′ 3.36 ′ 0.9592 = 32.6534MPa F 68.6 ′100 ′ 2 由于 sF ￡ [sF ] 所以，符合要求。 ⑥驗(yàn)算效率η h=（0.95 ~ 0.96）tang/ tan(l+y) Qg= 5.71° ， yg = arctanfv Fv 與相對(duì)滑速度 Vs 有關(guān)， Vs =（p* d1 * n1）? (60 ′1000 * cos5.71°) = 4.784m / s 從表 7-12 中運(yùn)用插值法可以得到 fv = 0.022432 yg = 1.285 代入式中可得 η=0.77>0.75，大于原估計(jì)值，因此因式不用重新再算一遍。 ⑦表面粗糙度的確定以及精度表面公差： 通過分析本次設(shè)計(jì)的各類要求，綜合考慮，最后確定蝸輪蝸桿的精度等級(jí)可以選擇為 8 級(jí)精度，側(cè)隙種類為 f，其中標(biāo)注為 8fGB/T 10098-1988。最后，根據(jù)有關(guān)手冊(cè)查得要求的公差項(xiàng)目以及表面粗糙度。 3.1.10 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)： ①齒輪材料的選擇以及精度等級(jí)和齒數(shù) 由于本機(jī)器為一般工作機(jī)器，速度要求并不高，因此可選擇齒輪精度等級(jí)為 7 級(jí)。 材料的選擇。初次選擇大小兩個(gè)齒輪的材料均為 45 鋼，并且需要經(jīng)過調(diào)質(zhì) 處理，硬度達(dá)到 210～250HBS。 選 擇 小 齒 輪 的 齒 數(shù) 為 Z1=24 ， 其 中 傳 動(dòng) 比 i=2.6 ， 故 大 齒 輪 齒 數(shù) 為 Z2=24x2.6=62.4，取 63。 ②計(jì)算小齒輪的參數(shù)： 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)： 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)計(jì)算公式（6-46） d1 3 同時(shí)并確定各參數(shù)為： 試選載荷系數(shù)為： Kt=1.9； 小齒輪的轉(zhuǎn)矩為： T2 = 9550 ′ (P2 / N 2 ) = 9550 ′ 2.71 /15.5 = 1669.7096 N · m 取齒寬系數(shù)φd=1.0 齒數(shù)比 u=2.6 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 6-3 查得彈性影響系數(shù) ZE=189.8MPa 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖 6-14（d）可得大小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限分別為： sHlim1 = 600MPa sHlim 2 = 550MPa 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（6-20）得應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N = 60n jL = 60 ′ 480 ′1′ (8′ 300 ′ 8) = 5.53′108 1 1 h 2 1 齒 N = N / i = 5.53′108 / 2.6 = 2.05′108 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖 6-16（曲線 1）得接觸疲勞壽命系數(shù) KHN1 = 0.93 KHN 2 = 0.98 取失效率為 1%，安全系數(shù) S=1.0. 并且接觸疲勞許用應(yīng)力為： [sH ]1 = KHN1 *sHlim1 / S = 0.93′ 600 /1 = 558MPa [sH ]2 = KHN 2 *sHlim2 / S = 0.98′ 550 /1 = 539MPa [sH ]2＜[sH ]1 計(jì)算時(shí)選取較小值。故小齒輪分度圓直徑 K T (u +1)Z 2 19 d1t 3 2.323 t 1 E [ ]2 = 41.194mm fd u sH ③圓周速度以及其他參數(shù)： v = pd1t n1 / 60 ′1000 = 1.34m / s 因?yàn)?V＜6m/s，因此選取 8 級(jí)精度最為合適。齒寬： b = fd * d1t = 1′ 23.194 = 41.194mm 模數(shù)：  m = d1t / Z1 = 1.716mm 齒高：  h = 2.25m = 3.861mm 故齒寬和齒高之比：b/h=10.66 ④計(jì)算載荷系數(shù) K： 各系數(shù)選擇如下， 查表 6-1 得使用系數(shù) KA=1.0； 由 v=1.34m/s，并且齒輪精度等級(jí)為 8 級(jí)精度，查圖 6-6 得 Kv=1.06； 查表 6-2 的齒間載荷分配系數(shù) Kα=1.0； 查圖 6-10 得齒向載荷分布系數(shù) Kβ=1.25； 故 K=KA*Kv*Kα*Kβ=1.408 ⑤校正分度圓直徑: 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算到的分度圓直徑，可得： K K d1 = d1t * 3 t = 41.194 ′ 3 1.408 1.3 = 36mm T m = d1 / Z1 = 36 / 24 = 1.5 ⑥按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì); 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（6-16）可得 m 3 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖 6-15（e）可得小齒輪與大齒輪的我拿去疲勞極限分別為： sFlim1 = 500MPa sFlim 2 = 380MPa 查圖 6-17 可得大小齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù)： YN1 = 0.92 YN 2 = 0.98 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力： 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4， 由圖 6-17 得彎曲疲勞壽命系數(shù) [s ] = YN1 *sFlim1 = 0.92 ′ 500 = 328.57MPa F 1 S 1.4 [s ] = YN 2 *sFlim2 = 0.98′ 380 = 266MPa F 2 S 1.4 計(jì)算載荷系數(shù)： K = K A * KV * Ka * Kb = 1.3568 齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù)： 查表 6-4 得 YFa1 = 2.65 YFa 2 = 2.14 YSa1 = 1.58 YSa 2 = 1.83 計(jì)算： YFa1 *YSa1 = 2.65′1.58 / 328.57 = 0.1274 [sF ]1 YFa 2 *YSa 2 = 2.226 ′1.83 / 266 = 0.01472 [sF ]2 大齒輪的數(shù)值相對(duì)來說大一些。 T m 3 = 1.648mm 通過分析上述計(jì)算所得的結(jié)果，確定最終的模數(shù) m=2mm，并且已經(jīng)知道的接 觸 強(qiáng) 度 的 分 度 圓 直 徑 d1=41.194mm ， 由 此 可 以 得 出 小 齒 輪 的 齒 數(shù) 為Z1=d1/m=53.194/2≈20 此時(shí)，大齒輪的齒數(shù) Z2=Z1*u=20 x 2.6 = 52。 最后，上述所得出的齒輪傳動(dòng)的這些數(shù)據(jù)，不僅僅在滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度的同時(shí)，還做到了使得本次設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，并避免了浪費(fèi)。 ⑦的幾何尺寸計(jì)算分度圓直徑： d1 = Z1 * m = 20 ′ 2 = 40mm d2 = Z2 * m = 52 ′ 2 = 104mm 中心距：  a = (d1 + d 2 )/ 2 =（40 + 104）/ 2 = 72.0mm 齒寬：  b = fd * d1 = 1′ 40 = 40mm 取 b1=45mm b2=41mm 綜上所述，d1=40mm， d2=104mm； a=72.0mm， m=2mm； b1=45mm， b2=41mm 3.1.11 齒輪軸的設(shè)計(jì)以及計(jì)算： ①兩根齒輪軸上的功率、轉(zhuǎn)速以及扭矩： P1=2.71Kw， P2=2Kw； N1=15.5r/min， N2=6r/min； T1=1669709.6N·mm， T2=4011000N·mm ②計(jì)算作用在齒輪上的力： 由于已經(jīng)求出了低速大齒輪的分度圓直徑 d2=104mm，故可以推出Ft2=2T2/d2=2x393770/104=1158.15N Fr2=Ft2*tan20°=421.78N 由于已經(jīng)求出了高速小齒輪的分度圓直徑 d1=40mm，故可以推出Ft1=2T1/d1=2x64520/40=1194.81N Fr1=Ft1*tan20°=1194.81x0.3642=435.15N ③初步確定軸的最小直徑： 最開始，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（8-2）我們可以初步去估算軸的最小直徑：由表 8-4 得，本次選擇 45 鋼為軸的原材料，同時(shí)還要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。由表 8-4 可以得知，當(dāng)選取的軸的材料為 45 鋼時(shí)，取 A0=112，于是得 dmin1 dmin 2 = A0 * 3 = A0 * 3 P1 = 112 ′ 3 N1 P2 = 112 ′ 3 N2 3.243 = 21.17mm 480 3.146 = 38.69mm 480 ④大齒輪軸的設(shè)計(jì)： 選擇大齒輪軸的材料： 該軸無特殊要求，因此由表 8-4 可以得出，選擇軸的材料為 45 鋼，并且需 要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。同時(shí)由表 8-2 可以清楚的知道，σb=640MPa。σs=355MPa。同時(shí)許用彎曲應(yīng)力為[σ-1]=60MPa。 確定各段軸的直徑: 通過參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 8-15，并綜合考慮上述已知的所有條件，并且依靠軸各段的直徑確定的基本原則，其中，軸段 I 處為最小直徑，并將估算軸 d=40mm 當(dāng)做外伸端直徑 d1 同時(shí)聯(lián)軸器相配合。而軸段 II 則需要考慮的是聯(lián)軸器的定位方式以及是否需要安裝密封圈，因此 d2=45mm。軸 III 是用來安裝軸承的，因此 d3=50mm。 這里的軸段 IV 是用來安裝齒輪的，同時(shí)又為了方便對(duì)齒輪的安裝以及拆卸，該處與齒輪配合的直徑 d4 必須要大于 d3，因此可以取 d4=55mm。軸環(huán)直徑 d5 不但需要滿足齒輪的定位，還必須要保證滿足右端的軸承安裝需求，故軸段 V 的直徑 d5 可以由之后選定的軸承尺寸來確定。本次設(shè)計(jì)里，軸段 VI 的直徑 d6 應(yīng)該與軸段 III 擁有同樣的直徑，故 d6=d3=50mm。 ⑤選擇軸承的型號(hào)： 由上述已知條件來進(jìn)行推測(cè)，并由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 10-1 初步選擇滾動(dòng)軸承。并且已知該軸承只是承受徑向力的作用，所以就可以選擇圓錐滾子軸承。通過對(duì)該軸承的技術(shù)要求來進(jìn)行分析的話，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 10-2 選擇取 0 為基本游隙組， 標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的深溝球軸承 6210 。該軸承的尺寸大小為 d X D X B =50mmX90mmX20mm。其中，軸承的寬度 B=20mm。并且，最小的安裝尺寸為 D=57mm， 所以可以由此得出軸環(huán)的安裝直徑 d5=57mm。 ⑥確定軸上各段的尺寸： 為了保證軸上大齒輪各方向上的穩(wěn)定性和可靠性，在選取軸段 IV 時(shí)，該尺寸需要略小于齒輪的寬度，因此取 L4=50mm。同時(shí)，依靠軸環(huán)的寬度來進(jìn)行判定， 可以選擇軸段 V 的長(zhǎng)度 L5=10mm。并且，已知軸承的內(nèi)圈寬度 B=20mm，箱體內(nèi)壁到軸承端面的距離為 10mm，由此可以選取 L6=32mm。之前便已經(jīng)得出兩軸承是相對(duì)于齒輪呈對(duì)稱分布的，這里便可以取 L3=（10+32）=42mm。并且，考慮到聯(lián)軸器可能會(huì)與軸承端蓋以及軸承箱體的尺寸發(fā)生沖突，由此來判定軸段 II 的長(zhǎng)度 L2=50mm。最后，根據(jù)聯(lián)軸器的軸孔尺寸來選取軸段 I 的長(zhǎng)度 L1=84mm。 ⑦兩個(gè)軸承之間的跨距： 由于已經(jīng)知道圓錐滾子軸承的支反力作用點(diǎn)一定是在軸承寬度的中點(diǎn)，所以兩個(gè)軸承之間的跨距 L=50+22+20+42-20=-=117mm。 3.1.12 設(shè)計(jì)小齒輪軸： 材料的確定，以及計(jì)算許用應(yīng)力：選擇小齒輪軸的材料為 45 鋼，并且需要 經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 8-2 可以清楚的知道，σb=640MPa。σs=355MPa。同時(shí)許用彎曲應(yīng)力為[σ-1]=60MPa。由于 dmin1=21.17mm，并且同時(shí)需要考慮到鍵槽尺寸大小的影響，按選取標(biāo)準(zhǔn)來考慮的話，最終取 d=22mm。 3.1.13 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 圖 3 軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 ①確定軸上所有零件的固定方式以及位置： 通過查閱資料，可以了解到減速器的安裝要求，所以在本次設(shè)計(jì)中將齒輪安排在箱體的正中央部位，軸承這是呈對(duì)稱分布在齒輪的兩邊。并且，小齒輪的尺寸較小，可以考慮是否將其做成齒輪軸。兩端的軸承是由套筒來實(shí)現(xiàn)的軸向定位， 同時(shí)又是依靠著過盈配合來實(shí)現(xiàn)的周向定位，而軸又是通過了兩端軸承蓋來實(shí)現(xiàn) 軸向定位，并且，小齒輪存在著的兩端設(shè)置軸肩是給擋油環(huán)定位的。 ②確定軸各段的直徑： 軸段 I 為軸上的最小直徑，因此選擇了 D1=22mm。 由于軸段 II 需要考慮密封圈的安裝，因此選擇 D2=30mm。 軸段 III 為安裝軸承，為了方便安裝，D3 必須大于 D2，而且還必須要和軸承內(nèi)徑的標(biāo)準(zhǔn)相符合。因此選擇 D3=35mm。（本次設(shè)計(jì)所選擇的軸承的型號(hào)為 6207， 它的尺寸為：d X D X T =35mm X 72mm X 17mm，其中，安裝尺寸可以取為 42mm）。 軸段 IV 在小齒輪兩邊呈對(duì)稱設(shè)置的軸肩 D4=40mm，由軸承的安裝尺寸可以得出 D4=42mm。 軸段 V 安裝軸承，應(yīng)該和軸段 III 取同樣的尺寸，D5=35mm。 ③各個(gè)軸段的長(zhǎng)度： 軸段 IV 需要考慮給擋油環(huán)進(jìn)行定位，根據(jù)簡(jiǎn)圖所描繪的，可以初步取值 L4=83mm。 軸段 V 的長(zhǎng)度需要考慮箱體內(nèi)壁到軸承端面的距離，以及要考慮到軸承的尺寸及型號(hào)。故取 L5=30mm。 軸段 III 是需要安裝軸承的，因此選擇 L3=30mm。 軸段 II 是考慮到了軸承蓋的螺釘?shù)陌惭b與拆卸需要空間，故取 L2=50mm。軸段 I 考慮到安裝零件的需要，取 L1=65mm。 全軸總長(zhǎng)： L=65+50+30+30+83=258 ④兩個(gè)軸承之間的跨距： L′=83+30+30-17=126mm ⑤按彎矩復(fù)合強(qiáng)度計(jì)算： LA+LB= L′/2=126/2=63mm 3.1.14 高速軸上的功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩： ①繪制軸受力簡(jiǎn)圖（如圖 a）： 圖 a 軸受力簡(jiǎn)圖 ②繪制垂直面彎矩圖（如圖 b）： 圖 b 垂直面彎矩圖 ③軸承支反力： FAY=FBY=Fr1/2=435.15/2≈217.58N FAZ=FBZ=Ft1/2=1194.81/2≈597.41N 因?yàn)閮蛇吺菍?duì)稱的，所以可以由此了解到截面 C 的彎矩也是對(duì)稱的。截面 C 在垂直面的彎矩為： MC1=FAy*LA=217.58 x 63=13707.54N?mm 圖 c 彎矩圖 截面 C 在水平面的彎矩（如圖 c）為： MC2=FAZLB=597.41X63=37636.83 N?mm ④繪制合彎矩圖（如圖 d）： 圖 d 合彎矩圖MC=√(MC12+MC22) =40055.31 N?mm ⑤繪制扭矩圖（如圖 e）： 圖 e 扭矩圖 可得轉(zhuǎn)矩為： T=9550x1000000x（P1/N1）=64520 N?mm ⑥繪制當(dāng)量彎矩圖（如圖 f）： 圖 f 當(dāng)量彎矩圖 我么可以得知由轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力是根據(jù)脈動(dòng)循環(huán)所變化的，所以取 α=0.6，同時(shí)可以計(jì)算出在截面 C 處的當(dāng)量彎矩為： Mec = = 55705.0N · mm ⑦校核危險(xiǎn)截面 C 的強(qiáng)度： scaL = Mec = 55705.0 / 0.1d3 = 55705.0 / 0.1′ 353 = 13MPa W 由上述內(nèi)容可以確定軸的材料為 45 鋼，同時(shí)還要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 8-2 得 ［σ-1b]=60MPa＞σca1 因此，該軸的強(qiáng)度是足夠的。 3.1.15 蝸桿軸的設(shè)計(jì)： ①軸徑： 由已知的公式 d 3 C * 3 P1 = 112 ′ 3 N1 3.96 = 17.96mm 960 并且，T2=39.4N?M 因?yàn)檫@是一根高速軸，所以我們會(huì)選擇 TL 型彈性套柱銷聯(lián)軸器。并且，之前已經(jīng)求出蝸桿的分度圓直徑為 32.8mm，齒根圓的直徑為 26.6mm，按照每一個(gè)臺(tái)階相差 3-5mm 估計(jì)，第一段軸徑初選 40mm。并且由于考慮到安全因素等各個(gè) 方面的問題，因此選擇的軸孔的直徑為 62mm，軸長(zhǎng)為 112mm，但是由于現(xiàn)實(shí)因素的更多方面的考慮，取值 110mm。 第二段軸是可以根據(jù)密封圈來確定的，由于已知第一段直徑，所以第二段軸徑取 24mm。 第三段軸上需要安裝的是圓錐滾子軸承，蝸桿軸直接選用 03 系列。因此軸承標(biāo)準(zhǔn)件取得的內(nèi)徑為 20mm。 第四段因?yàn)槭禽S肩，有另外的要求，需要將直徑放大 6～10mm，所以可以取值為 24mm 便足夠了。 第五段軸的尺寸，是由蝸桿的齒根圓尺寸來確定的。已經(jīng)求得齒根圓為 26.6mm，所以兩邊的軸徑相對(duì)來說略小一點(diǎn)，取值 24mm。 第六段的蝸桿齒，齒根圓 26.6mm，分度圓 32.8mm，齒頂圓 38.4mm。第七段軸同第五段軸，選 24mm。 第八段軸同第五段軸，選 24mm。第九段軸同第四段軸，選 18mm。 ②確定蝸桿軸上各段軸的軸長(zhǎng)： 已知第一段軸長(zhǎng)為 110mm，變位系數(shù)為 X2=-0.5，并且取（11+0.06Z2）m 和 （10.5+Z1）m 的最大值，為 23mm。 箱體內(nèi)壁的距離為 256+22=278mm，同時(shí)軸承座的外端面距離箱體的外箱壁 4mm，由于本次設(shè)計(jì)中，是內(nèi)伸入式軸承座，就需要做到蝸輪和內(nèi)部斜面距離有一個(gè)箱壁的厚度，因此外端面內(nèi)伸距離的最深處取 55mm。同時(shí)還要保留 3mm 的油潤(rùn)滑間隙，由此可知蝸輪齒兩側(cè)到每段軸承都有 54mm 的距離。兩個(gè)軸肩取 10mm，同時(shí)增加濺油盤 10mm，尺寸剛剛正好吻合。因此，蝸輪桿兩側(cè)距離兩個(gè)軸肩為 34mm，兩個(gè)軸肩的外側(cè)都加上軸承和擋油盤，寬度分別是 33.5mm 和 10mm，相加取整得 44mm。第二段需要伸出端蓋，取整為 40mm。軸端的倒角為 2x45°?？傒S長(zhǎng) 186mm。 3.1.16 鍵連接： ①聯(lián)接軸與聯(lián)軸器的鍵： 選擇單頭普通平鍵（A 型），基本尺寸為 bXhXL=18mmX10mmX125mm，配合軸的直徑為 d=63mm。 校核鍵連接的強(qiáng)度：軸、鍵以及輪轂的原材料都是選擇的鋼，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 4-1 可得[σp]=100～120Mpa，取中間值[σp]=110MPa。鍵在工作時(shí)的工作長(zhǎng) 度為 l=L-（b/2）=116mm。輪轂和鍵的接觸長(zhǎng)度為 K=0.5h=5mm。因此： sp = 2 ′T2 ′103 /(k * l * d) = 47.54MPa＜[s ] p 因此鍵的強(qiáng)度合格。 ②聯(lián)接軸與齒輪的鍵： 選擇圓頭普通平鍵（A 型），基本尺寸為 bXhXL=22mmX14mmX80mm，配合軸的直徑為 d=80mm。 校核鍵連接的強(qiáng)度：軸、鍵以及輪轂的原材料都是選擇的鋼，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 4-1 可得[σp]=100～120Mpa，取中間值[σp]=110MPa。鍵在工作時(shí)的工作長(zhǎng)度為 l=L-（b/2）=69mm。輪轂和鍵的接觸長(zhǎng)度為 K=0.5h=7mm。因此： s = 2 ′T ′103 = [s ] 2 p k * l * d 44.96MPa＜ p 因此鍵的強(qiáng)度合格。 3.1.17 潤(rùn)滑油的選擇： ①選擇齒輪的潤(rùn)滑：由于本次設(shè)計(jì)為較小型的產(chǎn)品，故采用 GB443-89 全損耗系統(tǒng)用油 L-AN15 潤(rùn)滑油。 ②蝸桿減速器的潤(rùn)滑：根據(jù)滑動(dòng)速度來選擇，因此，選用蝸輪蝸桿油 680 號(hào)。 ③軸承的潤(rùn)滑：由于本次設(shè)計(jì)為較小型的產(chǎn)品，故采用 GB443-89 全損耗系統(tǒng)用油 L-AN15 潤(rùn)滑油。 3.1.18 聯(lián)軸器的選擇： 由之前軸的計(jì)算過程可以得知，蝸桿軸選擇的是 TL4 彈性套柱銷聯(lián)軸器，低速軸采用的則是 HL5 彈性柱銷聯(lián)軸器。 3.2 翅膀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)： 3.2.1 翅膀機(jī)構(gòu)的總體要求：實(shí)現(xiàn)翅膀的上下?lián)]拍動(dòng)作 3.2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇： 表 3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)構(gòu)類型 搖桿滑塊（滑桿）機(jī)構(gòu) 雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu) 單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu) 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn) 具有結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)對(duì)稱性 最簡(jiǎn)單、效率高、重量輕、容易微小化 缺點(diǎn) 滑塊使用時(shí)相對(duì)摩擦較大，效率不高 較難實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)微 小化 翅膀兩邊動(dòng)作不完全對(duì)稱，存在相位差 3.2.3 驅(qū)動(dòng)方式的選擇： 本次設(shè)計(jì)中，對(duì)于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，選擇的是驅(qū)動(dòng)連桿與搖桿直接連接的方式，這個(gè)設(shè)計(jì)使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)變得更加簡(jiǎn)單，制造方面更加容易，最重要的是在于可靠性非常之高；缺點(diǎn)也有，則是在于展翅的過程中可能會(huì)存在相位差，但是整個(gè)翅膀機(jī)構(gòu)的尺寸相對(duì)來說是很小的，這個(gè)細(xì)小的差別對(duì)整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的影響是可以忽略不計(jì)的，所以選擇了這種驅(qū)動(dòng)方式。 3.2.4 機(jī)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算： 圖5:驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖 根據(jù)雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)左右對(duì)稱的原則，如圖 5。為了方便研究，因此以右邊的翅膀作為研究對(duì)象。假設(shè) a、b、c、d 分別代表驅(qū)動(dòng)曲柄 AB、連桿 BC、撲動(dòng)桿 CD 和機(jī)架 AD 的長(zhǎng)度，為了方便計(jì)算，令 CD 長(zhǎng)度為 1。如圖 6，給定翅 30 膀撲動(dòng)幅值? 、極位夾角θ， CD 長(zhǎng)度，C1、C2 分別為翅膀下?lián)浜蜕蠐涞臉O限位置。由給出的行程速比系數(shù) k 和拍動(dòng)幅值?，選用該曲柄搖桿形式作為翅膀的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 可知 AC1 、AC2 為驅(qū)動(dòng)曲柄 AB 與連桿 BC 共線的位置， 所以可以得到 AB+BC=AC1，BC－AB=AC2。在該曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，A 點(diǎn)在圓弧上，由 C2 點(diǎn)向點(diǎn) E 移動(dòng)的過程當(dāng)中，機(jī)架的長(zhǎng)度 d 是持續(xù)增大的，因此是可求出機(jī)架長(zhǎng)度 d 的范圍。當(dāng) A 在 C2 處的時(shí)候，機(jī)架長(zhǎng)度 d 取最小值 dmin=1；當(dāng)點(diǎn) A 在點(diǎn) E 處時(shí)，機(jī)架長(zhǎng)度 d 取最大值；在△OC1E 中，有： sin f R = ?2 sinq C1E = 2Rcos f （ -q） 2 由此可以得到：  f ?f ? 2sin 2 cos? 2 -q÷ dmax = DE = C1E -1 = è sinq ? -1 由此可以得到機(jī)架長(zhǎng)度 d 的范圍大?。? f ?f ? 2sin 2 cos? 2 -q÷ 1＜d＜ è sinq ? -1 上述內(nèi)容求出了撲動(dòng)幅值?、極位夾角θ，并且確定了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)架長(zhǎng)度的范圍大小，同時(shí)也保證了翅膀機(jī)構(gòu)的尺寸在合理范圍內(nèi)。 根據(jù)文獻(xiàn)[56]在撲動(dòng)桿長(zhǎng)度為 1 的情況下，關(guān)于曲柄搖桿有如下結(jié)論： a 2cos2 ?q? + b2sin2 ?q? = sin2 ?f? ? 2 ÷ ? 2 ÷ ? 2 ÷ è ? è ? è ? a 2cos2 ?f-q? + b2sin2 ?f-q? = d2sin2 ?f? ? 2 ÷ ? 2 ÷ ? 2 ÷ è ? è ? è ? 通過解上面的兩個(gè)方程，可以得到 a、b 的相對(duì)長(zhǎng)度公式為： a = b = 在翅膀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之中，驅(qū)動(dòng)曲柄 AB 是通過逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，待到旋轉(zhuǎn)到和機(jī)架 AD 共線的兩個(gè)位置 AB3、AB4 的時(shí)候，傳動(dòng)角可能會(huì)出現(xiàn)最小值。所以可以得知， 最小傳動(dòng)角γmin 會(huì)出現(xiàn)在 B3 點(diǎn)。 b2 +1- (d - a )2 cosgmin = 2b 聯(lián)立上述已知的公式，求解可以得到最小傳動(dòng)角γmin 和機(jī)架長(zhǎng)度 d 的關(guān)系方程： gmin = arccos 同時(shí)可求得：  g = sin  2 ? f - q ? 1 ? ÷ è 2 ? sin f ÷ ? g = ?2 2 sin ? f - q ? è 2 ? g 3 = sin 2 q 2 通過分析最小傳動(dòng)角γmin 和機(jī)架長(zhǎng)度 d 的關(guān)系，并且根據(jù)機(jī)架長(zhǎng)度 d 的范圍大小可以得到最小傳動(dòng)角，通過這樣來衡量翅膀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能是否能夠滿足本次設(shè)計(jì)的要求。 在滿足驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性同時(shí)，還需要翅膀撲動(dòng)參數(shù)滿本次論設(shè)計(jì)的要求。所以連桿 CD 在極限位置 C2 的水平夾角幅值被記為?上。已知翅膀撲動(dòng)幅值 ? ，此時(shí)機(jī)架安裝角δ決定?上的大小。由圖 5 可知，在△C2DA 中有： DC2 DA = arccos d= f上 + DC2 DA 1+ d2 - (b - a )2 2d 解上述方程可得： d= f上 + arccos  1+ d2 - (b - a )2 2d 且可以把驅(qū)動(dòng)曲柄 AB 以和機(jī)架共線的地方看做初始位置，以角速度ω進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，令φ為任意時(shí)刻中翅膀和水平面的夾角，并且建立任意時(shí)刻里驅(qū)動(dòng)曲柄角度α與翅膀上下?lián)鋭?dòng)幅值φ的關(guān)系，通過考慮已經(jīng)建立的坐標(biāo)系可得： B(acos(d-a)，asin(d-a))； D(dcosd，dsind)； C(- cosj+ dcosd，- sinj+ dsind)； 已知連桿 BC 的長(zhǎng)度為 b，可確定翅膀驅(qū)動(dòng)角α與翅膀上下?lián)鋭?dòng)幅值φ的方程： 已經(jīng)求出翅膀驅(qū)動(dòng)角α與翅膀上下?lián)鋭?dòng)幅值φ的方程，可以此得知各驅(qū)動(dòng)桿長(zhǎng)的情況下，翅膀上下?lián)鋭?dòng)幅值能不能滿足本次設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可行性。 在本次設(shè)計(jì)中，? 取值為 60°，上撲角幅值?上取 38°；根據(jù)文獻(xiàn)[17]可以得知，最小傳動(dòng)角γmin 和極位夾角θ是成反比例的，所以為了使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能保證良好的情況下，極位夾角θ應(yīng)該取值 15°。 已知翅膀的撲動(dòng)參數(shù)? 、θ，以及機(jī)架長(zhǎng)度的大小，同時(shí)還有在該條件下所對(duì)應(yīng)的最小傳動(dòng)角的最大值和機(jī)架長(zhǎng)度 d，可以得到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)其他單位的桿長(zhǎng)， 由翅膀的上幅值?上來確定翅膀的機(jī)架安裝角度。將翅膀撲動(dòng)參數(shù)? =60°、θ =15°值分別代入公式得： 1＜d＜7320508 g1 = 0.1464466 g2 = 1.9318517 g3 = 0.017037086 將上述所求得的結(jié)果代入γmin 的因式，可得： gmin = arccos{[0.932d2 - 0.932 + 2d 1.932(0.146 - 0.017d2 )]/[2 1.932(d2 - 0.017d2 -1+ 0.146)]} 通過上式，得出最小傳動(dòng)角和機(jī)架長(zhǎng)度關(guān)系。 當(dāng)機(jī)架長(zhǎng)度 d 取值為 1.256 時(shí)，γmin 能夠取得最大值 41.23°＞40°， 并且同時(shí)滿足了傳動(dòng)角的設(shè)計(jì)要求。把 d、? 、θ值代入上述方程得： a = 18mm b = 43.5mm c = 37.5mm d = 47.1mm 所以可知，?上=37.77°；?下=22.16°；? =59.93°。符合本次設(shè)計(jì)的要求。因此同時(shí)也驗(yàn)證了圖解法應(yīng)用在翅膀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上是滿足要求的。 3.2.5 翅膀機(jī)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算及電機(jī)的選擇： 由于無刷電機(jī)擁有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如：噪聲低、可控制性好。所以選用無刷電機(jī)。通過連接無刷電調(diào)，便可以控制輸出的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)翅膀撲動(dòng)頻率大小的目的。 機(jī)械小黃鴨的翅膀撲動(dòng)頻率低，負(fù)載不大，作用力臂長(zhǎng)，因此可以選擇直接使用該電機(jī)配備適當(dāng)?shù)碾娬{(diào)直接驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)系，然后借此控制住齒輪系的輸出轉(zhuǎn)速。其中齒輪傳動(dòng)是翅膀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的連接部分，通過電機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化翅膀的上下?lián)鋭?dòng)。通過本次設(shè)計(jì)，考慮到齒輪傳動(dòng)的傳遞效率好，傳動(dòng)形式也容易實(shí)現(xiàn)， 并且加工也方便。但是由于齒輪不是對(duì)稱排布，齒輪軸就必須要有較大的剛度， 并且要滿足齒輪副所需要的轉(zhuǎn)矩，選擇傳動(dòng)齒輪的分布，需要注意高速運(yùn)轉(zhuǎn)齒輪要遠(yuǎn)離輸入端，用來避免載荷分布不均，一般情況下，齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比在8~60[15]。在已知的情況下，兩級(jí)齒輪所選擇的材料是相同的，并且齒寬系數(shù)也是同樣的，齒面接觸強(qiáng)度也是大致相等的，并保證兩齒輪的模數(shù) m 相等。翅膀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪傳動(dòng)采用的是三級(jí)齒輪減速傳動(dòng)，所有齒輪的減速比，由機(jī)械設(shè)計(jì) 手冊(cè)可得。具體如表 4 所示： 表 4 齒輪傳動(dòng)比 齒輪級(jí)數(shù) 傳動(dòng)比 1 級(jí) 1.25—6.30 2 級(jí) 7.10—20.0 3 級(jí) 22.4—100 4 級(jí) 112—500 圓柱齒輪的壓力角α是已知的標(biāo)準(zhǔn)值，便于齒輪的設(shè)計(jì)、制造和使用，一般情況下α=20°。在實(shí)際中，齒輪的模數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，翅膀機(jī)構(gòu)的撲動(dòng)頻率設(shè)定在 1~5Hz，齒輪系統(tǒng)的傳動(dòng)比設(shè)定為 50.3，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)采用的是三級(jí)齒輪減速方案，選齒輪的模數(shù) m=0.8。確定各個(gè)齒輪的齒數(shù)分別為為 Z1'=10Z2=36，Z2'=14，Z3=46，Z3'=15，Z4=65，Z5=65（帶上標(biāo)的表示主動(dòng) 輪），最終翅膀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為：i=51.3。齒輪傳動(dòng)方案，齒輪 1 直接與電機(jī)的輸出軸固定，通過驅(qū)動(dòng)雙聯(lián)齒輪 2、3 齒輪 4、5，然后帶動(dòng)齒輪 4、5 上的曲柄桿轉(zhuǎn)動(dòng)，最后帶動(dòng)撲動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)。 根據(jù)之前所計(jì)算的參數(shù)，撲動(dòng)幅值? =60°、極位夾角θ=15°、撲動(dòng)頻率 1~5Hz，，翼展總長(zhǎng)為 1.2m，最大重量 600g。取翅膀最大撲動(dòng)頻率 5Hz，撲動(dòng)周期 T=0.2s，由極位夾角θ，可知下?lián)潆A段撲動(dòng)時(shí)間 t=0.542T=0.1084s。翅膀在運(yùn)動(dòng)過程中，一邊翅膀承擔(dān)一半的重量，一邊翅膀所受到的力矩 T 為： T = F · l = 1 mg ′ 2 ′ 1 s = 1 ′ 0.6 ′ 9.8′ 2 ′ 1 ′1.2 = 1.176N · m 2 3 2 2 3 2 翅膀向下?lián)浯驎r(shí)的平均角速度為： w= Dj t 60 ′ p = ??180 = 9.6556rad / s 0.1084 根據(jù)潘爾振[13]的文獻(xiàn)資料，我們可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行選擇，升力安全系數(shù)初步選為 Clife=5，齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)效率η=0.7，所以電機(jī)的輸出功率為： P = C Tw= 5′ 1.176 ′ 9.6556 = 81.107w 電機(jī) life h 0.7 所以得到了電機(jī)功率，選擇 MT2206 KV1900 直流無刷電機(jī)，該電機(jī)具有提高效率，減小電機(jī)震動(dòng)，降低電機(jī)發(fā)熱的功效。 3.3 腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)： 3.3.1 選用凸輪機(jī)構(gòu) 考慮到凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式，利用凸輪輪廓曲線來準(zhǔn)確地控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)路線，該設(shè)計(jì)方案分別對(duì)大腿和小腿的不通話運(yùn)